EP0445321A1

EP0445321A1 - Verfahren zur Herstellung von Zellstoff in einem kontinuierlichen Kocher

Info

Publication number: EP0445321A1
Application number: EP90104231A
Authority: EP
Inventors: Herbert Dr. Ing. Furumoto
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1990-03-05
Filing date: 1990-03-05
Publication date: 1991-09-11
Anticipated expiration: 2010-03-05
Also published as: DE59005944D1; ATE106477T1; EP0445321B1

Abstract

Eine gewünschte zellstoffqualität wird mit Hilfe einer Qualitätsmaßzahl (Q) vorgegeben. Als Qualitätsmaßzahl eignet sich u.a. die Ausbeute (Y) oder die Ligninrestkonzentration (Kappa-Zahl) im Zellstoff. Ein Prozeßmodell (M) bestimmt die zum Vorgabewert der Qualitätsmaß-Zahl (Q<*>) gehörige Kochtemperatur (T<*>) als Hauptsteuergröße. Dabei werden die aktuellen Werte der Chemikalienkonzentration (C), des Kocherfüllgrades (L), der Produktionsmenge (n) und technologieabhängige Prozeßkonstanten (a,k,E) berücksichtigt. Zur Anpassung des Prozeßmodelles an veränderte Betriebsbedingungen des Zellstoffkochers kann eine Adaption des Prozeßmodelles vorgesehen sein. Hierzu wird zumindest eine der Prozeßkonstanten (k) neu ermittelt. Der Istwert der als Qualitätsmaß-Zahl dienenden Ausbeute (Y) wird bevorzugt zumindest unter Zuhilfenahme einer Ablaugeanalyse nachgebildet. Als weitere Größen können insbesondere der Hydromodul (Xa) bzw. die Drehzahl der Holz-Zuführmittel (n1,n2,n3) zur Nachbildung verwendet werden. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zellstoffherstellung durch kontinuierliche Kochung von Holz.
Im Gegensatz zur diskontinuierlichen Kochung von Holz in fest geschlossenen Kochern wird bei der kontinuierlichen Zellstoffherstellung ununterbrochen feuchte Holzschnitzelmasse verarbeitet. Diese wird kontinuierlich durch die in einem beheizten Kocher befindlichen Aufschlußchemikalien hindurchgefördert und an dessen Ende nach der gewünschten Herauslösung zumindest des sogenannten Lignins in Form von Zellstoff kontinuierlich abgefördert. Bei einem derartigen kontinuierlichen Kocher handelt es sich in der Regel um einen liegenden oder schräg stehenden, isothermen Reaktor. Dieser kann auch aus mehreren, hintereinandergeschalteten Tanks bestehen, welche mit Aufschlußchemikalien angefüllt sind und durch die der Holzschnitzelstrom mit Hilfe von Fördereinrichtungen, z.B. Förderschnecken oder Transportbändern, hindurchgeschoben wird.
Dabei besteht das Problem, daß nach Eintritt der Holzschnitzel in den Kocher nur noch wenige Möglichkeiten bestehen, durch Eingriff auf den Prozeß die sich ergebende Zellstoffqualität im Hinblick auf die Erreichung einer vorgegebenen Qualitätsmaßzahl zu beeinflussen. An sich müssen zur Erreichung einer gewünschten Zellstoffqualität am Ende des kontinuierlichen Kochers alle technologischen Parameter bereits vor Eintritt der Holzschnitzelmasse in den Kocher möglichst mit dem optimalen Arbeitspunkt übereinstimmen, so daß während der Durchförderung durch den Kocher nur noch geringfügige, spontan auftretende Prozeßparameterschwankungen ausgeregelt werden müssen. Theoretisch kann im ungünstigsten Fall die Durchförderzeit als eine Totzeit angesehen werden, innerhalb der nahezu keine oder nur sehr beschränkte Steuereingriffe möglich sind, um die Qualität des aus der gerade im Kocher befindlichen Holzschnitzelmasse entstehenden Zellstoffes noch zu beeinflussen. Im Gegensatz zum Prozeß der diskontinuierlichen Kochung, bei dem die Aufenthaltszeit der Holzschnitzelmasse in einem abgeschlossenen Reaktor zur Beeinflussung der Zellstoffqualität im Notfall verkürzt oder verlängert werden kann, ist die Steuerung eines kontinuierlichen Kochers wesentlich kritischer.
Bei der Steuerung der kontinuierlichen Kochung müssen eine Vielzahl von Prozeßparametern abhängig von der angestrebten Zellstoffqualität auf äußerst genaue Weise aneinander angepaßt werden. Stärkere Abweichungen bereits einer der den Prozeß beeinflussenden Größen bewirken in aller Regel eine erhebliche Verschlechterung der Zellstoffqualität am Ende des kontinuierlichen Prozesses.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Zellstoffherstellung durch kontinuierliche Kochung von Holz bereitzustellen.
Die Erfindung wird gelöst mit dem im Anspruch 1 angegebenen Verfahren. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die Erfindung wird desweiteren unter Zuhilfenahme der nachfolgend kurz angeführten Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

FIG 1: ein schmematisches Prozeßabbild eines kontinuierlichen Kochers,
FIG 2: eine erste Vorrichtung zur Bildung der Hauptsteuergröße Kochtemperatur mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Prozeßmodells,
FIG 3: eine weitere Vorrichtung mit einer zusätzlichen Regeleinrichtung zum Ausgleich von Schwankungen der Qualitätsmaßzahl,
FIG 4: eine weitere Vorrichtung mit einem um Adaptionsmittel erweiterten Prozeßmodell,
FIG 5: bis 7 weitere Vorrichtungen, bei denen das Prozeßmodell des weiteren um Mittel zur Nachbildung des Istwertes der Qualitätsmaßzahl erweitert ist.

