纸浆工艺中的疏水性组分的监测和控制

发明领域

本发明涉及用于监测和控制纸浆或造纸工艺的含水流中的疏水性污染物的方法和设备。

背景技术

在林业中测量含有固体物质的液体典型地是常见的，其中监测木纸浆样品或滤液网水、白水、增稠剂滤液或其他纸浆滤液或循环水，以便能够控制整个工艺。所用的液体往往含有需要进行测量和监测的固体物质。

该测量可以离线或在线进行，其中离线方法往往包括分批取样和实验室分析。它们使得能够提供关于悬浮液的精确且多样的信息，但是具有相当大的时间延误的缺点。另一方面，在线方法提供关于悬浮液的即时或几乎即时的信息，但是所获得的数据通常没有实验室中达到的那样精确。

纸浆工业中的液体和滤液含有颗粒，该颗粒的量、类型和尺寸分布对于即将到来的工艺阶段具有相当大的影响。例如沥青可引起造纸机的运行问题。

用于分析造纸工艺样品的一种技术是这样的方法，其中检测了干扰造纸工艺、引起生产停机和纸张缺陷的有害颗粒如沥青、白沥青和胶粘物。该系统根据颗粒的质量和/或尺寸将它们分级。分级的样品用光学测量来分析。该系统测量了滤液的颗粒和/或质量分布，以便检测造纸机问题。

概述

下面提出本文公开的特征的简化概述，以提供对于本发明的一些示例性方面的基本理解。该概述不是本发明的全面概览。它并非意图确定本发明的核心/关键元件或描绘本发明的范围。它唯一的目的是以简化形式提出本文公开的一些构思，作为更详细描述的序言。

根据一方面，提供独立权利要求的主题。实施方案在从属权利要求中定义。

实施方案的一个或多个实例在附图和下面的说明书中更详细地阐述。其他特征将从说明书和附图以及从权利要求中变得明显。

附图说明

下面将借助于优选的实施方案，并且参考附图来更详细地描述本发明，在附图中：

图1A和1B显示了经一段时间测量的不同纸浆流的疏水性密度；

图2显示了纸浆洗涤对于疏水性密度的影响；

图3显示了化学品定量给料对于纸浆流的疏水性指数的影响；

图4显示了一种示例性方法；

图5显示了一种示例性设备。

实施方案的详述

下面的实施方案是示例性的。虽然说明书可以在几个地方提及“一种(a)”、“一个”或“一些”实施方案，但是这不必需表示每个这样的提及是一个或多个相同的实施方案，或该特征仅适用于单个实施方案。不同的实施方案的单个特征也可以组合来提供其他实施方案。此外，措词“包含/包括(comprising)”、“含有(containing)”和“包括(including)”应当理解为不将所述的实施方案限制到仅由已经提及的那些特征组成，并且这样的实施方案还可以包含没有明确提及的特征/结构。

如果在纸浆生产后在纸浆/物质中存在污染物(来自沥青的提取物)，则这些污染物可在造纸期间作为沉淀物或沉积物出现。

疏水性污染物如木沥青典型地作为单个沥青颗粒和/或处于纸浆样品(滤液或悬浮液)中其他颗粒如细物和纤维的表面上。如果仅测量或考虑样品的总疏水性，并且如果疏水性增加，则不知道是否仅是样品的稠度增加(即固体物质的量增加)，和/或是因为颗粒表面上的疏水性污染物的数目增加(即木沥青的浓度增加(mg/kg))的疏水性增加，和/或是单个沥青颗粒的浓度增加。

为了监测纸浆和/或滤液中的疏水性污染物(如木沥青)的浓度或密度，计算了疏水性和颗粒数之间的关系。这使得能够补偿纸浆稠度的变化(总颗粒数与纸浆稠度直接相关)，和因此找出了沥青浓度和/或疏水性密度。疏水性可以归因于增加的纸浆稠度(增加的颗粒数)或归因于增加的沥青浓度。通过借助于疏水性来补偿纸浆稠度的改变，可以监测沥青浓度的改变。沥青浓度对于最终产品的品质有直接影响：沥青浓度越高，纸浆品质越差，这可引起纸浆进一步加工中的问题。

