紙板廠設(shè)計(jì)中的漿水平衡計(jì)算

李錄云

(武漢凱迪研究總院，湖北武漢，430223)

在設(shè)計(jì)造紙生產(chǎn)線的過程中，漿水平衡計(jì)算的結(jié)果為生產(chǎn)流程的優(yōu)化、設(shè)備選型、管道計(jì)算、管件選擇等提供理論依據(jù)，進(jìn)而會影響到項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性與合理性［1］?？梢哉f，漿水平衡計(jì)算貫穿于整個設(shè)計(jì)項(xiàng)目的生命周期，包括項(xiàng)目的策劃、建設(shè)、運(yùn)行、改造直至結(jié)束［2］。漿水平衡計(jì)算說起來是一個非常龐大和繁雜的內(nèi)容。筆者以某紙板生產(chǎn)線項(xiàng)目在策劃階段所進(jìn)行的漿水平衡計(jì)算工作為例，來談?wù)劃{水平衡計(jì)算對項(xiàng)目前期的影響。

1 項(xiàng)目條件

本項(xiàng)目位于我國的東部地區(qū)，擬建設(shè)一條產(chǎn)能為25 萬t/a、產(chǎn)品為白紙板的生產(chǎn)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(chǎn)品定量200 ～450 g/m2，產(chǎn)品的品種是白底白紙板和灰底白紙板兩種，根據(jù)市場變化進(jìn)行靈活調(diào)整。

2 項(xiàng)目分析

項(xiàng)目的主要難點(diǎn)在于產(chǎn)能大，原料、產(chǎn)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(jì)算每種產(chǎn)品在不同情況下原料的使用量;根據(jù)原料的使用量來確定制漿車間各系統(tǒng)的生產(chǎn)能力;再根據(jù)各系統(tǒng)的生產(chǎn)能力分析及優(yōu)化方案。也就是說先進(jìn)行定性分析，然后再進(jìn)行定量分析。

2.1 紙機(jī)的選型

年產(chǎn)25 萬t 的產(chǎn)能即每天的產(chǎn)能應(yīng)選為780 t，紙板由面層、面襯、芯層、底襯及底層組成。紙機(jī)可選為四疊網(wǎng)或五疊網(wǎng)，足夠的層數(shù)以保證紙機(jī)的脫水能力，進(jìn)而保證產(chǎn)能，故本項(xiàng)目采用了五疊網(wǎng)紙機(jī)。

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(jì)算定量的選取

對每一種產(chǎn)品，設(shè)計(jì)中都至少選取3 個計(jì)算定量，即最低定量、最高定量及常用定量，以確定每種產(chǎn)品的最低產(chǎn)能、最高產(chǎn)能及常用產(chǎn)能，可作為設(shè)備選型的依據(jù)及保證項(xiàng)目的綜合效率最高，兩種產(chǎn)品的計(jì)算定量舉例如表2 所示。

表2 兩種產(chǎn)品的計(jì)算定量

3 計(jì)算過程

3.1 紙機(jī)能力的校核

首先對紙機(jī)的能力進(jìn)行校核。這一點(diǎn)需要與業(yè)主及紙機(jī)供貨商一起進(jìn)行討論。確定不同定量、不同幅寬下紙機(jī)可以達(dá)到的最佳運(yùn)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(jīng)過三方討論后，紙機(jī)的最佳生產(chǎn)能力定為780 t/d，即26.52 萬t/a。以下計(jì)算均以日產(chǎn)能為基準(zhǔn)。

3.2 紙機(jī)真空伏輥至成品庫的平衡計(jì)算

真空伏輥至成品庫的漿水平衡計(jì)算如圖1 所示，計(jì)算以1000 kg 風(fēng)干紙為基準(zhǔn)。

由圖1 可知，每生產(chǎn)1000 kg 風(fēng)干紙需要從真空伏輥(即各層的網(wǎng)部復(fù)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(tǒng)提供。

流送系統(tǒng)包括5 個子流送系統(tǒng)，5 個子流送系統(tǒng)又以不同的組合形式對應(yīng)了不同的制漿系統(tǒng)。以下對不同情況下的漿水平衡進(jìn)行計(jì)算與歸納分析。

3.3 不同產(chǎn)品與不同計(jì)算定量下的漿水平衡計(jì)算

紙機(jī)長網(wǎng)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(nèi)。本項(xiàng)目的長網(wǎng)紙機(jī)面網(wǎng)掛漿量在25 ～30 g/m2，因此，當(dāng)計(jì)算定量從200 g/m2增至450 g/m2，面網(wǎng)的掛漿量也相應(yīng)從25 g/m2增至30 g/m2。隨著定量的增加，紙機(jī)的車速會逐漸降低。

