（机械制造及其自动化专业论文）基于plc控制的造纸黑液预处理系统的研究.pdf

基于p l c 控制的造纸黑液预处理系统的研究 摘要 制浆造纸工业是我国国民经济的重要产业，同时也是造成我国水环境污 染严重的主要行业之一。多数企业以稻、麦草等纤维为主要生产原料，规模 小、原料结构不合理、科技水平较低、污水处理设备不到位，生产过程中的 排放废水对环境造成了极大危害。 制浆造纸工业生产中的主要污染物为造纸黑液，如何清洁、有效地治理 造纸黑液的污染，已成为造纸工业面临的一个关键性问题。中小型制浆造纸 企业由于资金、技术方面的原因，多数采用酸析法工艺处理造纸黑液的污染。 实际应用中存在控制方式简单、助剂溶液的配置及酸液加注采用手工方式等 不足之处，致使黑液预处理系统运行故障率高，操作劳动强度大，可靠性及 稳定性差，出水水质波动大，致使污水排放超标严重。 根据酸析法工艺的运行要求，设计了步进电机驱动的星型定量喂料器结 构，实现了处理反应所需的定比浓度助剂溶液自动定量配置，采用计算机辅 助造型及数控加工技术完成搅拌器叶轮零件的设计与制造，提高了助剂溶液 搅拌效果和效率，应用变频调节技术实现酸液实时跟踪定量加注，混合溶液 反应效果好，出水水质稳定性提高。 本文设计了以p l c 为核心控制单元的自动控制系统，根据在线采集的 反应溶液p h 值的变化，控制酸液实时定量加注，最大限度地保证了综合反 应的稳定性，出水水质完全满足后续处理的工艺要求。采用模块式程序结构， 实现了反应溶液输送运行机组与备用机组的自动工作切换以及各种溶液输 送机组运行的互锁状态保持。设计的p l c 软件保护措施齐全，报警及预警 指示完备，查找排除故障方便，实现了造纸黑液酸析预处理设备运行的全自 动化。 借助于“组态王”组态控制软件，设计了运行监控系统，使用命令语言 编制相应动画程序，监控画面的仿真效果增强，系统的运行控制更加直观、 明了，实现系统运行状态的远程实时监控。 关键词：污染，造纸黑液，酸析预处理系统，自动控制，p l c ，监控系统 _ ， t h er e s e a r c ho fb l a c k l i q u o r p r e t r e a t m e n ts y s t e mo np a p e rm a k i n g b a s e do np l cc o n t r o l a b s t r a c t t h ep u l p i n ga n dp a p e rm a k i n gi n d u s t r yi so n eo ft h ei m p o r t a n ti n d u s t r yo f n a t i o n a l e c o n o m yi n o u rc o u n t r y ，a l s oi so n eo ft h em a i nd e p a r t m e n tt h a t r e s u l t i n gi nt h es e r i o u sw a t e re n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n m o s to fc o r p o r a t i o n sh a v e u s e dt h ef i b e ro fr i c es t r a wo rs t r a w ss e r v ea st h e i rm a i nr a wm a t e r i a l b e c a u s eo f t h ei r r a t i o n a l i t ys t r u c t u r eo nr a wm a t e r i a la n dt h el o wl e v e lo f t e c h n o l o g y t h o s e c o r p o r a t i o n sh a v el e to f fam a s so fw a s t e w a t e rt h a to u to fa c c o r dw i t ht h e e m i s s i o nc o n t r o lr e g u l a t i o n s b l a c kl i q u o ri st h em a i nc o n t a m i n a t i o no ft h ep u l p i n ga n dp a p e rm a k i n g i n d u s t r y ，t h ei s s u eo nh o wt od e a lw i t ht h ep o l l u t i o no nb l a c kl i q u o rc l e a n l ya n d e f f e c t i v e l yh a sb e e nb e c m n eak e yp r o b l e mi np a p e rm a k i n gi n d u s t r y b e c a u s eo f t h er e a s o no n f i n a n c i n ga n dt e c h n o l o g y ，m o s to fm e d i u ma n ds m a