迄今为止，难以估算沥青的浓度或密度。疏水性密度(即疏水性指数)描述了疏水性污染物的浓度和/或疏水性污染物的密度。木沥青的浓度或密度可以定义为木沥青的质量除以样品的体积或质量，例如毫克的木沥青/千克的固体物质(mg/kg)，毫克的木沥青/千克的样品的干燥固体(mg/kg)，毫克的木沥青/某一体积(如mg/l)。该浓度还可以定义为木沥青数除以样品体积，样品中的固体物质的质量或样品中干燥固体的质量。

疏水性污染物可以是木沥青。

一种实施方案公开了简单的用于估算纸浆样品中的沥青浓度和/或沥青密度的方法和设备。如果已知纸浆(或纸浆液体)中存在杂质，则可以通过增加洗涤水量或通过加入化学品来使它们受到影响，该化学品将沥青分散(稳定)成小颗粒，该小颗粒可以通过洗涤从物质中除去以避免它们被送到造纸厂。

为了监测纸浆机上纸浆悬浮液的沥青浓度，监测单元可以安装在白水槽或流浆箱上。沥青浓度监测可以在线进行，以便预测或确定对于加入控制化学品的需要。该监测可以通过使用在线工具来进行，该在线工具监测样品中的相关颗粒尺寸、相关数目和相关疏水性。在纸浆干燥机湿端的胶体沥青颗粒可以通过在线测量来监测，该在线测量能够基于颗粒的尺寸/质量来分离颗粒，并且返回相关的疏水性值。用于连续在线监测的样品可以取自纸浆干燥机的白水箱或网水，因为这在疏水性颗粒的向上循环是最普遍的情况中是常见的。

公开了用于监测和控制纸浆厂中的疏水性组分的方法和系统。因此提供了用于监测和控制纸浆纯度/纸浆杂质的方法和系统。

一种实施方案涉及在纸浆厂中使用在线或便携式测量设备或系统。该系统测量了纸浆样品中的疏水性污染物的密度/浓度(即疏水性指数)，并且基于所测量的疏水性指数控制纸浆流的化学品处理和/或纸浆的洗涤。该系统还可以用于监测造纸机中的进入纸浆流以及用于基于该疏水性指数控制计算机化的沉积控制程序，以控制纸浆流(或干浆)中的疏水性污染物浓度。

在一种实施方案中，一个或多个特定的测量变量被用于监测和/或控制纸浆流中的疏水性污染物。疏水性密度(即疏水性污染物的密度，即疏水性指数)是一种稠度补偿的疏水性值。疏水性密度使得能够比疏水性值本身更精确地描述或表征疏水性颗粒浓度的变化。纸浆流或样品的疏水性值是疏水性污染物的数和密度的求和参数。化学品处理和纸浆的洗涤对于纸浆品质的影响可以通过监测疏水性密度而更容易地发现，这归因于消除了测量系统的测量结果中的稠度变量。总颗粒数与纸浆的稠度相关，即对于纸浆样品的全部级分而言，总颗粒数等于光散射强度值之和。

一种示例性方法包括在重复循环中连续地：将样品引导至光学测量装置，将疏水性染料加入至该样品，根据颗粒尺寸和/或质量将该样品分级成级分，和测量该级分的荧光强度值和光散射强度值。该方法进一步包括计算该级分上的荧光强度值和光散射强度值的累积和，通过荧光强度值的累积和除以光散射强度值的累积和来计算该颗粒的疏水性密度，使用该颗粒的疏水性密度来监测纸浆流中的疏水性组分，和通过手工调节和/或自动定量给料化学品和/或通过纸浆洗涤控制，来控制纸浆中的疏水性污染物。

