線上數字折光儀用於洗漿可溶性總固體濃度測量及影響

摘要：

紙漿洗滌過程可被視為影響各工廠經濟方面和環境負荷方面的關鍵步驟。應當以可靠和線上的方式對洗滌損失進行檢測，以最佳化洗滌過程的控制和效率。檢測洗滌損失的傳統方法並不適用於洗滌過程的控制和最佳化，因為傳統方法無法為提高洗滌過程的效率而提供實際檢測結果，也無法實時地提供該過程的相關資訊。

本文的目的是對最為常見的各類方法進行對比，檢測紙漿的洗滌損失並評估該方法是否合適，以便於對洗滌過程的效率進行控制。此外，還試圖說明洗滌損失究竟是指什麼，根據紙漿製造工藝的不同階段應當將哪些因素考慮在內，以及計算實際洗滌損失能帶來什麼益處。

根據本文可以得出以下結論，針對實際洗滌損失，應將溶解於紙漿內的有機組分和無機組分考慮在內。線上檢測溶解性總固體，比如，使用線上數字折光儀，可以說該方法是監控洗滌過程的最佳方法之一。採用適當的檢測和控制系統，各工廠即可透過 減少水的用量、提高可回收的固體量，減少漂白劑和新增的化學品量以及提高環保水平等方式獲得利潤，並得以在短期內收回新計量儀器和先進控制系統投資。

關鍵詞：

洗滌損失，紙漿洗滌，洗滌效率，溶解性總固體，線上數字折光儀

序言

纖維素紙漿洗滌是紙漿生產廠重要步驟之一。其作用是分離紙漿中的黑液，回收化學品和能源回收系統的主要有機化合物和無機化合物，以及維持紙漿生產的經濟可行性。能否回收該化合物極其重要，因為［1，2］：

1） 有機化合物在餘熱鍋爐內可謂是一種能源，並且直接影響到漂白劑的用量和環境負荷；

2） 無機化合物用於蒸煮用化學品的再生，應透過新增到回收系統裡的化學品來補償因紙漿而“損耗”的無機化合物。

通常應根據“洗滌損失”和“稀釋因子”對紙漿的洗滌過程進行監測。洗滌損失是指在洗滌過程中可以從紙漿中分離出來的“可洗”化合物量［3］。稀釋因子（DF）是指新增到洗滌系統內並溶解於黑液裡的水量［4］。

洗滌過程的評估工作是比較複雜的，包括該過程的各種變數。最主要的幾項變數分別是稀釋因子、粗漿和洗後紙漿的稠度、洗滌液的分佈情況和溫度，紙漿內的空氣以及洗滌裝置的旋轉速度［5］。質量平衡，平移因子（DR）和諾頓效率因子均為有效的控制工具，以顯示過程的效益和幫助工作人員及時發現問題。但由於缺乏可靠資訊和無法實時獲取效能變數的相關資訊，比如洗滌損失，故而給計算上述資料帶來了一定的難度。

透過可靠和實時地對洗滌損失進行檢測，可以獲得清潔度較高的紙漿，儘可能回收到最多數量的有機和無機化合物，降低黑液的蒸發需求量和減少環境負荷。當在使用最少量的洗滌液或水量的情況下可以最大量地回收有機和無機化合物時，即視為已達到了最佳效果［4］。

目前，由於制定了多項新規定以及對環保和經濟問題的擔憂，越來越多的人開始關注洗滌過程最佳化。據最新研究結果顯示，用於檢測洗滌效率的常規方法並不適用，因為該方法無法精確地顯示出洗滌損失且無法實時地提供系統狀況的相關資訊。

本文主要是對洗滌損失方面的洗滌效率進行評估。對用於檢測洗滌損失的現有方法進行對比，評估方法的適用性，並針對如何實際和有效地檢測紙漿洗滌過程效能提出相應建議，如透過使用線上數字折光儀測量可溶性總固體含量的手段來最佳化紙漿洗滌。

1洗滌損失檢測方法

1.1

硫酸鹽損耗

為便於分析和顯示出在化學品和能源回收系統中應加以補償的無機化學品數量，最初在檢測洗滌損失時，將它視為了硫酸鹽損耗（如Na2SO4或NaOH）［1］。當市面上化學品的成本較高時該係數曾非常重要。