In FIG 1 ist beispielhaft ein schrägliegender, kontinuierlicher Zellstoffkocher ZK dargestellt. Diesem wird das aufzuschließende Holz durch eine Holzschnitzel-Zuführung HE bevorzugt in Form eines wässrig-breiförmigen Massenstromes über eine steuerbare Eintragsschleuse ES zugeführt. Diese Eintragsschleuse enthält bevorzugt eine Zuführschnecke ZS mit einstellbarer Drehzahl nl. Der Kocher ist mit einer Lauge gefüllt, welche durch chemische Herauslösung insbesondere des im Holz enthaltenen Lignins den Aufschluß des Zellstoffes aus dem Holzverbund ermöglicht. Die Aufschlußchemikalien verfügen über eine Konzentration C und werden in einem Chemikalientank TA vorrätig gehalten. Zur Aufrechterhaltung eines gewünschten Kocher-Füllstandes L werden die Chemikalien über eine Leitung CU dem Zellstoff-Kocher ZK zugeführt. Zur Vorwärmung dient bevorzugt ein mit Frischdampf FD gespeister Wärmetauscher CA. Für die Aufrechterhaltung einer gewünschten Konzentration und eines gewünschten Füllstandes werden dem Reaktor zum einen vorgewärmte Frischchemikalien bevorzugt kontinuierlich zugeführt. Zum anderen wird Ablauge über eine meist im Inneren des Reaktors befindliche Abnahmestelle AB und eine Abführleitung LA bevorzugt kontinuierlich entnommen. Zur Erzielung einer gewünschten Kochtemperatur T im Zellstoff-Kocher kann diesem Frischdampf FD an verschiedenen Stellen zugeführt werden, wobei in der Figur nur einige Zuführstellen beispielhaft dargestellt sind.
Der über die Eintragschleuse ES und die drehzahleinstellbare Schnecke ZS zugeführte Holzschnitzelbrei wird im Reaktor mit Hilfe von Transportmitteln durch die Aufschlußchemikalien hindurchgefördert. In FIG 1 ist hierzu beispielhaft ein drehzahlregulierbares Transportband TB, und die Förderrichtung F des Massenstromes durch den Reaktor mit Hilfe von Pfeilen symbolisch dargestellt. Auf dem durch Pfeile dargestellten Weg wird der eingetragene Holzschnitzelbrei durch kontinuierliche Kochung in Zellstoff mit möglichst vorgebbarer Qualität umgesetzt. Am Ende der Umlauf-Förderrichtung F wird der entstandene Zellstoffbrei über eine Zellstoff-Abführung ZA kontinuierlich aus dem Kocher abgefördert. Hierzu dient bevorzugt eine Austragschleuse A, welche eine wiederum drehzahlregulierbare Abführschnecke AS enthält.
Die Qualität des herzustellenden Zellstoffes hängt von einer Vielzahl von Prozeßparametern ab, welche bei entsprechender maschinenbaulicher Ausführung der Anlage gegebenenfalls auch als Steuergrößen zur Beeinflussung des Ablaufes des Kochprozesses herangezogen werden können. So wird die Geschwindigkeit des Kochvorganges zum einen durch die Konzentration C der dem Kocher ZK aus dem Tank TA zugeführten Chemikalien beeinflußt. Eine weitere Einflußgröße ist die mittlere Flüssigkeitsmenge an Aufschlußchemikalien im Reaktor. Je mehr der Kocher mit der Aufschlußlauge angefüllt ist, um so länger ist der Holzschnitzelbrei während seines kontinuierlichen Durchlaufes dem Einfluß der Chemikalien ausgesetzt, und um so schneller läuft der Prozeß des Zellstoffaufschlusses ab. Im Beispiel des in der Figur dargestellten, schrägstehenden Kochers ist die darin befindliche Chemikalienmenge durch den Laugenfüllstand L, auch Kocherfüllgrad genannt, bestimmt.
Eine weitere wichtige Einflußgröße für den Ablauf des Prozesses ist die Kochtemperatur T. Eine gewünschte Temperatur im Inneren des Kochers ZK wird in der Regel über die Zuführung von entsprechend vorgeheiztem Fischdampf FD eingestellt. Dieser wird in den Kocher bei Bedarf an unterschiedlichen Stellen, z.B. am oberen Ende, eingeleitet. Desweiteren können zur Temperatureinstellung die dem Kocher vom Tank TA zugeführte Aufschlußlauge und/oder der über die Eintragschleuse ES zugeführte Holzschnitzelmassenstrom HE mit Hilfe des Frischdampfes FD vorgeheizt werden. In der Figur ist hierzu beispielhaft ein Wärmetauscher CA zur Chemikalienaufheizung vorgesehen. Eine weitere wichtige Einflußgröße für den Kochvorgang ist die Durchsatzgeschwindigkeit des Holzschnitzelmassenstromes durch den Reaktor. Bei dem in der Figur beispielhaft dargestellten Reaktor wird diese insbesondere bestimmt durch die Drehzahl n1 der Zuführschnecke ZS. In der Regel werden die Drehzahlen n1, n2 und n3 der Zuführschnecke, des Transportbandes und der Abführschnecke mittels eines Geschwindigkeitsprofiles in geeigneter Weise aufeinander abgestimmt.
Es hat sich nun herausgestellt, daß von den die Zellstoffkochung wesentlich beeinflussenden Prozeßparametern die Kochtemperatur T am besten als Steuergröße zur Beeinflussung der kontinuierlichen Kochung geeignet ist. Damit kann am ehesten der Prozeß so gesteuert werden, daß bei größtmöglichem Durchsatz gerade die gewünschte Zellstoffqualität produziert wird. Wird dieses Ziel verfehlt, so nimmt die tatsächlich erreichte Zellstoffqualität unter Umständen stark ab. So kann z.B. bei einer gegenüber den übrigen Prozeßparametern zu niedrigen Durchsatzgeschwindigkeit des Holzschnitzelmassenstromes ein doppelter Verlust auftreten. Zum einen wird die Anlage nicht voll ausgenutzt und somit die maximal mögliche Produktionsmenge nicht erbracht. Zum anderen sind die Holzschnitzel dem Einfluß der Aufschlußchemikalien zu lange ausgesetzt, so daß zudem Verluste in der Qualität und Ausbeute des Zellstoffes auftreten. Durch eine zu starke Kochung entsteht zwar viel Zellstoff, aber von niedrigerer Qualität, d.h. mit einer Vielzahl von kurzen und zerbrechlichen Fasern. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verwendung der Kochtemperatur als Stellgröße ist es möglich, auf Schwankungen der anderen Prozeßgrößen derart zu reagieren, daß die Schwankungen in der Zellstoffqualität nach Auftreten einer Störung zumindest vorübergehend bzw. geringfügig sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zellstoffherstellung wird eine der jeweils gewünschten Zellstoffqualität entsprechende Qualitätsmaßzahl Q^* vorgegeben, mittels eines Prozeßmodelles der Sollwert der hierzu gehörigen, optimalen Kochtemperatur T^* ermittelt, und diese anschließend insbesondere durch Übergabe des Sollwertes an eine unterlagerte Kochtemperaturregelung eingestellt. Das Prozeßmodell ermittelt die Kochtemperatur T^* bevorzugt zyklisch in fest vorgegebenen Zeitabständen unter Zuhilfenahme der aktuellen Werte der beteiligten Prozeßparameter. Hierzu werden bevorzugt die Istwerte der Chemikalienkonzentrationen C, des Kocherfüllgrades L und der Produktionsmenge berücksichtigt. Desweiteren gehen in das Modell Prozeßkonstanten ein, deren aktuelle Werte von der Technologie des Prozesses abhängen, insbesondere von dem verwendeten chemischen Aufschlußverfahren und dem Kochertyp. Das Aufschlußverfahren wird wesentlich bestimmt von der Art der eingesetzten Aufschlußchemikalien, während der Kochertyp von den maschinenbaulichen Gegebenheiten der Anlage abhängt.
Als Qualitätsmaßzahl Q^* zur Kennzeichnung der jeweiligen Zellstoffqualität sind unterschiedliche Größen geeignet. Im einfachsten Fall kann als Qualitätsmaßzahl Q die sogenannte Ausbeute Y verwendet werden. Wird die Ausbeute als normierte Größe in Prozent angegeben, so ist sie als erzeugte Zellstoffmenge bezogen auf die eingesetzte Holzmenge definiert, d.h.

