紙機系統(tǒng)清洗原理及在造紙生產(chǎn)中的應(yīng)用

呂文志 蔣志龍 李菊香 周海燕 鮑安惠 駱朝濤 田江洪 龍 柱

（1.黔南民族師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，貴州都勻，558000；2.江南大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇無錫，214122）

隨著現(xiàn)代造紙的發(fā)展，生產(chǎn)中各類助劑被大量應(yīng)用[1-3]；造紙原料來源日益豐富和多樣化，特別是回收纖維的大量循環(huán)使用，導(dǎo)致紙機系統(tǒng)容易出現(xiàn)各類“污染物”問題，并由此引起生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量問題，給造紙廠商造成巨大損失[4-6]。為了降低造紙體系污染物的數(shù)量，減少和避免污染物問題的發(fā)生，造紙生產(chǎn)者也采取了很多措施：如熱分散、除渣器、壓力篩和高、低壓噴淋等機械設(shè)備的優(yōu)化使用[7-9]；又如添加各種膠黏物控制劑、殺菌劑及對成形網(wǎng)、毛毯和干網(wǎng)進行保潔清洗應(yīng)用等[10-13]。盡管如此，在生產(chǎn)周期內(nèi)各類沉積物的積累還是會發(fā)生，如不及時加以清除將會造成嚴(yán)重的膠黏物問題，這就需要在生產(chǎn)間歇對紙機上漿和白水系統(tǒng)進行充分的清洗。進行系統(tǒng)清洗時，首先要根據(jù)造紙體系的實際情況，選擇合適的清洗藥劑，用白水或清水加以稀釋后，在封閉漿料和白水系統(tǒng)中循環(huán)一段時間，最后將溶出的污染物連同清洗藥液一同排掉。紙機系統(tǒng)清洗，外文一般稱作“bo‐ilout”，國內(nèi)有文獻稱之為“串洗”[14]，是消除紙機管路和設(shè)備表層沉積物，降低造紙體系內(nèi)各類污染物數(shù)量的重要措施。

目前國內(nèi)造紙生產(chǎn)中，特別是對于大型紙機來說，紙機系統(tǒng)清洗一般由專門的造紙化學(xué)品供應(yīng)商來完成，包括提供清洗藥劑、清洗設(shè)備及人員服務(wù)等，而紙廠一線生產(chǎn)技術(shù)人員對紙機系統(tǒng)清洗包括其重要性、清洗原理及操作步驟等還缺乏深入的認(rèn)識。本文就紙機系統(tǒng)清洗的相關(guān)原理、分類、清洗步驟及過程監(jiān)測等加以闡述，并通過列舉在國內(nèi)某大型文化紙機上進行系統(tǒng)清洗的完整過程來加以說明。

1 紙機系統(tǒng)清洗分類及原理

根據(jù)清洗范圍或規(guī)模的不同，紙機系統(tǒng)清洗可分為短循環(huán)系統(tǒng)清洗和長循環(huán)系統(tǒng)清洗，另外還可根據(jù)所選用清洗劑種類的不同，分為堿性系統(tǒng)清洗和酸性系統(tǒng)清洗[14-15]。

1.1 按清洗區(qū)域或規(guī)模分類

1.1.1 長循環(huán)系統(tǒng)清洗

長循環(huán)系統(tǒng)清洗也可稱作大循環(huán)系統(tǒng)清洗，是對紙機上漿和白水系統(tǒng)的全面徹底清洗，涵蓋所有漿槽和從碎漿到紙機網(wǎng)部的全部設(shè)備。通常選擇在第一個漿槽中添加清洗劑，經(jīng)過一段時間的循環(huán)串洗，再依次泵送到其他漿槽進行循環(huán)串洗。因為清洗區(qū)域大，涉及到的設(shè)備多，總的清洗時間較長，所以該類型系統(tǒng)清洗一般會放在紙機大修期間進行。

1.1.2 短循環(huán)系統(tǒng)清洗

大多數(shù)情況下，長循環(huán)系統(tǒng)清洗因耗時太多，不太容易被生產(chǎn)人員認(rèn)可。另外，停機期間維修人員往往需要對漿料儲槽和制漿設(shè)備進行維修保養(yǎng)，也使得此類長循環(huán)系統(tǒng)清洗無法開展，這時候就只能選擇更便捷的短循環(huán)系統(tǒng)清洗。