一些工廠仍在採用硫酸鹽損耗這一方法。但到了2003年時，該方法被視為一種過時的方法［3］，因為它忽略了殘留在紙漿懸浮液中的重要化合物固體，如木質素，並測量了與紙漿結構化學結合的鈉化合物，這些鈉化合物不能透過洗滌分離。［6］。

1.2

氧脫木素

在各洗滌階段裡採用氧脫木素（OD），同樣也導致硫酸鹽損耗這一概念進一步複雜化。在用氧脫木素的過程中，新增鈉化合物（NaOH和氧化白液）以透過與氧之間產生的反應進一步進行紙漿的脫木素。鑑於其中一部分無機化合物源自蒸煮過程而另一部分無機化合物源自用氧脫木素過程，因此基於鈉化合物洗滌損失得出的檢測結果已無法代表洗滌過程的實際效率［7］。

1.3

電導率

很長一段時間一直採用電導率（EC）測量對洗滌效率進行評估，並參考該資訊對稀釋因子等引數進行控制。該方利用溶液電導率與溶解的離子含量之間存在比例關係，來實現洗滌液中鈉化合物等離子化合物濃度，因此電導率也可代表硫酸鹽損耗。

電導率法雖然能夠線上和實時測量，但它僅能夠測出紙漿內的無機組分而不考慮有機化合物，該類化合物在溶解固體中的所佔比例介於60%和70%之間［8］。

此外，電導率還受溫度和溶液pH的影響，如果過程條件和所採用的木材種類出現大幅度變動，即應對測量進行補償［9］。此外，電導率測量也很受電極變髒和溶液極化的影響，因此電導率測量僅限於過濾線。

1.4

化學需氧量

在現行實踐中，鑑於人們對環保問題越來越關注，故而是以紙漿中的有機化合物數量來測量洗滌損失。有機化合物影響到漂白劑的用量，增加了生化需氧量（BOD），並且形成了會汙染環境的可吸附有機鹵化物（AOX）等有害化合物。據一些研究結果顯示，化學需氧量（COD）是洗後紙漿內所含有機化合物的最佳指數之一，且提供了重要的相關資訊以確保各工廠能嚴格遵守廢水的現行環保條例［8］。

化學需氧量的檢測顯示了為氧化某溶液（一般為水溶液）中的一些有機物所需消耗的氧量。化學需氧量可與過濾化學需氧量（mg/ml），或總化學需氧量（COD/BDt）來比較，後者代表了纖維表面在過濾過程中和真空過程中的所含化學需氧量 ［9， 10］。

然而，化學需氧量同樣存在著一個很大的缺點：它是透過大量的程式以線下方式完成試驗的，且試驗結果無法對洗滌過程進行連續控制。除此之外，化學需氧量還受溶液pH的影響且僅能夠測出有機組分如附著在纖維上的木質素，因為木質素是無法清掉的。

1.5

總有機碳

總有機碳（TOC）和溶解木質素含量的檢測同樣也用於對洗滌損失的監測。總有機碳代表了紙漿內所含有機化合物的數量，而溶解木質素含量僅僅代表了這一組分。兩種方法都忽略了無機組分且其線上檢測比較複雜，為此，這兩種方法在該應用領域內較為少用，因此不將該方法列入本文的討論範圍內。

1.6

溶解性總固體

溶解性總固體（TSD）試驗具有經濟性，易於操作且試驗結果相一致，該試驗結果顯示了液體樣本中已溶解的有機化合物和無機化合物的總數量。幾十年來，溶解性總固體一直被當作工廠其他領域的控制引數來使用，比如黑液蒸發和鹼爐燃燒，此外，人們還在實驗室內用它進行試驗和檢測問題。溶解性總固體試驗是指在某個恆定乾燥程度下讓樣本在烘箱內蒸發，所得出的試驗結果即為溶解於溶液內的固體比率［9］。

近來，對溶解性總固體進行了大量的研究工作，以透過線上方式在過程中使用線上數字折光儀來監測，控制和最佳化洗滌線。據相關結果顯示，如果以線上方式進行測量，溶解性總固體可成為檢測洗滌損失的最佳方法，因為該方法將溶解於紙漿內和洗滌液內的所有可洗化合物均考慮在內。透過線上方式和實時進行溶解性總固體測量，可以對過程連續地進行監測，並獲取最佳點

