专利名称：制浆蒸煮过程纸浆卡伯值在线光谱测量系统及测量方法
技术领域：
本发明是制浆蒸煮过程纸浆卡伯值在线光谱测量系统及测量方法，属制浆造纸技术及设备。
纸浆卡伯值是目前衡量原料脱木素程度的最简便、最重要的指标，它直接影响纸浆的质量和产量。实现纸浆卡伯值的在线测量，在蒸煮过程中可以直接控制纸浆的质量；在漂白前可以作为浆料的质量指标，因此卡伯值的在线分析和控制是化学制浆中最困难和最有经济潜力的。稳定纸浆卡伯值，可以提高纸浆的得率(产量)，稳定纸浆的质量，减少能源、原料消耗和环境污染，因此，纸浆卡伯值的可测性及可控性是制浆造纸厂提高产品质量、降低生产成本的关键。为此，世界各国同行在研究纸浆卡伯值的在线测量方法和测量仪表方面进行了积极的探索。在七十年代，美国、加拿大等国的一批专家对此都进行过这方面的研究，但研究结果表明进行卡伯值在线测量时重现性很差，它们的研究虽都有其新的研究思路，但均处于实验室探索阶段，均未制成商品，无法应用于生产过程中；尽管也有报道尝试利用紫外线直接测量蒸煮过程蒸煮液中溶出的木素含量去实现纸浆卡伯值的在线测量。但是，如果要利用紫外线通过测量蒸煮循环液而得出纸浆卡伯值，最大的问题就是蒸煮循环液在紫外线区的吸收太强，必须对蒸煮液进行稀释预处理，需要复杂的稀释系统，这常常导致测量取样很难达到所需的精度而产生较大的误差，所以这种方法的实用性也较差。最近，美国亚特兰大制浆造纸学院的柴欣生博士等，直接利用实验室测量纸浆卡伯值的化学分析法原理，通过测量在纸浆与高锰酸钾溶液反应前后，高锰酸钾溶液在可见光区域的吸光度变化，来测得被测纸浆所消耗的高锰酸钾量，从而反映浆中的木素含量，达到对纸浆卡伯值测量的目的。在测量过程中，为了防止在纸浆与高锰酸钾反应过程中产生MnO2沉淀，影响高锰酸钾溶液吸光度的测量，整个测量过程必须在强酸的环境下进行；并且由于纸浆中的木素与高锰酸钾反应需耗时3分钟，所以此种方法所需的测量时间至少为3分钟。由此可见，该测量方法仍然沿用从分析纸浆入手来获得纸浆卡伯值的传统思路；而且，由于必须采用洗净的纸浆为原料，因此纸浆洗涤需要复杂的预处理装置。可见，此种测量方法目前仍然局限于实验室，不能实现实际生产过程中纸浆卡伯值的在线测量。
目前测量卡伯值使用的方法包括化学分析法和光学分析法两大类型，国内大多数的制浆造纸企业采用离线的传统化学分析法来测定纸浆的卡伯值，这种测量方法是取最终产品-纸浆为样品，然后在实验室中测量分析，取得结果后反馈到生产中去。因而导致如下的局限性①不可能在线测量由于制浆蒸煮过程通常需要在高温高压下进行，所以几乎不可能对反应过程中纸浆的卡伯值进行在线测量；②测量不准确这种测量方法很容易由于浆的洗净程度、滴定终点的判断、浆样的称重等人为因素而带来误差，从而影响整个制浆过程的监控；③测量及监控不及时实验室远离生产现场，采样、制备样品又消耗不少时间，结果无法实时控制生产过程，因而使得目前工厂纸浆卡伯值的波动范围通常为±5个单位，这是阻碍产品质量提高的主要因素。而光学分析法具有快速、样品基本无需预处理、对待测物状态适应性强、分辨率高、可遥测、对环境适应能力强等优点，逐步用于纸浆卡伯值的在线测量仪表的开发。