$Y(%) = kg Zellstoff/ kg Holz,atro ,$

wobei "Holz,atro" die eingesetzte, absolut trockene Holzmenge ist.
Man erkennt anhand des oben dargestellten Beispieles der zu starken Kochung und der dabei auftretenden Durchsatz- und Ausbeuteverluste, daß mit dem Wert der Ausbeute Y als Qualitätsmaßzahl Q auch eine Aussage über die innere Qualität des erzeugten Zellstoffes verbunden ist. Dies bedeutet, daß einem bestimmten Wertebereich der Ausbeute Y eine entsprechende, näherungsweise bekannte Qualität des produzierten Zellstoffes zugeordnet werden kann. Wird beispielsweise durch zu starkes Vergrößern des Einflusses zumindest eines der Prozeßparameter, z.B. durch Erhöhen der Kochtemperatur oder der Chemikalienkonzentration, der optimale Wertebereich von Y überschritten, so tritt erwartungsgemäß aufgrund der dann erfolgenden zu starken Kochung gleichzeitig eine Abnahme der inneren Zellstoffqualität auf. Wird andererseits durch Zurücknahme des Einflusses von Prozeßparametern, z.B. Erniedrigen des Kocherfüllgrades oder Erhöhen der Durchsatzgeschwindigkeit, der optimle Wertebereich unterschritten, so tritt ebenfalls erwartungsgemäß aufgrund des somit schlechteren Zellstoffaufschlusses eine Abnahme der inneren Zellstoffqualität auf. Durch Ausnutzung des Wertebereiches der Ausbeute Y als "Steuerraum" kann somit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Zellstoffherstellung die jeweils erzeugbare Zellstoffqualität in einer ersten Näherung besonders einfach und wirksam beeinflußt werden.
Für das erfindungsgemäß Prozeßmodell zur Bestimmung der jeweiligen Kochtemperatur T^* eignen sich auch anders definierte Größen als Qualitätsmaßzahl Q^*. Eine derartige, bekannte Kenngröße ist z.B. die sogenannte "Kappa-Zahl". Diese ist ein Maß für die Restkonzentration von Lignin im produzierten Zellstoff. Hat die Kappa-Zahl einen großen Wert, so wird z.B. aufgrund eines zu hohen Durchsatzes durch den Kocher nur ein geringer Aufschluß der eingesetzten Holzschnitzelmasse erreicht. Hohe Ligninrestkonzentrationen im Zellstoff haben nach deren Verarbeitung z.B. zu Papier eine geringe Papierqualität zur Folge. Wird dagegen im Vergleich dazu bei einem niedrigeren, optimalen Durchsatz ein kleiner Wert z.B. der Kappa-Zahl erreicht, so deutet dies auf einen hohen Aufschluß der eingesetzten Holzschnitzelmasse hin. Die hierdurch erreichten niedrigen Ligninrestkonzentrationen im Zellstoff führen nach dessen Verarbeitung zu Papier zu einer guten Papierqualität. Werden darüber hinausgehend z.B. durch noch weitere Verringerung des Durchsatz sehr kleine Werte der Kappa-Zahl erreicht, so nimmt die Zellstoffqualität wieder ab. Dies beruht auf der bereits dargestellten, zu langen und übermäßig starken Kochung der Holzschnitzel. Man erkennt, daß auch durch Ausnutzung des bekannten Wertebereiches der Kappa-Zahl als "Steuerraum" eine geeignete Vorgabe der jeweils produzierbaren Zellstoffqualität möglich ist.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden dem Prozeßmodell die aktuellen Werte der Chemikalienkonzentrationen, des Kocherfüllgrades und der Produktionsmenge als Eingangsgrößen zugeführt. Je nach der praktischen Ausführung der Anlage können die Istwerte der Chemikalienkonzentration C und des Füllgrades L des Kochers gegebenenfalls durch zusätzliche unterlagerte Regelkreise so beeinflußt werden, daß diese für das Prozeßmodell keine stark schwankenden Störgrößen mehr darstellen und annähernd konstante, vorgegebene Werte annehmen. Desweiteren wird die jeweilige Produktionsmenge insbesondere durch Vorgabe entsprechender Werte für die Drehzahlen n1, n2 und n3 der Mittel ZS, TB und AS zur Aufrechterhaltung des Massenstromes durch den Kocher bevorzugt auf einen mit der jeweils gewünschten Zellstoffqualität zu vereinbarenden Wert voreingestellt. Zur Erzeugung einer durch die jeweilige Qualitätsmaßzahl vorgegebenen Produktqualität wird erfindungsgemäß mit Hilfe des Prozeßmodelles, d.h. mit von den obengenannten Prozeßgrößen abhängigen Steuergesetzen die Kochtemperatur T im Inneren des kontinuierlichen Kochers als Hauptsteuergröße nachgeführt.