l l s i z e d c o r p o r a t i o n sh a v eu s e dt h ea c i d - o u tt e c h n i q u ef o rt r e a tw i t ht h ep o l l u t i o no n b l a c kl i q u o r t h e r eh a v es o m ep r o b l e m so nu s i n gt h ea c i d o u t t e c h n i q u ei n p r a c t i c e ；f o re x a m p l e ，t h ec o n t r o lm o d ei ss i m p l y ；t h ew o r ko na d m i x t u r e s o l u t i o no fb o d ya i db yh a n d w o r k ，t h em i x i n go fa c i dl i q u o ra sa l s o t h o s e m a t t e rh a v el e dt ot h eh i i g hr a t i oo ff a i l u r ea n db i go p e r a t i o nl a b o u ri n t e n s i t y ， d e f i c i e n ti nc o n t i n u i t ya n ds t a b i l i t yo nr u n n i n go fa c i d o u tp r e t r e a t m e n ts y s t e m t h ed i s c h a r g e dw a t e rq u a l i t yh a sh a df l u c t u a t i o na n dr e s u l t e di nt h es e r i o u s s u p e r s c a l e a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do na c i d o u tt e c h n i q u et r e a t m e n tp r o c e s s ，t h eu s i n g o fs t a rt y p er a t i o n f e e d i n ga p p a r a t u sc o u l dm a k ea u t o m a t i ca d m i x t u r eo ft h e q u a n t i f i c a t i o n a lc o n c e n t r a t i o nb o d ya i d ，w h i c ht h en e e df o rr e a c t i v i t y t h e i m p e l l e ro fm i x e rw a sd e s i g n e db yc o m p u t e r - a i d e da n dm a c h i n e db yt h en c 1 1 1 t e c h n i q u e ；t h ee f f e c ta n de f f i c i e n c ya b o u tm i x i n go nl i q u o ro fb o d ya i dw a s i m p r o v e d i no r d e rt om e e tt h es t a b i l i t yo nd i s c h a r g e dw a t e rq u a l i t y ，t h eq u a n t i t y o fa c i dl i q u o rw a sb e m i x e db yu s i n gt h er e g u l a t i n gt e c h n i co ff r e q u e n c y c o n v e r s i o n t h er e a c t i v ee f f e c to ft h em i x i n gl i q u o rc o u l db eg o o d a na u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mb a s e do np l cw a sb e e nd e s i g n e d t h e c o l l e c t i o no fc h a n g eo np hs c a l eo fr e a c t i o nl i q u o rt h r o u g ht h eo n l i n ep hs c a l e d e t e c t i o na p p a r a t u s ，t h ea c i dl i q u o r ，w h i c ht h en e e df o rr e a c t i v i t ya l s o ，w a sb e m i x e db yi m p l e m e n t a t i o nt h r o u g hc l o s e dl o o pc o n t r 0 1 