Khép kín vòng tuần hoàn nước và yêu cầu chất lượng nước trong ngành giấy

Phần 1. Vấn đề mùi, ăn mòn, cặn bám trong ngành công nghiệp giấy.

Khi tối ưu hóa hệ thống cấp nước, tăng hiệu quả sử dung nước, việc đánh giá đúng yêu cầu chất lượng nước là điều kiện tối quan trọng.

Trong ngành giấy, vấn đề liên quan tới nước là mùi và ăn mòn ( do vi sinh), và cặn bám.

Vi sinh là yếu tố gây mùi chủ yếu ở máy giấy. Những điều kiện ảnh hưởng tới sự phát triển màng vi sinh bao gồm nhiệt độ , pH, hàm lượng Õi, chất dinh dưỡng (COD, tổng hàm lượng N, P)

Ăn mòn là vấn đề lớn ở các thiết bị phần ướt. Những yếu tố ảnh hưởng là vật liệu làm thiết bị, điều kiện nhiệt độ , hóa chất, chất lượng sơ sợi v.v. Có nhiều cơ chế ăn mòn. Một trong những nguyên nhân chính là ăn mòn vi sinh.

Cặn bám là vấn đề quan trong trong công nghiệp bột và giấy. Chúng xuất hiện ở nhiều chi tiết như, ống, bơm v.v Dạng căn bám thường xảy ra nhất là cặn Canxi. Khả năng bám cặn Canxi carbonate có thể được đánh giá bởi hệ số “Langelier bão hòa”

Những vị trí tiêu thụ nước chính tại máy giấy là :

Vòi phun rửa và bôi trơn ( cho lưới và mền)
Nước làm kín cho bơm chân không vòng nước.
Nước làm kín trục cho bơm, cánh khuấy.
Nước cho chuẩn bị và pha loãng hóa chất, chất độn, coating
Nước vệ sinh máy

Nước tại máy giấy thường được chia ra ba vòng tuần hoàn nước chính. Vòng tuần hoàn chính gồm một lượng nước rất lớn được tuần hoàn từ lưới tới thùng đầu để pha loãng sơ sợi tới nồng độ 1 %. Lượng nước dư từ vòng tuần hoàn chính đưa tới vòng tuần hoàn thứ 2 được sử dụng trực tiếp cho các điểm điều khiển nồng độ hoặc các vòi phun rửa. Lượng nước dư được sử dụng để chuẩn bị bột hoặc đi ra bộ phận xử lý nước thải. Trong vòng tuần hoàn thứ tư. Nước sau khi đã sử lý vi sinh được đưa lại máy giấy hoặc bộ phận chuẩn bị bột.

Những yêu cầu khắt khe về môi trường, thiếu hụt nguồn nước cấp đã tạo ra xu hướng giảm thiểu nước sử dụng trong ngành giấy. Hơn nữa việc tuần hoàn nước còn có lợi ích kinh tế như tiết kiệm nguyên liệu, năng lượng . Ngoài những lợi ích, việc tuần hoàn nước dẫn tới những vấn đề sau:

Tăng hàm lượng chất rắn.
Tăng các chất keo cũng như các chất hòa tan.
Tăng nhiệt độ nước.

Việc tăng hàm lượng tạp chất COD, hàm lượng muối ảnh hưởng đến quá trình sản xuất cũng như chất lượng giấy. như cặn bám thiết bị, sử dụng không hiệu quả các hóa chất mất sản lượng do thời gian ngưng máy. Tăng chi phí, giảm chất lượng sản phẩm như gây bẩn, giảm độ ổn định chất lượng theo chiều ngang do deposit. Deposit trên đường ống, thành thiết bị có thể là vô cơ, hưu cơ, ví sinh hoặc tổng hợp.

Lợi ích và trở ngại khi khép kín vòng tuần hoàn nước

Lợi ích	Cản trở
Tăng hàm lượng chất rắn lơ lửng
Giảm mất mát sơ sợi	Tắc đường ống, vòi phun rửa Đốm bẩn trên giấy Deposit Tuổi thọ mền lưới giảm
Tăng hàm lượng chất rắn hòa tan
	Cặn bám, Deposite Tăng hoạt động vi sinh Ăn mòn Màu, mùi Biến động phần ướt
Tăng nhiệt độ nước
Tăng độ thoát nước trên lưới. Tiết kiệm năng lượng	Khó gia keo Giảm hiệu quả bơm chân không. Tăng hoặc thay đổi hoạt động vi sinh

a/ Vấn đề mùi khi khép kín vòng tuần hoàn nước.

