紙板廠設計中的漿水平衡計算

李錄云

(武漢凱迪研究總院，湖北武漢，430223)

在設計造紙生產線的過程中，漿水平衡計算的結果為生產流程的優化、設備選型、管道計算、管件選擇等提供理論依據，進而會影響到項目的經濟性與合理性［1］。可以說，漿水平衡計算貫穿于整個設計項目的生命周期，包括項目的策劃、建設、運行、改造直至結束［2］。漿水平衡計算說起來是一個非常龐大和繁雜的內容。筆者以某紙板生產線項目在策劃階段所進行的漿水平衡計算工作為例，來談談漿水平衡計算對項目前期的影響。

1 項目條件

本項目位于我國的東部地區，擬建設一條產能為25 萬t/a、產品為白紙板的生產線。主要原料為漂白商品木漿、日本廢紙(以下簡稱日廢)、混合廢紙以及舊報紙。產品定量200 ～450 g/m2，產品的品種是白底白紙板和灰底白紙板兩種，根據市場變化進行靈活調整。

2 項目分析

項目的主要難點在于產能大，原料、產品品種及定量多樣。因此，首先要分析紙板各層原料使用狀況;接下來要計算每種產品在不同情況下原料的使用量;根據原料的使用量來確定制漿車間各系統的生產能力;再根據各系統的生產能力分析及優化方案。也就是說先進行定性分析，然后再進行定量分析。

2.1 紙機的選型

年產25 萬t 的產能即每天的產能應選為780 t，紙板由面層、面襯、芯層、底襯及底層組成。紙機可選為四疊網或五疊網，足夠的層數以保證紙機的脫水能力，進而保證產能，故本項目采用了五疊網紙機。

2.2 使用的原料

紙板各層使用原料如表1 所示。

表1 多層紙板各層使用的原料

2.3 計算定量的選取

對每一種產品，設計中都至少選取3 個計算定量，即最低定量、最高定量及常用定量，以確定每種產品的最低產能、最高產能及常用產能，可作為設備選型的依據及保證項目的綜合效率最高，兩種產品的計算定量舉例如表2 所示。

表2 兩種產品的計算定量

3 計算過程

3.1 紙機能力的校核

首先對紙機的能力進行校核。這一點需要與業主及紙機供貨商一起進行討論。確定不同定量、不同幅寬下紙機可以達到的最佳運行車速。一般來講，低定量下可以有較高的車速，而高定量下正好相反。經過三方討論后，紙機的最佳生產能力定為780 t/d，即26.52 萬t/a。以下計算均以日產能為基準。

3.2 紙機真空伏輥至成品庫的平衡計算

真空伏輥至成品庫的漿水平衡計算如圖1 所示，計算以1000 kg 風干紙為基準。

由圖1 可知，每生產1000 kg 風干紙需要從真空伏輥(即各層的網部復合處)提供790.42 kg 的絕干固形物，這個固形物需要從流送系統提供。

流送系統包括5 個子流送系統，5 個子流送系統又以不同的組合形式對應了不同的制漿系統。以下對不同情況下的漿水平衡進行計算與歸納分析。

3.3 不同產品與不同計算定量下的漿水平衡計算

紙機長網部在漿種、幅寬及車速一定的前提下，上漿的絕對量是在一個相對固定的范圍內。本項目的長網紙機面網掛漿量在25 ～30 g/m2，因此，當計算定量從200 g/m2增至450 g/m2，面網的掛漿量也相應從25 g/m2增至30 g/m2。隨著定量的增加，紙機的車速會逐漸降低。

以計算定量為250 g/m2的白底白紙板為例進行面層的漿水平衡計算，面層掛漿量選25 g/m2。其他情況依此類推。

3.3.1 網部面層漿水平衡計算

網部面層漿水平衡計算結果如圖2 所示。

由圖2 可知，生產1000 kg 風干白底白紙板網部面層的供漿量為85.02 kg，對于780 t/d 的產能來講，網部面層每天所需提供的漂白商品木漿量為780 ×85.02 ÷1000 =66.32 (t/d)。