t h es t a b i l i t yo fr e a c t i o n w a sg u a r a n t e e dt h ef u r t h e s tb yt h a tm e a s u r e ，a n dt h ed i s c h a r g e dw a t e rq u a l i t y s a t i s f i e dc o m p l e t e l yf o rt h ed e m a n do ft e c h n i c so ns u b s e q u e n tt r e a t m e n t u s i n g t h em o d u l a r i z a t i o ns t r u c t u r eo fp r o g r a m ，t h ea u t o - s w i t c ho fw o r ks e t sa n d s t a n d b ys e t sa b o u ts o l u t i o nt r a n s p o r t a t i o nh a v eb e e ni m p l e m e n t e d ，t h em u t u a l l o c kc o n d i t i o no fr u n n i n go na l ls o l u t i o n t r a n s p o r t a t i o n u n i ta l s ob e e n i m p l e m e n t e d t h ec o m p l e t ep r o t e c t i o nm e a s u r e so f s o f t w a r ew e r eb eu s e di nt h e c o n t r o ls y s t e m ，t h ec o m p l e t ea l a r ma n dn o t i c ea l s ob eu s e di n t h a tp l cc o n t r o l s y s t e mw a sm a d et h er u n n i n go f a c i d - o u tp r e t r e a t m e n te q u i p m e n to nb l a c kl i q u o r b e c o m i n ga u t o m a t i c a l l y am o n i t o r i n gs y s t e mw a sb e e nd e s i g n e di nv i r t u eo fak i n do fc o n f i g u r a t i o n c o n t r o ls o f t w a r eb yn a m e k i n g v i e w s o m ep r o g r a mt h a th a sb e e nw o r k e do u t b yc o m m a n dl a n g u a g ef o rr e i n f o r c i n ge f f e c to fm o n i t o r i n ga n i m a t i o n ，a n dt h e o p e r a t i n gc o n t r o lm o r ei n t u i t i o n i s t i c a n dp e r s p i c u o u so na c i d o u tp r e t r e a t m e n t s y s t e mo fb l a c kl i q u o r t h a tm o n i t o r i n gs y s t e mh a sa c h i e v e dl o n g d i s t a n c ea n d r e a l t i m em o n i t o r i n go nt h es t a t eo fs y s t e mr u n n i n g k e y w o r d s ：p o l l u t i o n ，b l a c kl i q u o r ，a c i d o u tp r e t r e a t m e n ts y s t e m ， a u t o m a t i cc o n t r o l ，p l c ，m o n i t o r i n gs y s t e m 基于p l c 控制的造纸黑液预处理系统的研究 1 综述 1 1 本课题的选题背景 水是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是生态环境的重要控制性要素。水资 源的可持续利用是经济社会可持续发展的重要保障。我国水资源总量不足，时空分布不 均，水资源短缺、洪涝灾害严重和水土流失、水污染形势严峻，已成为当前经济和社会 可持续发展的重要制约因素。 制浆造纸工业是我国国民经济的重要产业之一，多数企业以稻、麦草等纤维为主要 生产原料。生产过程中废水排放量大，每生产1 吨成品纸，平均耗水4 0 0 - - 6 0 0 吨，年废 水排放总量超过3 0 亿吨，排放量约占工业废水排放总量的l 8 ，化学需氧量c o d 。