Die Verwendung eines insbesondere in einem programmgesteuerten Automatisierungssystem zur Echtzeitführung von technischen Prozessen hinterlegten Prozeßmodells hat den besonderen Vorteil, daß zur Prozeßnachbildung komplexe und eine Vielzahl von Einflußgrößen berücksichtigende Steuergesetze herangezogen werden können. Derartige Steuergesetze stellen in aller Regel kein mathematisch exaktes Abbild der dynamischen Wirkungsweise des zu steuernden technologischen Prozesses dar. Vielmehr handelt es sich dabei in aller Regel um insbesondere durch Prozeßbeobachtung gefundene empirische Zusammenhänge zwischen den Hauptprozeßgrößen. Das Prozeßmodell bei dem vorliegenden Verfahren zur Zellstoffherstellung verknüpft somit die Qualitätsmaßzahl Q^*, die Chemikalienkonzentration C, den Kocherfüllgrad L, die Produktionsmenge und technologieabhängige Prozeßkonstanten zur Steuergröße Kochtemperatur. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann als Maß für die aktuelle Produktionsmenge die Meßgröße der Drehzahl n1 der Zuführschnecke ZS in der Holzschnitzel-Eintragsschleuse ES verwendet werden. Desweiteren kann besonders vorteilhaft für den aktuellen Kocherfüllgrad L die Meßgröße des Laugenfüllstandes im Inneren des Kochers herangezogen werden.
Im Prozeßmodell werden eine vielzahl von Prozeßkonstanten bevorzugt als "Verstärkungsfaktoren" berücksichtigt. Eine erst ist die Produktionskonstante a. Diese beschreibt den insbesondere von den maschinenbaulichen Gegebenheiten der Anlage abhängigen Zusammenhang zwischen der erreichbaren Produktionsmenge und der Zuführgeschwindigkeit der Holzschnitzel. Eine zweite Prozeßkonstante ist die Aktivierungsenergie E. Diese ist abhängig vom jeweiligen chemischen Aufschlußverfahren, d.h. insbesondere von den in der Aufschlußlauge enthaltenen Chemikalien. Schließlich kann auch der sogenannte Stoßfaktor k berücksichtigt werden. Dieser stellt eine Prozeßgeschwindigkeitskonstante dar, welche den Verstärkungsfaktor zwischen der erreichbaren Aufschlußgeschwindigkeit einerseits, und der vorliegenden Kochtemperatur und der Chemikalienkonzentration anderseits beschreibt. Die obigen drei Prozeßkonstanten bilden nur eine Auswahl. Insbesondere bei umfangreicheren, und somit eine Vielzahl von Steuergesetzen berücksichtigenden Prozeßmodellen ist es notwendig, eine größere Anzahl an Prozeßkonstanten als Verstärkungsfaktoren vorzusehen.
Eine möglich Form eines Prozeßmodelles wird am Beispiel einer empirisch gefundenen Steuergleichung desweiteren näher erläutert.
Diese bildet die funktionalen Zusammenhänge f₁, f₂, f₃ zwischen den oben genannten Einflußgrößen und der Kochertemperatur T als Hauptsteuergröße näherungsweise nach. Es läßt sich somit symbolisch schreiben

${T* = f₁ (Q}^{*}), f₂ (a,E,k), f₃ (C,L,n). (G1.1)$

Dabei bildet f₁ den Zusammenhang zwischen dem Kochtemperatur-Sollwert T* und dem Vorgabewert der Qualtitätsmaßzahl Q^*. Die Funktion f₂ berücksichtigt den Einfluß von Prozeßkonstanten, insbesondere der Produktionskonstante a, der Aktivierungsenergie E und dem Stoßfaktor K. Die Funktion f₃ beschreibt schließlich die Abhängigkeiten von den Istwerten der Chemikalienkonzentration C, des Kocherfüllgrades L und der Produktionsmenge n.
Eine diese Größen berücksichtigende empirische Modellgleichung kann das Aussehen haben