Vi sinh là nguyên nhân chủ yếu gây mùi trong ngành công nghiệp giấy. Hiện tượng thường thấy là sự tạo thành các bùn nhớt. Khép kín Vòng tuần hoàn nước tạo môi trường phát triển tốt cho vi sinh như pH, nhiệt độ, chất dinh dưỡng. Do các điều kiện quá trình khác nhau, nguồn nước, chất phụ gia, cấu thành visinh cũng rất khác nhau. Thông thường nồng độ vi sinh trong khoảng 104 – 108 vi sinh/ml. Visinh hiếu khí thường có mặt trong nước công nghệ. Vi sinh kỵ khí như Clostridium tạo lên men của acid béo tạo ra mùi khó chịu. Vi khuẩn khử Sulphate thường sinh ra H2S. Vi khuẩn dạng bào tử (Bacillus Clostridium ) thường khó loại bỏ khỏi hệ thống.

Nguồn vi sinh chủ yếu phát sinh từ tinh bột và nước công nghệ. Nấm cũng thường có trong nước. Tuy chúng không tạo ra bùn nhớt nhưng những loại chất hữu cơ khác nhau có thể bị giữ lại trong cấu trúc của nó và tạo ra deposit. Yeasts có thể lên men tinh bột, tảo có trong nước, chúng làm tăng lượng dinh dưỡng cho vi sinh và để lại vết xanh trên thiết bị và giấy.

Việc xách định rõ chủng vi sinh là quan trong để có biện pháp xử lý trong từng trường hợp cụ thể.

Vi khuẩn kỵ khí thường dẫn tời việc gây mùi. Nhiều nhà máy đã bị thiệt hại kinh tế do trong sản phẩm của họ có mùi mặc dù chưa có liên hệ giữa mùi và độc tính.

Với nhiều phương pháp vật lý, độ dày của màng vi sinh và tốc độ tăng trưởng được đo đạc. Một vài hệ thống có thể xác định bản chất của vi sinh và nồng độ của nó. Từ đó có thể xác định liều lượng hóa chất chống vi sinh tối ưu nhằm giảm thiểu thời gian ngưng máy và lỗi sản phẩm.

Hàm lượng chất hữu cơ ( thể hiện bằng chỉ tiêu COD hoặc TOD) rất quan trọng cho việc tạo thành màng vi sinh. Chất lượng nguyên liệu, mức độ khép kín vòng tuần hoàn nước, nhiệt độ v.v ảnh hưởng nhiều đến sự phát triển của vi sinh. Nhiệt độ phát triển của vi sinh trong khoảng 35 °C và 50 °C. Giảm nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến tốc độ thoát nước. Tăng nhiệt độ dẫn tới ảnh hưởng hiệu quả của các chất phụ gia, an toàn vận hành. Vệ sinh boilout hệ thống thường giảm hiệu quả kinh tế của máy giấy do thời gian ngưng máy kéo dài. Vệ giữ vệ sinh nhà xưởng là một biện pháp tốt giảm sự tạo thành và phát triển của màng vi sinh.

b/ Vấn đề ăn mòn

Chất lượng sơ sợi, nhiệt độ nước, nồng độ hóa chất, vật liệu chế tạo thiết bị là những yếu tố ảnh hưởng đến sự ăn mòn thiết bị. Ăn mòn gây nứt gẫy, hỏng thiết bị, gây nên giảm sản lượng và các vấn đề an toàn. Các chất rắn hòa tan hữu cơ và vô cơ ảnh hưởng mạnh tới ăn mòn. Những phần thường gặp là chlorides, sulphates, hợp chất lưu huỳnh, acid hữu cơ, carbonates. Nhiệt độ cao làm trầm trọng thêm hoạt động ăn mòn cục bộ và hòa tan kim loại.

Những ăn mòn hóa học chủ yếu do sulphate and chloride. Nguồn Sulphate thường do việc sử dụng acid để điều chỉnh pH, các chất bảo lưu, sodium bisulphite, Chlorine trong tẩy trắng, PAC trong xử lý nước. Ăn mòn gây bởi chloride và thiosulphate ions là vấn đề phổ biến tại phần ướt của máy giấy. Thiosulphate có từ hydrosolphite (dithionate) được sử dụng trong tẩy trắng bột cơ.