，排放 量占全国工业排放总量的5 9 9 。造纸行业废水排放总量仅次于化工制造业，高居第二 位，制浆造纸废水污染对环境及生态造成了严重危害。企业平均年生产规模仅有1 2 万 吨，大多数为中小型企业，生产工艺相对简单，技术装备落后，产生的污染物质与废水 多，污水处理技术水平与装备更落后。造成了水资源的大量浪费和环境污染严重，远远 不能适应企业和环境保护发展要求。 造纸工业生产过程对水的消耗量大，污染物成分复杂，污染负荷高，对环境所造成 的污染问题严重，废水的污染治理技术水平要求高。制浆造纸生产过程中的许多工艺环 节都会产生不同污染程度的废水，原料的不同，工艺方法的差异，生产过程中使用化学 药剂的不同，都会对制浆造纸过程中产生的废水的性状、污染负荷产生不同程度的影响。 制浆造纸过程中可以产生污染性废水的环节主要有以下几个部分： ( 1 ) 备料过程中的废水： ( 2 ) 化学法制浆过程的蒸煮废液； ( 3 ) 污冷凝水； ( 4 ) 机械浆及化学机械浆废水； ( 5 ) 洗浆、筛选过程的中段废水： ( 6 ) 废纸回用过程的废水； ( 7 ) 漂白废水： ( 8 ) 造纸废水。 陕_ 西科技大学硕士学位论文 制浆造纸生产中的排放废水主要是制浆蒸煮废液、中段废水和造纸白水三部分，其 中蒸煮废液的污染负荷约占全部制浆造纸废水的9 0 ，是最主要的污染源，其次是中段 废水和造纸白水。造纸白水回改技术，在我国已普遍推广。大型纸机一般都采用了多圆 盘过滤机进行白水回收，中小企业则采用气浮池或多圆盘过滤机进行白水回收，有的已 实现白水封闭循环使用，使造纸白水得到了充分的回收利用，在一定程度上降低了造纸 废水的污染排放量及污染负荷。现阶段制浆造纸废水普遍采用多级联合处理工艺，蒸煮 废液经过预处理后混入中段废水一并进行后续的深化处理，从而使最终处理后的废水水 质符合环保排放标准。对蒸煮废液污染的有效综合治理，成为制浆造纸企业减少污染排 放，实现清洁生产的重点治理环节，是我国造纸工业污染防治的重点和难点。 1 1 1 造纸黑液的特点 采用化学法制浆时，根据制浆、提取设备的不同，一般可产生2 0 5 0 的蒸煮废 液( 包括制浆过程使用的化学药品残液) 。化学法制浆是用化学药剂的水溶液处理植物 纤维原料，使纤维原料中的木素溶出，尽可能地保留纤维素及部分半纤维素，使原料纤 维彼此分离成浆。碱法( 主要分为硫酸盐法、烧碱法、石灰法等) 制浆中，此蒸煮液呈 黑色，故称“黑液”。黑液中含有有机物与无机物两大类物质。有机物主要是碱木素、 糖类、半纤维素和纤维素的降解产物；无机物中大部分是钠盐、n a o h 、n a 2 s 等。酸法 制浆主要采用钙、镁等盐基亚硫酸盐类化学药品处理纤维原料，蒸煮液呈红色，故称“红 液”。蒸煮废液中的主要成分是木素、糖类及蒸煮制浆时使用的化学药品。 我国造纸工业中，碱法制浆的比例占9 0 以上，常规情况下，采用碱法工艺生产1 吨化学浆，产生1 0 m 3 蒸煮黑液，含有机物约为1 1 5 吨，碱类物质约为0 4 吨。蒸煮废 液所含的污染物成分复杂，污染负荷大，是制浆造纸生产过程中的高负荷污染物来源。 造纸蒸煮黑液中，木质素及其降解物是黑液中最重要的成分，可以占到总c o d 。，的 5 0 左右，色度的6 0 左右。不同来源黑液其所含化学需氧量c o d 。，浓度在 1 5 0 0 0 - - 1 6 0 0 0 0 m g l 、生化需氧量b o d 5 浓度在1 5 0 0 - - 4 5 0 0 0 0 m g l 、悬浮物s s 浓度在 1 0 0 3 0 0 0 m g l 之间，若造纸黑液不能得到有效的处理而直接排放，不仅严重污染了环境， 使接纳水体变质、腐败，水体生态平衡遭到严重破坏，水体失去利用价值，而且造成大 量资源的浪费。我国造纸原料以稻、麦草原料为主，蒸煮废液的特性与木材原料相比有 很大的不同，主要表现在草浆黑液由于其含硅量大、粘度高、滤水性差，造成草浆黑液 提取率低( _ 一般只有8 0 8 5 ，木浆可以达到9 5 以上) ；碱回收率低( 一般只有6 5 7 5 ，木浆造纸达到9 5 9 8 ) ；用水量大( 国家规定的指标为1 3 0 m 3 t 浆，采用木材为 4 基于p l c 控制的造纸黑液预处理系统的研究 原料的技术先进的国内造纸企业最低只有3 6 2 m 3 t 浆) 。草浆厂中段废水排放的污染物量 ( 约4 0 0 k g t 浆，使用木材仅为5 1 6 k g t 浆) 比木浆造纸约高“7 倍。特别是中、小型 制浆造纸企业工艺装备水平低、生产规模小、废水污染治理技术的不完善，导致生产过 程中产生的废水排放量大，污染负荷高，治理难度大。 1 1 2 造纸黑液的处理方法 碱回收法 把采用硫酸盐法和碱法制浆过程中产生的造纸黑液从浆料中提取出来，经过进一步 的处理加工，将黑液中的有机物氧化分解，利用其热能，将黑液中残余碱大部分回收进 行重复再使用的工艺过程称作碱回收。目前，大型木浆造纸厂碱回收率己达9 0 ，采用 稻、麦草浆为原料的造纸厂碱回收率在6 0 7 5 左右。采用碱回收可以大大地降低黑 液的高负荷污染，b o d 5 可以减少8 0 8 5 ，此外还可以回收热能、部分化学药品等， 既降低了成本，又增加了经济效益。