製紙工場の総エネルギー消費量の最大 30 ～ 40% は、パルプが製紙機に到達する前に発生します。この膨大なエネルギーの消費は主に原料準備部門内で発生します。工場のオペレーターは、繊維収量の最大化、強度や地合などの目標の紙特性の達成、エネルギー、水、メンテナンスなどの操業コストの管理の間で常に緊張に直面しています。システム設計を単純なカタログ選択作業として扱うことは、業界における危険な誤謬です。真の効率性を実現するには、カスタムの高度に統合されたエンジニアリングが必要です。
現代のアーキテクチャを評価および設計するための包括的なフレームワークを紹介します。このフレームワークは、パルプ供給および原料処理からアプローチフローシステムに至るプロセス全体をカバーします。自動化テクノロジーを考慮し、システムを拒否し、リスクを軽減して高機能なシステムを構築する方法を学びます。 在庫準備 システム。
カスタマイズは必須です: 効率的な紙料調製設計では、装置の選択 (パルプ化、スクリーニング、リファイニング) を、特に原料投入量 (バージンパルプと再生繊維) および最終的な紙のグレードに合わせて調整する必要があります。
保管とフローダイナミクス: プロセスの変動を緩和し、抄紙機の連続稼働を保証するには、1 日分の在庫を保管できる合計保管量と 2 時間のマシンチェスト容量を設計するなど、適切なシステムサイジングが重要です。
自動化による一貫性の向上: 自動在庫準備ラインに移行すると、ベール処理における手動介入が減り、安全上の危険が排除され、正確なリアルタイムの一貫性制御が保証されます。
循環資源管理: 真に効率的なシステムは、汚泥、廃棄物、および白水の処理ループを下流の後付けとして扱うのではなく、初期設計段階に直接統合します。
ストック準備設計の成功基準の定義
原材料投入量と最終グレード目標の調整
エンジニアリング段階の早い段階でベースライン パラメータを確立する必要があります。広葉樹か針葉樹かにかかわらず、バージンパルプの処理には、OCC、混合廃棄物、または脱墨パルプなどの古紙の処理とは大きく異なるアプローチが必要です。通常、バージン繊維はフィブリル化によって強度を高めるために高強度の精製を必要とします。リサイクル繊維は、すでに弱くなっている繊維構造をさらに劣化させることなく汚染物質を除去するために、穏やかな分散と洗浄が必要です。工場の床を歩くと、バージンクラフトラインと100%リサイクルされたテストライナーラインの設備設置面積の違いがすぐにわかります。
繊維の形態によって、必要な加工段階が決まります。繊維の長さ、粗さ、膨潤能力は、装置の選択に直接影響します。短い広葉樹繊維には、過度の切断を防ぐために長い針葉樹繊維と比べて異なるリファイナー プレート パターンが必要です。リファイナープレートのバーの幅と溝の深さを特定のファイバーの寸法に合わせる必要があります。針葉樹用に設計された粗いプレートに短い繊維を通すと、繊維がフィブリル化されずに切り刻まれ、最終シートの引き裂き強度が損なわれます。
さまざまなグレードの特定の要件を考慮してください。組織の製造には、極度の柔らかさと嵩高さが必要です。つまり、繊維の完全性を維持するには、精製を最小限に抑える必要があります。逆に、グラシン紙や耐油紙は、繊維を完全に崩壊させて緻密で非多孔質のシートを作成するには、大量の精製エネルギーを必要とします。システム全体のアーキテクチャは、これらの初期原材料と最終グレードの定義に依存します。
エネルギー消費とファイバー品質のトレードオフ
精製装置、パルパー、スクリーンシステムの比エネルギー消費量 (SEC) の評価には交渉の余地がありません。工場のエンジニアは、エネルギー効率の KPI を追跡する必要があります。KPI は通常、加工された絶乾繊維 1 トンあたりの kWh で測定されます。装置を強く押しすぎると、利益が減少します。過度の精製は、深刻な繊維切断、過剰な水和、および多量の微粒子の生成につながります。これにより、抄紙機のワイヤーの排水が低下し、大量の電力が無駄になります。
精製はこの部門で最大のエネルギー消費者です。リファイニング アクションの強度を決定するには、特定のエッジ ロード (SEL) を計算する必要があります。低い SEL は穏やかなフィブリル化をもたらし、引裂強度を失うことなく引張強度を向上させるのに理想的です。 SEL が高いと繊維が切断され、これは形状の改善には必要かもしれませんが、シート全体の強度が損なわれます。精製装置の無負荷電力と正味精製電力のバランスをとることは、日常の運用上の課題です。
