На каждом целлюлозно-бумажном комбинате есть огромные варочные котлы — они работают непрерывно, перерабатывая древесную щепу в волокно для бумаги и картона. Но у этой бесперебойной работы есть опасный враг — минеральные отложения, которые называют накипью. Она появляется на внутренних стенках оборудования, на нагревателях и в трубах, словно толстый слой камня. Со временем этот слой мешает нагреву, сужает проходы, создаёт перепады давления и может полностью остановить производство. А любой вынужденный простой — это огромные убытки, ведь современные установки перерабатывают больше тысячи тонн сырья в сутки.
Учёные Северного (Арктического) федерального университета решили разобраться, из чего именно состоит эта напасть и как с ней бороться. Они взяли пробы отложений на двух реальных производствах, изучили их под микроскопом, с помощью инфракрасных спектров и химического анализа и установили главного виновника — это карбонат кальция, тот самый знакомый всем мел или известняк. Его доля в отложениях достигает 94%. Когда в варочном растворе встречаются кальций и карбонат-ионы, они соединяются и кристаллизуются, образуя твёрдую корку. Интересно, что основная масса кальция поступает вовсе не из воды, а из самой древесной щепы — до 1,6 килограмма на каждую тонну абсолютно сухого волокна. Казалось бы, с этим ничего не поделать, но учёные нашли способы снизить риск образования камня.
Ключевой управляемый фактор — это качество так называемого белого щёлока, раствора, который подаётся для варки. Именно с ним в котёл попадает карбонат-ион. Уровень карбоната натрия в этом растворе может колебаться в разы — от 11 до почти 40 граммов на литр в зависимости от эффективности стадии каустизации, где химикаты восстанавливают для повторного использования. Проще говоря, чем лучше работает этот процесс, тем меньше карбонатов поступает в котёл и тем чище остаются его стенки. Специалисты подсчитали, что за час с белым щёлоком в оборудование может попадать от 2 до почти 5 тонн карбоната натрия, поэтому стабилизация этого показателя — одна из главных технологических задач.
Кроме того, выяснилось, что в раствор возвращается кальций и с так называемым слабым чёрным щёлоком — жидкостью, которую используют для поддержания нужного уровня жидкости в котле. Его состав зависит от жёсткости свежей воды, которая поступает на промывку целлюлозы. Учёные проследили, что содержание кальция в этом потоке меняется в течение года вслед за сезонными колебаниями жёсткости воды, и это тоже влияет на образование отложений. Так, например, летом и зимой показатели могут заметно отличаться, что позволяет точнее настраивать дозировки защитных реагентов.
Сегодня основной способ борьбы с накипью — это специальные вещества-ингибиторы, которые добавляют в малых дозах. Они либо тормозят зарождение кристаллов, либо не дают им слипаться, либо изменяют их структуру так, что они становятся рыхлыми и легко смываются. Но эти препараты дороги, и их перерасход бьёт по экономике. Поэтому главный вывод исследования — прежде чем выбирать ингибитор и его дозу, нужно точно знать, что именно и в каких количествах поступает в систему. А поскольку регулировать химический состав самой древесины невозможно, всю борьбу надо перенести на два управляемых этапа: тщательную подготовку технической воды и строгий контроль за качеством белого щёлока на стадии его регенерации. Такой подход позволит не только продлить срок службы оборудования и избежать аварийных остановок, но и снизить затраты на дорогостоящую химию, делая производство более устойчивым и экономичным.
Исследование опубликовано в «Известия высших учебных заведений. Лесной журнал»
Изображение на обложке: разработано Magnific