2可溶性總固體含量測量實際洗滌損失對製漿工藝的影響

2。1 洗滌損失的定義

洗滌損失是用於確定洗滌過程效率和對該過程進行控制的一種計量單位。在洗滌過程中採用該指標主要是出於下列原因：

1） 保持洗滌過程的經濟可行性，回收儘可能多的有機化合物和鈉化合物；

2） 提高洗滌過程之後各個過程的效益。

用於顯示洗滌效率而完成的任何測量工作，一律應反映出上述這兩種原因。

洗滌損失是極為重要的引數，因為它代表著可從紙漿中分離出來、但在洗滌過程後以溶解方式繼續留在紙漿內的可溶化合物數量，該化合物會影響到之後的各過程。

2。2 實際洗滌損失的測量對製漿工藝的影響

在洗滌之後還有三個重要階段：蒸發，氧脫木素和漂白。

圖1中扼要地列出了洗滌損失，且影響到工廠這三個階段的各類化合物。

圖2所示例子可觀察到紙漿生產過程，也就是從蒸煮到漂白為止的過程。蒸煮後紙漿中的各類雜質（如鈉化合物以及木質素）被洗滌分離出越多，紙漿的顏色會變得越淡，後續的各個工序（氧脫木素，漂白和廢水處理）會相對更好。

2。2。1蒸發

紙漿洗滌效能會對蒸發過程產生巨大影響。從理論上來講，如使用足量或過多的洗滌水，即可將溶解於紙漿內的大部分固體都分離出來。但在實際操作中，由於各工廠的蒸發能力有限，這一點無法做到，致使限制了洗滌過程，因此這裡要強調採用良好控制體系和保持稀釋因子和洗滌損失之間平衡度的重要性（紙漿純度）。

無機化合物是為了化學藥品的迴圈回收和綜合利用，有機化合物是鹼爐裡最為重要的能源之一，有助於達到工廠為了正常運營而所需的能源和蒸汽需求量。所回收和輸送到回收系統內的固體均作為鍋爐的燃料使用，並減少了額外燃料的需求量［15］。為此，在對過濾過程的效率進行測量時，有必要測出有機化合物和無機化合物的總數量。

如今，線上對過濾的電導率進行檢測是各工廠較為普遍的一種做法，其目的是對洗滌過程是否效果良好和被紙漿吸附的固體數量進行監測。在採用了線上電導率檢測系統後，很多工廠都得以大幅度地節省蒸汽用量；但電導率的檢測工作僅僅反映了所回收的無機化合物數量，有必要以線上方式對過濾過程中的有機化合物進行檢測［16］。

最佳檢測方法是測出已回收的所有溶解固體。只有透過溶解性總固體才能做到這一點。此外，應當以線上方式進行檢測，以進行控制，對出現的任何變動迅速地作出響應，使用適當的水或洗滌液量和避免過度蒸發。所有這一切均不得影響到最終產品質量。

2.2.2 氧脫木素（OD）

氧脫木素階段裡，纖維素紙漿和氧氣產生反應，以進一步分離木質素和降低Kappa指數。應當在高溫和高壓條件下完成該過程並且在鹼性介質（pH＞10）裡產生反應，以便能分離出最多50%的木質素。

透過多項研究結果，顯示了在氧脫木素階段裡溶解和被紙漿吸附的各類固體給洗滌損失帶來的影響［17-19］。在現行實踐中，之所以進行化學需氧量測量工作是為了估算出氧氣和漂白階段裡的紙漿洗滌損失。化學需氧量試驗僅僅代表了紙漿內的氧化化合物數量。然而，可能存在著一些會影響到洗滌過程後各階段但未測出的非氧化化合物，卻能測出不產生任何影響的氧化化合物［10］。

鑑於造成化學需氧量的軟木紙漿內所含有的大部分化合物在脫木素過程中不會有任何影響，且其中一部分化合物，比如甲酸等，甚至可能會產生正面影響，故而桑卡里及其他專家在其研究報告中推斷出化學需氧量並非是用於檢測影響到氧氣階段的洗滌損失的最佳方法［18］。對化學需氧量產生影響的所有物質中，只有木糖會在O2階段裡產生反面影響，因為它會因羧酸而氧化，從而降低了pH值和有必要新增的額外的鹼，以保持最佳的反應條件。