パルプ化エネルギーも厳密な監視が必要です。パルパーを必要以上に長く運転しても剥離は改善されません。汚染物質をより小さな断片に分解するだけで、後でふるい分けるのが難しくなります。スラッシュされたストックの目視検査とフレーク含有量に関する定期的な実験室テストに基づいて、パルパーのサイクル時間を最適化する必要があります。
キャパシティプランニングとストレージ保持ルール
業界標準のバッファリング ルールにより、システムの安定性が保証されます。少なくとも 1 日分の在庫を保持できる高密度 (HD) 貯蔵タワーのサイズを設定することで、製紙機がパルプ工場や脱墨工場の中断に備えて緩衝されます。機械による胸部のサイジングは、異なるエンジニアリング ロジックに従います。マシンの実行時間は 1.5 ～ 2 時間を目標にする必要があります。この特定の容量により、ストックがヘッドボックスに到達する前に、高周波の一貫性とフリーネスの変動が減衰されます。
胸部撹拌設計により、ストックの層別化や停滞ゾーンを防ぎます。撹拌機のサイズが不適切だと、重い繊維が沈降し、紙の坪量に大きなばらつきが生じる原因となります。チェスト直径、ストックの一貫性、および繊維の種類に基づいて、撹拌プロペラに必要な正確な推力を計算する必要があります。降伏応力とネットワーク強度の違いにより、濃度 4% の広葉樹ストックは濃度 4% の針葉樹ストックとは大きく異なる挙動を示します。
1 日の総生産所要量を絶乾トンで計算します。
各貯蔵容器の運用の一貫性を判断します。
24 時間の保持時間に合わせて HD タワーのサイズを決定します。
保持時間が 1.5 ～ 2 時間になるように、ブレンディング チェストとマシン チェストのサイズを調整します。
胸部全体の体積全体にわたって完全な動きを維持するために必要な計算された運動量流束に基づいて撹拌器を選択します。
ストック準備ラインの中核段階: パルプ供給からヘッドボックスまで
原料の供給とベールの取り扱い
受信段階は、システムの初期安定性を決定します。ベールの受け取り、湿気テスト、および保管構成は高度に組織化されている必要があります。パルパーに供給する頑丈なコンベア システムには、特定の物理的設置面積と厳格な安全保護が必要です。手動切断から自動配線解除システムに移行すると、初期のパルプ供給の一貫性が最適化され、オペレーターが危険にさらされることがなくなります。供給コンベア周囲のフォークリフトの交通管理は、フロア プランに組み込む必要がある重要な安全上の考慮事項です。
入ってくるベール内の水分の変動は、パルパーの粘稠度に直接影響します。ベールの水分が 10% であると仮定しても、実際には 20% である場合、パルパーの粘稠度が低下し、スラッシュプロセスと下流の化学反応の効率に影響を与えます。供給コンベア上の自動水分センサーは、パルパーへの希釈水の流れを調整するためのリアルタイム データを提供します。
スラッシュ、パルプ化、および粗大汚染物質の除去
らせん状または S 字状のプロファイルなどのローターの設計とタブの形状によって、スラッシングと剥離の効率が決まります。高濃度 (HC) パルプ化は 12 ～ 18% の濃度で行われます。消費エネルギーが少なくなり、化学物質の添加効率が向上し、汚染物質の劣化が防止されます。低稠度 (LC) パルプ化は 3 ～ 6% の稠度で行われ、よりクリーンな完成紙料に一般的です。
補助装置により下流側の損傷を防ぎます。ラガー、ジャンカー、ドラム スクリーンは、パルパーのすぐ近くでワイヤー、プラスチック、重金属などの大きな破片を除去します。ラガーロープが切れたり、重くなりすぎて抜けないようにするために、ラガーロープは制御された速度で継続的に引っ張る必要があります。ジャンク トラップでは、重い物質によってパルパー ローターと抽出プレートが磨耗するのを防ぐために、定期的な自動パージが必要です。
| パラメータ |
高濃度 (HC) パルプ化 |
低濃度 (LC) パルプ化 |
| 運用の一貫性 |
12% - 18% |
3% - 6% |
| 主な用途 |
再生紙、湿潤強力グレード |
バージンパルプ、クリーンブレイク |
| 汚染物質の処理 |
汚染物質のサイズを維持 |
汚染物質を分解する傾向がある |
| エネルギー効率 |
高い（加熱/移動する水が少なくなる） |
