Các nhà máy giấy cần loại nguồn cung cấp khí PSA nào trong sản xuất - Thông tin chi tiết

Ngành công nghiệp giấy và bột giấy là ngành sản xuất liên tục, tiêu tốn nhiều năng lượng, hoạt động 24 giờ một ngày trên hầu hết các dây chuyền sản xuất. Từ việc phân loại bột giấy, tẩy trắng, xử lý nước thải đến bảo vệ lưu trữ hóa chất và phủ giấy đặc biệt, nhiều quy trình đều dựa vào nguồn khí ổn định. Các phương pháp thu mua khí truyền thống, bao gồm oxy lỏng số lượng lớn và nitơ lỏng được vận chuyển bằng xe bồn, có những hạn chế rõ ràng như chi phí vận chuyển cao, rủi ro an toàn lưu trữ và sự mất ổn định về nguồn cung bị ảnh hưởng bởi lịch trình hậu cần. Công nghệ tạo khí Hấp phụ xoay áp suất (PSA), như một giải pháp sản xuất khí tại chỗ, đã được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy giấy hiện đại trong những thập kỷ gần đây. Nó tạo ra oxy hoặc nitơ trực tiếp từ khí nén thông qua các chu trình hấp phụ và giải hấp vật lý, phù hợp với đặc tính tiêu thụ khí liên tục của các nhà máy sản xuất giấy.

Việc lựa chọn hệ thống cung cấp khí PSA thích hợp không thể dựa vào các thông số kỹ thuật chung. Các nhà máy giấy khác nhau rất nhiều về loại sản phẩm, sản lượng hàng năm, lộ trình xử lý, chính sách môi trường địa phương và điều kiện địa điểm. Người vận hành phải làm rõ các kịch bản tiêu thụ khí, các chỉ số kỹ thuật, quy tắc cấu hình thiết bị, kế hoạch bảo trì và tổng chi phí vận hành trước khi hoàn thiện thiết kế hệ thống. Bài viết này phân tích các yêu cầu thực tế của hệ thống khí PSA cho các nhà máy giấy trong các liên kết ứng dụng khác nhau và tóm tắt các nguyên tắc lựa chọn chính cho chủ nhà máy và nhà thầu kỹ thuật.

What Kind of PSA Gas Supply Do Paper Mills Need in Production

Tẩy trắng bằng oxy là quy trình cốt lõi để sản xuất bột giấy hiện đại không chứa clo (ECF) và hoàn toàn không chứa clo (TCF). Trong các tháp phân loại oxy, oxy phản ứng với lignin dưới nhiệt độ và áp suất cao, phá vỡ các đại phân tử lignin đồng thời giảm thiểu thiệt hại cho sợi cellulose và hemiaellulose. Quá trình này làm giảm nhu cầu về chất tẩy trắng có chứa clo, cắt giảm sự hình thành hợp chất halogen hữu cơ và giảm tải lượng ô nhiễm của nước thải bột giấy.

Đối với các nhà máy bột giấy tích hợp lớn, oxy sử dụng trong tẩy trắng chiếm trên 70% tổng lượng khí tiêu thụ của nhà máy. Oxy do hệ thống PSA tạo ra được đưa vào tháp tẩy trắng sau khi điều chỉnh áp suất. Độ tinh khiết khí nhất quán và áp suất ổn định ảnh hưởng trực tiếp đến độ đồng đều của bột giấy và độ bền của sợi. Việc cung cấp oxy không ổn định sẽ dẫn đến kết quả tẩy trắng không đồng đều, tăng tỷ lệ loại bỏ và tăng tiêu thụ hóa chất.

Nước thải sản xuất giấy chứa hàm lượng chất hữu cơ cao, chất rắn lơ lửng và các chất ô nhiễm có khả năng phân hủy sinh học. Hầu hết các nhà máy giấy đều sử dụng bể xử lý sinh hóa hiếu khí để phân hủy COD và BOD. Sục khí giàu oxy giúp cải thiện nồng độ oxy hòa tan trong nước, kích hoạt các vi sinh vật hiếu khí và đẩy nhanh quá trình phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ.

So với oxy tinh khiết được sử dụng trong tẩy trắng, oxy sục khí có yêu cầu về độ tinh khiết thấp hơn. Các nhà máy giấy vừa và nhỏ sản xuất giấy nền sóng, lớp lót kraft và giấy lụa thông thường thường triển khaiHệ thống oxy PSAđặc biệt để xử lý nước thải. Chế độ cung cấp oxy tại chỗ này tránh việc vận chuyển oxy lỏng thường xuyên và giảm chi phí vận hành lâu dài.

