CN112908423B - 一种降低ecf漂白过程aox排放量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低ECF漂白过程AOX排放量的方法，包括步骤：建立纸浆漂白单元各项质量指标的数学模型，包括纸浆漂后白度、特性粘度、卡伯值的数学计算模型及各漂白单元的AOX含量计算模型；建立纸浆漂白过程系统模型，包括纸浆终漂后的白度、特性粘度、卡伯值、漂后废水中AOX总排放量的系统模型；纸浆漂白过程系统优化模型，包括以AOX排放量最低的目标函数及满足纸浆漂后质量要求的约束条件；利用matlab优化工具箱中的最大最小化函数fminimax优化过程进行优化求解。本发明的方法能够在保证漂后纸浆质量的要求下，降低漂后废水中的AOX排放量，为纸浆漂白废水处理提供新的方法，提高纸浆漂白效益。

Description

一种降低ECF漂白过程AOX排放量的方法

技术领域

本发明涉及降低纸浆漂后废水中AOX含量技术领域，特别涉及通过建立数学优化模型；即建立以纸浆漂后质量指标为约束条件、纸浆漂后废水中AOX排放量最低为目标函数的优化模型，以降低ECF漂白过程AOX排放量的方法。

背景技术

造纸行业作为传统的制造行业经常与大量消耗淡水和产生含有有毒成分的废水联系在一起。漂白过程中产生的可吸附有机卤化物(AOX)可能含有300多种不同的氯化有机化合物，其中一些组分具有强致癌性，AOX中的大多数物质是亲脂性的，可以在生物体内积累，且难以降解。因此不少研究者提出通过改变漂白工艺的方式实现AOX的减排。

Parthasarathy V等人在实验室利用气相ClO₂进行脱木素实验，发现达到相同白度时，消耗的ClO₂量比液相的少，从而达到减少AOX生成量的目的。张海川等人通过对蔗渣浆的热水预处理(漂白工艺为D_HTEpD)，得到的D_HT处理的漂白废水中AOX的含量相比于D₀处理的纸浆减少了50％。Sharma A等人采用聚木糖酶和漆酶先后处理未漂浆，后续进行D₀EpD₁D₂漂白，实验证明，在达到相同的白度条件下，该方式漂后的废水中AOX的含量比常规D₀EpD₁D₂漂白降低了34％，但COD却升高了47％。GANGWAR AK通过木聚糖酶的预处理在保证纸浆白度的情况下，减少了氯消耗15％，同时滤液中AOX的含量降低了25％。有些工作者通过取消D₀E₁D₁E₂D₂工艺中D₀E₁之间的洗涤段数，同时增加漂白过程中的碱用量，实现了漂后废水中AOX减量65％。

上述研究人员通过改变漂白工艺或增加预处理的环节实现对AOX的减排，但上述方式需要改变原有的漂白设备，增加漂白的基建成本。在提倡工业智能制造的大背景下，利用以数学模型为推动力的智能优化技术，低成本、快速便捷的降低纸浆漂后废水中AOX含量是今后不可或缺的方法。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，本发明提供一种降低ECF漂白过程AOX排放量的方法，即是一种用于降低纸浆漂后废水中AOX排放量的建模优化方法，该方法能够在保证漂后纸浆质量的要求下，降低漂后废水中AOX排放量，为漂白废水处理提供新的方法，提高纸浆漂白效益。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种降低ECF漂白过程AOX排放量的方法，包括以下步骤：

S1.漂白过程单元建模：基于漂白实验结果，分别分析化学品用量、漂白温度、漂白时间和pH值与漂后纸浆的质量和AOX排放量之间的关系，采用SPSS统计软件对各漂段实验条件与纸浆质量指标和废水中AOX含量的关系进行拟合建立各漂段漂后纸浆质量指标计算模型及漂后废水中AOX含量计算模型；所述纸浆质量指标包括白度、黏度和kappa值；