より低い |
| 化学効率 |
優れた（高濃度） |
適度 |
スクリーニング、洗浄、および分別
圧力スクリーン バスケットの選択は、破片の種類に完全に依存します。ターゲットとなるシーブ、スティッキー、またはプラスチックに合わせて正確な幅とプロファイルを指定しながら、スロットと穴のどちらかを選択する必要があります。液体サイクロン クリーナーは、密度に基づいた分離を処理します。フォワードクリーナーは、砂やガラスなどの高密度の汚染物質を除去します。リバースおよびスルークリーナーは、ワックスやポリスチレンなどの低密度の破片を対象とします。
分別技術により長い繊維と短い繊維を分離します。これにより、長繊維ストリームのみにターゲットを絞った精製を適用できます。全体のエネルギー負荷を大幅に軽減し、短繊維の嵩を維持します。分別スクリーンは、特定の穴またはスロット サイズを使用して、長い繊維を保持しながら (拒否)、短い繊維がバスケットを通過できるようにします (受け入れ)。次に、長いファイバー ストリームをリファイナーにルーティングします。
スクリーンローターの設計はバスケットと同じくらい重要です。ローターは、スクリーンのスロットをきれいに保つために必要な脈動を生成します。ローター速度が低すぎると、スクリーンが見えなくなって詰まります。速度が高すぎると、エネルギーを無駄にし、粘着性のような変形可能な汚染物質をスロットに押し込む危険があります。
浮選・分散・脱墨（リサイクルライン用）
浮選セルで効果的にインクを剥離し、粘着物を除去するには、正確な化学的、熱的、機械的条件が必要です。分散および混練ユニットは、多くの場合 120°C までの高温で動作します。繊維の完全性を損なうことなく、ワックス、ホットメルト、および残りの粘着性を溶解および分散します。すべての熱可塑性汚染物質が確実に軟化点に達するように、分散機の前の加熱スクリューは原料の温度を均一に上昇させる必要があります。
浮選はインク粒子の疎水性を利用しています。純正サスペンションに空気を注入すると、インクが気泡に付着し、泡となって表面に浮き上がり、すくい取られます。浮選セル内の気泡のサイズとストックの一貫性を制御することで、インク除去の効率が決まります。乱流が多すぎると、インクが表面に到達する前に気泡から剥がれてしまいます。
リファイニングとストックミキシング: 従来のビーターからディスクリファイナーへの移行
歴史的なバッチ システムでは、非常に非効率なホーランダー ビーターが使用されていました。最新の構成は継続的な改良に依存しています。浅い角度と急な角度の両方の円錐形リファイナーは、特定の繊維発達特性を提供します。ダブルディスクリファイナーは一般に、古い技術と比較して、メンテナンスのフットプリントが小さく、プレートの寿命が長く、優れたフィブリル化能力を備えています。
ブレンドチェストとミキシングチェストには厳密なエンジニアリングプロトコルが必要です。染料、サイズ剤、湿潤紙力増強樹脂、充填剤の化学添加剤の添加は、紙の欠陥を防ぐために均一な分布を確保する必要があります。確実に迅速に混合するには、乱流の激しい箇所に化学物質を注入する必要があります。胸部の動きの遅い領域に粘性のある化学物質を加えると、局所的な濃度のスパイクが発生し、紙の特性が不均一になります。
繊維の長さと必要な強度特性に基づいてリファイナー プレートを選択します。
リファイナー全体の温度上昇を監視して、エネルギー伝達を測定します。
フロー制御ループを実装して、リファイナー プレート全体で一定のスループットを維持します。
最適な混合を実現するために、化学薬品注入クイルをストックパイプの中心に貫通するように設計します。
汚泥、廃棄物、および水処理システム
スクリーンおよびクリーナーステージからの一次廃棄物を処理するには、スクリューを脱水し、埋め立て量を最小限に抑えるために廃棄物圧縮機を使用します。溶解空気浮上分離 (DAF) ユニットと清澄装置を統合することで、白水ループを処理します。これにより、繊維とフィラーの最大限の回収率が保証されます。クローズドループ給水システムでは、システムの腐食、スケール、および深刻な臭気の問題を防ぐために、溶解した有機および無機物質の蓄積を注意深く管理する必要があります。
拒否処理システムを無視することはできません。不良システムの設計が不十分だと、生産ライン全体がボトルネックになってしまいます。脱水プレスは、廃棄物をコスト効率よく焼却または輸送できるように、十分に高い乾燥含有量を達成する必要があります。これらのプレス機からの濾液には微粉や灰が多く含まれているため、パルパーで再利用する前に専用の清澄が必要です。