Dabei stellen die mit o gekennzeichneten Größen insbesondere in einem optimalen Arbeitspunkt liegende Bezugsgrößen zur Normierung der zugehörigen Istwerte dar. So sind Co und Lo Bezugsgrößen für die Istwerte der Chemikalienkonzentration C und des Kocherfüllgrades L. Die Produktionskonstanten können beispielsweise beim Aufschluß von Laubholz nach dem Neutralsulvitverfahren in einem schräg stehenden, kontinuierlichen Kocher folgende Werte annehmen:
Erfindungsgemäß wird mit Hilfe des Prozeßmodelles die zu einem vorgegebenen Sollwert der Qualitätsmaßzahl Q* gehörige Kochtemperatur T* ermittelt. Dies ist beispielhaft in FIG 2 dargestellt. Dem Prozeßmodell M werden dabei bevorzugt die Istwerte der wesentlichen Prozeßparameter zugeführt, z.B. der Chemikalienkonzentration C, der Produktionsmenge n und des Kocherfüllgrades L. Desweiteren ist das Modell M an die aktuellen Werte der jeweiligen Prozeßkonstanten angepaßt, z.B. an die Aktivierungsenergie E, die Produktionskonstante a und den Stoßfaktor k. Bei dieser Ausführung bildet das Prozeßmodell M eigenständig in Art einer Steuerung den Zusammenhang zwischen dem Vorgabewert Q^* für die gewünschte Größe der Qualitätsmaßzahl und dem als Stellgröße auf den Kocher einwirkenden Temperatursollwert T^* nach. Bevorzugt wird gemäß der Darstellung von FIG 2 der ermittelte Wert der Kochtemperatur T^* durch Vergleich mit dem aktuellen Istwert T in einem zusätzlichen, unterlagerten Temperaturregler TR mittels Direkteingriff auf die Frischdampf-Zuführung FD eingestellt. Ein derartiges, erfindungsgemäßes Verfahren zur Zellstoffherstellung ist besonders dann anwendbar, wenn das Prozeßmodell so gestaltet werden kann, daß es das Verhalten des Kochers für alle möglichen Arbeitspunkte, d.h. im gesamten zur Verfügung stehenden Steuerraum, mit ausreichender Genaugigkeit näherungsweise abbildet.
In sehr vielen Fällen ist allerdings das technologische Verhalten eines Zellstoffkochers ZK stark nichtlinear. Dies hat zur Folge, daß das Prozeßmodell M den Zusammenhang zwischen der Eingangsgröße Q^* und der gesuchten Stellgröße T* nur in einem bevorzugt in der Mitte des Gesamtarbeitsbereiches liegenden Ausschnitt mit ausreichender Genaugikeit beschreiben kann. Wird der Kocher somit in einem außerhalb dieses optimalen Bereichs liegenden Arbeitspunkt betrieben, so kann der Qualitätsmeßzahl-Istwert Q des bei der vom Modell M vorgegebenen Kochtemperatur T tatsächlich erzeugten Zellstoffes unter Umständen erheblich von dem vorgegebenen Sollwert Q^* abweichen.
Gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung sind für diesen Fall zusätzliche Mittel vorgesehen, mit deren Hilfe trotz der erfindungsgemäßen Kochtemperatursteuerung durch das Prozeßmodell noch auftretende Regelabweichungen im Wert der Qualitätsmaßzahl ausgeglichen werden können. Am Beispiel der Figuren 3 und 4 werden desweiteren zwei Möglichkeiten hierfür näher erläutert.
Gemäß einer ersten Ausführung ist eine weitere Regeleinrichtung für die Qualitätsmaßzahl vorgesehen, welche bei Abweichungen des Soll- und Istwertes der Qualitätsmaßzahl die Kochtemperatur so nachführt, daß die Abweichung möglichst verschwindet. In FIG 3 ist ein mögliches Ausführungsbeispiel hierfür dargestellt. Zusätzlich zum Prozeßmodell M und dem unterlagerten Temperaturregler TR ist eine weitere Regelvorrichtung QR vorhanden, welche die Abweichung zwischen dem Istwert Q und dem Sollwert Q* verarbeitet. Im Beispiel der FIG 3 bildet die Regelvorrichtung QR einen Sollwert T^*¹ für den unterlagerten Temperaturregler TR, welcher diesen nach Vergleich mit dem Temperatur-Istwert T zu einem Stellsignal für die Frischdampf-Zuführung FD verarbeitet. Der vom Prozeßmodell M aus dem Sollwert Q^* gebildete Kochtemperatur-Sollwert T* dient in diesem Fall zur Arbeitspunkteinstellung des Temperaturreglers TR. Hierdurch wird der Temperaturregler mit Hilfe des Prozeßmodells M möglichst optimal so vorgesteuert, daß mit Hilfe der Regelvorrichtung QR nur noch geringfügige Abweichungen der Qualitätsmaßzahl ausgeglichen werden müssen.
Mittels der FIG 4 wird desweiteren eine weitere Möglichkeit dargestellt, trotz der erfindungsgemäßen Bestimmung des Kochtemperatur-Sollwertes T^* mit Hilfe des Prozeßmodelles M auftretende Abweichungen zwischen dem Soll- und Istwert der Qualitätsmaßzahl auszugleichen. Hierbei wird bevorzugt zyklisch und/ oder bei Auftreten sehr starker Abweichungen zwischen dem Soll-und Istwert der Qualitätsmaßzahl eine Adaption des Prozeßmodelles durchgeführt. Hierbei handelt es sich um einen in Bezug auf den jeweils vorliegenden Arbeitspunkt des Zellstoffkochers neu vorgenommen Abgleich des Prozeßmodelles, d.h. einer Neu-Normierung. Es wird dabei bevorzugt unter zu Hilfenahme derselben, wie im Modell hinterlegten Steuergesetze und des bei der aktuellen Kochtemperatur tatsächlich erreichten Istwertes der Qualitätsmaßzahl zumindest eine der Prozeßkonstanten des Prozeßmodelles neu bestimmt. Nach Übernahme dieses Wertes in das Modell stellt dieses zumindest für einen gewissen Zeitraum und/oder bis zum Auftreten von starken Arbeitspunktabweichungen beim Betrieb des Zellstoffkochers einen exakten bzw. ausreichend genauen Zusammenhang zwischen der Prozeßregelgröße Q und der Stellgröße Kochtemperatur T dar. Je häufiger eine derartige Adaption des Prozeßmodelles an veränderte Betreibsbedingungen des Kochers durchgeführt wird, um so leichter kann eine genaue Steuergesetzmäßigkeit zwischen den Größen Q* und T* aufrechterhalten werden.
Gemäß FIG 4 ist somit das Prozeßmodell M durch Mittel AD zur Modell-Adaption zu einem adaptierbaren Prozeßmodell AM erweitert. Dem Adaptionsmittel werden dabei bevorzugt die Istwerte der Qualitätsmaßzahl Q und der Kochtemperatur T zugeführt. Dieses aktualisiert in bestimmten Zeitabständen zumindest eine der Prozeßkonstanten. Gemäß den obigen Ausführungen stehen hierzu die Produktionskonstante a, die Aktivierungsenergie E bzw. der Stoßfaktor k zur Verfügung. Es hat sich herausgestellt, daß gerade der Stoßfaktor k besonders gut geeignet ist, um durch ständige Aktualisierung zur Adapiton des Prozeßmodells herangezogen zu werden. In FIG 4 wird somit der aktualisierte Wert von k dem Modell M von den Adaptionsmittel AD zugeführt.
In den Mitteln zur Modell-Adaption wird der aktualisierte Wert des Stoßfaktors bevorzugt bestimmt mittels einer Gleichung, welche sich nach einer geeigneten Umstellung aus der im Prozeßmodell M hinterlegten Steuergleichung ergibt. Dient z.B. obige G1. 2 als Steuergleichung im Prozeßmodell, so ergibt sich der Stoßfaktor nach Umstellung derselben mittels