S2.漂白过程系统建模：根据各漂段漂后纸浆质量指标计算模型及漂后废水中AOX含量计算模型之间的逻辑关系搭建纸浆漂白过程系统模型；

S3.系统模型验证：选择新的纸浆漂白条件，利用建立的纸浆漂白过程系统模型进行模拟计算，并与其对应条件下的实验值进行误差对比，确定纸浆漂白过程系统模型的精度；

S4.漂白过程系统优化模型：在纸浆漂白过程系统模型建立的基础上建立纸浆漂白过程系统优化模型，该纸浆漂白过程系统优化模型以AOX排放量最低为优化目标，以漂后纸浆质量指标为约束条件；

S5.优化求解：采用matlab优化工具箱中的最大最小化函数fminimax进行求解；利用纸浆漂白过程系统优化模型对纸浆漂白过程进行优化。

步骤S1中所述的各漂段漂后纸浆质量指标计算模型及漂后废水中AOX含量计算模型如式(1)-(16)所示：

式中y_b,0、y_v,0、y_k,0分别代表纸浆的初始白度、粘度和kappa值；y_b,D0、y_b,Ep、y_b,P、y_b,D1分别代表D₀、Ep、P、D₁段的漂后浆料的白度，单位为％ISO；y_v,D0、y_v,Ep、y_v,P、y_v,D1分别代表D₀、Ep、P、D₁段的漂后浆料的粘度，单位为mL/g；y_k,D0、y_k,Ep、y_k,P、y_k,D1分别代表D₀、Ep、P、D₁段的漂后浆料的kappa值，单位为mL/g；Δy_b，D0、Δy_b，Ep、Δy_b，P、Δy_b，D1分别代表D₀、Ep、P、D₁段的漂后浆料白度的增量，单位为％ISO；Δy_v，D0、Δy_v，Ep、Δy_v，P、Δy_v，D1分别代表D₀、Ep、P、D₁段的漂后浆料粘度的增量，单位为mL/g；Δy_k，D0、Δy_k，Ep、Δy_k，P、Δy_k，D1分别代表D₀、Ep、P、D₁段的漂后浆料kappa值的增量，单位为mL/g；x_D0，ClO2代表D₀段ClO₂的用量，单位为％；x_D0，t代表D₀段漂白时间，单位为min；x_D0，T代表D₀段漂白温度，单位为℃；x_D0，pH代表D₀段漂液的pH值；x_Ep,H2O2代表Ep段H₂O₂的用量，单位为％；x_Ep,t代表Ep段漂白时间，单位为min；x_Ep,T代表Ep段漂白温度，单位为℃；x_Ep,NaOH代表Ep段NaOH的用量，单位为％；x_P,H2O2代表P段H₂O₂的用量，单位为％；x_P,t代表P段漂白时间，单位为min；x_P,T代表P段漂白温度，单位为℃；x_P,NaOH代表P段NaOH的用量，％；x_D1，ClO2代表D₁段ClO₂的用量，单位为％；x_D1，t代表D₁段漂白时间，单位为min；x_D1，T代表D₁段漂白温度，单位为℃；x_D1，pH代表D₁段漂液的pH值；y_AOX,1、y_AOX,2、y_AOX,3、y_AOX,4分别代表D₀、Ep、P、D₁段漂后废水中AOX的含量，单位为mg/L。

步骤S2中所述的纸浆漂白过程系统模型如式(17)-(20)所示：

式中y_AOX,为废水混合后AOX的排放量，单位为kg/h；i为漂段序号，N为漂白的总段数，y_AOX,i为第i漂段的漂后废水中AOX的含量，单位为mg/L；V_i为第i漂段产生的漂后废水体积流量，单位为L/h；所述漂后废水体积流量V_i的计算公式如下所示：