代替连续方法，该方法步骤可以以选择的间隔或在期望时进行。在那种情况中，该方法包括计算该级分上的荧光强度值之和，计算该级分上的光散射强度值之和，通过荧光强度值之和除以光散射强度值之和来计算该颗粒的疏水性密度。

该级分中的颗粒可以例如是胶体、细物和纤维。要使用的化学品可以包括例如分散剂、固定剂、助留剂、表面活性剂和/或脱粘剂。纸浆洗涤可以例如通过控制洗涤水的使用或通过控制洗涤化学品如分散剂的使用来进行控制。

该方法可以包括计算每个级分的荧光强度信号的累积和，计算每个级分的光散射强度信号的累积和，计算每个级分(例如胶体级分、细物级分、聚集体级分、纤维级分)的疏水性密度，将因此获得的特定信息用于纸浆流的化学品处理，例如用于正确化学品的选择，用于正确剂量的选择，和/或用于化学品的自动化定量给料控制。颗粒的疏水性密度可以通过荧光强度信号的累积和除以光散射强度信号的累积和来计算。颗粒的疏水性密度可以用于监测和控制纸浆中的疏水性组分。控制疏水性污染物可以是纸浆中的化学品如分散剂、固定剂、助留剂、表面活性剂和/或脱粘剂的手动调节和/或自动定量给料，和/或控制纸浆洗涤如控制水或洗涤化学品如分散剂的使用。

例如，控制水的使用可以包括控制洗涤水量或取入多少新鲜水和排出多少水(描述了已经关闭了多少水循环)。

一种示例性方法可以包括计算每个级分的荧光强度信号的累积和，计算每个级分的光散射强度信号的累积和，计算每个级分(例如胶体、细物、聚集体、纤维)的疏水性密度，将该特定信息用于纸浆流的化学品处理(例如通过选择正确的化学品，通过选择正确的剂量和/或通过化学品的自动定量给料控制来进行)。

在一种实施方案中，该纸浆流(或样品)是通过用水稀释干浆或高稠度纸浆(例如大于1.5％)而获得的稀释物。

因此在一种实施方案中，样品取自在纸浆厂选择的滤液水(或非常稀的纸浆、低稠度纸浆，例如小于1.5％)，加入染料，将样品分级，和测量所有级分的疏水性。从所有级分中测量光散射和荧光强度，将所有级分(其存在于该样品中；典型地在滤液水中不存在纤维)的荧光强度值求和，将所有级分的光散射强度值求和(面积)，和荧光强度值总和除以光散射强度值总和以获得疏水性密度，其也可以称作疏水性指数。该方法可以是连续方法，其中在选择的时间段内获得值的累积和。

因此获得的疏水性密度(也称作疏水性指数)与样品中沥青浓度良好相关。在图1A和1B所示的实例情形中，当使用纸浆类型2时疏水性指数(疏水性密度)处于它的最高值。如果仅考虑总疏水性，则同样的相关性将不被考虑。

还可以计算仅一个级分的疏水性指数。在那种情况中，所述级分的荧光强度值之和除以所述级分的光散射强度值之和以获得所述级分的疏水性密度。

还可以计算仅一些级分的疏水性指数。在那种情况中，选择的级分的荧光强度值之和除以所述级分的光散射强度值之和，以获得所述级分的疏水性密度。

在一种实施方案中，样品可以取自纸浆或造纸工艺的任何部分的含水纸浆流。例如该样品可以取自纸浆悬浮液、稀释的纸浆、纸浆滤液、滤液水、稀释物、白水、或网水。在一种实施方案中，可以将控制化学品或纸浆洗涤水在纸浆或造纸工艺的期望的部分加入至含水流。例如，可以将控制化学品加入至纸浆流(例如纸浆洗涤机、混合箱、机箱)。

因此纸浆样品可以取自纸浆生产或造纸工艺的不同位置。例如，纸浆可以制造并且干燥，然后将其运输到另一制造厂，其中在纸浆干燥期间，低稠度纸浆处于网上(或在网之间)，并且从网卷轴(reel)之间除水。如果在那个阶段从网水中取样和分析，并且如果发现网水中存在沥青，则在该网段之前可以将化学品加入至纸浆悬浮液以影响(即降低)沥青的量(浓度)。