短循環(huán)系統(tǒng)清洗也被稱作小循環(huán)系統(tǒng)清洗，只需將清洗劑泵送到白水系統(tǒng)即可，或者選擇將清洗劑泵送到碎漿機中，再依次經(jīng)過損紙漿槽、混合漿槽、紙機漿槽、調(diào)漿箱、除渣器、壓力篩、流漿箱、白水收集槽，然后排入溝渠。為了進一步縮短清洗時間，該過程中的任一中間環(huán)節(jié)都可以選擇去掉。

1.2 按清洗劑種類分類

1.2.1 堿性系統(tǒng)清洗

該類清洗所用清洗劑為堿性清洗劑，一般由苛性堿、陰離子表面活性劑、溶劑、螯合劑及分散劑等組成。其中堿和有機溶劑的作用是溶解系統(tǒng)中各類沉積物；表面活性劑可促進清洗劑向沉積層的滲透；添加少量的螯合劑有助于絡(luò)合溶液中的Ca2+、Mg2+等金屬離子，降低它們再次沉積的可能；分散劑也可以起到分散溶出物，防止其二次沉積的作用。

通過堿性系統(tǒng)清洗可除去系統(tǒng)中大多數(shù)有機沉積物和微生物沉積物，但這也依賴于正確的清洗方案和步驟。實踐證明，為了使系統(tǒng)中大多數(shù)有機沉積物得以皂化和溶解，清洗液的pH 值至少要控制在12 以上。由于不同紙廠實際用水情況不同，達到相應(yīng)pH值所需的堿性系統(tǒng)清洗劑的用量也不同。最終的清洗劑用量將由水的酸堿度、體系容量和諸如酸性造紙還是中堿性造紙等生產(chǎn)實際情況決定。此外，考慮到在清洗過程中可能會因堿消耗及額外清水的混入，導(dǎo)致pH 值降低，還需要在清洗過程中根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，通過補充燒堿或清洗劑來維持pH 值的穩(wěn)定。在清洗劑添加之前，可以通過對清洗過程用水（白水或者清水）進行簡單滴定，來預(yù)估達到相應(yīng)pH 值所需的清洗劑用量。

1.2.2 酸性系統(tǒng)清洗

酸性系統(tǒng)清洗采用的是酸性清洗劑，該類清洗劑一般由各類有機或無機酸、表面活性劑、螯合劑及分散劑等組成，主要是針對中堿性造紙的紙機體系，清除來自填料的碳酸鈣類無機鹽沉積物。酸性清洗劑組分中往往還含有一定量的緩蝕劑，以減少在清洗過程中可能對設(shè)備造成的腐蝕。此外，該類清洗劑對清除染料槽、淀粉槽、漂白車間螺旋擠漿機及脫墨車間洗漿機等設(shè)備表面沉積的無機鹽也非常有效。

進行酸性系統(tǒng)清洗時，pH 值一般控制在3～4，系統(tǒng)中清洗液需要循環(huán)1～2 h。不同于堿性系統(tǒng)清洗，酸性系統(tǒng)清洗時一般可在常溫下進行。這是由碳酸鈣特殊的溶解特性決定的，采用較低的溫度有利于碳酸鈣溶解，而且還可大大降低洗滌過程中酸性清洗劑對設(shè)備表面的腐蝕。類似的，在進行酸性系統(tǒng)清洗之前，也可以通過對清洗用白水或清水進行滴定，預(yù)估使系統(tǒng)達到預(yù)定pH 值所需的清洗劑用量。此外，由于在清洗過程中，沉積的碳酸鹽將消耗相當(dāng)數(shù)量的酸，所以清洗期間需要通過額外添加酸來維持清洗液pH值的穩(wěn)定。

系統(tǒng)清洗過程中，溫度、pH 值及時間等參數(shù)的參考值見表1。

表1 系統(tǒng)清洗過程中參數(shù)的參考值

2 系統(tǒng)清洗應(yīng)用實例

大型紙機一般每月進行1 次堿性系統(tǒng)清洗，每3個月進行1次酸性系統(tǒng)清洗，而且一般是先酸性系統(tǒng)清洗，隨后再進行堿性系統(tǒng)清洗。如果酸性系統(tǒng)清洗后沒有進行堿性系統(tǒng)清洗，則應(yīng)在清洗液排空后使用弱堿性溶液沖洗系統(tǒng)，直到系統(tǒng)或設(shè)備表面沒有殘留的酸，然后用清水沖洗至pH 值為中性。無論長、短循環(huán)系統(tǒng)清洗，所用清洗劑的類型都是相同的，一般由沉積物的類型決定。