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

3.3.1 網(wǎng)部面層漿水平衡計(jì)算

網(wǎng)部面層漿水平衡計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。

由圖2 可知，生產(chǎn)1000 kg 風(fēng)干白底白紙板網(wǎng)部面層的供漿量為85.02 kg，對于780 t/d 的產(chǎn)能來講，網(wǎng)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(chǎn)品的面層漿在不同計(jì)算定量下的需求量情況如表3 所示。

表3 面層漿在不同計(jì)算定量下的需求量

3.3.2 網(wǎng)部面襯漿水平衡計(jì)算

網(wǎng)部面襯漿水平衡計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

圖2 網(wǎng)部面層漿水平衡計(jì)算

依此類推，2 種產(chǎn)品面襯漿在不同計(jì)算定量下的需求量情況如表4 所示。

表4 面襯漿在不同計(jì)算定量下的需求量

3.3.4 網(wǎng)部底襯漿水平衡計(jì)算

網(wǎng)部底襯漿水平衡計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

2 種產(chǎn)品底襯漿在不同計(jì)算定量下的需求量情況如表5 所示。

表5 底襯漿在不同計(jì)算定量下的需求量

3.3.5 網(wǎng)部底層漿水平衡計(jì)算

網(wǎng)部底層漿水平衡計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。

2 種產(chǎn)品底層漿在不同計(jì)算定量下的需求量情況如表6 所示。

表6 底層漿在不同計(jì)算定量下的需求量

3.3.6 網(wǎng)部芯層漿水平衡計(jì)算

網(wǎng)部芯層漿水平衡計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。

2 種產(chǎn)品芯層漿在不同計(jì)算定量下的需求量情況如表7 所示。

4 計(jì)算結(jié)果的歸納與分析

4.1 漂白商品木漿的產(chǎn)能定位

圖3 網(wǎng)部面襯漿水平衡計(jì)算

表7 芯層漿在不同計(jì)算定量下的需求量

從以上計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)產(chǎn)品為白底白紙板時，因?yàn)槊鎸优c底層均使用漂白商品木漿，因此漂白商品木漿的使用量應(yīng)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(dāng)產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)能力可以用最大使用量作為生產(chǎn)能力的基準(zhǔn)。按150 t/d 的產(chǎn)能來確定生產(chǎn)線規(guī)模，產(chǎn)能降低時可以通過延長碎漿的間隔時間來實(shí)現(xiàn)，對設(shè)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(chǎn)能定位

襯層與面層相似，當(dāng)產(chǎn)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(dāng)產(chǎn)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(jì)算結(jié)果可知，日廢脫墨線的生產(chǎn)能力在一個較大的范圍內(nèi)變化:63.37 ～164.20 t/d。最高產(chǎn)能是最低產(chǎn)能的2 倍還多，這樣可以有2 種生產(chǎn)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(chǎn)能的話，那么生產(chǎn)灰底白紙板時的正常使用量86.75 t/d 時，需要在原有生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)上降低33.90%的產(chǎn)能。也就是說，產(chǎn)能定為131.24 t/d 時，當(dāng)產(chǎn)品由白底白紙板調(diào)整為灰底白紙板時，會出現(xiàn)整條線設(shè)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(chǎn)線，對于正常產(chǎn)能為131.24 t/d 白底白紙板，則2 條線全開，其滿負(fù)荷生產(chǎn)能力為160 t/d，生產(chǎn)能力富余量為22%，生產(chǎn)能力雖過剩，但設(shè)備效率會比方案一的高很多，且在一個可接受的范圍內(nèi)。如果生產(chǎn)灰底白紙板，則正常使用量為86.75 t/d，其與單條線的生產(chǎn)能力基本相當(dāng)，此時開1 條線就夠了。方案二與方案一相比，設(shè)備的效率高，但投資大。從可運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性來講，方案二是有優(yōu)勢的。

4.3 舊報紙脫墨漿的產(chǎn)能定位

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，舊報紙脫墨漿僅用于生產(chǎn)灰底白紙板時的底層用漿，其生產(chǎn)的需求量為64.05 ～99.20 t/d。此時話題可以回到4.2 中關(guān)于兩種方案的比較上，如果采用方案二的做法，生產(chǎn)灰底白紙板時，1 條80 t/d 的生產(chǎn)線可用于生產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)。從這一點(diǎn)上說，4.2 中的方案二無疑會比方案一更加具有優(yōu)勢。