碱回收法又分为燃烧苛化法、电渗析法及黑液气化 法等。 ( 1 ) 燃烧苛化法 采用燃烧苛化法进行碱回收的完整流程分为提取、蒸发浓缩、燃烧、苛化一石灰回 收四道工序。基本原理是将提取的黑液在多效蒸发器中进行蒸发浓缩，提高黑液的浓度 及温度，然后将增浓的黑液喷入燃烧炉内进行燃烧，黑液中所含的有机物通过燃烧释放 热能，无机物进行氧化还原反应生成以碳酸钠和硫化钠为主的熔盐混合物。黑液燃烧产 生的熔融物质流入溶解槽，与苛化工段的稀白液进行混合溶解形成绿液，在苛化工段， 混合着石灰的绿液进入鼓式消化器，消化后的乳液送入多组苛化器中进行苛化反应，反 应后的澄清白液可用于制浆原料的化学蒸煮药品。制浆蒸煮黑液通过燃烧苛化法可以回 收生产所需的碱类化学药品，黑液燃烧释放的热能供生产使用。 我国以木浆为原料的大型造纸厂大都采用该法处理造纸黑液，既减少了制浆废水排 放量及污染负荷，同时生产使用的化学药品又可回收循环使用。木浆黑液中硅含量只有 0 2 2 ，采用此法碱回收处理较顺利。但我国大部分的造纸厂是以稻、麦草为原料，黑 液粘度大，硅含量高( 约为3 ) ，二氧化硅与碱作用生成硅酸钠，在蒸发浓缩及燃烧 过程中易结垢堵塞管路，造成碱回收系统的正常运行周期短，影响了黑液碱回收过程的 顺利进行。目前一些造纸工业发达的国家由于广泛采用木浆原料造纸，碱回收率达 9 5 9 8 ，能源利用率也很高。我国碱回收率平均仅达6 0 7 0 左右，原料结构不合理是 陕西科技火学硕士学位论文 碱回收率不尽人意的主要原因之一。 ( 2 ) 电渗析法 电渗析法工艺一般采用循环式流程，黑液通过阳极室循环，稀碱液通过阴极室循环。 在直流电场作用下，n a + 通过阳膜进入阴极室，与电解产生的o h 一结合生成n a o h 而得 以回收碱；阳极室内的黑液由于电解产生旷，而不断被酸化，当酸碱度p h 下降到一定 程度时( 2 5 4 5 ) ，大部分木质素沉淀析出。采用单阳膜电渗析回收黑液中的碱技术上 是可行的，具有工艺过程简单，操作方便、设备投资少，易于自动化等特点。实际应用 中由于麦草浆中的硅含量高，随着电渗析的进行，黑液中硅酸钠逐渐酸化为胶质状偏硅 酸，黏附于离子膜表面阻碍n a + 的有效迁移，硅积累现象的存在导致电耗高，电极腐蚀 快、处理效率低且运行稳定性差等问题出现。黑液的除硅处理问题成为采用电渗析法进 行碱回收处理的首要问题，也关系到采用电渗析法工艺的处理成本和经济效益。 ( 3 ) 黑液气化法 黑液碱回收除了常采用上述两种方法外，在国外还普遍使用的一种方法是黑液气化 法。通过气化，黑液中的有机物转化为清洁的可供燃气轮机使用的燃料气体。黑液气化 是制浆造纸工业能源生产与回收的一种有前景的技术。燃气轮机将气化产生的气体作为 燃料燃烧来发电，比传统的燃烧回收炉更有效，另外，黑液气化排放更少的二氧化碳和 废水，更加有益于环境。 酸析法 碱木质素是碱法制浆黑液中的主要成份既主要有机污染物，木质素是一类具有三维 空间结构的芳香族高分子化合物，由苯丙烷基本结构组成，含有酚羟基、甲氧基和酚醚 等，其通式为r o h 。在蒸煮过程中，由于碱性物质作用，使醚键断裂，木质素大分子 逐步降解为碱木质素，以木质素钠盐r - o n a 形式存在，完全溶于黑液中呈亲水胶体，用 酸中和黑液时发生亲电取代反应，氢离子取代了碱木质素中的钠离子，使碱木质素胶体 受到破坏，生成了难溶、不溶于水的木质素，从而由黑液中分离出来： 2 r o n a + h 2 s 0 4 ，2 r - 0 h l + n a 2 s 0 4 这种工艺比较成熟，黑液中的木质素处理效果较好。与碱回收处理工艺相比，最大 的优点是设备投资少，处理技术成熟，实际应用的可行性高，经酸析法处理后的废水进 行进一步的深度处理后可达标排放，适宜于草浆等为主要原料的中小型制浆造纸企业应 6 基于p l c 控制的造纸黑液预处理系统的研究 用实施。 絮凝沉淀法 木质素的分离还可以通过添加絮凝沉淀剂的方法实现，当向废水中投加化学混凝药 品后，混凝药品电解为离子状态，会加速废水中的胶体粒子失稳现象的出现，降低胶体 粒子之间的排斥能力，促进胶体粒子的聚合，从而降低废水的污染负荷。同时使用化学 混凝药品及助凝药品时，既可以提高混凝效果，又可以提高处理效率。絮凝沉淀法其优 点是分离操作可在中性条件下进行，无需特殊处理工艺设备，可降低设备投资，并使操 作更加简便，分离木质素后的清液的污染负荷大幅下降，便于进行后续的处理处置，单 纯使用沉淀剂时黑液的处理费用较大。比较经济而又具有工业应用潜力的处理方法是化 学絮凝法与生化工程结合，其中作为生化预处理的化学絮凝是关键的一环。 生物处理法 生物处理法是利用微生物降解代谢有机物为无机物来处理废水，通过人为的创造适 于微生物生存和繁殖的环境，使之大量繁殖，以提高其氧化分解有机物的效率。根据使 用微生物的种类，可分为好氧法、厌氧法和生物酶法等。运用生物技术治理环境污染是 现阶段研究的热点，具有费用低、不产生二次污染等优点，生物处理技术在制浆造纸废 液处理中的应用已引起世界性的关注，该研究领域被誉为“从根本上降低能耗和消除污染 的有效途径”。存在的问题是生物技术在复杂污染体系的造纸黑液中的应用还具有一定的 难度，对原料废水的污染负荷有一定的要求。