$k = \frac{E}{T} + 1n1n (\frac{1}{Q}) - 1n (\frac{C}{Co}) - 1n (\frac{L}{Lo}) + 1n(n) - 1n(a) (G1.4)$

Mit Hilfe der in einem möglichst stationären Arbeitspunkt des Kochers vorliegenden Istwerte der Kochtemperatur T, der Chemikalienkonzentration C, des Füllgrades L und der Produktionsmenge n wird mit Hilfe des in diesem Arbeitspunkt tatsächlich erreichten Wertes der Qualitätsmaßzahl Q der Stoßfaktor k neu berechnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann obige G1. 4 im Arbeitspunkt linearisiert werden. Da im Arbeitspunkt die Istwerte der Chemikalienkonzentration C und des Kocherfüllgrades L gerade die Werte ihrer Bezugsgrößen Co und Lo annehmen, vereinfacht sich G1. 4 zu

$k = \frac{E}{T} + 1n1n (\frac{1}{Q}) + 1n(n) - 1n(a) (G1.5)$
Wie bereits oben erläutert, kann als Qualitätsmaßzahl die Ausbeute Y an hergestelltem Zellstoff dienen. Bevorzugt wird der Istwert der Ausbeute zumindest unter zu Hilfenahme von Mitteln zur Ablaugenanalyse nachgebildet. Im Prozeßabbild der FIG 1 ist hierzu beispielhaft an der Ablaugen-Abführleitung LA eine Meßstelle SA zur spekrometischen Ablaugenanalyse dargestellt. Der Istwert der Ausbeute kann auch direkt an der Zellstoff-Abführleitung ZA im Anschluß an die Austragsschleuse A bestimmt werden. Dabei werden bevorzugt die Größen Zellstoffmassenstrom m_Z und Zellstoffkonsistenz C_Z ermittelt.
Zur Bestimmung des Ausbeute-Istwertes zumindest durch Ablaugenanalyse wird bevorzugt der Massenstrom ṁ_A der Ablauge in der Abführleitung LA und der sogenannten Trockengehalt TS der Ablauge bestimmt. Der Trockengehalt gibt dabei die auf die Ablaugenmenge bezogene Menge an herausgelöster Holzsubstanz, insbesondere der Ligninbestandteile, an. Der Trockengehalt TS ergibt sich somit zu
Gemäß einer ersten Ausführungsform läßt sich der Istwert der Ausbeute Y mit Hilfe einer empirischen Gleichung ermitteln, welche von Größen abhängt, die bevorzugt als Meßwerte durch Analyse der dem Kocher entnommenen Ablauge und Analyse des dem Kocher zugeführten Holzschnitzelstromes gewonnen werden. Es ergibt sich somit

mit

So können die Meßgrößen ṁ_A, TS durch Ablaugenanalyse, und ṁ_H, φ durch Analyse des zugeführten Holzschnitzelmassenstromes bestimmt werden.
Abhängig von der konkreten Ausführung der Analge zur Zellstoffherstellung können auch andere Meßgrößen zur Verfügung stehen und zur Bildung des als Qualitätsmaßzahl dienenden Ausbeute-Istwertes herangezogen werden. Eine derartige Meßgröße ist der sogenannte "Hydromodul":
Wird gemäß einer weiter Ausführungsform diese Definition in obiger G1. 7 verwendet, so ergibt sich