一种示例性设备连续地(或分批地)测量了纸浆流中、尤其是纸浆干燥机中白水流中的颗粒的疏水性指数。

当纸浆来源于树的不同物种时，借助于一种示例性实施方案可以监测疏水性指数的改变。如果需要的话，还可以通过增加化学品(例如分散剂)剂量来降低纸浆中的疏水性指数。例如在漂白阶段，可以通过增加洗涤水量来降低纸浆的疏水性指数。还可以确定在哪个疏水性指数水平下，要对化学品定量给料做出改变和/或对稀释水量做出改变。

借助于一种示例性实施方案，可以检测疏水性指数的变化。可以实现成本节约，因为可以更精确地确定要进行化学品添加或水稀释/洗涤的正确量、时间点和/或工艺阶段。因此可以避免过量给料化学品。改进了产品品质(即纸浆和/或纸品质)，因为最终产品中存在较少的疏水性材料(例如木沥青)。在该工艺条件下可以获得实时数据，并且可以提供基于网的应用。

图4显示了一种示例性方法。参见图4，在项目401中，可以是在线设备和/或便携式设备的设备获取了含水纸浆流的样品。可替代地，该样品可以取自干浆或高稠度纸浆，其中纸浆样品然后用水稀释。在项目402中，该设备将疏水性染料加入至样品，和在项目403中，该设备基于尺寸和/或质量将样品进行分级成级分。该分级可以例如借助于场流分级来进行。还可以的是仅在分级后，通过将染料加入至单个级分来进行染料添加。在项目404中，该设备对该级分进行光学测量，因此获得每个级分的荧光强度和光散射强度值。荧光强度和光散射强度作为时间的函数来测量，由此获得每个级分的多个荧光和光散射值。荧光强度和光散射强度的测量频率可以例如是每秒一次。在项目405中，该方法包括在该设备中进行如下步骤：将该级分的荧光强度值加在一起，因此获得荧光强度值之和，和将该级分的光散射强度值加在一起，因此获得光散射强度值的累积和。在项目406中，疏水性指数在该设备中通过如下来计算：1)通过荧光强度值之和除以光散射强度值之和来计算样品中颗粒的疏水性密度，和基于所计算的样品中颗粒的疏水性密度监测和控制含水流中疏水性污染物的量，和/或2)通过该级分的荧光强度值之和除以该级分的光散射强度值之和来计算该级分中颗粒的疏水性密度，和基于所计算的级分的颗粒的疏水性密度监测和控制含水流中疏水性污染物的量。例如，如果这样需要的话，则该设备可以经配置以基于疏水性密度将控制信号发送到定量给料装置，以便将化学品和/或洗涤水给料到纸浆。如果该设备例如以预定的时间间隔重复该方法，则疏水性指数的计算可以累积进行。

图5显示了一种示例性设备。在图5中显示了分级和测量系统的示意图。样品和水输入流用数字30表示，和输出流用数字38表示。第一流动室31可以是分解通道31，其具有膨大部31A和窄部31B，以使得在膨大部31A的区域中形成低压。分解通道31用于根据颗粒的尺寸和/或质量逐渐将它们释放到分解通道31之后的FFF通道33。分级在FFF通道33中进行。匀化器管35(其是一种任选的部件)包含具有与FFF通道33相比的更大横截面的容器，并且将离开FFF通道的颗粒群匀化成一个群。从均化器管35，将分级的样品经由管道36引导至测量装置37，其经布置以测量样品的期望的物理和/或化学性能。第一流动室31也可以是这样类型的分级器，其中将颗粒分离成颗粒群是基于颗粒沉降、离心分离或过滤根据颗粒的质量或尺寸(或二者)来进行。同样，样品可以分级成预处理的或未处理的。