造纸工业废水处理中，可根据废水的性状、 污染负荷状况分别采用好氧生物法、厌氧生物法或是两者相结合的方法进行处理。一般 情况下，生物法作为对造纸黑液的深度处理常与其它方法相结合来应用。 膜分离法 膜分离技术是一种高效、低能耗和易操作的液体分离技术，在废水处理中有着广阔 的应用前景。世界上经济发达、科学技术先进的国家，近几年来将膜分离技术，如超滤 ( u f ) 、反渗透( r o ) 和电渗析( e d ) 等应用于造纸工业废水的处理。膜分离技术以 其低成本和占地面积少等优势，受到造纸行业的重视。然而，膜分离法处理蒸煮黑液时 水通量能力不大、分离膜的成本大，实际工业化应用能力有待于进一步技术上的改进和 提升。 化学氧化法 陕西科技大学硕士学位论文 化学氧化法( a o p ) 主要基于活性含氧自由基链反应，尤其利用攻击力极强的羟自 由基( o h ) 破坏有机物分子结构，使有机物矿化成c 0 2 和h 2 0 ，或使有机物形成沉淀 脱离水相，该法对有机物降解彻底，能大幅度提高废水的处理效率。在常规的废水处理 工艺流程中常作为二级处理环节和其他的处理方法结合使用。 1 1 3 造纸黑液的资源化利用 造纸黑液回收的木质素，具有优良的理化特性，是一种重要的基本工业原料，在各 领域中有广阔的应用前景。木质素作为基本原料合成各类有机物的研究已有近百年的历 史，尤其是近期取得的许多研究和应用的技术成果增多。目前国内外开发研制木质素产 品的品种和用途主要有下列两大类：利用木质素和木质素磺酸盐的天然特性，作为工业 的粘合剂、增强剂、填充剂、分散剂及外加剂等，广泛应用于农业、建筑业以及石油开 采、地质钻井、公路铺路、冶金制团、粉煤制团等工业。今后进一步研究需求量大、技 术先进、经济效益好、有市场前景的木质素利用技术，拓展木质素的应用范围，是促进 木质素工业发展的重要前提。加强木质素利用工艺技术的研究、开发，加快其产业化进 程，不仅可变废弃物为有用资源，而且必将促进制浆造纸废水的根本治理，而且从根本 上改变了制浆造纸废水仅仅“为防治污染而治理污染”采用常规处理处置方法的不足之 处。 木材制浆造纸蒸煮废液的污染治理，无论是碱法或酸法制浆，国内外的相关治理技 术都已成熟，污染治理效果明显。我国造纸原料中，以木材为制浆原料的占很小的比重， 仅为2 0 左右( 其中自制木浆比例不足1 0 ) 。目前国内以木材为原料的化学浆厂基本 均已采用碱回收系统处理蒸煮废液，碱回收率可达8 5 以上，尽管回收率仍低于国际先 进水平，但废水治理已走上良性循环发展的道路。我国造纸原料以非木材原料为主，非 木材原料中又以麦草为主。据测算我国麦草碱法化学浆年产量约3 4 0 万吨左右，每年用 碱量约1 0 0 万吨。目前，大多数企业没有配套的碱回收系统。通过碱回收系统回收的碱 量不到5 ，9 5 以上的烧碱连同被溶解的有机物被排入水体。全国麦草浆c o d c ，的排放 量约占整个造纸工业排放总量的7 4 以上。大多数以麦草为原料的制浆造纸企业普遍规 模小，装备比较落后，由于麦草原料蒸煮废液的特性与木材原料相比有很大的不同，因 而对麦草浆产生的蒸煮废液进行清洁、有效治理成为造纸工业废水治理及发展一个关键 性问题。中小型制浆造纸企业原有的废水处理措施不完善，治理设备落后，技术含量低， 制浆蒸煮废液的污染治理能力低，部分污染负荷被转移到中段废水来处理，加重了后续 处理环节的压力，使得中段废水的处理费用居高难下，影响整个企业的经济效益。 基于p l c 控制的造纸黑液预处理系统的研究 制浆生产过程中产生的造纸黑液的处理处置方法种类很多，碱回收法对化学药品资 源的回收利用较充分、全面，但黑液碱回收系统对生产规模有要求，技术要求高，设备 投资大，中小型造纸厂一般无力承担建设碱回收系统所需的高额费用，碱回收系统目前 主要应用于大型造纸厂。我国由于木材短缺，采用非木纤维原料生产的纸浆占纸浆总量 的7 0 以上，8 0 以上是中小型造纸厂。采用碱回收技术处理造纸蒸煮黑液，对这些企 业来说，无论从技术上还是经济上目前都难以实现。膜分离技术由于造纸黑液的有机物 纤维含量多特点，使得进行工业化生产应用时，黑液废水的处理能力有限，不能满足处 理大量废水的要求。生物处理法及化学氧化法在应用时，不能充分满足待处理黑液的污 染负荷过高的情况，需和其它的处理方法配合进行。我国的大部分造纸企业生产规模小， 生产设备比较落后，制浆过程中产生的黑液排放量大，污染负荷高，由于资金方面的原 因，这些企业目前仅仅只是停留在被动治理污染的阶段上，酸析法工艺处理造纸黑液作 为技术上比较成熟且要求不高、资金投入适中、易于实际生产应用等因素，适合在中小 型造纸企业中应用，解决了企业目前紧迫的污染治理要求。 1 2 本课题研究的目的和意义 本文依照酸析法处理工艺要求，设计了助剂溶液定量加药配罱装置，对搅拌器叶轮 优化设计并采用数控加工技术完成零件加工，提高了助剂溶液的搅拌效果。采用p l c 为 控制核心的自动化控制方式，使处理系统完全以自动化方式运行。反应所需定比浓度助 剂溶液实现自动配置，酸液实现跟踪定量加注，降低了黑液的处理费用。控制系统提供 了必要的软件保护及预警措施，设备安全有可靠保障，使用及维护方便。上位机组态监 控系统的应用使得废水处理的生产过程控制直观、明了，实现了废水处理的远程实时监 控。 