式中d_p为风干浆的干度；c为漂白的浆浓；l_i为漂白实验的漂损，m_p为漂白纸浆产量单位为adt/h。

步骤S4中所述的纸浆漂白过程系统优化模型的目标函数及约束条件如式(22)-(24)所示：

此处F(x)为目标函数即漂后废水中AOX的排放量；

优化的前提是漂后纸浆的各项指标需满足质量要求且调节变量即漂白工艺条件需在合理的范围变化，约束条件见方程组(23)-(24)所示：

方程组中y_b,D1、y_v,D1、y_k,D1分别代表D₁段漂后纸浆的白度、粘度和kappa值，y_b,set、y_v,set、y_k,set分别代表优化时纸浆的白度、粘度和kappa值的设定值；x_min,ClO2、x_max,ClO2、x_min,NaOH、x_max,NaOH、x_min,H2O2、x_max,H2O2分别为漂白过程中ClO₂、NaOH、H₂O₂的最小、最大总用量。

本发明提供的一种降低ECF漂白过程AOX排放量的方法，即是一种用于降低纸浆漂后废水中AOX排放量的建模优化方法，该方法能够在保证漂后纸浆质量的要求下，降低漂后废水中的AOX排放量，避免了因改变漂白工艺或增加预处理的环节使纸浆漂白基建成本增加，为纸浆漂白废水处理提供了便利，提高了纸浆漂白效益。

附图说明

图1是整个漂白系统框图。

图2是本发明建立的纸浆质量指标的模型框图。

图3是本发明建立的漂后废水中AOX含量的模型框图。

图4是本发明建立的纸浆漂白过程系统模型框图。

图5是D₀段漂后纸浆白度与实验条件的关系。

图6是D₀段实验条件与漂后废水中AOX含量的关系。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施例不限于此。

如图1所示，本发明实施例以D₀EpPD₁典型ECF漂白流程为例，本发明所述的一种降低ECF漂白过程AOX排放量的方法即是一种用于降低纸浆漂白废水中AOX排放量的建模优化方法，包括纸浆漂白过程各漂白单元漂后纸浆质量指标的数学模型及各漂段漂后废水中AOX含量的数学模型；根据各典型漂白单元各项数学模型之间的逻辑关系搭建纸浆漂白过程的系统模型；在纸浆漂白过程系统模型对漂白过程模拟分析的基础上，建立纸浆漂白过程系统优化模型，实现对纸浆漂白过程的优化，从而降低漂后废水中AOX排放量。具体包含以下步骤：

S1.漂白过程单元建模：基于漂白实验结果，分别分析化学品用量、漂白温度、漂白时间和pH值与漂后纸浆的质量(白度、粘度和kappa值)和AOX排放量之间的关系，如图5-6所示(以D₀段漂白单元为例)，采用SPSS统计软件对各漂段实验条件与纸浆质量指标(白度、粘度和kappa值)和漂后废水中AOX含量的关系进行拟合，建立各漂段漂后纸浆质量指标计算模型及漂后废水中AOX含量计算模型，如式(1)-(16)所示：

公式(1)-(4)表示了各漂段的系统输入量与纸浆白度之间的关系，公式(5)-(8)表示了各漂段的系统输入量与纸浆粘度之间的关系，公式(9)-(12)表示了各漂段的系统输入量与纸浆kappa值之间的关系，(13)-(16)表示了各漂段的系统输入量与漂后废水中AOX含量之间的关系。

