La indústria de la pasta i el paper és un sector de fabricació continu i intensiu energètic que funciona les 24 hores del dia a la majoria de línies de producció. Des de la deslignificació de la polpa, el blanqueig, el tractament d'aigües residuals, fins a la protecció d'emmagatzematge químic i el recobriment especial de paper, diversos processos depenen de fonts de gas estables. Els mètodes tradicionals d'adquisició de gas, inclòs l'oxigen líquid a granel i el nitrogen líquid lliurats per camions cisterna, presenten inconvenients evidents com ara costos de transport elevats, riscos de seguretat d'emmagatzematge i inestabilitat del subministrament afectats pels horaris logístics. La tecnologia de generació de gas Pressure Swing Adsorption (PSA), com a solució de producció de gas in situ, ha guanyat una àmplia adopció a les fàbriques de paper modernes durant les últimes dècades. Genera oxigen o nitrogen directament a partir de l'aire comprimit mitjançant cicles físics d'adsorció i desorció, coincidint amb les característiques de consum continu de gas de les plantes papereres.
La selecció d'un sistema de subministrament de gas PSA adequat no pot dependre d'especificacions universals. Les fàbriques de paper difereixen molt en tipus de producte, producció anual, rutes de procés, polítiques ambientals locals i condicions del lloc. Els operadors han d'aclarir els escenaris de consum de gas, els indicadors tècnics, les normes de configuració dels equips, els plans de manteniment i els costos totals d'operació abans de finalitzar el disseny del sistema. Aquest article analitza els requisits pràctics dels sistemes de gas PSA per a fàbriques de paper en diferents enllaços d'aplicació i resumeix els principis clau de selecció per als propietaris de plantes i els contractistes d'enginyeria.
Principals escenaris d'aplicació del gas PSA en la producció de paper
Subministrament d'oxigen per a la deslignificació i el blanqueig de la polpa
El blanqueig d'oxigen és el procés bàsic per a la producció de polpa moderna lliure de clor elemental (ECF) i totalment lliure de clor (TCF). A les torres de deslignificació d'oxigen, l'oxigen reacciona amb la lignina a alta temperatura i pressió, trencant les macromolècules de lignina alhora que minimitza el dany a les fibres de cel·lulosa i hemicelulosa. Aquest procés redueix la demanda d'agents blanquejants que contenen clor, redueix la formació de compostos halògens orgànics i redueix la càrrega contaminant de les aigües residuals de pasta.
Per a les grans fàbriques de pasta integrades, l'oxigen utilitzat en el blanqueig representa més del 70% del consum total de gas de la fàbrica. L'oxigen generat pels sistemes PSA s'alimenta a les torres de blanqueig després de l'ajust de pressió. La puresa constant del gas i la pressió estable influeixen directament en la uniformitat de la brillantor de la polpa i la força de la fibra. El subministrament d'oxigen inestable provocarà resultats de blanqueig desiguals, augmentant les taxes de rebuig i augmentant el consum de productes químics.
Oxigen per al tractament d'aireació d'aigües residuals
Les aigües residuals de fabricació de paper contenen altes concentracions de matèria orgànica, sòlids en suspensió i contaminants biodegradables. La majoria de fàbriques de paper utilitzen tancs de tractament bioquímic aeròbic per descompondre el DQO i el DBO. L'aireació enriquida amb oxigen millora els nivells d'oxigen dissolt a l'aigua, activa els microorganismes aeròbics i accelera la degradació dels contaminants orgànics.
En comparació amb l'oxigen pur utilitzat en el blanqueig, l'oxigen d'aireació té requisits de puresa més baixos. Les fàbriques papereres mitjanes i petites que produeixen paper de base ondulada, folre kraft i paper de seda ordinari sovint es despleguenSistemes d'oxigen PSAespecialment per al tractament d'aigües residuals. Aquest mode de subministrament d'oxigen in situ evita el transport freqüent d'oxigen líquid i redueix la despesa operativa a llarg termini.
Nitrogen per a la Protecció Inert i Gestió de la Seguretat
Sistemes de nitrogen PSAserveixen per a múltiples finalitats de seguretat i producció a les fàbriques de paper. En primer lloc, s'aplica una cobertura de nitrogen als dipòsits d'emmagatzematge de productes químics. Els agents blanquejants, els additius de recobriment i diverses matèries primeres químiques emmagatzemades als dipòsits són propensos a l'oxidació o reaccions exotèrmiques quan entren en contacte amb l'aire. El nitrogen omple l'espai superior dels dipòsits per reduir la concentració d'oxigen i evitar el deteriorament o les reaccions químiques perilloses.
En segon lloc, el nitrogen treballa per al control del risc d'incendi. Les fàbriques de paper emmagatzemen materials inflamables massius: estelles de fusta, rotlles de pasta, bobines de paper acabat i auxiliars orgànics. Per als magatzems tancats de matèries primeres i àrees d'emmagatzematge d'oli, el nitrogen pot suprimir la combustió reduint el contingut d'oxigen. En tercer lloc, es requereix nitrogen d'alta puresa per a la producció de paper especial funcional. Durant el recobriment i el curat de paper de còpia autocopiant, paper tèrmic i paper d'embalatge de barrera, el nitrogen aïlla l'aire per evitar l'oxidació dels recobriments funcionals, assegurant el rendiment del recobriment i l'estabilitat del producte acabat.