此外，黑液中所含有的硫磺無機化合物很容易被氧化，消耗反應產生的氧氣和提高反應器裡的溫度［18］。圖3-1顯示了氧脫木素反應器的溫度是如何根據氧脫木素階段的紙漿洗滌損失比例逐

步上升的，並以溶解性總固體為計量單位（KgDS/BDt）。

透過類似的研究結果推斷出被視為氧脫木素階段軟木紙漿實際洗滌損失的化合物是指溶解硫酸鹽木素和硫代硫酸鈉等無機化合物［19］。

一般情況下，由蒸煮器和洗滌過程造成的較大洗滌損失會影響到氧脫木素階段的反應動力學、反應的選擇性，導致pH值下降和消耗額外氧量和鹼量。

在氧脫木素階段裡對洗滌損失進行檢測時，應當將溶解於紙漿內的所有固體均考慮在內。由於沒有將無機化合物考慮在內，與溶解性總固體測量方法相比，現行實踐中的化學需氧量測量方法其實並不是最佳方法。採用溶解性總固體測量方法的另一個優勢則是可以實時地在氧脫木素送漿時直接進行測量。然而，如果將這兩種方法相組合也許能成為最佳方法，因為透過這一方式能提供重要資訊，不僅可以提高氧脫木素的效能，同時還能起到更好的環保作用。

2.2.3漂白

是在不同階段裡和採用二氧化氯（ClO2），氯氣（Cl2）和雙氧水（H2O2）等化學品對纖維素紙漿進行漂白的。

在漂白階段被紙漿吸附溶解固體可能會形成有機氯化合物等有害的化合物，從而造成環境汙染，該化合物具有抗天然降解作用的能力，並且能長時間存活在周圍環境裡。

根據多項研究結果顯示，在漂白階段裡確認被吸附的無機化合物數量是很重要的，它提高了化學品的需求量和增加了漂白過程中的相應成本［15，17，20 ，21，22］。

化學需氧量試驗通常都用於檢測漂白階段的洗滌損失。然而，給紙漿化學需氧量試驗產生很大影響的許多化合物（比如甲醇）卻沒有給Kappa指數和紙漿色澤產生任何影響［21］。只有用ClO2漂白才對硫酸鹽木素產生影響［20，21］，用H2O2漂白對軟木紙漿木質素和葡萄糖產生影響［21］。

倫恩及其他專家對漂白廠內洗滌過程的重要性進行了研究，並且強調了基於紙漿內所含有機和無機化合物數量的測量工作的重要性。溶解有機化合物會消耗掉更多的漂白劑（ClO2），但無機化合物可能會導致pH值上升從而有必要新增酸以調整pH值。這就意味著提高運營成本［17］。

洗滌損失的有機組分無疑是漂白過程中最為重要的因素之一，為此，應將化學需氧量的測量或木質素數量考慮在內［19-21］。其最大缺點是無法以線上方式實時進行測量，且無法作為該過程的控制引數來使用。然而，溶解性總固體能測出溶解於紙漿內的所有化合物，能以線上方式進行檢測，此外，由於這兩種引數之間存在著良好的關聯性，故而還能提供化學需氧量資訊（圖3-1和3-2）［14，17］。

3

採用適當檢測和控制系統所獲得的經濟收益

對工廠而言，獲得正確的洗滌效果並不影響到紙漿的清潔程度和送至蒸發器裡的固體含量絕非易事。由於缺乏適當的儀器以實時地提供洗滌效率的實際資訊，故而很難進行洗滌方面的操作和控制。線上檢測工作（如圖4）同樣可作為相應依據，以研發出整條纖維線的先進和自動化控制系統，透過該系統可以迅速地對各步驟中的各類變動作出響應。

洗滌是製漿過程中成本較高的一個過程，很多工廠早從正式運營初期就一直以相同的方式進行操作。隨著當今的技術發展，擁有最創新和先進的控制及測量能力，可最大化提高紙漿效能和它的最終質量。那麼問題來了，若在洗滌過程中採用適當的控制系統，工廠究竟能獲得哪些收益和利潤呢？