公式中y_b,0、y_v,0、y_k,0分别代表纸浆的初始白度、粘度和kappa值；y_b,D0、y_b,Ep、y_b,P、y_b,D1分别代表D₀、Ep、P、D₁段的漂后浆料的白度，单位为％ISO；y_v,D0、y_v,Ep、y_v,P、y_v,D1分别代表D₀、Ep、P、D₁段的漂后浆料的粘度，单位为mL/g；y_k,D0、y_k,Ep、y_k,P、y_k,D1分别代表D₀、Ep、P、D₁段的漂后浆料的kappa值，单位为mL/g；Δy_b，D0、Δy_b，Ep、Δy_b，P、Δy_b，D1分别代表D₀、Ep、P、D₁段的漂后浆料白度的增量，单位为％ISO；Δy_v，D0、Δy_v，Ep、Δy_v，P、Δy_v，D1分别代表D₀、Ep、P、D₁段的漂后浆料粘度的增量，单位为mL/g；Δy_k，D0、Δy_k，Ep、Δy_k，P、Δy_k，D1分别代表D₀、Ep、P、D₁段的漂后浆料kappa值的增量，单位为mL/g；x_D0，ClO2代表D₀段ClO₂的用量，单位为％；x_D0，t代表D₀段漂白时间，单位为min；x_D0，T代表D₀段漂白温度，单位为℃；x_D0，pH代表D₀段漂液的pH值；x_Ep,H2O2代表Ep段H₂O₂的用量，单位为％；x_Ep,t代表Ep段漂白时间，单位为min；x_Ep,T代表Ep段漂白温度，单位为℃；x_Ep,NaOH代表Ep段NaOH的用量，单位为％；x_P,H2O2代表P段H₂O₂的用量，单位为％；x_P,t代表P段漂白时间，单位为min；x_P,T代表P段漂白温度，单位为℃；x_P,NaOH代表P段NaOH的用量，％；x_D1，ClO2代表D₁段ClO₂的用量，单位为％；x_D1，t代表D₁段漂白时间，单位为min；x_D1，T代表D₁段漂白温度，单位为℃；x_D1，pH代表D₁段漂液的pH值；y_AOX,1、y_AOX,2、y_AOX,3、y_AOX,4分别代表D₀、Ep、P、D₁段漂后废水中AOX的含量，单位为mg/L。

S2.漂白过程系统建模：根据各漂段漂后纸浆质量指标计算模型及漂后废水中AOX含量计算模型之间的逻辑关系搭建纸浆漂白过程系统模型。由于建立数学模型的需要，将纸浆漂白过程进行合理的假设，假设如下所示：

假设漂白过程中各段产生的AOX被完全排入到废水处理管道中，忽略在同一实验条件下因机器运行产生的生产误差，则漂白过程系统模型图可用图4进行简略表示。根据图4可知，未漂浆经过各漂白段后，纸浆进入下一漂段，废水进入废水处理管道后排入废水处理部门。从图中可以看出整个系统的输入包括未漂浆的初始状态(白度、粘度、kappa值)以及各漂段的实验条件(化学品用量、漂白温度、漂白时间、漂液的pH值)，系统输出为漂后纸浆质量表示值(白度、粘度、kappa值)以及AOX的排放量。

纸浆漂白过程系统模型各数学表达式如式(17)-(20)所示：

AOX的产生受漂白条件(化学品用量、漂白温度、漂白时间及漂液的pH值)的影响，在实际的生产过程中，各漂段产生的废水在同一排水管道混合后送至污水处理部门，混合后的废水中AOX的排放量如公式(20)所示：

式中y_AOX,为废水混合后AOX的排放量，单位为kg/h；i为漂段序号，N为漂白的总段数，y_AOX,i为第i漂段的漂后废水中AOX的含量，单位为mg/L；V_i为第i漂段产生的漂后废水体积流量，单位为L/h。而废水体积流量V_i的计算公式如下所示：

式中d_p为风干浆的干度；c为漂白的浆浓；l_i为漂白实验的漂损，m_p为漂白纸浆产量单位为adt/h。

基于纸浆漂白的工艺流程，根据上述的纸浆质量(白度、粘度、kappa值)及漂后废水中AOX含量的计算模型，得到如图4所示的纸浆漂白过程系统模型。

S3.系统模型验证：通过随机设定多组实验条件，利用上述建立的纸浆漂白过程系统模型计算该实验条件下纸浆质量和废水中AOX的含量，同时与实验结果进行对比，得到系统模型的计算值与实验值的相对误差，确定模型的精度。