Requisits d'índex tècnic per a sistemes de gas PSA en diferents condicions de treball
Requisits d'índex per als sistemes d'oxigen PSA
Per a la deslignificació i el blanqueig de l'oxigen de la polpa, la puresa de l'oxigen s'ha de mantenir entre el 85% i el 93%. Una puresa més alta comportarà un consum d'energia innecessari i augmentarà els costos operatius. Si la puresa cau per sota del 85%, l'eficiència de la deslignificació disminueix significativament, requerint més productes químics de blanqueig i provocant una qualitat de polpa inconsistent. La pressió de sortida de l'oxigen PSA per als tallers de blanqueig es manté generalment entre 0,3 MPa i 0,5 MPa i la fluctuació de pressió s'ha de controlar dins de ± 0,02 MPa. Atès que les línies de polpa funcionen contínuament, les caigudes de pressió sobtades poden provocar una protecció d'emergència i una parada temporal.
Per a l'aireació aeròbica d'aigües residuals, l'estàndard de puresa d'oxigen es relaxa al 60%-80%. L'estabilitat del flux es converteix en l'indicador principal en lloc de la puresa alta. La fluctuació del flux de gas provocarà oxigen dissolt inestable a les piscines bioquímiques, inhibirà l'activitat microbiana i degradarà l'eficiència del tractament d'aigües residuals, cosa que pot fer que la fàbrica incompleixi els estàndards d'emissió.
Índex de requisits per als sistemes de nitrogen PSA
Els estàndards de puresa del nitrogen es determinen segons els tipus d'aplicació. Per a la cobertura de tancs de productes químics generals i la prevenció d'incendis als magatzems de matèries primeres, la puresa del nitrogen del 99,0% al 99,5% compleix les necessitats operatives. Quan es produeixen papers especials d'alt valor amb recobriments sensibles a l'oxidació, la puresa del nitrogen ha d'arribar al 99,9% o més per eliminar la interferència de l'oxigen residual. La pressió de sortida deSistemes de nitrogen PSAnormalment s'estableix entre 0,4 MPa i 0,7 MPa, fent coincidir la transmissió de canonades de llarga distància a través de les zones de la planta i els paràmetres de pressió de coberta del tanc.
Principis de configuració d'equips PSA basats en l'escala de la fàbrica de paper
Grans fàbriques de pasta i paper integrades (producció anual > 300.000 tones)
Els grans molins tenen una demanda estable i gran de gas, per la qual cosa es recomana adoptar unitats d'oxigen PSA i nitrogen PSA de gran capacitat amb mòduls d'adsorció en espera. El grup d'espera permet un manteniment ininterromput. Quan un conjunt de torres d'adsorció necessita un manteniment rutinari o una substitució del tamís molecular, el mòdul d'espera pot fer-se càrrec del subministrament de gas immediatament, evitant grans pèrdues econòmiques causades per l'aturada de la producció.
El disseny del sistema també inclou dipòsits de gas amortidor amb un volum suficient per compensar la fluctuació instantània del flux de gas durant la commutació del procés de blanqueig. El sistema de control admet monitorització remota, càrrega de dades en temps real i alarma automàtica per a fallades de puresa, pressió i equips.
Molins de paper de mida mitjana (producció anual de 50.000 a 300.000 tones)
Les plantes de mida mitjana solen adoptar esquemes de configuració separats. Una unitat d'oxigen PSA independent serveix a les seccions de blanqueig i tractament d'aigües residuals, mentre que una unitat de nitrogen PSA més petita gestiona la protecció inert i la producció de paper especial. Aquest disseny separat evita la interferència mútua entre les canonades d'oxigen i nitrogen i facilita el manteniment independent segons els diferents cicles de servei dels equips.
Es prefereix l'equip PSA modular muntat en patins. Es pot ampliar més endavant si la fàbrica millora la capacitat de producció, sense la substitució completa de tota l'estació de generació de gas.
Petites fàbriques de paper (Producció anual<50,000 tons)
Les petites papereres solen tenir un consum de gas inestable i els pressupostos de capital són relativament limitats. L'equip PSA modular és l'opció òptima. Els usuaris poden afegir mòduls d'adsorció pas a pas juntament amb el creixement de la capacitat, evitant una inversió inicial excessiva en actius fixos. Algunes petites fàbriques només necessiten oxigen PSA per a l'aeració d'aigües residuals, sense equips de nitrogen, la qual cosa optimitza encara més la inversió.
Restriccions del lloc i de les condicions auxiliars dels sistemes PSA a les fàbriques de paper
Les plantes de fabricació de paper tenen condicions ambientals úniques que imposen requisits especials al disseny dels equips de PSA. La matèria primera dels sistemes PSA és l'aire comprimit extret de l'aire ambient de la fàbrica. L'aire del taller conté pols de fibra, pols de fusta i substàncies químiques volàtils. Per tant, la unitat de pretractament d'aire frontal ha d'estar equipada amb dispositius de filtració de pols en diverses etapes, assecat refrigerat i eliminació d'oli.