バッチ処理モデルと連続処理モデルの評価
バッチ システムの運用上の現実とレガシー ビーター
バッチ システムは、非常に特殊な使用例で引き続き実行可能です。特殊紙、セキュリティ紙、生産能力の低い工場、グレードや色の変更が頻繁に行われる工場では、依然としてこれらの製品が使用されています。しかし、バッチ式パルパーや従来のビーターでは機械的な制限が問題となっています。これらは高度な手動監視を必要とし、周期的なエネルギーのピークを生成し、固有のバッチ間の一貫性の変動に悩まされます。オペレーターは化学物質を手動で計量して追加する必要があるため、人的ミスのリスクが高まります。
バッチ システムのエネルギー プロファイルは非常に不安定です。バッチパルパーが起動すると、大規模なスパイク電流が流れます。これにより、工場の電力網に負担がかかり、電力会社からのピーク需要料金が発生する可能性があります。これらの電気負荷を管理するには、機器の起動の複雑なシーケンスが必要です。
継続的システムのスケーラビリティと効率性
連続処理は、包装、段ボール原紙、ティッシュ、新聞用紙などの大量生産品グレードに定常状態での運用上の大きな利点をもたらします。これらのシステムは高度な計測機器に大きく依存しています。
| 機能 |
バッチ処理 |
連続処理 |
| 生産量 |
低から中程度 |
高 (商品グレード) |
| エネルギードロー |
周期的な山と谷 |
安定した最適化された負荷 |
| グレード変更 |
高速かつ孤立 |
移行管理が必要 |
| インストルメンテーションの依存関係 |
適度 |
非常に高い (インラインセンサー) |
インライン一貫性トランスミッタ、電磁流量計、可変速ポンプはシステムの平衡を維持します。また、連続パイプラインは、大量バッチの船舶設置と比較して、物理的な設置面積と土木工事コストを大幅に削減します。すべてのプロセスステップの間に大規模な貯留タンクが必要なくなり、代わりにポンプの連続的な流れに頼って原料をスクリーンとクリーナーを通して移動させることができます。
自動在庫準備ラインの統合
自動マテリアルハンドリング、配線解除、およびコンベヤー システム
統合する 自動在庫準備ラインにより、安全性とスループットの利点が即座に得られます。 自動ベール配線解除機能と金属ストラップ回収機能を備えた自動配線解除により、オペレーターが負傷するリスクが排除されます。また、異物の金属汚染物質がシステムに侵入し、下流のパルパーローターやリファイナープレートを破壊するのを防ぎます。コンベア速度制御システムは、パルプ供給速度をパルパーレベルおよび濃度測定と直接同期させます。
自動配線解除機は、ビジョン システムを使用してワイヤーの位置を特定し、切断し、リサイクルするためにコイル状に巻きます。これにより、重いベールが移動する危険ゾーンからオペレーターが完全に排除されます。次に、供給コンベアはロードセルを使用してパルパーに入る繊維の正確な量を計量し、制御システムが目標の粘稠度に達するために必要な希釈水の正確な量を計量できるようにします。
高度なプロセス制御 (APC) とセンサーの統合
最新のラインでは、インラインろ水度 (CSF/SR) 分析装置と光学的濃度センサーの統合が必要です。閉ループ制御アルゴリズムは、キロワットまたは特定のエッジ負荷制御を使用してリファイナー プレート ギャップを自動的に調整します。また、希釈水バルブもリアルタイムで調整します。これにより、工場は遅延した手作業による実験室テストから継続的な DCS (分散制御システム) モニタリングに移行します。
遅延や機械的磨耗の影響を受ける古いせん断力センサーとは異なり、光学式一貫性センサーは瞬時のフィードバックを提供します。 DCS は濾水度の低下を検出すると、過剰精製を防ぐためにリファイナー プレートを自動的に取り外します。このレベルの制御により、抄紙機のウェットエンドが安定し、ウェブの破損が減少し、機械全体の効率が向上します。
オートメーションの ROI と運用の安全性
自動化の回収期間は簡単に計算できます。工場では、手作業の削減、化学物質の過剰投与の最小限化、ピークエネルギー需要の低減、抄紙機でのウェブ切れの減少を通じて利益が得られると考えています。ベール取り扱いエリアからオペレーターを排除することで、職場での事故とそれに伴う責任が大幅に軽減されます。また、混入金属がシステムに侵入するのを防ぐことで、リファイナープレートとスクリーンバスケットの寿命を延ばします。
