Produkcja papieru - pomiary poziomu w obróbce pulpy drzewnej w papierni

Podstawowymi zmiennymi kontrolnymi w papiernictwie są: masa, wilgotność i grubość (gramatura). W typowej celulozowni czy papierni znajdują zastosowanie różne techniki pomiaru poziomu, wykorzystujące przewodność w.cz., ultradźwięki, radar, różnice ciśnień, a także techniki wypornikowe, bełkotkowe i radioizotopowe. Każda z tych technik, jeśli jest zastosowana poprawnie, nadaje się do cieczy, granulatów, zawiesin i na rozgraniczeniach faz. Dominującą pozycję do pomiaru poziomu w zbiornikach w zakładach przemysłowych zajmują czujniki różnicy ciśnień. Jednak w stosowanych w papierniach rozdrabniaczach – zwłaszcza do pomiaru poziomu wiórów drewna w pojemnikach – dobrze sprawdzają się wszystkie techniki pomiaru poziomu z wyjątkiem czujników różnicy ciśnień, wypornikowych i bełkotkowych.

Obróbka drewna

Do składnicy drewna trafia surowiec w postaci papierówki w kłodach lub wiórach, przeznaczony dalej do ścierania. Kłody papierówki przechodzą przez bębny okorowujące i rębaki, a wióry są następnie mieszane, sortowane i magazynowane w pryzmach lub w pojemnikach.

W celulozowni wióry miesza się z alkalicznymi chemikaliami do roztwarzania (ług biały, przeważnie w postaci wodorotlenku sodu), pod ciśnieniem pary wodnej z siłowni, w warnikach działających w sposób ciągły albo wsadowo. Produktem warników jest surowa pulpa brunatna w słabym (15%) ługu czarnym. Ług biały nabiera ciemnego koloru pod wpływem składników organicznych oraz ligniny (drzewnika) wiórów drewna – czyli kleju spajającego drewniane włókna, nadającego im siłę i sztywność.

Głównym celem dalszych działań w celulozowni jest przede wszystkim oczyszczanie pulpy – przez jej odsiewanie, rafinację, płukanie i bielenie w warnikach. Przechodzi ona następnie do maszyny papierniczej, gdzie gromadzi się w komorach wysokiej gęstości. Istotną częścią procesu jest odzyskanie chemikaliów czarnego ługu i ich zagęszczenie w wyparkach. Skondensowany (65%) ług czarny zostaje wysłany do siłowni, gdzie jest wtryskiwany do pieca kotła odzysku w celu wytworzenia pary technologicznej i otrzymania ługu zielonego. Ług ten jest kierowany następnie do kaustyzatora, w którym w reakcji z wapnem odzyskuje się ług biały.

W kotle odzysku znajduje się zwykle więcej parowych wydmuchiwaczy sadzy, usuwających lotny popiół z rurek kotła, niż palników gazowych czy olejowych. Jednakże dodatkowe urządzenia kotła głównego (służące uzdatnianiu dostarczanej wody, a także wentylatory wymuszonego lub wzbudzonego nadmuchu, analizatory gazu kominowego czy systemy przegrzewania i rozprowadzania pary) nie różnią się wiele od tego rodzaju urządzeń kotłowni tradycyjnych.

Zagęszczony ług czarny z wyparek jest doprowadzany do kotła odzysku i mieszany z siarczanem sodu z osadnika elektrostatycznego, a następnie rozpylany w palenisku przez oscylujące wtryskiwacze ługu. Wtryskiwacze te tak skutecznie rozpylają ług czarny, że spala się on przynajmniej częściowo, zanim opadnie na dno kotła, tworząc stopioną warstwę. To stopione złoże składa się głównie z tlenku sodu i poprzez rynienki stopowe przedostaje się z kotła do zbiornika rozpuszczającego ług zielony. Stężenie ługu zielonego w zbiorniku rozpuszczającym jest kontrolowane w celu uzyskania optymalnej reaktywności ługu przy przejściu do kaustyzatora, gdzie w reakcji z wapnem tworzy ług biały.