样品的分级可以借助于以下中的一种或多种在设备中进行：过滤、离心、沉降、柱流分级器、管分级器、场流分级(FFF)和分解通道辅助的场流分级器。术语“场流分级”(FFF)在本文表示这样的分离技术，其中将场垂直于流动方向施加到泵送通过分离通道的流体悬浮液或溶液，以便引起流体中存在的颗粒的分离，这取决于它们在由场施加的力的作用下的不同迁移性。在此处，该场典型地是重力场。优选地，分级基于场流分级(FFF)。样品的分级可以例如在WO 2013/175077或WO 2015/075319中所述来进行。

在线系统中的在线传感器的输出信号是荧光强度信号和光散射强度信号。当疏水性染料如尼罗红加入至样品时，计算荧光强度信号之和与光散射强度信号之和的比率，该比率与样品级分的疏水性指数直接相关。图1A和1B显示了不同的纸浆类型的疏水性密度的实例。图1A和1B显示了具有最高疏水性密度的纸浆类型(纸浆类型2)具有最高的沥青浓度。图1A和1B还显示了具有最低疏水性密度的纸浆类型(纸浆类型1)具有最低的沥青浓度。

该系统可以包括解释结果和提取样品的颗粒尺寸和疏水性指数的关键变量的装置。该方法可以包括预处理和分离样品以便实现所述目标。

将单个级分或整个样品的疏水性指数用于通过控制化学品(例如控制化学品的剂量)和优化化学品定量给料或化学品程序(化学品类型、化学品剂量、该方法中化学品的定量给料点)来监测化学品性能。

公开了一种在线分析方法和系统，以便监测和控制纸浆工业中含有固体物质的液体如含水悬浮液或滤液。

本文提出的技术可以广泛应用于纸浆工业、造纸工业和/或任何其他生物产业，例如用于湿端监测、断裂处理、再循环纸浆和化学品/机械纸浆处理(包括漂白和干燥段)的胶粘物控制。它可以用于在线监测颗粒群如胶体、白沥青、木沥青、胶粘物、细物、填料、纤维或聚集体和它们的疏水性。在线系统使得能够在纸浆或造纸厂中实现实时问题解决和化学品的优化。

该方法可以是在线方法。但是，取样和测量也可以通过使用便携式设备来手动进行。在在线方法中，取样、分级和测量可以在预设的基础上，基于间歇地和/或基于连续地进行。

可以使用一种或多种改变了疏水性颗粒的尺寸和或表面特性的化学品。所获得的关于样品或级分中颗粒的疏水性密度的信息可以用于形成控制回路，以用于加入一种或多种化学品(化学品的剂量和/或类型)，其可以用于控制疏水性颗粒的量/浓度。该化学品可以包括下面的至少一种：固定剂、脱粘剂、分散剂、表面活性剂和助留剂。可以将该化学品加入至湿纸浆。可以将该化学品例如在纸浆工艺的流浆箱之前或在造纸工艺的湿端中加入。

该方法可以包括相关步骤，其中将所获得的样品的疏水性指数与分析系统预定的校准曲线进行比较，其中该校准曲线指示了纸浆流(或稀释物)中的疏水性污染物浓度和样品的疏水性指数之间的相关性。

因此可以量化纸浆中的沥青和/或其他疏水性材料。纸浆中的沥青量影响纸浆品质例如就造纸机上的运行性而言。沥青降低纸浆品质例如通过使得它更粘来进行。

颗粒的疏水性密度可以用于基于沥青颗粒浓度和疏水性密度之间的预定相关性来推断含水流中木沥青的浓度。但是在一种实施方案中，不需要确定该相关性。代替绝对沥青浓度，该方法可以包括测定疏水性指数水平，由此该方法(纸浆干燥机或纸/纸板机)良好运行，即不存在因木沥青引起的问题。