Hệ thống nitơ PSAphục vụ nhiều mục đích an toàn và sản xuất trong các nhà máy giấy. Đầu tiên, việc phủ nitơ được áp dụng cho các bể chứa hóa chất. Chất tẩy trắng, chất phụ gia phủ và các nguyên liệu hóa học thô khác nhau được bảo quản trong bể dễ bị oxy hóa hoặc phản ứng tỏa nhiệt khi tiếp xúc với không khí. Nitơ lấp đầy không gian trên cùng của bể để giảm nồng độ oxy và ngăn ngừa sự xuống cấp hoặc các phản ứng hóa học nguy hiểm.

Thứ hai, nitơ có tác dụng kiểm soát nguy cơ hỏa hoạn. Các nhà máy giấy dự trữ những vật liệu dễ cháy với số lượng lớn: dăm gỗ, cuộn bột giấy, cuộn giấy thành phẩm và các chất phụ trợ hữu cơ. Đối với các kho nguyên liệu thô và khu chứa dầu khép kín, nitơ có thể ngăn chặn quá trình đốt cháy bằng cách giảm hàm lượng oxy. Thứ ba, nitơ có độ tinh khiết cao là cần thiết để sản xuất giấy đặc biệt. Trong quá trình phủ và xử lý giấy sao chép không chứa carbon, giấy nhiệt và giấy đóng gói rào cản, nitơ cách ly không khí để ngăn chặn quá trình oxy hóa các lớp phủ chức năng, đảm bảo hiệu suất của lớp phủ và độ ổn định của thành phẩm khi bảo quản.

Đối với quá trình khử và tẩy trắng bằng oxy bột giấy, độ tinh khiết của oxy phải được duy trì trong khoảng từ 85% đến 93%. Độ tinh khiết cao hơn sẽ mang lại mức tiêu thụ điện năng không cần thiết và tăng chi phí vận hành. Nếu độ tinh khiết giảm xuống dưới 85%, hiệu suất phân loại giảm đáng kể, đòi hỏi nhiều hóa chất tẩy trắng hơn và khiến chất lượng bột giấy không đồng đều. Áp suất đầu ra của oxy PSA cho xưởng tẩy trắng thường được giữ ở mức 0,3 MPa đến 0,5 MPa và dao động áp suất phải được kiểm soát trong phạm vi ± 0,02 MPa. Do dây chuyền bột giấy chạy liên tục nên áp suất giảm đột ngột có thể kích hoạt chế độ bảo vệ khẩn cấp và ngừng hoạt động tạm thời.

Đối với sục khí hiếu khí trong nước thải, tiêu chuẩn về độ tinh khiết oxy được giảm xuống còn 60%–80%. Độ ổn định của dòng chảy trở thành chỉ số chính thay vì độ tinh khiết cao. Lưu lượng khí dao động sẽ gây ra tình trạng oxy hòa tan không ổn định trong các bể sinh hóa, ức chế hoạt động của vi sinh vật và làm giảm hiệu quả xử lý nước thải, có thể khiến nhà máy không đạt tiêu chuẩn khí thải.

Tiêu chuẩn độ tinh khiết nitơ được xác định theo loại ứng dụng. Để phủ bồn chứa hóa chất thông thường và phòng chống cháy nổ trong kho nguyên liệu thô, độ tinh khiết nitơ từ 99,0% đến 99,5% đáp ứng nhu cầu vận hành. Khi sản xuất giấy đặc biệt có giá trị cao với lớp phủ nhạy cảm với quá trình oxy hóa, độ tinh khiết nitơ cần đạt 99,9% trở lên để loại bỏ nhiễu từ oxy dư. Áp suất đầu ra củaHệ thống nitơ PSAthường được đặt từ 0,4 MPa đến 0,7 MPa, phù hợp với việc truyền tải đường ống đường dài qua các khu vực nhà máy và cài đặt áp suất phủ kín bể chứa.