Na mokro lub na sucho

Maszyna papiernicza "zaczyna się" tam, gdzie wsad pulpowy jest podawany na sito kształtujące przez linijkę spiętrzającą skrzyni wlewowej, od tzw. mokrej strony – kończy się zaś po stronie suchej. Pomiędzy stroną mokrą a suchą z papieru jest odprowadzana woda – najpierw w pierwszej sekcji formującej, następnie w sekcji tłoczącej i na koniec w suszącej. Oprócz tego w maszynie papier poddaje się tłoczeniu, suszeniu i zabiegom wykańczającym. Te ostatnie polegają na cięciu do właściwego wymiaru, wygładzaniu powierzchni i – jeśli to wymagane – aplikowaniu stosownego pokrycia.

Jak w każdym zakładzie produkcyjnym, tak i w papierni stosowane są oczyszczające strumienie powietrza i wody. Gazy kominowe oczyszcza się z pyłów w osadnikach elektrostatycznych, a nadmiar ciepła z wody odbiera w wymiennikach, aby różnica temperatur nie zakłócała otoczenia. Woda trafia do oczyszczalni z odstojnikami i zbiornikami osadowymi, które nie różnią się wiele od tych używanych w miejskich oczyszczalniach kanalizacyjnych.

W kotłach odzysku znajdują się parowe wydmuchiwacze sadzy i popiołu (zwykle około pięćdziesięciu na kocioł) – substancji mających tendencję do gromadzenia się i hamowania przepływu ciepła do wody, co utrudnia tworzenie się pary w kotle oraz obniża jego sprawność. W celu wyrównania zużycia pary w kotle, poszczególne wydmuchiwacze sadzy są zsynchronizowane i działają w określonej z góry kolejności.

Słaby ług czarny o stężeniu 15%, z procesu przemywania pulpy, jest zatężany w wyparkach do około 60% i spalany w kotle odzysku. Wyparki można montować w kolumnie pojedynczej lub wielokrotnej (maksymalnie do siedmiu modułów). W modelach wielokrotnych wykorzystuje się podciśnienie, co obniża temperaturę parowania. Proces ten optymalizuje się, wykorzystując różnice temperatury i ciśnienia w celu sygnalizowania zanieczyszczania rur, obniżającego szybkość wymiany ciepła i zmniejszającego podciśnienie. Automatycznie uruchamia się wtedy parowanie w wyparkach i usuwanie zanieczyszczeń.

W kaustyzatorze celulozowni ług zielony reaguje z wapnem, tworząc ług biały, zawracany do procesu roztwarzania (warzenia) wiórów drewna. Zwykle do mierzenia zupełności reakcji jako zmienna służy przewodność. Precyzyjne określanie składu chemicznego ługu białego, pozwalające na dokładniejsze oznaczenie zupełności reakcji, jest łatwiejsze, gdy stosujemy nowsze mierniki radioizotopowe. Ponieważ kaustyzacja pozostaje ze swojej natury procesem o długim czasie martwym, nie najlepiej poddaje się tradycyjnemu sterowaniu proporcjonalno-całkująco- -różniczkującemu (PID). Nowsza technika optymalizacji, oparta o modelowane sterowanie predykcyjne (MPC), pozwala ściślej zharmonizować proces i poprawić jakość otrzymywanego ługu białego.

się warników działających wsadowo lub ciągle. W obu metodach zasada działania jest ta sama – wióry drewna i chemikalia warzelne wprowadza się do warnika. Pod wpływem ciśnienia i wysokiej temperatury doprowadzanej pary wodnej wióry są warzone (rozpadają się) przez 60 do 90 minut. Warnik opuszcza papka pulpowa o konsystencji 6%, a powstałe włókna miazgi są w stanie bliskim do tego, który jest niezbędny, by powstał papier.

Dzięki przesiewaniu i rafinacji surowa pulpa staje się bardziej jednolita. Przesiewacz, w formie wirującego cylindrycznego kosza ze szparami lub otworami, przepuszcza włókna pulpy o optymalnych rozmiarach, odśrodkowo eliminując kłębki i niezwarzone lub niedowarzone pęki włókien, zawracane do warnika. Po przejściu przez rafiner – urządzenie składające się z dwóch wirujących płyt o szorstkiej powierzchni, w którym włókna drzewne są cięte i defibrylowane – surowa pulpa uzyskuje jednorodną konsystencję.