本文分別以國內(nèi)某30 萬t/a 文化紙機進行的短循環(huán)堿性系統(tǒng)清洗和酸性系統(tǒng)清洗為例，對整個系統(tǒng)清洗過程加以說明，其中對短循環(huán)酸性系統(tǒng)清洗過程只做簡要描述。

2.1 短循環(huán)堿性系統(tǒng)清洗步驟

（1）紙機停機后，由操作人員打開流漿箱并抽出飄片，防止清洗劑對其造成腐蝕的可能性。

（2）正式清洗前，對紙機漿水系統(tǒng)進行仔細(xì)檢查，關(guān)閉末段除渣器排渣閥、清水補給閥及除渣器、脫氣罐的噴淋水等。

（3）網(wǎng)下白水槽預(yù)留80%左右的液位，打開蒸氣閥給系統(tǒng)加熱，定期取樣監(jiān)測溫度。

（4）紙機漿池預(yù)留25%左右的漿料，該部分漿料在清洗過程中可以增加對設(shè)備表面的沖刷，有助于增強清洗效果。

（5）降低成形網(wǎng)張力，調(diào)至爬行狀態(tài)，降低脫水元件的真空度，維持成形網(wǎng)低速運轉(zhuǎn)。

（6）添加1.5%片堿（相對白水量），待系統(tǒng)溫度升至55℃以上時添加清洗劑，對系統(tǒng)pH 值進行監(jiān)測，使pH值維持在12.0以上。

（7）以短循環(huán)形式運轉(zhuǎn)漿料和清洗液，對流送設(shè)備、管路、漿池和流漿箱進行強力沖洗。

（8）清洗臨近結(jié)束時關(guān)閉蒸汽閥門，然后快速排掉清洗液，以防沉積物在溫度降低后黏附在設(shè)備表面。

（9）清洗結(jié)束后，用清水對系統(tǒng)進行充分洗滌，直到系統(tǒng)pH值接近中性。

（10）流漿箱等需要重點清洗的設(shè)備，可用高壓水槍進一步徹底沖洗。

（11）現(xiàn)場對紙機進行檢查確認(rèn)，做好開機準(zhǔn)備。

2.2 短循環(huán)堿性系統(tǒng)清洗過程中各監(jiān)測指標(biāo)變化情況

2.2.1 溫度和pH值

溫度、pH 值無疑是堿性系統(tǒng)清洗過程中影響清洗效果的兩個最關(guān)鍵因素，因此需要在清洗期間對其進行實時監(jiān)測，其中溫度最好維持在55～60℃，而pH值最佳范圍則是12.0～12.5。

圖1 系統(tǒng)pH值及溫度監(jiān)測情況

圖1 為系統(tǒng)pH 值及溫度監(jiān)測情況。由圖1 可見，堿性系統(tǒng)清洗期間，在經(jīng)過前期短暫的快速升溫階段后，紙機系統(tǒng)中清洗液溫度基本維持在55～60℃之間。較高的清洗溫度有助于促進系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備表面沉積物的軟化溶解，并且可以有效避免已溶解的沉積物發(fā)生二次沉積。清洗開始后，隨著片堿和清洗劑的添加，紙機系統(tǒng)pH 值迅速增加，在達到最大值后隨著清洗過程的進行逐漸下降，之后趨于穩(wěn)定。這是因為隨著片堿和清洗劑添加結(jié)束，由于清洗液中的堿會與系統(tǒng)中的有機沉積物發(fā)生皂化反應(yīng)，從而被大量消耗，導(dǎo)致系統(tǒng)pH 值逐漸降低。為此，清洗期間應(yīng)該根據(jù)pH 值的實時監(jiān)測結(jié)果，向體系中補充部分片堿或清洗劑，以維持清洗液pH 值的穩(wěn)定?？傮w而言，系統(tǒng)清洗期間，維持較高的pH 值有助于各類沉積物的充分軟化和皂化溶解，從而提高總的清洗效果，但也要防止過高的pH值可能會對成形網(wǎng)造成損壞。

2.2.2 總堿度和電導(dǎo)率

總堿度反映的是體系中各類堿性物質(zhì)的總含量，相比pH 值，它能更準(zhǔn)確地反映出體系中堿的濃度及變化情況。電導(dǎo)率值可用于表征體系中溶解的各類電解質(zhì)的總濃度，該濃度與體系中所含物質(zhì)的溶解程度密切相關(guān)。且鑒于造紙生產(chǎn)中添加的各類化學(xué)品基本都帶有正負(fù)電荷，因此電導(dǎo)率測量結(jié)果能較好地反映此類物質(zhì)在體系中的溶解含量。通過對系統(tǒng)中總堿度和電導(dǎo)率值的實時監(jiān)測，一方面可以了解清洗期間系統(tǒng)中堿的變化情況，另一方面也可對清洗期間系統(tǒng)中沉積物的溶解和電離情況進行考察，從而能更好地掌握清洗效果。

