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爆破制浆造纸黑液处理工艺研究 * 王震 1 马勇光 2 1. 郑州大学环水学院， 郑州 450002;2. 河南省环境保护科学研究院， 郑州 450004 摘要 爆破制浆造纸黑液经三效蒸发装置浓缩后， 固形物含量可达 34 ～ 40 ， 利用内旋式不锈钢喷枪送入锅炉炉膛 内燃烧， 可将爆破制浆造纸黑液全部处理不外排。同时， 每立方米浓缩黑液可平均节约燃煤 91. 06 kg， 具有较好的经 济、 环境效益。 关键词 爆破制浆; 黑液; 浓缩; 燃烧 THE RESEARCH ON TECHNOLOGY OF TREATING PAPER MANUFACTURING BLACK LIQUOR FROM EXPLOSIVE PULPING Wang Zhen1Ma Yongguang2 1. School of Environment and Water Conservancy， Zhengzhou University，Zhengzhou 450002， China; 2. Henan Academy of Environmental Protection Research， Zhengzhou 450004， China AbstractAfter a papermaking black liquor from explosive pulping is condensed by triple effect evaporation unit， its suspended solid reaches to 34 ～ 40 . The black liquor is sprayed to the chamber of a boiler by a stainless rotating spray gun， and then it is burnt. In this way the black liquor from explosive pulping can be totally burnt without discharging. Meanwhile， every cubic meter condensed black liquor can save about 91. 06 kg coal. It has very good environmental and economic benefits. Keywordsexplosive pulping;black liquor;condense;burn * 河南省环境保护厅 2007 年科技攻关项目。 0引言 爆破制浆技术近年来得到发展， 法国、 日本、 中国 等国家都在进一步研究 ［ 1- 3］。河南省某纸业公司现已 建成爆破制浆设备 8 台， 日产风干浆 40 t， 生产 C 级 瓦楞原纸13 600 t。在确定的工业化生产条件下最佳 加碱量 石灰 为 25 kg/t 折 CaO 12. 5 kg/t ， 此时可 溶性 COD 产生量为 332 kg/t［ 4］。根据调查， 该企业 生产过程中排水量为3 203 m3。制浆黑液和中段水 合流情况下生产废水 COD 浓度为4 650 mg/L， 采用 目前生化处理工艺无法达标排放。因此， 采用黑液提 取的方法， 使黑液提取率达 80 以上， 将黑液单独处 理， 从而可控制中段水 COD 浓度为1 336 mg/L， 利用 企业现有的混凝沉淀 水解酸化 SBR 处理装置进 行生化处理可实现生产废水达标排放。 1爆破制浆黑液特征 对于碱法全化学草浆黑液， 其中有机物含量约为 70 ， 主要包括麦草纤维原料溶出的木质素、 糖分、 半 纤维素、 纤维素分解物及有机酸等; 无机物含量约为 30 ， 主要包括游离的钠盐和二氯化硅等 ［ 5］。 爆破制浆黑液与碱法全化学草浆黑液相比， 其特 点主要表现为 1 挥发性有机酸含量高、 黑液呈酸 性; 2 由于蒸煮中加入无机盐量很少， 黑液中无机盐 含量很低， 固形物中有机物含量较高; 3 黑液半纤维 素含量较高， 约为黑液中固形物含量的 59 。 由以上爆破制浆黑液的特征可知， 由于其中钠盐 含量很低， 无法采用传统的碱法全化学麦草浆黑液处 理方法 碱回收的方式进行处理。 2爆破制浆黑液治理方案选择及设计 2. 