手作業によるベールの取り扱いと化学薬品の投与に関連する現在の人件費を計算します。
金属損傷によるリファイナー プレートとスクリーン バスケットの交換にかかる年間コストを見積もります。
一貫性の変動やウェブの破損によって生じる抄紙機のダウンタイムのコストを定量化します。
これらの現在のコストと自動化機器の設備投資を比較して、ROI のタイムラインを決定します。
アプローチ フロー システム: ブリッジングの準備と抄紙機
脱気と最終選別
アプローチ フロー システムは、ヘッドボックスの前の最後の安全装置です。脱気システムはストックから同伴空気を除去し、ピンホールを防ぎ、ワイヤーの排水を改善します。最終マシンのスクリーンは非常に低い一貫性で動作します。細かいスロット付きバスケットを使用して、土壇場での凝集、スケール、または破片を捕らえ、完全に均一な繊維懸濁液が抄紙機に到達することを保証します。
ファンポンプはアプローチフローシステムの心臓部です。マシンチェストからの濃厚なストックとワイヤーピットからの白水を混合し、最終的なヘッドボックスの濃度 (通常 0.5% ～ 1.0%) まで希釈します。ファンポンプは、絶対に最小限の脈動で動作する必要があります。ポンプインペラによって生成される圧力パルスは、最終シートの坪量の変動に直接変換されます。正確な流量制御を維持するには、千鳥配置の羽根を備えたポンプを選択し、可変周波数ドライブを使用して運転する必要があります。
アプローチフローにおける配管設計は重要です。繊維の引っ掛かりやスライムの蓄積を防ぐために、ステンレス鋼パイプの内側を磨く必要があります。パイプのルーティングでは、乱流を引き起こし、繊維が糸や綿状になる原因となる、急激な曲げや突然の膨張や収縮を避けなければなりません。アプローチ フロー システムのすべてのコンポーネントは流体力学的安定性を優先する必要があります。
結論
現在の精製装置固有のエネルギー消費を監査して、当面の節電の機会を特定します。
手動ベール処理を自動配線解除システムにアップグレードして、機器を保護し、オペレーターの安全性を向上させます。
インライン稠度センサーと濾水度センサーを設置して、閉ループ制御を可能にし、バッチのばらつきを減らします。
胸部の動揺と貯蔵能力を評価して、マシンの安定性を確保するために適切な緩衝が確保されていることを確認してください。
よくある質問
Q: 製紙工場での紙料調製の主な目的は何ですか?
A: 原料パルプまたは古紙を均一な繊維懸濁液に変えます。これには、最終的な紙グレードの特定の強度と形成要件を満たすために、繊維をスラッシング、洗浄、スクリーニング、および精製することが含まれます。
Q: 再生繊維には高濃度パルプ化が好まれるのはなぜですか?
A: 高濃度のパルプ化は、機械的な切断ではなく、繊維間の激しい摩擦に依存しています。これにより、繊維の長さが維持され、エネルギーの使用量が減り、プラスチックや粘着性の物質などの汚染物質がより小さく除去しにくい破片に分解されるのを防ぎます。
Q: 精錬するとどのように紙の強度が向上しますか?
A: 精製では、溝のある金属板の間に繊維を通過させます。この機械的作用により繊維壁がフィブリル化され、表面積を増加させる小さなマイクロヘアが生成されます。表面積の増加により、シート形成中に繊維間のより強力な水素結合が可能になります。
Q: マシンチェストの機能は何ですか?
A: マシンチェストは、アプローチフローシステムの前の最終混合および緩衝タンクとして機能します。これにより、高周波の濃度変動が抑制され、通常、抄紙機の 1.5 ～ 2 時間の稼働に十分な紙料が保持されます。
Q: アプローチフローシステムで脱気はなぜ必要ですか?
A: ストック内に混入した空気により、紙ウェブにピンホールが発生し、均一なシート形成が妨げられ、形成中の生地上の水の排出が著しく妨げられます。脱気は真空技術を使用してこの空気を除去します。
Q: 付箋とは何ですか?また、どのように剥がすのですか?
A: 付箋は再生紙に含まれる粘着性の汚染物質で、テープ、ラベル、綴じ具に由来します。これらは、細かいスロット付き圧力スクリーン、順方向および逆方向のクリーナー、および高温分散ユニットの組み合わせによって除去されます。