過程

洗滌損失的化合物

蒸發

按熱值的有機化合物，以及用於再生蒸煮化學品的無機化合物。

氧脫木素

有機化合物：有機酸降低pH值，溶解木質素是燃料損耗。無機化合物：硫磺化合物和硫代硫酸鈉會消耗O2，並且會導致反應器內的溫度上升。［18，19］

漂白

在所有階段裡，木質素的所有組分。 用H2O2漂白的葡萄糖（還原糖加快了H2O2的分解速度，可能會與H2O2發生反應，致使增加化學品的消耗）。無機和鹼性化合物可能會導致pH值上升和要求新增酸，以調整pH值到最佳水平。 ［17，20-22］

透過精確和實時得出的洗滌損失檢測結果，能夠向系統提供適量的水以進行洗滌。透過這一方式可減少蒸發器的超載風險和減少新增額外燃料的必要性。透過進一步改善稀釋係數的控制，可以將水的用量減少到200加侖/分鐘和將天然氣的消耗量減少到310000 MMBTU/a，由此一來，節約了500，000 $/a以上［16，23］。一旦減少所使用的水量，之後在蒸發廠內水會蒸發，工廠會獲取多餘的蒸汽，該蒸汽可用來生產和銷售電能，由此產生額外的收入。

已強調了採用自動化控制系統的重要性，以線上方式進行檢測，以及由於電導率和化學需氧量測量方面的限制而採用一種能以線上方式測量溶解有機化合物數量的儀器的必要性。

已重點關注了溶解性總固體的測量工作，以便對洗滌損失製漿生產線進行監測和最佳化。當線上測量溶解性總固體時（比如透過使用線上數字折光儀），可以為研發出一種先進的反饋控制系統提供相應依據，不僅是為了控制稀釋係數，同時也是為了透過轉鼓轉速等方式對洗滌裝置進行控制。透過以溶解性總固體為基礎的製漿自動化控制，可連續地監測洗滌效率的各項主要引數，比如平移因子（DR）和諾頓效率因子（E），此外，還便於對洗滌過程進行控制，減少洗滌損失和增加液內的固體濃度［13，24］。在過濾階段僅提高到2%的溶解固體含量，一家標準規模的工廠就能每年獲得1，000，000€以上的利潤［25，26］。

應對纖維素紙漿的洗滌效率進行檢測並且應採用線上檢測結果，以確保能實時的提供洗滌裝置效能的相關資訊。據已安裝了線上數字折光儀的多家工廠反映，他們已經能解決了在洗滌過程控制方面的問題，並且能連續地監測洗滌效率。作為結果，提高了溶解於稀黑液內的固體含量，優化了水的用量和提高了最終產品的質量［27］。

通常各工藝流程透過最佳化紙漿洗滌過程後得以改善的成效如下：

1） 黑液固體濃度的穩定性；

2） 最佳化稀釋係數和減少蒸發器的負擔；

3） 減少蒸汽和燃料的消耗量；

4） 紙漿會變得更潔淨，故而需要使用的漂白劑數量也會相應變得更少；

5） 出產質量更佳並提高紙廠效能。

此外，CO2排放量降低，以及漂白過程中所產生的有害化合物數量減少，提高了工廠的環保水平。採用先進的紙漿洗滌控制和檢測系統，對工廠而言無疑是一項划算的投資。投資回報期會短於3個月［15， 24］。

結束語

洗滌損失是紙漿洗滌過程極為重要的引數之一，應當以適當的線上方式進行測量，以便於監測，控制和最佳化洗滌效率。

在對各類方法進行了對比後，溶解性總固體準確地反映出“洗滌損失”，因為它測出了溶解於紙漿內的可洗有機和無機固體。線上數字折光儀能很好地連續監測溶解性總固體。該技術可提供相應依據，以便為紙漿洗滌過程研發出一種先進的反饋控制系統。採用溶解性總固體，結合其他測量方法，比如化學需氧量或電導率，就能夠為洗滌過程之後的各個過程提供詳細和重要資訊。

採用適當的檢測和控制系統，各工廠即可透過最佳化水的用量、提高可回收的固體數量，減少漂白劑和新增的化學品數量以及提高環保水平等方式獲得利潤，並得以在短期內收回為了採用新計量儀器和先進控制系統而進行的投資。