1黑液治理方案比选 对于造纸黑液， 其治理方法主要包括碱回收法、 膜分离法、 厌氧处理法、 蒸发浓缩法等。 碱回收法处理黑液多见于碱法化学制浆， 其目的 是回收废水中的钠离子， 同时回收其中的热能。但爆 破制浆属低碱蒸煮工艺， 黑液中钠离子很少， 因此没 有回收价值。 33 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 膜分离法可以回收黑液中的木质素等组分， COD 去除率可达 80 以上， 色度去除率可达 90 以上。 但由于黑液中纤维素、 糖类物质易堵塞膜， 预处理要 求严格。而爆破制浆中机械杂质和糖类物质含量高、 木质素含量少、 黏度高， 极易发生堵塞， 因此爆破制浆 黑液也不易采用此法进行处理。 厌氧处理法是常用的高浓度有机废水处理方法， 在造纸黑液中， 木质素、 纤维素是较难降解的有机物， 经过实践证明， 在厌氧处理黑液过程中， 其 COD 去除 率仅为 60 左右， 势必提高后续造纸废水好氧及深 度处理负荷， 很难保证造纸废水稳定达标排放 ［ 5］。 蒸发浓缩法是将高浓度废水中水份蒸出， 增加废 水中有机物浓度， 然后利用有机物热量， 进行燃烧处 理的一种方式。黑液中纤维素、 半纤维素、 木质素等 有机固形物的热值一般为13 000 ～ 15 000 kJ/kg， 虽 然爆破制浆黑液中碱和木质素的含量较低， 回收利用 价值不高， 但可以通过浓缩将黑液增浓， 送至锅炉房 燃烧， 回收黑液中的热能， 即可节省锅炉的用煤量， 又 可确保造纸废水后续处理实现稳定达标排放。 综上所述， 本次研究采用多效蒸发浓缩、 燃烧的 方式， 对爆破制浆黑液进行有效处理。 2. 2黑液浓缩工艺流程 本研究黑液浓缩采用三效蒸发浓缩， 其工艺流程 见图 1。 图 1三效蒸发工艺流程 2. 3试验设备及工艺参数 试验选用降膜式三效蒸发器， 蒸发总面积为 440 m2。三效蒸发器技术参数见表 1。 表 1三效蒸发系统工艺设计参数 项目工艺参数 稀黑液进料质量分数 6 ～ 8 进料温度 40 ～ 70 ℃ 进料量 6. 4 m3/h 153 m3/d 浓黑液出料质量分数 40 生蒸汽压强 0. 15 ～ 0. 30 MPa 冷凝器负压－ 0. 09 MPa 一效负压－ 0. 08 ～ － 0. 09 MPa 二效负压－ 0. 05 ～ － 0. 06 MPa 三效负压常压 循环冷却水温度30 ～ 40 ℃ 日蒸发水量137 m3 日蒸汽用量48 ～ 50 t 3黑液处理工业化试验 3. 1黑液蒸发浓缩试验 黑液蒸发试验的目的是为了将提取的黑液蒸发 浓缩到适合锅炉燃烧的浓度。采用三效蒸发器连续 运行 12 d， 以了解进料温度、 固形物浓度对浓缩后黑 液固形物浓度以及蒸汽消耗量的影响， 试验结果见表 2、 表 3。 表 2进料参数表 日期 流量 / m3h － 1 温度 / ℃ 密度 / gcm － 3 固形物质量 分数 / 蒸汽用量 / t h － 1 10- 246. 4431. 0286. 12 ～ 2. 1 10- 256. 5471. 0367. 82 ～ 2. 1 10- 266. 8461. 0439. 32 ～ 2. 1 10- 286. 0491. 0368. 02 ～ 2. 1 10- 296. 0491. 0368. 02 ～ 2. 1 10- 306. 0401. 0285. 92 ～ 2. 1 10- 315. 8561. 04310. 02 ～ 2. 1 11- 015. 8501. 0368. 12 ～ 2. 1 11- 025. 8531. 0368. 32 ～ 2. 1 11- 036. 0581. 0287. 32 ～ 2. 1 11- 045. 0451. 0286. 31 ～ 1. 2 11- 054. 5461. 0286. 31 ～ 1. 2 从表 2、 表 3 可以看出 进料温度在 43 ～ 56 ℃ ， 固形物质量分数在 5. 9 ～ 9. 3 ， 出料温度、 黑液密 度和浓度基本恒定。出料固形物质量分数保持在 37 ～ 40 ， 说明进料温度、 固形物浓度对出料影响 不大， 并 且 蒸 汽 用量 基 本稳定， 达到了设 计 要 求。 11 月 45 日的出料固形物浓度明显降低， 蒸发效率 43 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 下降， 蒸发器出现故障。