淺談制漿造紙過程中濃度變送器的選型及應用

汪波

(中國輕工業長沙工程有限公司第二咨詢設計事業部，湖南 長沙 410114）

紙漿是水中懸浮纖維等固體物質的兩相流體，所謂紙漿濃度，就是每升懸浮液中含有絕干纖維量的百分數。紙漿濃度由于其物理特性，懸浮顆粒大，還受溫度、壓力、纖維種類、流速、打漿度等因素影響，因而其在線測量比其他參數難度大。

在制漿生產中，在線精確測量紙漿濃度，可以穩定打漿效果。在抄紙生產過程中，實時精確測量紙漿濃度，可以穩定上網紙漿濃度、減少紙張定量波動、增加抄紙穩定性，從而提高紙張質量。因此，獲得精確、可靠的紙漿濃度是至關重要的。本文通過工程實例，針對制漿造紙工程設計中常用濃度變送器選型進行探討。

1 濃度變送器概述

在制漿造紙生產中，對紙漿濃度進行測量、指示并可以輸入4～20mA電流信號到DCS系統的儀表，稱為濃度變送器。紙漿濃度的測量方法主要有間接測量法和直接測量法。目前在生產現場使用的紙漿濃度測量法大多為間接測量法，間接測量法是利用紙漿懸浮液的各種物理特性，把紙漿濃度轉換成為比較容易測量的其他物理參數，如力矩、光通量等，再經過數據處理和轉化，從而得到紙漿的濃度。而直接測量法是利用微波在不同濃度的纖維中傳播時間的不同，從而直接得到紙漿濃度的測量值。

目前，造紙行業主流的紙漿濃度測量方法主要分為力學測量法、光學測量法、微波測量法。力學測量變送器主要有刀式、旋轉式濃度變送器，光學測量法變送器主要有光學式濃度變送器，微波測量法主要有微波式濃度變送器。

2 濃度變送器的選型及應用

制漿生產過程是抄紙生產的前置階段，合適的紙漿濃度是配漿和上網的前提條件，只有穩定精確的測出各個測量點的紙漿濃度，才能滿足后續的抄紙生產，生產出合格的產品。

下面以華中地區某造紙廠的OCC制漿生產線及配漿線為例，分析制漿、造紙生產各個階段的濃度變送器選型方法。

2.1 制漿過程關鍵點濃度變送器選型

該生產線為生產瓦楞紙的1600bdt/d OCC生產線，制漿過程有碎解、高濃除砂、貯漿、粗篩、精篩、熱分散、磨漿等生產過程。其中幾個階段都需要濃度測量，如果上一階段的濃度測量無法滿足測量要求，則下一階段的測量就會受到影響。下面介紹制漿過程關鍵點的濃度變送器選型方法和原則。

（1）碎漿機后的濃度變送器選型。

由于此碎漿生產線為OCC線，即廢紙碎漿線，通過碎漿機加入一定量的生產白水，從而把廢紙打碎成最初的紙漿。由于是廢紙打碎而成的纖維，因此，最初的廢紙漿含有大量的雜質，這就對濃度的測量提出了挑戰。

如此處選用常規的刀式濃度變送器，由于此處纖維顆粒不均，且雜質較多，測出的濃度誤差非常大，不能為后續提供準確濃度輸入值。而選用旋轉式濃度變送器，由于雜質的存在，會損壞刀片，造成使用壽命縮短，而且后期維護也麻煩。

根據作者多年的選型經驗，此處選用光學式濃度變送器最為適合，此處選擇BTG公司的TCR-251系列變送器。

圖1 光學式濃度變送器的測量原理

圖1是TCR-251光學濃度變送器采用峰值法來測量紙漿懸浮物的總濃度的示意圖。首先，基于紙漿懸浮物中含有大小不同的各種纖維，細小的光束指向漿料懸浮物而受纖維大小兩種粒子的影響。如果在很短一段時間內，單根纖維經過光束，纖維的作用就像一面鏡子，反射出大量的光，當懸浮物通過測量窗口時，就激活了一個包含兩種粒子的直流信息，這些信號組合后，就可以作為懸浮物的總濃度的測量依據。

（2）卸料漿塔后的濃度變送器選型。

卸料卸料漿塔是碎解之后的漿料，經過高濃除砂后，流入貯漿塔，貯漿塔卸料泵后需要進行初步的濃度調節。由于此處的漿料已經過高濃除砂等前置環節，漿料中的雜質已大大降低，并且后續的漿料還需要繼續進行濃度調節，此處對濃度的要求精度并不高，因此，此處宜選用價格較為經濟而又非常常用的刀式濃度變送器。