造纸黑液酸析预处理自动控制系统的应用，符合中小型造纸企业对污染治理工艺装 备技术改造及升级的要求，黑液经过处理后，出水水质稳定，污染负荷大幅下降，满足 了后续阶段废水进一步深化处理处置的工艺要求，促进了制浆造纸工业废水的污染治理 工作。 9 陕西科技大学硕士学位论文 2 研究的内容与方案 2 1 研究的内容 中小型制浆造纸企业由于资金技术方面的原因，造纸黑液的污染治理目前只停留在 初级的被动治理阶段上。采用酸析法工艺处理造纸黑液由于处理技术成熟、设备投资适 中，成为中小型制浆造纸企业处理造纸黑液污染时采用一种主要工艺方法。目前酸析法 工艺应用中存在如下亟待解决的实际问题： ( 1 ) 人工方式配置助剂溶液，溶液搅拌效果及浓度准确性不高，药品消耗大，处 理成本大。 ( 2 ) 反应用酸液的加注采用人工方式控制，反应效果不好，出水水质稳定性差， 影响后续处理环节的有效处理能力。 ( 3 ) 控制部分采用采用继电器方式，故障率高，使用不方便，系统运行可靠性及 稳定性差，操作人员劳动强度大。 2 2 拟采取的研究方案 为了使造纸黑液酸析预处理系统满足工业化废水处理的稳定性、连续性要求，拟从 如下几个方面对该系统进行研究： ( 1 ) 助剂溶液配置自动定量加药机构的研制。目前广泛应用的固体物质自动定量 加药装置主要有电子皮带秤、定量喂料器等，电子皮带秤适宜于生产中的连 续化喂料，为保证电子皮带秤的计量精确，需在其前端配置相应的均匀喂料 装置。定量喂料器可适宜于连续化喂料，又能进行间断性喂料，且设备构造 简单，投资少。这里拟采用由步进电机驱动的星型定量喂料器实现自动定量 加药。 ( 2 ) 复杂难加工零件的数控加工。搅拌器叶轮的形状对助剂溶液的均匀混合程度 影响较大，其表面构造为螺旋面形式，加工难度大。小批量生产采用铸造方 式经济性不好，并且铸造生产的零件表面质量不高，搅拌效果差。为提高助 剂溶液的搅拌效果及效率，利用数控机床完成该零件的加工。 ( 3 ) 实现处理系统的运行自动化。拟应用p l c 组成自动控制系统，采用开关型电 动阀门取代手动阀门，这样在工作中由于故障需要输送泵转换时，p l c 通过 控制电动阀门可快速实现输送管路的转换。通过p l c 实现反应溶液输送互相 联动的要求，既当参与反应的任何一种溶液不能正常输送时，控制系统会及 1 0 基于p l c 控制的造纸黑液预处理系统的研究 时停止其它溶液的输送工作，避免出现黑液未经处理就进入后续工序的情况。 自动控制系统具备完善的保护及报警功能，能及时对出现的故障做出反应， 按照预先设定的应对措旌处理各种故障，保护设备安全，满足生产要求。在 控制系统中除设定基本的保护功能外，还针对运行时可能出现的非正常状态， 采取相应措施处理这些情况。 ( 4 ) 酸液加注闭环控制的实现。拟采用闭环控制方式实现酸液的加注，在线p h 检测仪可及时检测p h 值的变化情况并反馈给p l c ，由p l c 对采集的信号进 行处理，采用p i d 方式控制变频泵实现酸液快速、稳定地跟踪定量加注。 ( 5 ) 可视化的监控界面。可视化监控界面的应用可以使整个处理系统的运行状况 直观、明了，操作人员可以完成对处理系统的远程监控，有利于废水处理环 节的统一管理，提升了操作的便利性。拟采用组态软件完成监控界面的设计 工作，该软件界面生成方便、可操作性强、适应性广、可根据工艺的改变快 速调整及改进。 陕西科技大学硕士学位论文 3 造纸黑液酸析预处理设备的设计 3 1 造纸黑液酸析预处理工艺 3 1 1 黑液酸析预处理工艺原理 蒸煮黑液是多种成分的混合体，有悬浮物质，也有溶解物质，既有有机的成分，也 有无机的成分。在黑液的有机成分中，以木质素与半纤维素等为主要成分，碱木质素是 碱法制浆黑液中的主要有机污染物，当用酸液降低造纸黑液的p h 值之后，碱木质素在 酸性环境中发生亲电子取代反应而凝聚析出，达到黑液预处理降低污染负荷的目的。处 理后的澄清液进入酸化和后续生物处理阶段，由于木质素已被大量去除，可以获得较高 的c o d 。，去除率，废水中的污染负荷已降低很多，废水的可生化降解能力大大提高，有 利于后续的生化深度处理环节的处理工作。图3 1 为造纸黑液酸析处理工艺原理。 l - 一- l - 一一 ：科：罕h 照量# 孽 i - 一葬赢鬲一ji 一萱! 唑型j 土 3 1 2 黑液酸析预处理工艺后的废水负荷 采用酸析预处理工艺对造纸蒸煮黑液进行物化处理，在反应工艺参数为黑液助剂投 药量1 5 2 0 9 l 黑液，酸液( 浓度为9 8 的h 2 s 0 4 ) 加注量为2 0 9 ，l 黑液，混合反应液 的p h 保持在3 5 4 5 之间，混合反应液的水力停留时间为3 0 3 5 m i n 时，黑液污染负 荷处理前后参照如表3 2 所示。 