在一种实施方案中，纸浆洗涤水向含水流中的定量给料基于所计算的样品中颗粒的疏水性密度和/或基于所计算的级分中颗粒的疏水性密度来控制。

在一种实施方案中，该方法包括基于所计算的疏水性密度，控制加入含水流的化学品的量和/或类型，以便控制疏水性污染物的浓度。

该方法和系统使得能够在线监测纤维素纸浆中的沥青浓度。该纸浆工艺是通过监测纸浆工艺的纸浆悬浮液或滤液或稀释物中的沥青浓度来在线监测的。获得了纸浆工艺中沥青浓度的在线值。该监测还可以分批进行和/或借助于便携式设备来进行。

该在线分析系统可以用于监测纸浆或造纸工艺的疏水性颗粒。该系统可以用于分析样品的颗粒尺寸和疏水性分布。该分析系统能够识别例如一种或多种化学品如固定剂对于疏水性颗粒量或分布的影响。

该方法包括通过光学测量来测量至少一个所述颗粒群以产生代表该颗粒的量和/或性能的测量信号，加工所述测量信号以提取每个颗粒群或整个样品的荧光强度值和光散射强度值，其中所述测量信号的加工可以包括所述信号的过滤、平均和基线校正。

疏水性同样指的是非极性物质在水溶液中聚集和排斥水分子的倾向。疏水材料表示“恐水”材料，并且疏水性描述了水和非极性物质的隔离，这使得水分子之间的氢键最大化和使得水和非极性分子之间的接触面积最小化。疏水性导致例如油和水的混合物分离成它的两种组分。

纸浆流或样品可以包括颗粒如胶体颗粒、细颗粒、聚集体和/或纤维。

胶体颗粒是小颗粒，典型的尺寸范围是0.1μm-5μm。

细颗粒(细物)典型的尺寸范围是5-100μm。

聚集体典型的尺寸范围为大于10μm。

纤维典型的尺寸范围是0.7-2.9mm(长度)和16-35mm(直径)。纤维长度/尺寸可以根据纸浆所源于的树种以及它是来自春材还是夏材而变化，如下所述。桉树：纤维长度1mm，纤维直径16μm；桦树：纤维长度1.1mm，纤维直径22μm；白杨：纤维长度0.8mm，纤维直径18μm；金合欢树(acacia)：纤维长度0.7mm，纤维直径20μm；松树：纤维长度2.9mm，纤维直径20mm(夏材)-35mm(春材)；云杉：纤维长度2.9mm，纤维直径19mm(夏材)-33mm(春材)。

在一种实施方案中，可以使用WO 2013/175077和/或WO 2015/075319A1中所讨论的用于分级和/或分析纸浆样品和/或用于控制纸浆工艺的技术。

实施例1

纸浆机可以使用不同类型的纸浆。在一段时间(6月22日到8月6日，参见图1A，和从8月8日到10月7日，参见图1B)内测量了三种不同的纸浆流(白水流)的颗粒的疏水性密度。在图1A和1B中，纸浆类型2来源于具有高木沥青含量的树种。纸浆类型3来源于具有较低量的木沥青的树种。这可以从图1A和1B中测量的疏水性密度而清楚地看到。纸浆类型2的疏水性密度最高。纸浆类型1具有最低的木沥青含量。

实施例2

测试了洗涤对于疏水性指数的影响。图2显示了纸浆洗涤效率的变化如何影响疏水性密度。当洗涤效率增加1.5和2.5倍时，疏水性指数明显下降。

实施例3

测试了分散剂剂量的变化对于疏水性指数的影响。结果显示在图3中。使用较高的化学品剂量，疏水性密度从600下降到约450。定量给料点和测量点之间的时间延迟是1.5天。在化学品剂量返回到基础剂量水平后，清楚地检测到疏水性指数的增加。

上述实施例证明了示例性方法的技术性能。疏水性密度很好地描述了纸浆流中的疏水性组分的含量。

对本领域技术人员来说很显然随着技术的进步，本发明的构思可以以各种方式来实施。本发明及其实施方案不限于上述的实施例，而是可以在权利要求的范围内变化。