圖4 網(wǎng)部底襯漿水平衡計(jì)算

4.4 混合廢紙漿的產(chǎn)能定位

這里首先要說明的一點(diǎn)是，在產(chǎn)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(chǎn)線中，纖維的分級是不可少的。對于生產(chǎn)白底白紙板，產(chǎn)能要求分別為211.88 t/d (最低產(chǎn)能)、216.29 t/d (正常產(chǎn)能)、314.44 t/d (最高產(chǎn)能)。而對于生產(chǎn)灰底白紙板，混合廢紙漿制漿的產(chǎn)能要求應(yīng)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(chǎn)能，長短纖維漿的比例約為4∶6)、86.75 +237.37 =324.12 t/d (正常產(chǎn)能，長短纖維漿的比例約為3 ∶8)、63.37 + 403.53 =466.90 t/d (最高產(chǎn)能，長短纖維漿的比例約為1∶6)?；旌蠌U紙漿面臨的問題是最大的，因?yàn)殡S著定量的改變，混合廢紙漿的生產(chǎn)能力在一個非常寬的范圍內(nèi)變化。設(shè)計(jì)產(chǎn)能如果過低將不能達(dá)產(chǎn)，不能滿足高定量時產(chǎn)品的生產(chǎn)，設(shè)計(jì)產(chǎn)能過高又意味著生產(chǎn)低定量的產(chǎn)品時設(shè)備效率太低。采用2 條生產(chǎn)線的話，每條生產(chǎn)線的產(chǎn)能大概在200 t/d 左右，設(shè)備投資過于龐大。因此，混合廢紙漿設(shè)備的生產(chǎn)能力選擇需要對市場進(jìn)行仔細(xì)的分析后，確定終端產(chǎn)品的主打品種及規(guī)格，也就是產(chǎn)能的定位盡量接近于常用量，以發(fā)揮生產(chǎn)線的最高效率。由于2 種產(chǎn)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(chǎn)線，產(chǎn)能為350 t/d。當(dāng)生產(chǎn)白底白紙板時，這條線的產(chǎn)能將會降低38.20%，此時設(shè)備效率低下?？梢圆扇∵m當(dāng)增加貯漿塔的容積，將生產(chǎn)能力盡量上提，在用電高峰的時候適當(dāng)減小生產(chǎn)能力以降低生產(chǎn)成本。但無論怎么說，設(shè)備效率降低是不可避免的。而對灰底白紙板來說，設(shè)備生產(chǎn)能力基本是在一個高效區(qū)工作。因此，如果采用此方案，生產(chǎn)灰底白紙板從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)上來說是更為合理的。

圖5 網(wǎng)部底層漿水平衡計(jì)算

圖6 網(wǎng)部芯層的漿水平衡計(jì)算

5 結(jié) 語

以擬建于我國東部產(chǎn)能為25 萬t/a的紙板生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)方案為例對漿水平衡進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際上本項(xiàng)目還可以有其他產(chǎn)品品種的變化。從整個計(jì)算過程來看可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論。

5.1 漿水平衡計(jì)算應(yīng)該至少涵蓋每種產(chǎn)品的3 種情況，即計(jì)算出生產(chǎn)過程中相應(yīng)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(chǎn)品品種應(yīng)該是越少越好。這需要對市場進(jìn)行詳細(xì)的分析，否則會出現(xiàn)當(dāng)產(chǎn)品品種或定量改變時生產(chǎn)效率大幅下降，進(jìn)而增加生產(chǎn)成本，同時產(chǎn)品品種的多樣化必然會提高系統(tǒng)的復(fù)雜性。如本案例中配漿系統(tǒng)將會是一個非常龐雜的系統(tǒng)，同樣白水系統(tǒng)也會是極其復(fù)雜的。會給后續(xù)生產(chǎn)的調(diào)整帶來非常多的難點(diǎn)。對管理水平亦有相當(dāng)高的要求。調(diào)整之前一定要對系統(tǒng)的平衡體系有詳細(xì)的計(jì)算、很好的分析及深刻的理解。

5.3 當(dāng)生產(chǎn)效率下降時可以通過進(jìn)一步的計(jì)算與分析進(jìn)行生產(chǎn)上的調(diào)整。如生產(chǎn)能力峰值與谷值的調(diào)整來優(yōu)化設(shè)備的使用。

5.4 漿水平衡計(jì)算是整個設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。這里只說明了制漿系統(tǒng)生產(chǎn)能力的確定，進(jìn)一步詳細(xì)的計(jì)算將會為設(shè)備選型、管徑計(jì)算等一系列的工作提供理論依據(jù)。

5.5 本案例沒有對能量平衡進(jìn)行計(jì)算，在實(shí)際的項(xiàng)目中，能量平衡計(jì)算是項(xiàng)目不可缺少的一部分。能量平衡計(jì)算將會為降低能量消耗，節(jié)約生產(chǎn)成本提供有力的支持。這一點(diǎn)可以在實(shí)際項(xiàng)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(jì)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(jìn)行平衡計(jì)算［J］. 中國造紙，2000，19(5):37.