浅谈制浆造纸过程中浓度变送器的选型及应用

汪波

(中国轻工业长沙工程有限公司第二咨询设计事业部，湖南 长沙 410114）

纸浆是水中悬浮纤维等固体物质的两相流体，所谓纸浆浓度，就是每升悬浮液中含有绝干纤维量的百分数。纸浆浓度由于其物理特性，悬浮颗粒大，还受温度、压力、纤维种类、流速、打浆度等因素影响，因而其在线测量比其他参数难度大。

在制浆生产中，在线精确测量纸浆浓度，可以稳定打浆效果。在抄纸生产过程中，实时精确测量纸浆浓度，可以稳定上网纸浆浓度、减少纸张定量波动、增加抄纸稳定性，从而提高纸张质量。因此，获得精确、可靠的纸浆浓度是至关重要的。本文通过工程实例，针对制浆造纸工程设计中常用浓度变送器选型进行探讨。

1 浓度变送器概述

在制浆造纸生产中，对纸浆浓度进行测量、指示并可以输入4～20mA电流信号到DCS系统的仪表，称为浓度变送器。纸浆浓度的测量方法主要有间接测量法和直接测量法。目前在生产现场使用的纸浆浓度测量法大多为间接测量法，间接测量法是利用纸浆悬浮液的各种物理特性，把纸浆浓度转换成为比较容易测量的其他物理参数，如力矩、光通量等，再经过数据处理和转化，从而得到纸浆的浓度。而直接测量法是利用微波在不同浓度的纤维中传播时间的不同，从而直接得到纸浆浓度的测量值。

目前，造纸行业主流的纸浆浓度测量方法主要分为力学测量法、光学测量法、微波测量法。力学测量变送器主要有刀式、旋转式浓度变送器，光学测量法变送器主要有光学式浓度变送器，微波测量法主要有微波式浓度变送器。

2 浓度变送器的选型及应用

制浆生产过程是抄纸生产的前置阶段，合适的纸浆浓度是配浆和上网的前提条件，只有稳定精确的测出各个测量点的纸浆浓度，才能满足后续的抄纸生产，生产出合格的产品。

下面以华中地区某造纸厂的OCC制浆生产线及配浆线为例，分析制浆、造纸生产各个阶段的浓度变送器选型方法。

2.1 制浆过程关键点浓度变送器选型

该生产线为生产瓦楞纸的1600bdt/d OCC生产线，制浆过程有碎解、高浓除砂、贮浆、粗筛、精筛、热分散、磨浆等生产过程。其中几个阶段都需要浓度测量，如果上一阶段的浓度测量无法满足测量要求，则下一阶段的测量就会受到影响。下面介绍制浆过程关键点的浓度变送器选型方法和原则。

（1）碎浆机后的浓度变送器选型。

由于此碎浆生产线为OCC线，即废纸碎浆线，通过碎浆机加入一定量的生产白水，从而把废纸打碎成最初的纸浆。由于是废纸打碎而成的纤维，因此，最初的废纸浆含有大量的杂质，这就对浓度的测量提出了挑战。

如此处选用常规的刀式浓度变送器，由于此处纤维颗粒不均，且杂质较多，测出的浓度误差非常大，不能为后续提供准确浓度输入值。而选用旋转式浓度变送器，由于杂质的存在，会损坏刀片，造成使用寿命缩短，而且后期维护也麻烦。

根据作者多年的选型经验，此处选用光学式浓度变送器最为适合，此处选择BTG公司的TCR-251系列变送器。

图1 光学式浓度变送器的测量原理

图1是TCR-251光学浓度变送器采用峰值法来测量纸浆悬浮物的总浓度的示意图。首先，基于纸浆悬浮物中含有大小不同的各种纤维，细小的光束指向浆料悬浮物而受纤维大小两种粒子的影响。如果在很短一段时间内，单根纤维经过光束，纤维的作用就像一面镜子，反射出大量的光，当悬浮物通过测量窗口时，就激活了一个包含两种粒子的直流信息，这些信号组合后，就可以作为悬浮物的总浓度的测量依据。

（2）卸料浆塔后的浓度变送器选型。

卸料卸料浆塔是碎解之后的浆料，经过高浓除砂后，流入贮浆塔，贮浆塔卸料泵后需要进行初步的浓度调节。由于此处的浆料已经过高浓除砂等前置环节，浆料中的杂质已大大降低，并且后续的浆料还需要继续进行浓度调节，此处对浓度的要求精度并不高，因此，此处宜选用价格较为经济而又非常常用的刀式浓度变送器。