1 2 基于p l c 控制的造纸黑液预处理系统的研究 表3 - 2 酸析预处理黑液污染负荷前后参照 t a b 3 2c r o s s - r e f e ro nw a s t e p o l l u t i o nl o a da b o u ta c i d - o u tp r e t r e a t m e n t c o d 盯 b o d 5s s ( m g l )( r a g l )( t r i g l ) 进水含量 2 2 0 0 0 7 7 0 02 0 0 0 斜网回收纤维 山水含量 1 8 7 0 07 j 1 58 0 0 去除率( ) 1 5 o5 06 0 0 进水含量 1 8 7 0 07 3 1 58 0 0 酸析预处理 山水含量 6 5 4 5 5 1 2 04 0 0 去除率( ) 6 5 03 0 15 0 0 预处理：l ：段总去除率( ) 7 0 2 53 3 5 18 0 o 从表中可以看出，经过酸析预处理后废水的污染负荷已降低很多，其b o d s c o d c ， 值较大，废水的可生化性好，进入二级生化处理环节的废水污染负荷降低，减轻了生化 处理环节的处理压力，有利于进行生化处理，使最终的处理废水可满足环保排放标准。 3 2 造纸黑液酸析预处理系统工艺流程 造纸黑液酸析预处理系统组成如图3 3 所示，整个系统由酸析反应塔、助剂溶液配 置部分、溶液输送部分等构成。每组溶液的输送部分由两套输送机组构成，其中泵m 7 、 电动阀门v 3 组成助剂输送l # 机组，泵m 8 、电动阀门v 4 组成助剂输送2 # 机组；黑 液输送部分由泵m 9 、电动阀门v 5 组成黑液输送1 # 机组，泵m i o 、电动阀门v 6 组成 黑液输送2 # 机组：酸液输送部分由变频泵m 1 1 、电动阀门v 7 组成酸液输送1 # 机组， 变频泵m 1 2 、电动阀门v 8 组成酸液输送2 # 机组。 整个系统采用由p l c 为控制核心的自动控制系统，工作时，黑液输送机组、助剂输 送机组、酸液输送机组分别将酸析反应需要的三组溶液输送到黑液酸析反应塔中进行黑 液酸析反应，反应处理后的废水进入后续阶段的生化一物化处理环节。系统正常工作时， 每种溶液的输送只需要一组输送机组工作，另一组输送机组备用，当其中任何一组输送 机组因故不能正常工作时，p l c 会自动启动待命的备用机组投入工作，以满足生产连续 陕西科技大学硕士学位论文 化运行要求。 m 1 2v 8 图3 - 3 黑液酸析预处理系统处理组成 1 黑液酸析反应塔2 在线p h 值检测仪3 反应预混合罐4 助剂溶液配置罐 5 助剂定量喂料器6 黑液调节池7 酸液贮存罐 f i g 3 - 3c o n s t i t u t eo f a c i d - o u tp r e t r e a t m e n ts y s t e mo nb l a c kl i q u o r 1 a c i d - o u to f b l a c k l i q u o rr e a c t o r 2 o n - l i n ep hs c a l ed e t e c t i o na p p a r a t u s 2 p r e m i x i n gr e a c t o r4 b o d ya i dl i q u o rb l e n dk e t t l e 5 r a t i o nf e e d i n ga p p a r a t u so nb o d y a i d 6 r e g u l a t i o nr e s e r v o i ro f b l a c kl i q u o r 7 a c i dl i q u o rr e s e r v o i r 助剂溶液加药系统通过助剂定量喂料器实现助剂原料的自动定量加药，由p l c 控制 系统发出定量控制脉冲，驱动步进电机带动星形喂料阀完成助剂原料定量加药工作。加 药定量喂料器上安装了原料低料位报警光电开关，及时将反馈信号送给控制系统，及时 提醒操作人员补充助剂原料。两组助剂溶液输送机组交替间隔的将预先配置搅拌好的助 剂溶液送入混合液中，供黑液酸析反应所需。参与酸析预处理反应的酸液加注采用闭环 模拟量控制，系统p l c 通过在线p h 检测仪定时采集反应溶液的p h 值变化信号，采用 p i d ( p r o p o r t i o n i n t e g r a l d i f f e r e n t i a l ) 控制算法处理采集数据，然后控制调整变频泵实现 酸液的跟踪定量加注，保证了黑液在进行酸析反应时的最佳工艺条件，避免了采用人工 化验检测方式时不能及时对反应溶液的p h 变化采取实时调整的情况的发生。 4 基于p l c 控制的造纸黑液预处理系统的研究 3 3 黑液酸析反应塔结构与工作原理 图3 4黑液酸析反应塔外观图 f i g 3 - 4o u t s i d ed r a w i n go f a c i d o u to f b l a c kl i q u o rr e a c t o r 混合了助剂溶液与酸液的反应黑液的在酸析反应塔( 如图3 4 所示) 内进行絮凝、 沉降、分离过程，酸析反应塔由内桶体、外桶体、隔离桶、锥形衬套、围堰、进水管、 集水管、出水管、排泥管等组成。隔离桶将内桶体分成反应区和分离室，隔离初进入反 应塔内的混合废水和塔内充分反应后的废水，有利于塔内废水的进一步絮凝分离，絮凝 后的木素浮液流入外桶体后排出塔外，较重的污泥沉入塔底部经由排泥管排出，塔体的 水位高度由围堰上的活动调节板调整。 其工作原理( 如图3 5 所示) 如下：反应混合黑液由进水管道进入反应塔内，首先 在第一反应区i 内进行初步混凝反应，经初步反应后的混合液体进入第