Máy giấy thường được chế tạo bằng thép các bon và thép không rỉ. Tuy nhiên thép không rỉ có xu hướng được sử dụng ngày càng nhiều. Thép không rỉ cũng có vấn đề ăn mòn riêng của chúng. Việc lựa chọn đúng vật liệu và phương pháp hàn là vấn đề được quan tâm trong công nghiệp giấy. Yêu cầu vật liệu cho những thiết bị khác nhau hoặc quá trình khác nhau đã được nêu rõ.

Ví dụ về độ chịu ăn mòn của vật liệu chống lại chloride khi tiếp xúc với nước được nêu trong bảng

Áp dụng	Chloride ở 25⁰C ( mg/l)	Chloride ở 70⁰C ( mg/l)	Loại thép
Nước uống, nước công nghiệp	100	50	304 (1.4301), 321 (1.4541)
Nước uống, nước công nghiệp	400	200	316Ti (1.4571) 316 (1.4401)
Nước làm mát, Nước công nghệ, nước khoáng	1000	500	316L (1.4435) 316 (1.4436)
Nước biển	20000	5000	F48 (1.4439) 904L (1.4539)
Nước hóa chất	25000	10000	1.4566, 1.4562

Thiết kế thiết bị trong ngành công nghiệp bột giấy bao gồm cả phần lựa chọn vật liệu phù hợp kết hợp với hóa chất của quá trình. Thép cácbon hợp kim thấp là vật liệu thường được chọn lựa khi vấn đề ăn mòn không nghiêm trọng. Tuy nhiên cho nhiều quá trình, thép hợp kim, thậm chí hợp kim nicken hoặc hợp kim titan được lựa chọn để hoạt động tốt hơn trong môi trường ăn mòn. Có nhiều cấp độ thép không gỉ. Giá thành của chúng phụ thuộc vào tỷ lệ hợp kim chính(Cr, Ni, Mo, etc.). Thông thường thép không gỉ đắt hơn thép các bon

Ở những nơi nước không lưu thông, nồng độ hóa chất tăng lên làm trầm trọng vấn đề ăn mòn. Bằng cách thiết kế thiết bị sao cho các chi tiết dễ được kiểm tra, tiếp cận, vấn đề nước không lưu thông dễ dàng được giải quyết.

Dòng chất lỏng chảy chậm chứa cặn rắn thường tạo lớp cặn bám ở đáy ống hoặc bể, ăn mòn có thể hình thành. Nếu thiết bị được thiếp kế có dòng chảy nhanh hoặc xáo trộn, cặn đáy có thể được kiểm soát. Hơn nữa kế hoạch vệ sinh đều đặn vào bảo dưỡng thiết bị tốt có thể hạn chế tích tụ sơ sợi, cặn rắn. Giảm thiểu vấn đề ăn mòn

Thiết kế công nghệ và các phương pháp chống ăn mòn.

Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào thành phần hóa học của từng giai đoạn trong quá trình. Nó phụ thuộc vào bản chất quá trình, độ khép kín chu trình nước. Loại giấy sản xuất, tốc độ quá trình. Nhìn chúng tốc độ ăn mòn tăng khi nhiệt độ tăng, pH giảm, hàm lượng chất rắn, nồng độ các hợp chất chloride và sulphur tăng. Bởi vậy việc kiểm soát tốt các thông số trên ăn mòn sẽ hạn chế được vấn đề ăn mòn.

Trong một vài trường hợp, các chất ức chế ăn mòn có thể được bổ sung để giảm bớt ăn mòn. Việc kiểm tra, đo lường liên tục là cần thiết và lượng hóa chất chống ăn mòn cần được bổ sung chính xác. Đánh giá tốc độ ăn mòn và kiểm tra bảo dưỡng thiết bị liên tục là rất cần thiết để kiểm soát ăn mòn, kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Đánh giá tốc độ ăn mòn , Phương pháp tấm bị ăn mòn giảm khối lượng

Tấm bị ăn mòn giảm khối lượng thường được sử dụng để đo lường tốc độ ăn mòn trong phân xường giấy. Kỹ thuật này tương đối rẻ, dễ sử dụng. Phương pháp sử dụng một tấm nhỏ kim loại đã biết khối lượng, để trong môi trường cần nghiên cứu trong một thời gian và cân lại ( các cặn bám đã được rửa sạch) . Tốc độ ăn mòn có thể được tính toán.

