如何通過優化紙漿磨漿來盈利？第一部分：磨漿參數分析

作者簡介

Fernando Mora博士來自于法國，擁有40多年造紙行業的從業經驗，曾在造紙行業的著名企業，如International Paper、Aussedat Rey、Ahlstrom等進行產品研發工作，並在歐洲、美國和中國等多地工作過。他曾是法國造紙技術中心(CTP)的理事會成員。Fernando Mora博士是研究生物技術和微細纖維造紙的先驅者之一。他曾取得了多項關於紙製品和特種紙生產的專利，其中一項是極具創新性的關於純礦物纖維生產複合材料的專利。他還曾與法國國家科學研究中心(CNRS)合作，開展過利用多糖苷酶對纖維細胞壁成分進行超分子表徵的前瞻性工作。

01 引 言

我們探討造紙廠中紙漿磨漿工藝的一部分內容，主要討論磨漿所使用的不同原料。本期的文章我們將更具體地闡述了優化打漿的方法，今天是第一部分，聚焦於工廠的磨漿參數的定義與分析

需要強調一點：目前最常見的磨漿設備是雙盤磨漿機。此外，可以通過多種方式來表徵磨漿過程：

• 比刀緣負荷或比邊緣負荷（SEL，Specific Edge Load）
• 比表面負荷（SSL，Specific Surface Load）
• C 因數（C Factor），用於計算在磨漿過程中單根纖維所受衝擊次數及其強度。

無需贅述磨漿在紙張生產過程中的重要性：

• 磨漿是高能耗的工序，因此對其進行優化可以節省一部分資金。
• 磨漿是獲得紙張所需特性的關鍵處理，如果無法達到這些特性，那麼……市場就會流失。
• 優化磨漿可以使用成本更低的纖維（如使用更便宜的針葉木漿或更廉價的 CTMP 漿），從而能夠節省……大量的資金。

讓我們來看看，為了優化磨漿操作，需要瞭解哪些內容。首先讓我們看看如何檢查和分析造紙廠中現有的各項參數。

02 磨漿機特性

磨漿機的特性包括：

• 磨漿機類型：例如，來自 X 公司的雙盤磨漿機
• 磨漿機的直徑：通常，磨漿機的直徑以英寸（inches）表示。傳統上，用磨片直徑來標識磨漿機規格型號，在中國，習慣採用國際單位毫米（mm）。對於下面的計算，這些數值以及後面所有的數值，都必須轉換成標準單位（即以米為單位的磨漿機直徑和磨漿面積）。
• 電機的最大功率：以千瓦（kW）表示
• P_o = 空載功率：對應為磨漿過程中損失的、並未傳遞至纖維的能量。通常由磨漿機製造商提供；如果沒有此資料，則必須在磨盤間隙開至最大（幾乎沒有或完全沒有能量傳遞至纖維）時，測量電機的耗電量來確定。空載功率主要取決於磨漿機電機的效率，同時也受到一些磨盤齒形、紙漿濃度以及磨漿流量的影響。
• 磨漿機的轉速：通常以轉/分鐘（r/min）給出，但必須將其轉換為轉/秒（r/s）進行計算。

03 磨漿條件

磨漿條件包括：

• 磨漿濃度：這是優化磨漿的關鍵參數之一。如果磨漿濃度很低，可能會切斷纖維；如果磨漿濃度較高，則細纖維化較多，這與所使用的磨漿機磨盤類型無關。濃度通常以纖維懸浮液中的百分比（%）或每立方米紙漿懸浮液中的紙漿公斤數（kg/m³）來表示。
• 流量：以立方米每小時（m³/h）計。根據流量和紙漿濃度，可計算品質流量（用噸/小時或千克/秒來表示），此品質流量與造紙機的生產速率直接相關。
• 有效功率（P_u）：指實際傳遞給纖維的功率。P_u = P_t（總電功率） – P_o（空載功率）。利用這一資料及品質流量，可以計算傳遞給纖維的能量，即每千克紙漿所獲得的能量（以kJ/kg表示，注意1 kW = 1 kJ/s）或每噸紙漿所獲得的能量（以kWh/t表示）。