${Q = Y = 1 - X}_{a} . TS (G1.9)$
Der Istwert der Ausbeute Y ist somit abhängig von den Meßwerten des Hydromoduls X_a und des Trockengehaltes TS der Ablauge.
Steht z.B. bei der in FIG 1 dargestellten Anlage, die Drehzahl n der Mittel zur Holzzuführung als Meßgröße zur Verfügung, so kann gemäß einer dritten Ausführungsform auch dieser Wert zur Nachbildung des Ausbeute-Istwertes herangezogen werden. Als Holz-Zuführmittel dienen z.B. die im Prozeßabbild der FIG 1 beispielhaft dargestellte Zuführschnecke ZS in der Eintragsschleuse ES, das Transportband TB im Inneren des Kochers und die Abführschnecke AS in der Austragsschleuse A am Ende des Kochers. Da die Drehzahlen n1, n2, n3 dieser drei Transportmittel bevorzugt über eine Geschwindigkeitsprofil aneinander angepaßt sind, ist es ausreichend, als Drehzahl n der Holz-Zuführmittel die Drehzahl n1 der Zuführschnecke ZS zu verwenden. Über diese Größe wird auch auf die Produktionsmenge eingegriffen. In der Regel ergibt sich entsprechend der maschinenbaulichen Gestaltung der Eintragsschleuse ES ein linearer Zusammenhang zwischen deren Drehzahl n1 und der in den Kocher eingetragenen Holzschnitzelmenge, d.h.

Da der Wert des zugeführten, absolut trockenen Holzschnitzelmassenstromes (ṁ_Holz,atro) gleich dem Produkt aus den Massenstrom ṁ_H des zugeführten, feuchten Holzes und dem Holz-Trockengehalt φ ist, ergibt sich
Wird diese Gleichung in obige G1. 7 eingesetzt, so ergibt sich bei dieser dritten Ausführungsform für den als Qualitätsmaßzahl Q dienenden Istwerte der Ausbeute
In diesem Fall wird somit die Ausbeute unter zu Hilfenahme der Drehzahl n der Holz-Zuführmittel, des Trockengehaltes TS der Ablauge und des Massenstromes ṁ_A der Ablauge nachgebildet. Diese Beziehung hat den besonderen Vorteil, das die unter Umständen bei obiger G1. 7 bzw. 9 noch notwendige Analyse des zugeführten Holzschnitzelmassenstromes ersetzt wird durch die wesentliche einfachere Verwendung der Drehzahl n der Holz-Zuführmittel. Zur Bildung der Ausbeute Y gemäß der G1. 12 ist somit lediglich eine Ablaugenanalyse durchzuführen.
In den Figuren 5, 6 und 7 sind die Möglichkeiten der Nachbildung des Ausbeute-Istwertes gemäß den obigen Gleichungen 7, 9 und 12 beispielhaft dargestellt. So ist im erweiterten, adaptierbaren Prozeßmodell AM ein weiteres Mittel NQ zur Nachbildung des Istwertes der Qualitätsmaßzahl vorgesehen. Der nachgebildete Istwert Q (=Y) wird bevorzugt dem Mittel zur Modell-Adaption AD zugeführt, welches hieraus unter weiterer Heranziehung des Istwertes der Kochtemperatur T bevorzugt einen aktuellen Wert des Stoßfaktors k zur Adaption des Prozeßmodelles M bildet. In FIG 5 werden gemäß G1. 7 die Meßgrößen des Ablaugen-Massenstromes m_A des Trockengehaltes der Ablauge TS, des Massenstromes an zugeführtem, feuchten Holz ṁ_H und des Holz-Trockengehaltes φ dem Nachbildungsmittel NQ zugeführt. Steht statt dessen der sogenannte Hydromodul X_a als Meß- bzw. Rechengröße gemäß G1. 9 zur Nachbildung des Ausbeute-Istwertes zur Verfügung, so wird dieser gemeinsam mit dem Trockengehalt TS der Ablauge entsprechend der Darstellung in FIG 6 dem Nachbildungsmittel NQ als Eingangsgrößen zugeführt. Steht schließlich die Drehzahl n der Holz-Zuführmittel als eine Meßgröße zur Verfügung und kann somit der Ausbeute-Istwert gemäß G1. 12 nachgebildet werden, so werden gemäß der Darstellung in FIG 7 dem Nachbildungsmittel NQ die Größen n, TS und m_A als Meß- bzw. Rechengrößen zugeführt.
Es ist ohne weiteres möglich, die in den Figuren 4 bis 7 dargestellten Ausführungsformen mit der Ausführungsform von FIG 3 zu kombinieren. Hierzu wird anstelle des Prozeßmodelles M in der Schaltung von FIG 3 eines der adaptierbaren Prozeßmodelle AM der Schaltungen der Figuren 4 bis 7 eingesetzt.
Wie bereits oben dargestellt, können anstelle der Ausbeute Y auch anders definierte Größen als Qualitätsmaßzahl zur Verwendung als Eingangsgröße für das Prozeßmodell dienen. Wird hierzu die als Kappa-Zahl bezeichnete Ligninrestkonzentration im hergestellten Zellstoff verwendet, so kann der Istwert der Ligninkonzentration durch direkte oder indirekte Zellstoffanalyse bestimmt werden.