Các nhà máy lớn có nhu cầu khí đốt ổn định và lớn, vì vậy họ nên sử dụng các thiết bị oxy PSA và nitơ PSA công suất lớn với các mô-đun hấp phụ dự phòng. Nhóm dự phòng cho phép bảo trì không ngừng. Khi một bộ tháp hấp phụ cần bảo trì định kỳ hoặc thay thế sàng phân tử, mô-đun dự phòng có thể đảm nhận việc cung cấp khí ngay lập tức, tránh thiệt hại kinh tế nặng nề do ngừng sản xuất.

Thiết kế hệ thống cũng bao gồm các bình chứa khí đệm có thể tích đủ để bù đắp sự dao động dòng khí tức thời trong quá trình chuyển đổi quá trình tẩy trắng. Hệ thống điều khiển hỗ trợ giám sát từ xa, tải lên dữ liệu theo thời gian thực và cảnh báo tự động về độ tinh khiết, áp suất và lỗi thiết bị.

Các nhà máy cỡ trung bình thường áp dụng các sơ đồ cấu hình riêng biệt. Một đơn vị oxy PSA độc lập phục vụ các phần tẩy trắng và xử lý nước thải, trong khi đơn vị nitơ PSA nhỏ hơn xử lý việc bảo vệ trơ và sản xuất giấy đặc biệt. Thiết kế riêng biệt này ngăn chặn sự can thiệp lẫn nhau giữa các đường ống oxy và nitơ và tạo điều kiện bảo trì độc lập theo các chu kỳ bảo dưỡng thiết bị khác nhau.

Ưu tiên thiết bị PSA gắn trên thanh trượt dạng mô-đun. Sau này có thể mở rộng nếu nhà máy nâng cấp năng lực sản xuất mà không cần thay thế toàn bộ trạm phát khí.

Các nhà máy giấy nhỏ thường có mức tiêu thụ khí đốt không ổn định và ngân sách vốn tương đối hạn chế. Thiết bị PSA dạng mô-đun là sự lựa chọn tối ưu. Người dùng có thể thêm các mô-đun hấp phụ từng bước cùng với sự tăng trưởng công suất, tránh việc đầu tư trả trước quá mức vào tài sản cố định. Một số nhà máy nhỏ chỉ cần oxy PSA để sục khí nước thải mà không cần thiết bị nitơ, giúp tối ưu hóa hơn nữa khoản đầu tư.

Các nhà máy sản xuất giấy có điều kiện môi trường xung quanh đặc biệt đặt ra các yêu cầu đặc biệt về thiết kế thiết bị PSA. Nguyên liệu thô của hệ thống PSA là khí nén được chiết xuất từ không khí xung quanh nhà máy. Không khí nhà xưởng có chứa bụi sợi, bột gỗ và các chất hóa học dễ bay hơi. Vì vậy, bộ phận xử lý sơ bộ không khí phía trước phải được trang bị thiết bị lọc bụi nhiều giai đoạn, thiết bị sấy lạnh và loại bỏ dầu.

Bụi, hơi nước và sương dầu sẽ làm ô nhiễm chất hấp phụ rây phân tử bên trong tháp hấp phụ. Sàng phân tử bị ô nhiễm sẽ làm giảm hiệu suất hấp phụ, tuổi thọ sử dụng bị rút ngắn, sản lượng khí giảm và độ tinh khiết không ổn định. Ngoài ra, nhiệt độ môi trường xung quanh xưởng thay đổi theo mùa. Nhiệt độ cao vào mùa hè làm giảm khả năng hấp phụ của sàng phân tử. Các kỹ sư cần dự trữ biên độ làm mát trong quá trình thiết kế hệ thống để đảm bảo sản lượng khí ổn định quanh năm.

Giới hạn không gian là một hạn chế phổ biến khác. Hầu hết các nhà máy giấy đều có cách bố trí nhà xưởng nhỏ gọn sau nhiều năm xây dựng lại. Các thiết bị PSA gắn trên bệ trượt tích hợp máy nén khí, các bộ phận tiền xử lý không khí, tháp hấp phụ, bình đệm và tủ điều khiển trên cùng một đế. Cấu trúc tích hợp này giúp tiết kiệm không gian sàn, giảm khối lượng công việc xây dựng dân dụng và rút ngắn chu kỳ lắp đặt và vận hành.