经查明， 三效蒸发器出现堵 塞现象， 经碱液清洗， 三效蒸发器恢复正常。 表 3出料参数表 日期 流量 / m3h － 1 温度 / ℃ 密度 / gcm － 3 固形物 质量分数 / 10- 240. 91011. 2344. 1 10- 251. 3961. 2039. 3 10- 261. 6901. 2140. 3 10- 281. 2921. 2039. 0 10- 291. 4901. 1734. 5 10- 301. 1921. 1633. 2 10- 311. 4911. 2140. 4 11- 011. 3911. 1937. 5 11- 021. 1951. 2242. 2 11- 031. 2941. 1836. 3 11- 042. 9841. 0310. 7 11- 051. 3871. 0921. 1 3. 2浓黑液燃烧试验 3. 2. 1试验装备 黑液喷烧试验所用装备如下 4 t 中压锅炉 1 台， 4 t 和 2 t 低压锅炉各 1 台， 3 支内旋式不锈钢喷枪。 3. 2. 2试验方法 以 4 t 中压锅炉为例进行试验， 具体试验方法 如下 1 打开喷枪进行喷烧， 通过调整喷枪流量来调 整黑液的雾化度和射程， 观察炉内燃烧情况和送气压 力表的变化。 2 计量黑液喷烧量、 温度、 质量分数， 通过观察 送气表压， 判断锅炉产蒸汽量的变化。如果黑液喷烧 前后， 送汽表压不变化或变化甚微， 说明黑液喷烧后 对锅炉产汽量没有影响， 否则视为有影响。 3 计量喷烧前后每天的用煤量， 计算喷烧后每 天的节煤量。 3. 2. 3燃烧试验结果 1 4 t 中压锅炉 送气压力 1. 8 ～ 1. 9 MPa 黑液 喷烧试验数据见表 4。 2 4 t 低压锅炉 送气压力 0. 8 ～ 0. 9 MPa 黑液 喷烧试验数据见表 5。 3 2 t 低压锅炉 送气压力 0. 5 ～ 0. 6 MPa 黑液 喷烧试验数据见表 6。 4 用煤量计量结果 黑液喷烧前后， 3 台锅炉的用煤量计量数据见 表 7。 表 44 t 中压锅炉黑液喷烧试验数据 日期 喷烧量 / m3h － 1 黑液温 度 /℃ 黑液密度 / gcm － 3 固形质量 分数 / 黑液射 程 /m 送气 表压 2006- 11- 100. 54553 ～ 601. 1834 ～ 34. 41. 2 ～ 1. 5没变化 2006- 11- 110. 54560 ～ 651. 1834 ～ 34. 41. 2 ～ 1. 5没变化 2006- 11- 120. 54570 ～ 801. 18 ～ 1. 2035 ～ 401. 2 ～ 1. 5没变化 2006- 11- 130. 54570 ～ 801. 18 ～ 1. 2035 ～ 401. 2 ～ 1. 5没变化 2006- 11- 140. 54570 ～ 801. 18 ～ 1. 2035 ～ 401. 2 ～ 1. 5没变化 表 54 t 低压锅炉黑液喷烧试验数据 日期 喷烧量 / m3h － 1 黑液温 度 /℃ 黑液密度 / gcm － 1 固形物质 量分数 / 黑液射 程 /m 送气 表压 2006- 11- 100. 42053 ～ 601. 1834 ～ 34. 41. 8 ～ 2没变化 2006- 11- 110. 42060 ～ 651. 1834 ～ 34. 41. 8 ～ 2没变化 2006- 11- 120. 42070 ～ 801. 18 ～ 1. 2035 ～ 401. 8 ～ 2没变化 2006- 11- 130. 42070 ～ 801. 18 ～ 1. 2035 ～ 401. 8 ～ 2没变化 2006- 11- 140. 42070 ～ 801. 18 ～ 1. 2035 ～ 401. 8 ～ 2没变化 表 62 t 低压锅炉黑液喷烧试验数据 日期 喷烧量 / m3h － 1 黑液温 度 /℃ 黑液密度 / gcm － 3 固形物质 量分数 / 黑液射 程 /m 送气 表压 2006- 11- 100. 54553 ～ 601. 1834 ～ 34. 41. 2 ～ 1. 5没变化 2006- 11- 110. 54560 ～ 651. 1834 ～ 34. 41. 2 ～ 1. 5没变化 2006- 11- 120. 