La pols, el vapor d'aigua i la boira d'oli contaminaran l'adsorbent del tamís molecular dins de les torres d'adsorció. El tamís molecular contaminat patirà un rendiment d'adsorció degradat, una vida útil escurçada, una producció de gas reduïda i una puresa inestable. A més, la temperatura ambient del taller varia amb les estacions. Les altes temperatures a l'estiu redueixen la capacitat d'adsorció del tamís molecular. Els enginyers han de reservar un marge de refrigeració durant el disseny del sistema per garantir una producció estable de gas durant tot l'any.
La limitació d'espai és una altra restricció habitual. La majoria de les fàbriques papereres tenen un disseny de taller compacte després d'anys de reconstrucció. Les unitats PSA muntades sobre patins integren compressors d'aire, components de pretractament d'aire, torres d'adsorció, dipòsits d'amortiment i armaris de control en una sola base. Aquesta estructura integrada estalvia espai, redueix la càrrega de treball de la construcció civil i escurça els cicles d'instal·lació i posada en marxa.
Consideracions de consum, funcionament i manteniment d'energia
El consum d'energia és un indicador econòmic bàsic per a les fàbriques papereres. Els equips de PSA funcionen contínuament durant tot l'any i els canvis menors en el consum d'energia de la unitat s'acumulen en diferències substancials de costos de producció. Els sistemes PSA d'alta qualitat personalitzats per a la fabricació de paper adopten una lògica de commutació de vàlvules optimitzada i una tecnologia d'ompliment de tamís moleculars densos, reduint la pèrdua d'aire comprimit i reduint el consum d'energia.
Les vàlvules de commutació pneumàtiques són peces clau de desgast de les unitats PSA. Realitzen obertura i tancament cíclics freqüents. Les vàlvules seleccionades per al servei de fàbrica de paper han de tenir una bona resistència al desgast i una llarga vida útil. El treball de manteniment regular inclou la substitució de l'element del filtre, la inspecció del tamís molecular, la comprovació de fuites de la canonada i la calibració del sistema de control. Els equips de manteniment de la planta haurien d'establir programes de manteniment estandarditzats. La inspecció oportuna pot evitar una disminució sobtada del rendiment del sistema i allargar la vida útil dels materials adsorbents.
El nivell d'automatització del sistema també afecta l'eficiència de l'operació. Els moderns sistemes de subministrament de gas PSA estan equipats amb control automàtic PLC. Els operadors poden controlar la puresa del gas, la pressió, el cabal i l'estat de l'equip al tauler de control. El sistema pot ajustar automàticament els paràmetres de funcionament i activar alarmes quan es produeixen condicions anormals, reduint la intensitat de l'operació manual i els riscos d'error humà.
Comparació de costos entre el gas PSA in situ i el subministrament tradicional de gas
Molts propietaris de fàbriques de paper comparen les solucions de PSA amb el subministrament de gas líquid abans d'invertir. El subministrament de gas líquid requereix dipòsits d'emmagatzematge criogènic, lliurament regular de camions cisterna i inspecció de seguretat del tanc. El preu del gas líquid fluctua amb els mercats d'energia i la distància de transport. Les fàbriques de paper remotes s'enfronten a costos de lliurament més elevats i a riscos d'interrupció del subministrament sota mal temps o control del trànsit.
La generació de gas in situ de PSA consumeix principalment energia elèctrica, amb aire brut disponible de forma gratuïta. Després de la inversió única en equips, el cost unitari del gas a llarg termini és molt inferior al del gas líquid per a plantes amb una demanda de gas contínua estable. Tanmateix, els sistemes PSA són menys rendibles per a fàbriques amb ús intermitent de gas i baix consum total. Per tant, l'avaluació econòmica ha de combinar el volum de consum de gas, les hores de funcionament anuals i el preu local de l'electricitat.
Conclusió
Les fàbriques papereres necessiten solucions de subministrament de gas PSA orientades segons els processos de producció, les categories de productes i l'escala de la planta. L'oxigen produït pels sistemes PSA admet el blanqueig de polpa i l'aireació d'aigües residuals, mentre que el nitrogen PSA compleix les exigències de protecció inert, seguretat contra incendis i fabricació de paper especial. Els indicadors tècnics, com ara la puresa del gas, la pressió i l'estabilitat del flux, han de coincidir amb els requisits dels diferents enllaços de treball.
A l'hora de dissenyar gasolineres de PSA, els operadors de la planta haurien de tenir en compte plenament les característiques ambientals del lloc, com ara la pols de fibra, l'alta humitat i la variació de temperatura. La configuració de l'equip, l'esquema d'automatització i el pla de manteniment s'han de determinar després d'una avaluació exhaustiva de la inversió de capital i el cost energètic a llarg termini. Un sistema de subministrament de gas PSA ben combinat no només pot garantir una producció estable de fabricació de paper, sinó que també pot reduir el cost del subministrament de gas i millorar el nivell de seguretat general de tota la planta.