What Kind of PSA Gas Supply Do Paper Mills Need in Production

Tiêu thụ năng lượng là chỉ số kinh tế cốt lõi của các nhà máy giấy. Thiết bị PSA chạy liên tục suốt cả năm và những thay đổi nhỏ trong mức tiêu thụ điện năng của đơn vị sẽ tích lũy thành chênh lệch chi phí sản xuất đáng kể. Hệ thống PSA chất lượng cao được tùy chỉnh cho hoạt động sản xuất giấy áp dụng logic chuyển mạch van được tối ưu hóa và công nghệ làm đầy rây phân tử dày đặc, giảm thất thoát khí nén và cắt giảm mức tiêu thụ điện năng.

Van chuyển mạch khí nén là bộ phận quan trọng của thiết bị PSA. Họ thực hiện việc mở và đóng theo chu kỳ thường xuyên. Các van được chọn cho dịch vụ nhà máy giấy phải có khả năng chống mài mòn tốt và tuổi thọ dài. Công việc bảo trì thường xuyên bao gồm thay thế phần tử lọc, kiểm tra sàng phân tử, kiểm tra rò rỉ đường ống và hiệu chỉnh hệ thống điều khiển. Đội bảo trì nhà máy nên thiết lập lịch trình bảo trì tiêu chuẩn. Kiểm tra kịp thời có thể ngăn chặn sự suy giảm hiệu suất hệ thống đột ngột và kéo dài tuổi thọ của vật liệu hấp phụ.

Mức độ tự động hóa hệ thống cũng ảnh hưởng tới hiệu quả vận hành. Hệ thống cung cấp khí PSA hiện đại được trang bị điều khiển tự động PLC. Người vận hành có thể theo dõi độ tinh khiết của khí, áp suất, lưu lượng và trạng thái thiết bị trên bảng điều khiển. Hệ thống có thể tự động điều chỉnh các thông số vận hành và kích hoạt cảnh báo khi xảy ra tình trạng bất thường, giảm cường độ vận hành thủ công và rủi ro lỗi do con người.

Nhiều chủ nhà máy giấy so sánh giải pháp PSA với việc cung cấp khí lỏng trước khi đầu tư. Việc cung cấp khí lỏng đòi hỏi phải có bể chứa đông lạnh, vận chuyển xe bồn thường xuyên và kiểm tra an toàn bồn chứa. Giá khí lỏng biến động theo thị trường năng lượng và khoảng cách vận chuyển. Các nhà máy giấy ở xa phải đối mặt với chi phí giao hàng cao hơn và rủi ro gián đoạn nguồn cung khi thời tiết xấu hoặc kiểm soát giao thông.

Việc tạo khí tại chỗ của PSA chủ yếu tiêu thụ năng lượng điện, với không khí thô có sẵn miễn phí. Sau khi đầu tư thiết bị một lần, giá khí đơn vị dài hạn thấp hơn nhiều so với khí lỏng đối với các nhà máy có nhu cầu khí ổn định liên tục. Tuy nhiên, hệ thống PSA kém hiệu quả về mặt chi phí hơn đối với các nhà máy sử dụng khí đốt không liên tục và tổng mức tiêu thụ thấp. Vì vậy, đánh giá kinh tế phải kết hợp lượng khí tiêu thụ, số giờ vận hành hàng năm và giá điện tại địa phương.

Các nhà máy giấy cần các giải pháp cung cấp khí PSA mục tiêu theo quy trình sản xuất, danh mục sản phẩm và quy mô nhà máy. Oxy được tạo ra bởi hệ thống PSA hỗ trợ tẩy trắng bột giấy và sục khí nước thải, trong khi nitơ PSA đáp ứng các yêu cầu về bảo vệ trơ, an toàn cháy nổ và sản xuất giấy đặc biệt. Các chỉ tiêu kỹ thuật bao gồm độ tinh khiết của khí, áp suất và độ ổn định dòng chảy phải phù hợp với yêu cầu của các mắt xích làm việc khác nhau.

Khi thiết kế trạm xăng PSA, người vận hành nhà máy phải xem xét đầy đủ các đặc điểm môi trường tại địa điểm như bụi sợi, độ ẩm cao và sự thay đổi nhiệt độ. Cấu hình thiết bị, sơ đồ tự động hóa và kế hoạch bảo trì phải được xác định sau khi đánh giá toàn diện về vốn đầu tư và chi phí năng lượng dài hạn. Một hệ thống cung cấp khí PSA phù hợp không chỉ có thể đảm bảo sản xuất giấy ổn định mà còn giảm chi phí cung cấp khí và cải thiện mức độ an toàn chung của toàn bộ nhà máy.