S4.漂白过程系统优化模型：在纸浆漂白过程系统模型建立的基础上建立纸浆漂白过程优化模型，利用建立的纸浆漂白过程优化模型对纸浆漂白过程进行优化，该优化模型以AOX排放量最低为目标，以漂后纸浆质量指标为约束条件，目标函数如式(22)所示；

式中F(x)为目标函数即漂后废水中AOX的排放量。

优化的前提是漂后纸浆的各项指标需满足质量要求且调节变量(漂白工艺条件)需在合理的范围变化，约束条件见方程组(23)、(24)所示：

方程组中y_b,D1、y_v,D1、y_k,D1分别代表D₁段漂后纸浆的白度、粘度和kappa值，y_b,set、y_v,set、y_k,set分别代表优化时纸浆的白度、粘度和kappa值的设定值；x_min,ClO2、x_max,ClO2、x_min,NaOH、x_max,NaOH、x_min,H2O2、x_max,H2O2分别为漂白过程中ClO₂、NaOH、H₂O₂的最小、最大总用量。

S5、优化求解：上述的优化模型其目标函数为漂后废水AOX的排放量，约束条件为漂后纸浆的质量(白度、粘度、kappa值)以及各化学品的总添加量，该模型的自由度为16。上述优化模型中目标函数只有漂后废水AOX的排放量，故该优化模型的类型是单目标非线性优化问题，采用matlab优化工具箱中的最大最小化函数fminimax进行求解。利用纸浆漂白过程系统优化模型对纸浆漂白过程进行优化，优化结果如表1所示，从表1中的优化结果可知，可采用漂白前期尽可能多地降低AOX的含量，后期大幅提升纸浆质量这一优化策略。

为了更加直观的将优化前后的AOX排放量与工业生产联系起来，在表1中将AOX的含量换算为AOX的排放量(漂白浆的产量为100adt/h，风干浆的干度为90％)，单位为kg/h。

根据表1中优化前的漂白条件对纸浆进行漂白；其次根据建立的纸浆漂白过程系统优化模型对纸浆漂白过程进行优化，得出优化后的漂白条件如表1所示，根据优化后得出的纸浆漂白条件对纸浆漂白过程进行漂白；优化前后纸浆漂后各项质量指标及漂后废水中AOX含量如表1中所示。纸浆漂后各项质量指标的测量方法参考石淑兰等主编的《制浆造纸分析与检测》一书；AOX含量的测量方法采用电导滴定方法。

表1优化前后的实验条件及结果

Claims (4)

1.一种降低ECF漂白过程AOX排放量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.漂白过程单元建模：基于漂白实验结果，分别分析化学品用量、漂白温度、漂白时间和pH值与漂后纸浆的质量和AOX排放量之间的关系，采用SPSS统计软件对各漂段实验条件与纸浆质量指标和废水中AOX含量的关系进行拟合建立各漂段漂后纸浆质量指标计算模型及漂后废水中AOX含量计算模型；所述纸浆质量指标包括白度、黏度和kappa值；

S2.漂白过程系统建模：根据各漂段漂后纸浆质量指标计算模型及漂后废水中AOX含量计算模型之间的逻辑关系搭建纸浆漂白过程系统模型；

S3.系统模型验证：选择新的纸浆漂白条件，利用建立的纸浆漂白过程系统模型进行模拟计算，并与其对应条件下的实验值进行误差对比，确定纸浆漂白过程系统模型的精度；

S4.漂白过程系统优化模型：在纸浆漂白过程系统模型建立的基础上建立纸浆漂白过程系统优化模型，该纸浆漂白过程系统优化模型以AOX排放量最低为优化目标，以漂后纸浆质量指标为约束条件；

S5.优化求解：采用matlab优化工具箱中的最大最小化函数fminimax进行求解；利用纸浆漂白过程系统优化模型对纸浆漂白过程进行优化。

2.根据权利要求1所述的一种降低ECF漂白过程AOX排放量的方法，其特征在于：步骤S1中所述的各漂段漂后纸浆质量指标计算模型及漂后废水中AOX含量计算模型如式(1)-(16)所示：