其中以已商品化的在八十年代末由瑞典纸浆造纸研究所(STFI-Swedish Pulp＆Paper Raper Research Institute)研制的光学式卡伯值分析仪为代表，利用纸浆卡伯值由纸浆中的木质素含量所决定的这个本质，直接采用纸浆对紫外光的吸收/散射法测量纸浆的卡伯值，主要用于漂白过程的脱木素过程控制和连续蒸煮过程纸浆卡伯值的测量，但是，此卡伯值分析仪本身的测量原理和用途决定了它用于蒸煮过程纸浆卡伯值的在线测量主要有以下缺点①由于仪表所需试样为浆料，所取浆料体积或重量的准确性及浆料洗涤的干净程度等对测量有较大的影响，而导致这种仪表测量有较大的测量误差；②纸浆中的木素、半纤维素和纤维素不可避免地产生交叉吸收，而这些仪表只采用了木素在紫外光谱内的280nm这一特征吸收峰进行测量，而该特征峰值随原料的种类、蒸煮方法等不同有所变化，所以此卡伯值分析仪为了避开半纤维素和纤维素的干扰而采用了多种参比和校正技术，致使光路比较复杂，从而增加了设备的成本，降低了设备的可靠性，增大了仪器设备维护的难度；③由于这些仪表均是直接通过对纸浆探测来进行纸浆卡伯值的测量，而在间歇蒸煮过程中取出纸浆是十分困难的，因此这些仪表用于间歇蒸煮过程的纸浆卡伯值的在线测量几乎是不可能的。
本发明的目的就是为了克服和解决现有纸浆卡伯值测量技术中存在测量仪表无法实现实际生产过程中纸浆卡伯值的在线测量、测量不准确、不及时、测量误差大、测量设备较复杂、成本较高、可靠性差等的缺点和问题，研究发明一种能在制浆蒸煮工艺初期，应用光谱测量技术动态在线测量制浆过程循环蒸煮液中木素浓度并预测残留在纸浆中的木素含量来实现纸浆卡伯值的在线测量及蒸煮终点的预报，实现生产过程中纸浆卡伯值实时、准确、可靠的测量，并且测量系统简单、成本低的纸浆蒸煮过程纸浆卡伯值在线光谱测量系统及其测量方法。
本发明是通过下述技术方案来实现的制浆蒸煮过程纸浆卡伯值在线光谱测量系统结构示意图如
图1所示，其测量程序软件流程方框图如图2所示。本发明的测量原理是根据制浆蒸煮工艺，在蒸煮初期，每次加入蒸煮锅中的总木片量是一定的，随着蒸煮过程的进行，木片中的木素不断脱除，逐渐溶入蒸煮液中，而纸浆卡伯值则表示了残留在浆中的木素含量；虽然蒸煮过程中难于取出纸浆，但是循环蒸煮液却是易于取样的，那么，采用逆推法，通过对循环蒸煮液的分析，将光谱测量技术应用于制浆过程蒸煮液中木素浓度的动态在线测量，通过测量溶入蒸煮液中的木素含量去预测残留在纸浆中的木素含量，从而实现纸浆卡伯值的在线分析测量及蒸煮终点的预报。本发明包括下述三个方面根据上述测量原理，从光谱测量原理出发，推导出了在每锅次的木片装锅量Lo一定的情况下，亚硫酸盐法蒸煮过程纸浆卡伯值光谱法在线测量的基本数学模型为Ka=-Vkbη·A+Loη]]>=-Vkbη·A+B]]>考虑每锅次木片装锅量Lo的波动，引入修正因子ε，提出上述基本模型的修正模型为Ka=-Vkbη·A+ϵ·B]]>修正因子ε的计算公式为ϵ=LoLo‾=s‾ss=d(PSO2)dt=P′SO2-P″SO2t]]>式中，s为二次升温过程锅内SO2分压升高速率的平均值；在纸浆卡伯值在线测量数学模型的基础上，从亚硫酸盐蒸煮脱木素动力学出发，建立了蒸煮过程终点的理论预报模型De=η(ϵB-Kae)]]>De=∫otekoe-ERT(PSO2)0.75·dt]]>即己知蒸煮目标卡伯值Kae，便可计算出与目标纸浆卡伯值所对应的D因子值De；通过测量出的蒸煮温度T、蒸煮锅内SO2分压 则可计算出蒸煮终点时间te，实现蒸煮终点的预报；另外，通过数据经验回归的办法，得到了蒸煮终点的实验预报模型Ae=kbη(ϵB-Kae)Vte=eAe+18.2333.3808]]>这为蒸煮终点的控制提供多一种控制方法；上述模型中，考虑每锅次木片装锅量Lo的波动，引入修正因子ε，并从比尔-朗伯定律和脱木素机理的基本数学模型出发推导出的亚硫酸盐法间歇蒸煮过程纸浆卡伯值的在线测量理论模型和蒸煮终点的预报模型是本发明的创新之一。