依此類推，2 種產品的面層漿在不同計算定量下的需求量情況如表3 所示。

表3 面層漿在不同計算定量下的需求量

3.3.2 網部面襯漿水平衡計算

網部面襯漿水平衡計算結果如圖3 所示。

圖2 網部面層漿水平衡計算

依此類推，2 種產品面襯漿在不同計算定量下的需求量情況如表4 所示。

表4 面襯漿在不同計算定量下的需求量

3.3.4 網部底襯漿水平衡計算

網部底襯漿水平衡計算結果如圖4 所示。

2 種產品底襯漿在不同計算定量下的需求量情況如表5 所示。

表5 底襯漿在不同計算定量下的需求量

3.3.5 網部底層漿水平衡計算

網部底層漿水平衡計算結果如圖5 所示。

2 種產品底層漿在不同計算定量下的需求量情況如表6 所示。

表6 底層漿在不同計算定量下的需求量

3.3.6 網部芯層漿水平衡計算

網部芯層漿水平衡計算結果如圖6 所示。

2 種產品芯層漿在不同計算定量下的需求量情況如表7 所示。

4 計算結果的歸納與分析

4.1 漂白商品木漿的產能定位

圖3 網部面襯漿水平衡計算

表7 芯層漿在不同計算定量下的需求量

從以上計算結果可知，當產品為白底白紙板時，因為面層與底層均使用漂白商品木漿，因此漂白商品木漿的使用量應為兩者之和，即最大使用量為66.32+63.76 =130.08 t/d，正常使用量為116.28 t/d，最小使用量為108.89 t/d。當產品為灰底白紙板時，漂白商品木漿僅用于面層，其用量依次為:84.55 t/d(最大使用量)、70.06 t/d (正常使用量)、56.15 t/d(最小使用量)。漂白商品木漿的生產能力不大，這時碎漿通常以間歇碎漿為主，這樣可以提高碎漿效率。因此，木漿板的碎漿生產能力可以用最大使用量作為生產能力的基準。按150 t/d 的產能來確定生產線規模，產能降低時可以通過延長碎漿的間隔時間來實現，對設備的利用也沒有太大影響，只需要增大貯槽的容積與輸送漿料泵的流量及攪拌器的功率即可。

4.2 日廢脫墨漿的產能定位

襯層與面層相似，當產品為白底白紙板時，面襯與底襯所使用的漿是一樣的，都使用日廢脫墨漿。此時脫墨漿的使用量依次為82.10 +82.10 =164.2 t/d (最大使用量)、131.24 t/d(正常使用量)、115.82 t/d (最小使用量);當產品為灰底白紙板時，日廢脫墨漿僅用于面襯層，使用量依次為98.14 t/d (最大使用量)、86.75 t/d (正常使用量)及63.37 t/d (最小使用量)。從以上的計算結果可知，日廢脫墨線的生產能力在一個較大的范圍內變化:63.37 ～164.20 t/d。最高產能是最低產能的2 倍還多，這樣可以有2 種生產方案供選擇。方案一，如果以白底白紙板正常使用量131.24 t/d 來定產能的話，那么生產灰底白紙板時的正常使用量86.75 t/d 時，需要在原有生產能力的基礎上降低33.90%的產能。也就是說，產能定為131.24 t/d 時，當產品由白底白紙板調整為灰底白紙板時，會出現整條線設備利用率不高的情況，這樣是得不償失的。方案二，如果采用2 條80 t/d 的生產線，對于正常產能為131.24 t/d 白底白紙板，則2 條線全開，其滿負荷生產能力為160 t/d，生產能力富余量為22%，生產能力雖過剩，但設備效率會比方案一的高很多，且在一個可接受的范圍內。如果生產灰底白紙板，則正常使用量為86.75 t/d，其與單條線的生產能力基本相當，此時開1 條線就夠了。方案二與方案一相比，設備的效率高，但投資大。從可運行的經濟性來講，方案二是有優勢的。

4.3 舊報紙脫墨漿的產能定位

從上述計算結果可以看出，舊報紙脫墨漿僅用于生產灰底白紙板時的底層用漿，其生產的需求量為64.05 ～99.20 t/d。此時話題可以回到4.2 中關于兩種方案的比較上，如果采用方案二的做法，生產灰底白紙板時，1 條80 t/d 的生產線可用于生產面襯層所需的日廢脫墨漿;而另1 條80 t/d 的脫墨漿線可用于生產底層所需的舊報紙脫墨線。此時2 條線全部利用起來了，而且依舊在一個合理的效率內。從這一點上說，4.2 中的方案二無疑會比方案一更加具有優勢。