圖2 為系統(tǒng)電導(dǎo)率及總堿度變化情況。由圖2 可知，開始階段，隨著片堿及清洗劑的加入，系統(tǒng)的總堿度和電導(dǎo)率值均迅速增加，達到最大值后又快速降低。這是因為在開始階段，隨著片堿及清洗劑這類強堿的加入，導(dǎo)致系統(tǒng)總堿度和電導(dǎo)率值快速增加；但之后隨著片堿及清洗劑添加結(jié)束，系統(tǒng)中各類有機沉積物不斷與堿發(fā)生皂化反應(yīng)，消耗了大量的強堿性物質(zhì)，并生成相應(yīng)的有機弱堿鹽，導(dǎo)致總堿度和電導(dǎo)率監(jiān)測值快速降低?？倝A度和電導(dǎo)率值的監(jiān)測結(jié)果，在一定程度上也反映了系統(tǒng)清洗的效果。

圖2 系統(tǒng)電導(dǎo)率及總堿度變化情況

2.3 短循環(huán)堿性系統(tǒng)清洗前后紙機狀況對比

圖3 分別是清洗前后流漿箱、除氣器內(nèi)部及紙機表面的對比照片。由圖3可見，短循環(huán)堿性系統(tǒng)清洗之后，設(shè)備表面的沉積物已基本被除去。通過短循環(huán)堿性系統(tǒng)清洗，將沉積在設(shè)備表面的腐漿、有機和無機沉積物清洗干凈，可有效避免后續(xù)生產(chǎn)過程中，因此類沉積物質(zhì)脫落而導(dǎo)致的斷紙、紙張破洞等生產(chǎn)和質(zhì)量問題，進而為造紙企業(yè)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。

2.4 短循環(huán)酸性系統(tǒng)清洗及過程監(jiān)測

短循環(huán)酸性系統(tǒng)清洗步驟和短循環(huán)堿性系統(tǒng)清洗類似，只是將藥劑由堿性系統(tǒng)清洗劑改為檸檬酸及專用酸性系統(tǒng)清洗劑，清洗過程中無需加熱，pH值一般控制在3.0～3.5。除pH 值外，清洗期間還需要對電導(dǎo)率、總酸度、總硬度等系統(tǒng)參數(shù)進行監(jiān)測，以實時了解整個清洗過程及清洗效果。表2是進行1次短循環(huán)酸性系統(tǒng)清洗時，系統(tǒng)中相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測情況。

由表2 可見，短循環(huán)酸性系統(tǒng)清洗過程中，pH值接近3.0，控制的相對較低，溫度低于清洗前的白水溫度；電導(dǎo)率、總酸度和總堿度均隨著清洗劑加入達到最大值，之后明顯回落，其中以總堿度在清洗劑添加后增幅最大，應(yīng)該是系統(tǒng)中沉積的碳酸鈣類填料大量溶解所致。

圖3 短循環(huán)堿性系統(tǒng)清洗效果

表2 短循環(huán)酸性系統(tǒng)清洗過程監(jiān)測

3 結(jié) 語

對紙機定期進行系統(tǒng)清洗的目的，是通過清洗，使紙機在經(jīng)過一個運轉(zhuǎn)周期之后，最大程度恢復(fù)到其最初的設(shè)計能力，并通過有效清除或減少生產(chǎn)過程中體系內(nèi)各種膠黏物的數(shù)量，從而保證生產(chǎn)的連續(xù)運轉(zhuǎn)和維持穩(wěn)定的紙張質(zhì)量。要保證良好的紙機系統(tǒng)清洗效果，有幾點非常重要，包括：①通過對系統(tǒng)隔離創(chuàng)造一個封閉的循環(huán)體系，能有效避免體系外清水、白水的侵入，以及體系中清洗藥液的過度流失；②通過分析，準(zhǔn)確判斷體系中沉積物的主要成分，選擇最有效的清洗類型和清洗劑產(chǎn)品；③結(jié)合生產(chǎn)實際，制定合理的系統(tǒng)清洗方案并正確應(yīng)用清洗劑產(chǎn)品。