Nếu tốc độ ăn mòn cao, các biện pháp chống ăn mòn cần được áp dụng để kéo dài tuổi thọ thiết bị.Các biện pháp kết hợp như bổ sung chất ức chế ăn mòn, thay đổi quá trình, sơn phủ chống ăn mòn hoặc thiết lập hệ thống bảo vệ cathodic

c/ Vấn đề cặn bám

Sự tích tụ cặn bám là một hiện tượng xảy ra trong tất cả các quá trình sản xuất bột giấy. Tổng hợp các loại hóa chất khác nhau dẫn tới cặn bán trong thiết bị. Cặn bám dẫn tới những vấn đề vận hành như bám dính trên thiết bị, sử dụng hóa chất không hiệu quả. Tăng chi phí, giảm sản lượng do ngưng máy, giảm hiểu quả truyền nhiệt trong lò hơi, máy phát điện, thiết bi chưng bốc v.v. Cặn bám thường có nguồn gốc từ nguyên liệu (gỗ, nguyên liệu thu hồi, hóa chất dư từ công đoạn tẩy ( silicat), phèn, tinh bột, các chất ổn định, nước cứng v.v: Các loại cặn bám thường gặp là Aluminium hydroxides, aluminium phosphatesm, Aluminosilicates, Barium sulphate, Calcium carbonate, Calcium oxalate , Calcium sulphate, Calcium silicate,

Thay thế phèn bằng PAC có thể giảm những cặn bám có nguồn gốc từ nhôm tuy nhiên vấn đề ăn mòn do hợp chất chloride lại tăng lên. Biện pháp khác để hạn chế cặn bám từ nhôm là tránh pH cao, thời gian lưu hóa chất dài hoặc nhiệt độ cao. Các chất càng hóa (Chelates ) có thể được sử dụng để thụ động hóa ion kim lại tự do có thể gây ra cặn. Chất ức chế ngăn cản sự phát triển của tinh thể. Các chất ức chế có thể giữ cặp ion ở dạng hòa tan , Ví dụ

polyphosphates cản trở việc tạo thành calcium carbonate. Trong trường hợp sự tạo thành tinh thể không thể tránh khỏi, các chất phân tán được sử dụng để tránh tinh thể bám trên thiết bị. Anionic polymers như là sodium polyacrylate làm tăng điện tích âm của hạt lơ lửng cũng như tạo rào chắn vì vậy cản trở sự tạo thành deposit.

Một biện pháp để hạn chế cặn bám gây ra bởi chất độn là sử dụng hiệu quả chất trợ bảo lưu để giảm hàm lượng của chúng trong nước trắng.

Cặn bám nguồn gốc Calcium là vấn đề lớn do việc sử dụng Calcium cacbonat làm chất độn tăng lên dẫn tới nồng đồ calci tăng lên trong nước trắng. Hệ số bão hòa Langelier (Langelier saturation index , LSI) là một thong số xác đinh khả năng gây cặn bám calcium carbonate trong nước công nghệ của ngành giấy. Ở máy giấy sản xuất giấy bao gói từ sơ sợi thu hồi, khi hệ số LSI cao hơn 0,5. Deposit của calci carbonate sẽ xuất hiện.

Biên pháp để kiểm soát cặn bám canci có thể bao gồm biện pháp công nghệ hoặc biện pháp hạn chế. Biện pháp hạn chế thường đắt hơn biện pháp công nghệ

Biện pháp công nghệ bao gồm:

Kiểm soát pH trong khoảng 7 để giảm deposit calcium carbonate
Phân rã COD bị ảnh hưởng bởi pH (hoạt độngvi sinh );
Sử dụng chất ức chế tác động lên tính hòa tan của dung dịch
Khép kín vòng tuần hoàn nước có thể tăng pH

Biện pháp hạn chế bao gồm:

Kết tủa calcium carbonate bằng các biện pháp hóa học và phân tách ( chi phí cao)
Màng loc Nano có thể tách các ion hóa trị 2 như calcium
Bùn vôi có thể được tách bằng hydrocylones
Chưng cất
Xử lý cơ học với nước áp suất cao

Một nghiên cứu thực tế ở một số nhà máy cho kết quả như sau: Máy giấy A có deposite ở vòi rửa , ống, bơm chân không. Máy giấy B có hiện tương tương tự, nồng độ canci trong nước trắng 620 -900 mg/l ( gấp đôi máy giấy A). Tuy nhiên do pH thấp ( 5.8-6.6 ) nên khả năng bám cặn canci ít hơn. Máy giấy C không có vấn đề bám cặn. Hệ số LSI thấp.