式中y_b,0、y_v,0、y_k,0分别代表纸浆的初始白度、粘度和kappa值；y_b,D0、y_b,Ep、y_b,P、y_b,D1分别代表D₀、Ep、P、D₁段的漂后浆料的白度，单位为％ISO；y_v,D0、y_v,Ep、y_v,P、y_v,D1分别代表D₀、Ep、P、D₁段的漂后浆料的粘度，单位为mL/g；y_k,D0、y_k,Ep、y_k,P、y_k,D1分别代表D₀、Ep、P、D₁段的漂后浆料的kappa值，单位为mL/g；Δy_b，D0、Δy_b，Ep、Δy_b，P、Δy_b，D1分别代表D₀、Ep、P、D₁段的漂后浆料白度的增量，单位为％ISO；Δy_v，D0、Δy_v，Ep、Δy_v，P、Δy_v，D1分别代表D₀、Ep、P、D₁段的漂后浆料粘度的增量，单位为mL/g；Δy_k，D0、Δy_k，Ep、Δy_k，P、Δy_k，D1分别代表D₀、Ep、P、D₁段的漂后浆料kappa值的增量，单位为mL/g；x_D0，ClO2代表D₀段ClO₂的用量，单位为％；x_D0，t代表D₀段漂白时间，单位为min；x_D0，T代表D₀段漂白温度，单位为℃；x_D0，pH代表D₀段漂液的pH值；x_Ep,H2O2代表Ep段H₂O₂的用量，单位为％；x_Ep,t代表Ep段漂白时间，单位为min；x_Ep,T代表Ep段漂白温度，单位为℃；x_Ep,NaOH代表Ep段NaOH的用量，单位为％；x_P,H2O2代表P段H₂O₂的用量，单位为％；x_P,t代表P段漂白时间，单位为min；x_P,T代表P段漂白温度，单位为℃；x_P,NaOH代表P段NaOH的用量，单位为％；x_D1，ClO2代表D₁段ClO₂的用量，单位为％；x_D1，t代表D₁段漂白时间，单位为min；x_D1，T代表D₁段漂白温度，单位为℃；x_D1，pH代表D₁段漂液的pH值；y_AOX,1、y_AOX,2、y_AOX,3、y_AOX,4分别代表D₀、Ep、P、D₁段漂后废水中AOX的含量，单位为mg/L。

3.根据权利要求2所述的一种降低ECF漂白过程AOX排放量的方法，其特征在于：步骤S2中所述的纸浆漂白过程系统模型如式(17)-(20)所示：

式中y_AOX,为废水混合后AOX的排放量，单位为kg/h；i为漂段序号，N为漂白的总段数，y_AOX,i为第i漂段的漂后废水中AOX的含量，单位为mg/L；V_i为第i漂段产生的漂后废水体积流量，单位为L/h；所述漂后废水体积流量V_i的计算公式如下所示：

式中d_p为风干浆的干度；c为漂白的浆浓；l_i为漂白实验的漂损，m_p为漂白纸浆产量。

4.根据权利要求3所述的一种降低ECF漂白过程AOX排放量的方法，其特征在于：步骤S4中所述的纸浆漂白过程系统优化模型的目标函数及约束条件如式(22)-(24)所示：

F(x)为目标函数即漂后废水中AOX的排放量；

优化的前提是漂后纸浆的各项指标需满足质量要求且调节变量即漂白工艺条件需在合理的范围变化，约束条件见方程组(23)-(24)所示：

方程组中y_b,D1、y_v,D1、y_k,D1分别代表D₁段漂后纸浆的白度、粘度和kappa值，y_b,set、y_v,set、y_k,set分别代表优化时纸浆的白度、粘度和kappa值的设定值；x_min,ClO2、x_max,ClO2、x_min,NaOH、x_max,NaOH、x_min,H2O2、x_max,H2O2分别为漂白过程中ClO₂、NaOH、H₂O₂的最小、最大总用量。

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