本发明的创新之二是纸浆卡伯值在线测量系统的构成及其测量方法制浆蒸煮过程制浆卡伯值在线光谱测量系统由蒸煮锅1、瓦斯冷却器2、蒸煮锅外循加热器3、蒸煮锅外循环泵4、取样阀5、过滤器7、流动槽8、卡伯值在线光谱分析仪10、蒸煮过程控制计算机11、温度变送器13、压力变送器14共同连接构成，其相互连接关系为蒸煮锅1内装置有温度变送器(温度传感器)13和压力变送器(压力传感器)，蒸煮锅1分别通过管道分别与瓦斯冷却器2、蒸煮锅外循环加热器3、蒸煮锅外循环泵4、流动槽8相连接连通；瓦斯冷却器2通过管道与酸液回收系统连接；蒸煮锅循环加热器3通过取样管6分别与蒸煮锅外循环加热器3、蒸煮锅外循环泵4相连接连通；过滤器7分别通过管道分别与取样阀5、流动槽8相连接连通；卡伯值在线光谱分析仪10分别通过光纤9、光谱信号输出线分别与流动槽8、蒸煮过程控制计算机11相连接；计算机11分别通过取样阀控制信号线、蒸煮锅温度信号线、蒸煮锅压力信号线、瓦斯冷却器控制信号线、计算机数据信号输出线分别与取样阀5、蒸煮锅内温度变送器13、蒸煮锅内压力变送器14、瓦斯冷却器2、显示器或打印机相连接。
制浆蒸煮过程纸浆卡伯值在线光谱测量方法步骤如下(1)输入工艺规定的蒸煮目标纸浆卡伯值Kae(15～21)；(2)输入蒸煮锅内总压力P(0.2～0.8MPa)和温度T(80～140℃)；(3)进入中间保温阶段后，开始计算蒸煮锅内总压力P的变化率dP/dt；(4)在中间保温和二次升温过程中，记录dP/dt从一负值变化为一正值再变为零值的两个时间t1(160～170分钟)和t2(185～205分钟)，以及相应时刻的锅内总压力Pt1(6.0～6.6kg/cm2)、Pt2(7.0～7.3kg/cm2)和温度T1(116～117℃)、T2(137～138℃)；(5)按照P′SO2=Pt1-PT1,P″SO2=Pt2-PT2,t=t2-t1,]]>S=P′SO2-P″SO2t,]]>ϵ=s‾s]]>计算修正因子ε；(6)按照Ae=23.62ϵ-Kae13.59,]]>te=eAet18.2333.3808]]>计算达到工艺规定的目标卡伯值Kae所需要的蒸煮时间te；(7)用在线光谱测量仪测量出蒸煮液的吸光度A；(8)根据Ka=23.62ε-13.59A计算实时的纸浆卡伯值并显示；(9)按照Δt=te-t计算要达到工艺规定的目标卡伯值Kae尚剩余的蒸煮时间Δt；(10)蒸煮时间达到，开始大放汽，结束蒸煮过程。
通过对亚硫酸盐纸浆卡伯值光谱法在线测量机理的研究和试验实践证明，发明了亚硫酸盐法蒸煮液在460nm-580nm的可见光波段内的吸收主要是来自其中的磺化木素，而其中的糖类和水分基本没有吸收或吸收很少；这一重要发明为光谱技术在纸浆卡伯值在线测量的应用提供了理论依据，在所选波段内，蒸煮液的吸光度不仅能静态反映蒸煮液中木素含量的变化，而且可见光光谱也能较好地表征木材原料亚硫酸盐法蒸煮过程动态脱木素历程，这是实现纸浆卡伯值光学在线测量的关键，为光谱技术运用于纸浆卡伯值的在线测量提供了进一步佐证，同时，也为研究蒸煮过程脱木素历程提供了一种更为方便的新方法；本发明表明，亚硫酸盐蒸煮液在所选波段内的吸光度，不仅能表征蒸煮液中的木素含量，而且能表征残留在浆中的木素含量，即纸浆卡伯值的高低，从而验证了研究测量思路的正确性。