04 磨盤齒型

關於磨片的齒型參數包括：

R1：磨盤內半徑（m）

R2：磨盤外半徑（m）（這一數值取決於磨漿機的直徑）。（R2−R1）決定了磨漿面積。磨齒間距（G），磨齒寬度（T）和磨齒高度（D）的單位均為m，如下圖所示。

隨著磨盤的使用（磨齒的磨損），磨齒高度會逐漸減少，因此需要打開磨漿機，以便更準確地測量這一資料。順便提一下，定期檢查磨盤的狀態是非常必要的，因為可能會有發現一些意想不到的問題。

磨盤齒形分組數（S）：如下圖所示

磨齒角度（ɸ）：磨齒相對於磨漿機半徑的角度十分重要，因為角度越小，對纖維的切割（剪刀效應）越明顯。該角度應該在單組磨齒中部進行測量。需要注意的是，過大的角度可能會導致磨漿機堵塞。就像在技術領域和生活中一樣，最佳選擇往往是一個折中方案。

每米磨盤上的磨齒數量（n）：這是一個計算值，取決於磨齒寬度（T）和磨齒間距（T+G），n = 1/(T+G)。由於在每個磁區之間總會有一部分區域沒有磨齒，因此實際數值往往比該理論計算值略低。

單轉磨齒長度或磨齒切斷長（Lm），單位為km：此資料對於評估磨漿機動盤（rotor）和定盤（stator）之間的交錯區域數量，以及由此對纖維產生的衝擊次數至關重要。通常可以向磨盤製造商索取這一資料。如果無法獲取，下面是計算方法：

你必須將磨盤的獨立磁區劃分為以cm為單位的若干區域（在美國則為 1 英寸），用來計算 ICPR（Inches Cut Per Revolution），其相當於 Lm，以及 ICPM（Inches Cut Per Minute），該資料是美國的標準，對應於 KCPS。然後，統計每 1 cm（或美國使用的 1 英寸）區域內的磨齒數，並將這一數值乘以動盤上的分組的磨齒數。隨後，再將該乘積與在定盤上得到的相應數值相乘。通常，磨漿機的動盤和定盤都配備相同類型的磨盤。若為雙盤磨漿機，則必須將這些乘積之和再乘以 2。

05 纖維特性：

當然，磨漿的最佳條件取決於所處理纖維的類型。不能採用相同的磨漿方式對非常強韌的針葉木纖維和亞硫酸鹽漿纖維進行磨漿。因此，你需要以下關於纖維的資料：

纖維長度：單位為m。這指的是纖維的平均長度。如果在同一個磨漿機裡同時磨多個紙漿種類，則需要計算混合漿的平均纖維長度。

纖維的粗度（coarseness）：單位為千克/米（kg/m）。這個資料（對於合成纖維，我們稱之為 dTex，即 10000 米長的纖維重量，以克為單位）能很好地指示纖維所能承受的磨漿衝擊強度（粗度越高，纖維越強韌，就能提高磨漿衝擊強度，無需擔心損傷它們）。掌握了纖維長度和粗度後，你可以計算每克紙漿中包含的纖維數（先算出 1 米內的纖維數量，再折算到每克），這對於評估使用這些纖維能夠生成何種勻度水準的產品至關重要。

06 案例分析

讓我們舉個例子，來計算一個我們稱為 A 廠中的 SEL、SSL 以及每根纖維所受到的衝擊次數和每次衝擊的能量。

工廠 A：現有磨漿機的特性

• 磨漿機類型：Black Clawson DD30，配備 2.4-2.8-6.1 的磨片
• 不是迴圈模式
• 最大功率：450 kW（電機功率）
• 轉速Ω：720 轉/分鐘，或 12 轉/秒 