此处需提出注意的是，由于浆泵和浆管的弯头容易使浆料在流动过程中产生湍流，而这些湍流又会直接影响浓度变送器的测量精度和稳定性，因此刀式浓度变送器的安装必须要保证一定的直管段。通常来说，刀式浓度变送器的前端管道（上游）离泵口或者弯头的直管段距离，通常是10倍的浆管管径（10D），后端管道（下游）是5倍的浆管管径（5D）。只有注意此安装要求，才能使刀式浓度变送器满足浓度测量要求。

（3）热分散系统的浓度变送器选型。

热分散过程是此条OCC生产线的一个重要生产过程，对浆料的质量提高具有非常重要的作用。所谓热分散，就是在高温高浓下对废纸浆施以高剪切力，借机械摩擦和冲击及纤维间的摩擦和揉搓作用，进一步将纤维上未剥离的残余油墨剥离下来，并使浆中所含油墨、胶黏物等杂质细微化而均匀分散的过程。因此，热分散是纸浆的均质化过程，是提高浆料质量的操作过程。

由于热分散的生产工艺决定，进入热分散热分散系统的浆料应是中高浓度的浆料，本项目中浆料浓度约为10.5%左右，由于浓度的增高，使用常规价格较为便宜的刀式浓度变送器，已无法满足测量要求，而光学式浓度变送器一般适用于6%以下的浆料浓度的测量。由于此处生产工艺的特殊性，需选用中浓的旋转式浓度变送器。此项目选用BTG公司的MEK-2500MC中浓旋转式浓度变送器，测量浓度范围为2%～14%，能够满足热分散前后的浓度测量要求。旋转式浓度变送器属于间接测量浓度的仪表，当浓度增加时，转子受到纸浆纤维的摩擦力增加，从而转换为电信号输出量增大。旋转式浓度变送器转子的转动阻力可用下式表示：

式中:F为纸浆对转子表面的摩擦力；A为浓度变送器转子的表面积；为转子和纸浆之间的速度梯度；μ为纸浆的视在粘度；而μ可由以下函数表示：

式中，C为纸浆悬浮液浓度；V为纸浆粒子的运动速度；T为纸浆的温度；pH纸浆的酸碱度；S为纸浆的组分；SR为纸浆的打浆度。

从以上函数关系式中不难得出，除纸浆浓度为测量参数外，一旦纸浆的种类确定，其他参数几乎不变，影响较大的就是旋转式浓度变送器转子的速度。因此，据此不难得出纸浆的浓度。

与刀式浓度变送器相比，旋转式浓度变送器的直管段要求较低，一般变送器的前端管道（上游）离泵口或者弯头的直管段距离，通常是1m或者3倍的浆管管径（3D），后端管道（下游）是0.5m或1.5倍的管径（1.5D）。

2.2 抄纸过程关键点浓度变送器选型

配浆是纸浆上网的重要阶段，只有在此阶段调节好上网的纸浆浓度，才能获得较好的纸张质量。

本工程中配浆过程为长纤浆、短纤浆、损纸浆、回收浆等四种浆按QCS系统来的设定值按一定的比例混合后进入配浆池，混合后，根据纸浆上网要求调浓，进入成浆池，在进入冲浆泵前，再次调浓，确保上网浓度。

在该流程中，这两点的测量非常关键，此处的浓度控制的越好，纤维含量越准确，生产成本就越低。

本工程中，第一环节为各种纸浆按比例混合后调浓，测量混合浆池后的浓度。此处浓度尚未稳定，浓度波动较大，此处必须要获得较精确的浓度值。从上文制浆过程浓度选型中易知，旋转式浓度变送器能够很好的克服这一缺点，测出较为精确的浓度。因此，此处选择BTG公司的旋转式浓度变送器MEK-2500。

第二环节为成浆池后的浓度调节。此处的工艺特点是除了纸浆纤维外，还有填料等各种化学品，此处需要测量含有填料的纸浆总浓度。微波浓度变送器的测量不受浆段不同纤维长度、游离度、纤维种类或浆料配比的影响，由于纤维和填料这样的固体传播速度比水快，因此，浓度越高微波的传递时间就越短，而这种关系是线性的，使得可以直接通过微波浓度变送器测出纸机浆池后浆料的总浓度，作为纸机上网的浓度。此处选择BTG公司的微波浓度变送器TCS-2531来测量其总浓度。与刀式和旋转式浓度变送器不同的是，微波式浓度变送器对测量直管段无特殊要求。

3 结语

本文结合一个工程实例，分析了制浆造纸生产过程关键点的浓度测量工况，选取了合适的浓度测量变送器，为制浆造纸仪表选型和自动化系统设计提供了参考。