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有意效果(1)本发明能应用光谱测量仪和光谱测量技术实现实时动态在线测量制浆蒸煮过程中的纸浆卡伯值(2)测量系统简单，制浆卡伯值的测量准确、可靠；(3)将本发明应用到亚硫酸盐法制浆生产现场，通过在生产现场的试验性运行和测试表明，采用本发明来测量控制亚硫酸盐纸浆的卡伯值是可行和成功的，纸浆质量的一等品率从原来的55％提高到70％；(4)采用本发明可以预报剩余的蒸煮时间，实现纸浆卡伯值的预报控制，将蒸煮粗浆的卡伯值控制在±2以内通过数理统计分析比较显示，本发明的控制效果优于现有技术，能带来一系列的经济效益。
下面对说明书附图进一步说明如下图1是制浆蒸煮过程纸浆卡伯值在线光谱测量系统结构示意图；图2是制浆蒸煮过程纸浆卡伯值在线测量及显示程序流程框图。
本发明的实施方式可为如下(1)按图1所示，订购或选用各部件设备，例如蒸煮锅1可选用型号为DGL80-4300的固定直立式蒸煮锅；瓦斯冷却器2可选用板式SNB20型；蒸煮锅外循环加热器3可选用型号为UH350的板式圆筒型加热器；蒸煮锅外循环泵4可选型号为SX11的双吸离心式外循环泵；取样阀可选DF1-1-15型；取样管6或其它连接管道可选用工业用塑料管或镀锌金属管；过滤器7可选用孔直径为0.45μm的微孔滤膜，流动槽8可选工业塑料板或铝合金板用普通机加工方法加工制造；光纤9可选用直径为200μm的单芯多模光纤；卡伯值在线光谱分析仪可选用723型可见光光度计；纸浆蒸煮过程纸浆卡伯值在线测量程序控制计算机11及显示器、打印机可选XT586型及配套显示器、打印机；温度变送器(温度传感器)可选用Tr型系列；压力变送器(压力传感器)可选用YSC系列；选用好上述部件设备后，再按照上面说明书所述相互连接关系，进行安装连接，便能较好地实施本纸浆卡伯值在线光谱测量系统；(2)利用上述安装好的纸浆卡伯值在线光谱测量系统，再按上面说明书测量方法步骤进行逐步操作，便能在实际生产过程中准确、可靠在线测量纸浆卡伯值进而控制纸浆卡伯值，提高纸浆质量。发明人经过多年研究，试验实践，已装配成本系统样机，并已在某纸厂进行试验性在线实时测量纸浆卡伯值，测量结果可靠、准确，有很多成功的实施例，下面仅列举3个实施例表示于下表1。表1
权利要求
1.一种制浆蒸煮过程纸浆卡伯值的在线光谱测量系统，其特征在于它由蒸煮锅(1)、瓦斯冷却器(2)、蒸煮锅外循加热器(3)、蒸煮锅外循环泵(4)、取样阀(5)、过滤器(7)、流动槽(8)、卡伯值在线光谱分析仪(10)、蒸煮过程控制计算机(11)、温度变送器(13)、压力变送器(14)共同连接构成，其相互连接关系为蒸煮锅(1)内装置有温度变送器(13)和压力变送器，蒸煮锅1分别通过管道分别与瓦斯冷却器(2)、蒸煮锅外循环加热器(3)、蒸煮锅外循环泵(4)、流动槽(8)相连接连通；瓦斯冷却器(2)通过管道与酸液回收系统连接；蒸煮锅循环加热器(3)通过取样管(6)分别与蒸煮锅外循环加热器(3)、蒸煮锅外循环泵(4)相连接连通；过滤器(7)分别通过管道分别与取样阀(5)、流动槽(8)相连接连通；卡伯值在线光谱分析仪(10)分别通过光纤(9)、光谱信号输出线分别与流动槽(8)、蒸煮过程控制计算机(11)相连接；计算机(11)分别通过取样阀控制信号线、蒸煮锅温度信号线、蒸煮锅压力信号线、瓦斯冷却器控制信号线、计算机数据信号输出线分别与取样阀(5)、蒸煮锅内温度变送器(13)、蒸煮锅内压力变送器(14)、瓦斯冷却器(2)、显示器或打印机相连接。