工廠 A：常規磨漿條件

• 濃度：4.8%，即 C_f = 0.048 kg 的紙漿 / 1 kg 的漿料（48 kg/m³，假設混合漿的密度ρ為 1000 kg/m³ ）
• 流量：104 m³/h
• 品質流量：可磨 4992 kg（紙漿）/h ，或 1.39 kg/s 
• P_t = 370 kW
• P_o = 240 kW
• 有效功率（P_u）：P_u = 130 kW（P_t – P_o）
• 傳遞給纖維的淨能量：E=94 kJ/kg，或 26 kWh/t

工廠 A：所磨漿料的特性

• 紙漿類型：混合闊葉木（85%）和加拿大闊葉木 BCTMP（15%）
• 平均纖維長度為0.85 mm（0.00085 m）
• 平均纖維粗度（coarseness）為0.126 mg/m（1.26 dTex）或 1.26×10^-7 kg/m 
• 成形指數（formation index，每克紙漿含有的纖維數）
• 將纖維首尾相接，得到 1 m 長的纖維數：1 / 0.00085 ≈ 1176 根纖維/米
• 1176 根纖維的重量為 0.126 mg（0.000126 g）
• 每克紙漿中的纖維數 = 1176 / 0.000126 ≈ 9.3×10⁶
  即成形指數= 9.3×10⁹ 根纖維/kg

工廠 A：現用磨片齒型（Plates pattern）

• 磨盤內半徑R1 = 0.229 m
• 磨盤外半徑R2 = 0.381 m
• 磨齒間距（G）：0.0028 m
• 磨齒寬度（T）：0.0024 m
• 磨齒高度（D）：0.0061 m
• 磨齒傾角（ɸ）：18°
• 單位弧長磨齒數（n）：180 m^-1
• 單轉磨齒長度或磨齒切斷長（Lm）：25 km（雙盤磨漿機）

工廠 A：磨漿參數

• 比邊緣負荷（SEL，Specific Edge Load） = P_u / KCPS
• 每秒切斷長（KCPS） = 25 km × (720/60) = 300 km/s
• SEL=130/300=0.43J/m，值越低，表明纖維更傾向於被纖維化（fibrillation）。
• 比表面負荷（SSL，Specific Surface Load） = SEL / T
• SSL=0.43/0.0024≈181J/m²,值越高，表明對纖維的切斷效果越強。
• C 因數：參見 Richard Kerekes 在 Nordic Pulp and Paper Research Journal (npprj-1990-05-01-p003-008) 發表的文章

其中：

• G：磨齒間距或稱為溝槽寬度（米）
• D：磨齒高度（米）
• n：每米磨齒數量（m^-1）
• l：纖維長度（米）
• ϕ：磨齒角度（度）
• ρ：漿料密度（kg/m³）
• C_f：漿料濃度（kg/kg）
• w：纖維粗度（kg/m）
• Ω：轉速（轉/秒）
• R2：磨盤外徑（米）
• R1：磨盤內徑（米）

每千克紙漿所受到的衝擊次數N_k = C/F

其中，C因數為每秒衝擊次數，F 為品質流量。

N為每根纖維所受到的衝擊次數：

N=N_k·w·l=C·w·l/F

N為每根纖維所受到的衝擊次數=8.1

I為每次衝擊的能量，那麼：

I=E/N_k=1.24 μJ/impact

其中 E 為每千克紙漿所得到的能量，以 µJ/kg 表示，N_k 為每千克紙漿的衝擊次數)

要實現細纖維化（fibrillation），就必須增大單根纖維所受到的衝擊次數，同時減小每次衝擊的能量。

工廠A的磨漿參數情況

SEL 是行業中用於定義紙漿磨漿最常用的參數。
SSL 很少被使用。
N 和 I（C 因數）使用得更少，但這些參數能讓我們更好地瞭解磨漿對纖維所產生的影響。

以下是一些紙漿的特性

1g闊葉木漿含有的纖維根數大約是1g針葉木漿含有的纖維根數的10倍左右。 

桉木和相思木的纖維更細，因此，更適合用於提高紙張的勻度。南方松木漿的纖維則更粗更長。 掌握了所有這些參數之後，您就能夠著手優化工廠的磨漿，並通過降低工廠的能耗，尤其是通過優化紙漿的配比來節省大量的資金。