54570 ～ 801. 18 ～ 1. 2035 ～ 401. 2 ～ 1. 5没变化 2006- 11- 130. 54570 ～ 801. 18 ～ 1. 2035 ～ 401. 2 ～ 1. 5没变化 2006- 11- 140. 54570 ～ 801. 18 ～ 1. 2035 ～ 401. 2 ～ 1. 5没变化 表 7用煤量计量数据 锅炉类别 喷烧前用煤 量 / t d － 1 喷烧后用煤 量 / t d － 1 节煤量 / t d － 1 kg m－ 3 4 t 中压锅炉12 10. 851. 1587. 92 4 t 低压锅炉9 8. 001. 0099. 2 2 t 低压锅炉6 4. 851. 1587. 92 合计2723. 73. 3091. 06 4结论 1 爆破制浆造纸黑液采用三效蒸发浓缩后， 送 锅炉焚烧的方式， 可以解决爆破制浆造纸黑液高浓度 废水处理问题， 降低了废水后续处理负荷， 保障了造 纸废水实现稳定达标排放， 可用于工业化生产。 2 爆破制浆造纸黑液浓缩到固形物含量 34 ～ 40 ， 每立 方 米 浓 缩 黑 液 燃 烧 后 可 平 均 节 约 燃 煤 91. 06 kg， 具有较好的经济、 环境效益。 下转第 62 页 53 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 3. 2系统控制原理 根据水处理系统控制要求、 源水特点和集中操作 管理、 分散控制的思想， 将整个自动控制系统按照分 布式系统结构分为三层 现场执行层、 现场控制层 下位机 和中央控制层 操作站或上位机 。 水处理系统正常工作时， PLC 通过通信模块将现 场控制层采集的数据传给上位机， 上位机显示当前水 处理系统各处状态参数并备案。水处理系统异常工 作时， 上位机界面中报警灯闪烁， 控制中心值班员下 达处理信号后， PLC 接收处理信号并作出相应处理发 出现场执行信号， 使现场执行器动作解除故障。整个 监控系统实现数据采集和处理、 远程控制、 显示动态 工艺流程、 显示并设置各种工艺参数和其他有关参 数、 显示存储及处理 ［ 1］。 现场执行层由各类变送器、 变频器和水泵等执行 机构组成， 主要进行数据的转换、 数据的传送以及执 行控制层的命令。 现场控制层由 PLC 组成， 根据现场实际情况， 系 统只采用了一台三菱 FX2N- 32MR， 负责现场数据采 集、 根据程序进行运算和控制信息输出， 并和上位机 之间进行通讯， 同时向模拟显示屏发送数据。 中央控制层采用北京亚控组态王作为人机界面， 上位机与 PLC 之间采用通信卡进行数据通讯， 完成 数据采集、 处理、 监督及控制功能 ［ 1］。 PLC 编程软件采用 GX Developer Version 8. 43L， 该软件可以编写梯形图程序和状态转移图程序， 支持 在线和离线编程功能， 可直接设定网络参数， 能方便 的实现监控、 故障诊断、 程序的传送及复制、 删除和打 印等， 此外， 它还具有运行写入功能， 这样可以避免频 繁操作 STOP/RUN 开关， 方便程序的调试 ［ 3］。 4结束语 实现水处理自动化的目的是节能减排、 提高工作 人员的劳动生产率， 本系统用 PLC 控制的自动控制 系统代替原有的人工控制以及继电器控制， 可以极大 降低投资， 减小劳动强度。 经过在新疆优力塑料制品有限公司试验统计得 出， 因对清洗用水要求不高， 故水资源可循环利用次 数较多， 使用自动控制的水处理系统后的每吨地膜清 洗成本可以降至原生产成本的 30 左右， 大大降低 了生产成本， 该套实验版自动控制设备成本在 10 万 元以内 不包括劳务费 ， 具有较高的性价比， 提高了 企业的市场竞争力。同时， 系统运行可靠， 可维护性 好， 具有一定的灵活性， 并能实现整个水处理系统的 管理和监控， 具有较高的自动化程度。 参考文献 ［ 1］ 温盛军. 基于 PLC 的水厂源水处理自动控制系统［J］. 重庆科 技学院学报 自然科学版 ， 2008， 10 1 69- 72. ［ 2］ 毛慧欧. 城市污水处理计算机控制系统的应用研究［J］ . 环境污 染治理技术与设备， 2001， 2 5 32- 36. ［ 3］ 阮友德. 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