2.一种制浆蒸煮过程纸浆卡伯值在线光谱测量的数学模型是Ka=-Vkbη·A+Loη]]>=-Vkbη·A+B]]>考虑每锅次木片装锅量Lo的波动，引入修正因子ε，提出上述基本模型的修正模型为Ka=-Vkbη·A+ϵ·B]]>修正因子ε的计算公式为ϵ=LoLo‾=s‾ss=d(PSO2)dt=P′SO2-P″SO2t]]>式中，s为二次升温过程锅内SO2分压升高速率的平均值；在纸浆卡伯值在线测量数学模型的基础上，从亚硫酸盐蒸煮脱木素动力学出发，建立了蒸煮过程终点的理论预报模型De=η(ϵB-Kae)De=∫otekoe‾ERT(PSO2)0.75·dt]]>即已知蒸煮目标卡伯值Kae，便可计算出与目标纸浆卡伯值所对应的D因子值De；通过测量出的蒸煮温度T、蒸煮锅内SO2分压 则可计算出蒸煮终点时间te，实现蒸煮终点的预报；另外，通过数据经验回归的办法，得到了蒸煮终点的实验预报模型Ae=kbη(ϵB-Kae)Vte=eAe+18.2333.3808]]>为蒸煮终点的控制提供多一种控制方法上述模型中，考虑每锅次木片装锅量Lo的波动，引入修正因子ε，并从比尔-朗伯定律和脱木素机理的基本数学模型出发推导出的亚硫酸盐法间歇蒸煮过程纸浆卡伯值的在线测量理论模型和蒸煮终点的预报模型。
3.一种制浆蒸煮过程纸浆卡伯值在线光谱测量的方法是(1)输入工艺规定的蒸煮目标制浆卡伯值Kae-15～21；(2)输入蒸煮锅内总压力P-0.2～0.8MPa和温度T-80～140℃；(3)进入中间保温阶程，开始计算蒸煮锅内总压力P的变化率dp/dt；(4)在中间保温和二次升温过程中，记录dp/dt从一负值变化为一正值再变为零值的两个时间t1-160～170分钟和t2-185～205分钟，以及对应该时刻的锅内总压力Pt1-6.0～6.6kg/cm2、Pt2-7.0～7.3kg/cm2和温度T1-116～117℃、T2-137～138℃；(5)按照P′SO2=Pt1-PT1,P″SO2=Pt2-PT2,t=t2-t1,]]>S=P′SO2-P″SO2t,]]>ϵ=s‾s]]>计算修正因子ε(6)按照Ae=23.62ϵ-Kae13.59,]]>te=eAe+18.2333.3808]]>计算达到工艺规定的目标卡伯值Kae所需要的蒸煮时间te；(7)用在线光谱测量仪测量出蒸煮液的吸光度A；(8)根据Ka=23.62ε-13.59A计算实时的纸浆卡伯值并显示；(9)按照Δt=te-t计算要达到工艺规定的目标卡伯值Kae尚剩余的蒸煮时间Δt；(10)蒸煮时间达到，开始大放汽，结束蒸煮过程。
4.按权利要求3所述的一种制浆蒸煮过程的纸浆卡伯值在线光谱测量方法，其特征在于所述的光谱波段对亚硫酸盐法蒸煮液在460nm～580nm的可见光波段内的吸收主要是来自其中的磺化木素，而其中的糖类和水分基本无吸收或吸收很少。
全文摘要
本发明是制浆蒸煮过程纸浆卡伯值在线光谱测量系统及其测量方法。系统由蒸煮锅、瓦斯冷却器、蒸煮锅外循环加热器、蒸煮锅外循环泵、取样阀、过滤器、流动槽、卡伯值在线光谱分析仪、控制计算机、温度变送器、压力变送器等通过管道和信号电缆线相连接和电气连接构成;其在线光谱测量中首先建立卡伯值测量、预报、控制数学模型,再按测量方法步骤逐步操作进行。本发明能应用光谱测量仪等组成的测量系统和方法实现造纸生产过程中制浆蒸煮过程中纸浆卡伯值的在线实时,准确、可靠的测量,进而控制纸浆卡伯值,提高纸产品质量,有较高的经济效益。
文档编号G01N21/17GK1312465SQ01114620
公开日2001年9月12日 申请日期2001年4月12日 优先权日2001年4月12日
发明者刘焕彬, 沈文浩, 谢益民 申请人:华南理工大学