Claims

Verfahren zur Zellstoffherstellung durch kontinuierliche Kochung von Holz, wobei
a) entsprechend der gewünschten Zellstoffqualität eine Qualitätsmaßzahl (Q*) vorgegeben wird, und

b) mittels eines Prozeßmodelles (M), welches zumindest berücksichtigt die Werte
b1) der Chemikalienkonzentrationen (C),

b2) des Kocherfüllgrades (L),

b3) der Produktionsmenge (n;n1,n2,n3), und

b4) von der Technologie des Prozesses, insbesondere dem chemischen Aufschlußverfahren und dem Kochertyp, abhängige Prozeßkonstanten (a,k,E),
die zur Qualitätsmaßzahl (Q*) gehörige Kochtemperatur (T^*) ermittelt und eingestellt wird (FIG 1,2).
Verfahren zur Zellstoffherstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Prozeßkonstanten im Prozeßmodell (M) zumindest berücksichtigt werden
a) eine Produktionskonstante (a), welche die erreichbare Produktionsmenge abhängig von der Holz-Zuführgeschwindigkeit (n1,n2,n3) beschreibt,

b) die Aktivierungsenergie (E) des jeweiligen chemischen Aufschlußverfahrens, und

c) der Stoßfaktor (k), welcher die erreichbare Aufschlußgeschwindigkeit abhängig von der Kochtemperatur (T) und den Chemikalienkonzentrationen (C) beschreibt (FIG 2).
Verfahren zur Zellstoffherstellung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Prozeßmodell (M) die Gleichung
dient, wobei
Q* : vorgegebene Qualitätsmaßzahl

T* : einzustellende Kochtemperatur

C : Chemikalienkonzentration: Istwert

Co : Chemikalienkonzentration: Bezugsgröße (Arbeitspunkt)

L : Kocherfüllgrad: Istwert

Lo : Kocherfüllgrad: Bezugsgröße (Arbeitspunkt)

n : Drehzahl Holz-Zuführmittel

E : Aktivierungsenergie

a : Produktionskonstante

k : Stoßfaktor.
Verfahren zur Zellstoffherstellung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abweichung des Istwertes der Qualitätsmaßzahl (Q), d.h. der bei der vom Prozeßmodell (M) vorgegebenen Kochtemperatur (T^*) tatsächlich erzeugten Zellstoffqualität, von dem zur Bestimmung dieser Kochtemperatur (T^*) mit dem Prozeßmodell vorgegebenen Sollwert der Qualitätsmaßzahl (Q*) die Kochtemperatur so nachgeführt wird, daß Soll- und Istwerte der Qualitätsmaßzahl (Q,Q*) annähernd übereinstimmen (FIG 3).
Verfahren zur Zellstoffherstellung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bevorzugt zyklisch und/oder bei zu starker Abweichung der zum tatsächlich hergestellten Zellstoff gehörigen Qualitätsmaßzahl (Q) von der vorgegebenen Qualitätsmaßzahl (Q*) eine Adaption (AD) des Prozeßmodelles (M) durchgeführt wird, wobei mit Hilfe des Istwertes der bei einer Kochtemperatur (T) erreichten Qualitätsmaßzahl (Q) zumindest eine der Prozeßkonstanten (a,k,E) aktualisiert wird (FIG 4).
Verfahren zur Zellstoffherstellung nach den Ansprüchen 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bevorzugt zyklisch und/oder bei zu starker Abweichung der zum tatsächlich hergestellten Zellstoff gehörigen Qualitätsmaßzahl (Q) von der vorgegebenen Qualitätsmaßzahl (Q*) eine Adaption (AD) des Prozeßmodelles derart durchgeführt wird, daß mit Hilfe des Wertes der bei einer Kochtemperatur (T) erreichten Qualitätsmaßzahl (Q) der Stoßfaktor (k) aktualisiert wird (FIG 4).
Verfahren zur Zellstoffherstellung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der aktuelle Stoßfaktor bestimmt wird mittels der Gleichung

$k = \frac{E}{T} + 1n1n (\frac{1}{Q}) - 1n (\frac{C}{Co}) - 1n (\frac{L}{Lo}) + 1n(n) - 1n(a) (G1.4)$
Verfahren zur Zellstoffherstellung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Arbeitspunkt der aktuelle Stoßfaktor (k) bestimmt wird mittels der Gleichung

$k = \frac{E}{T} + 1n1n (\frac{1}{Q}) + 1n(n) - 1n(a) (G1.5)$
Verfahren zur Zellstoffherstellung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Qualitätsmaßzahl (Q,Q*) die Ausbeute (Y, Y*) an hergestelltem Zellstoff (kg Zellstoff) in Bezug zum eingesetzten Holz (kg Holz,atro) dient (FIG 5).
Verfahren zur Zellstoffherstellung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert der Ausbeute (Y) zumindest unter Zuhilfenahme einer Ablaugenanalyse nachgebildet (NQ) wird (FIG 5).
Verfahren zur Zellstoffherstellung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ablaugenanalyse der Massenstrom (ṁ_A) der Ablauge und der Trockengehalt (TS) der Ablauge, d.h. die auf die Ablaugenmenge bezogene Menge an herausgelöster Holzsubstanz, bestimmt werden (FIG 5).
Verfahren zur Zellstoffherstellung nach einem der Ansprüche 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert der Ausbeute (Y) bestimmt wird (FIG 5) nach der Gleichung
mit
Verfahren zur Zellstoffherstellung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein des Hydromoduls
als Meß- oder Rechengröße (FIG 6) sich der Istwert der Ausbeute (Y) ergibt nach der Gleichung

${Q = Y = 1 - X}_{a} . TS (G1.9)$
Verfahren zur Zellstoffherstellung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein der Drehzahl n der Holz-Zuführmittel (n1,n2,n3) als Meßgröße (FIG 7) sich der Istwert der Ausbeute (Y) als Qualitätsmaßzahl (Q) mittels
ergibt nach der Gleichung
Verfahren zur Zellstoffherstellung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Qualitätsmaßzahl (Q,Q*) die Ligninrestkonzentration (Kappa-Zahl) im hergestellten Zellstoff dient.
Verfahren zur Zellstoffherstellung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Istwert der als Qualitätsmaßzahl dienenden Ligninkonzentration durch direkte oder indirekte Zellstoffanalyse bestimmt wird.