圖4 網部底襯漿水平衡計算

4.4 混合廢紙漿的產能定位

這里首先要說明的一點是，在產品的原料方案里提到了混合廢紙漿中長短纖維的分開使用，因此在混合廢紙漿生產線中，纖維的分級是不可少的。對于生產白底白紙板，產能要求分別為211.88 t/d (最低產能)、216.29 t/d (正常產能)、314.44 t/d (最高產能)。而對于生產灰底白紙板，混合廢紙漿制漿的產能要求應為長纖維漿與短纖維漿之和，分別為98.14 +149.74=247.88 t/d (最低產能，長短纖維漿的比例約為4∶6)、86.75 +237.37 =324.12 t/d (正常產能，長短纖維漿的比例約為3 ∶8)、63.37 + 403.53 =466.90 t/d (最高產能，長短纖維漿的比例約為1∶6)。混合廢紙漿面臨的問題是最大的，因為隨著定量的改變，混合廢紙漿的生產能力在一個非常寬的范圍內變化。設計產能如果過低將不能達產，不能滿足高定量時產品的生產，設計產能過高又意味著生產低定量的產品時設備效率太低。采用2 條生產線的話，每條生產線的產能大概在200 t/d 左右，設備投資過于龐大。因此，混合廢紙漿設備的生產能力選擇需要對市場進行仔細的分析后，確定終端產品的主打品種及規格，也就是產能的定位盡量接近于常用量，以發揮生產線的最高效率。由于2 種產品的常用量分別為216.29 t/d 和324.12 t/d，這里建議使用1 條生產線，產能為350 t/d。當生產白底白紙板時，這條線的產能將會降低38.20%，此時設備效率低下。可以采取適當增加貯漿塔的容積，將生產能力盡量上提，在用電高峰的時候適當減小生產能力以降低生產成本。但無論怎么說，設備效率降低是不可避免的。而對灰底白紙板來說，設備生產能力基本是在一個高效區工作。因此，如果采用此方案，生產灰底白紙板從運行經濟上來說是更為合理的。

圖5 網部底層漿水平衡計算

圖6 網部芯層的漿水平衡計算

5 結 語

以擬建于我國東部產能為25 萬t/a的紙板生產線的設計方案為例對漿水平衡進行計算，實際上本項目還可以有其他產品品種的變化。從整個計算過程來看可以得到以下幾點結論。

5.1 漿水平衡計算應該至少涵蓋每種產品的3 種情況，即計算出生產過程中相應品種及定量的各種漿的最大需用量、最小需用量以及正常需用量。

5.2 產品品種應該是越少越好。這需要對市場進行詳細的分析，否則會出現當產品品種或定量改變時生產效率大幅下降，進而增加生產成本，同時產品品種的多樣化必然會提高系統的復雜性。如本案例中配漿系統將會是一個非常龐雜的系統，同樣白水系統也會是極其復雜的。會給后續生產的調整帶來非常多的難點。對管理水平亦有相當高的要求。調整之前一定要對系統的平衡體系有詳細的計算、很好的分析及深刻的理解。

5.3 當生產效率下降時可以通過進一步的計算與分析進行生產上的調整。如生產能力峰值與谷值的調整來優化設備的使用。

5.4 漿水平衡計算是整個設計的核心內容。這里只說明了制漿系統生產能力的確定，進一步詳細的計算將會為設備選型、管徑計算等一系列的工作提供理論依據。

5.5 本案例沒有對能量平衡進行計算，在實際的項目中，能量平衡計算是項目不可缺少的一部分。能量平衡計算將會為降低能量消耗，節約生產成本提供有力的支持。這一點可以在實際項目的操作過程中體會到。

［1］ YE Xiao-chun. The Measurement and Calculation of Material Balance in Pulp and Paper Mill［J］. China Pulp＆Paper，1991，10(5):50.葉曉春. 制漿造紙廠物料平衡的測定和計算［J］. 中國造紙，1991，10(5):50.

［2］ CHENG Xiao-feng. Balance Calculation of Pulp and Water by Using Excel［J］. China Pulp ＆ Paper，2000，19(5):37.程小峰. 采用Excel 進行平衡計算［J］. 中國造紙，2000，19(5):37.