Oczyszczanie

Zwarzona, przesiana i częściowo rafinowana surowa pulpa składa się z włókien o jednolitych rozmiarach, ale jest jeszcze ciągle zanieczyszczona wszelkimi organicznymi i nieorganicznymi produktami ubocznymi procesu warzenia, czyli wspominanym już słabym ługiem czarnym, który zawiera około 15% części stałych. Jego ciemny kolor wywołuje głównie lignina. Pozostałe składniki nieorganiczne mogą być ponownie użyte w procesie warzenia. Płuczki brunatnego surowca składają się z kilku stopni przeciwprądowych (zwykle trzech), w których surowiec pulpowy przemieszcza się w jednym kierunku, a czysta płucząca woda w przeciwnym. Czysta woda spotyka się najpierw z najczystszą pulpą w stopniach końcowych, a woda z niewielką zawartością wypłukanego słabego ługu miesza się z najbrudniejszą pulpą w stopniach wstępnych.

D

o pomiarów poziomu, w takim interfejsie jak w generatorze dwutlenku chloru, najlepiej nadają się poziomomierze przewodnościowe w.cz. lub radioizotopowe. Przed laty zestrojenie pętli poziomu w generatorze dwutlenku chloru z czujnikiem różnicy ciśnień i analizatorem gęstości zajmowało wiele godzin. Interfejs poziomu generacji wyznaczało się przez obliczenie poziomu kompensowanego gęstościowo. Nie dawało to pełnej kontroli szybkości produkcji. Później popularność zyskały radiacyjne metody ciągłego pomiaru poziomu z detektorami scyntylacyjnymi, w których wiązka promieniowania radioizotopu przechodzi przez generator dwutlenku chloru, a dokładność pomiaru sięga 1 do 2% przy wysokiej powtarzalności.

Bielenie pulpy zależy od rodzaju końcowego produktu papierniczego. Zazwyczaj nie jest w ogóle potrzebne, jeśli wytwarzamy tekturę czy torebki do opakowań. Staje się jednak niezbędne w przypadku papieru do pisania, ręcznikowego, chusteczek, pieluszek itp. Instalacja wybielająca składa się przeważnie z kilku płuczek stopniowych (trzech do pięciu), rozmieszczonych w wieżach bielących. Znajdujące się w każdej z takich wież chemikalia z reguły wybielają zawartość w ciągu jednej do dwóch godzin. Typowymi substancjami, które tego dokonują, są: płynny lub gazowy chlor, dwutlenek chloru, wodorotlenek sodu, podchloryn sodu, nadtlenek wodoru, ciekły lub gazowy tlen i ciekły lub gazowy ozon.

Kontrola na pełnej długości

Po przejściu wszystkich przygotowań pulpa jest przechowywana w komorze maszyny. Stamtąd pompa wirnikowa pompuje surowiec do skrzyni wlewowej, z której przez wlew na całą szerokość (czasem blisko 8 m) płaskiego sita maszyny nakładana jest zawiesina pulpy.

Typowa maszyna papiernicza może osiągać długość zbliżoną nawet do boiska piłkarskiego, a w globalnym przemyśle działają modele znacznie większe, sięgające aż… 600 m. Rozmieszczone w strategicznych punktach wzdłuż maszyny kamery wideo skutecznie ostrzegają operatorów o zdarzeniach grożących zerwaniem wstęgi papieru. Dzięki tym informacjom mogą oni znacząco ograniczyć czas przestoju w razie awarii. Zastosowanie kaskadowo sprzężonych napędów o zmiennej szybkości poszczególnych rolek w sekcjach płaskositowej, tłoczącej i suszącej, pozwala dokładniej regulować naciąg wstęgi papieru, łagodząc nadmierne naprężenia, mogące powodować jej zerwanie.

Krzysztof Pochwalski
Wojciech Stasiak