此處需提出注意的是，由于漿泵和漿管的彎頭容易使漿料在流動過程中產生湍流，而這些湍流又會直接影響濃度變送器的測量精度和穩定性，因此刀式濃度變送器的安裝必須要保證一定的直管段。通常來說，刀式濃度變送器的前端管道（上游）離泵口或者彎頭的直管段距離，通常是10倍的漿管管徑（10D），后端管道（下游）是5倍的漿管管徑（5D）。只有注意此安裝要求，才能使刀式濃度變送器滿足濃度測量要求。

（3）熱分散系統的濃度變送器選型。

熱分散過程是此條OCC生產線的一個重要生產過程，對漿料的質量提高具有非常重要的作用。所謂熱分散，就是在高溫高濃下對廢紙漿施以高剪切力，借機械摩擦和沖擊及纖維間的摩擦和揉搓作用，進一步將纖維上未剝離的殘余油墨剝離下來，并使漿中所含油墨、膠黏物等雜質細微化而均勻分散的過程。因此，熱分散是紙漿的均質化過程，是提高漿料質量的操作過程。

由于熱分散的生產工藝決定，進入熱分散熱分散系統的漿料應是中高濃度的漿料，本項目中漿料濃度約為10.5%左右，由于濃度的增高，使用常規價格較為便宜的刀式濃度變送器，已無法滿足測量要求，而光學式濃度變送器一般適用于6%以下的漿料濃度的測量。由于此處生產工藝的特殊性，需選用中濃的旋轉式濃度變送器。此項目選用BTG公司的MEK-2500MC中濃旋轉式濃度變送器，測量濃度范圍為2%～14%，能夠滿足熱分散前后的濃度測量要求。旋轉式濃度變送器屬于間接測量濃度的儀表，當濃度增加時，轉子受到紙漿纖維的摩擦力增加，從而轉換為電信號輸出量增大。旋轉式濃度變送器轉子的轉動阻力可用下式表示：

式中:F為紙漿對轉子表面的摩擦力；A為濃度變送器轉子的表面積；為轉子和紙漿之間的速度梯度；μ為紙漿的視在粘度；而μ可由以下函數表示：

式中，C為紙漿懸浮液濃度；V為紙漿粒子的運動速度；T為紙漿的溫度；pH紙漿的酸堿度；S為紙漿的組分；SR為紙漿的打漿度。

從以上函數關系式中不難得出，除紙漿濃度為測量參數外，一旦紙漿的種類確定，其他參數幾乎不變，影響較大的就是旋轉式濃度變送器轉子的速度。因此，據此不難得出紙漿的濃度。

與刀式濃度變送器相比，旋轉式濃度變送器的直管段要求較低，一般變送器的前端管道（上游）離泵口或者彎頭的直管段距離，通常是1m或者3倍的漿管管徑（3D），后端管道（下游）是0.5m或1.5倍的管徑（1.5D）。

2.2 抄紙過程關鍵點濃度變送器選型

配漿是紙漿上網的重要階段，只有在此階段調節好上網的紙漿濃度，才能獲得較好的紙張質量。

本工程中配漿過程為長纖漿、短纖漿、損紙漿、回收漿等四種漿按QCS系統來的設定值按一定的比例混合后進入配漿池，混合后，根據紙漿上網要求調濃，進入成漿池，在進入沖漿泵前，再次調濃，確保上網濃度。

在該流程中，這兩點的測量非常關鍵，此處的濃度控制的越好，纖維含量越準確，生產成本就越低。

本工程中，第一環節為各種紙漿按比例混合后調濃，測量混合漿池后的濃度。此處濃度尚未穩定，濃度波動較大，此處必須要獲得較精確的濃度值。從上文制漿過程濃度選型中易知，旋轉式濃度變送器能夠很好的克服這一缺點，測出較為精確的濃度。因此，此處選擇BTG公司的旋轉式濃度變送器MEK-2500。

第二環節為成漿池后的濃度調節。此處的工藝特點是除了紙漿纖維外，還有填料等各種化學品，此處需要測量含有填料的紙漿總濃度。微波濃度變送器的測量不受漿段不同纖維長度、游離度、纖維種類或漿料配比的影響，由于纖維和填料這樣的固體傳播速度比水快，因此，濃度越高微波的傳遞時間就越短，而這種關系是線性的，使得可以直接通過微波濃度變送器測出紙機漿池后漿料的總濃度，作為紙機上網的濃度。此處選擇BTG公司的微波濃度變送器TCS-2531來測量其總濃度。與刀式和旋轉式濃度變送器不同的是，微波式濃度變送器對測量直管段無特殊要求。

3 結語

本文結合一個工程實例，分析了制漿造紙生產過程關鍵點的濃度測量工況，選取了合適的濃度測量變送器，為制漿造紙儀表選型和自動化系統設計提供了參考。