EP0947625B1 - Procédé et appareil pour le contrôle et l'optimisation du procédé de la récupération des substances chimiques pendant la production de cellulose - Google Patents

Procédé et appareil pour le contrôle et l'optimisation du procédé de la récupération des substances chimiques pendant la production de cellulose Download PDF

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EP0947625B1
EP0947625B1 EP19990105545 EP99105545A EP0947625B1 EP 0947625 B1 EP0947625 B1 EP 0947625B1 EP 19990105545 EP19990105545 EP 19990105545 EP 99105545 A EP99105545 A EP 99105545A EP 0947625 B1 EP0947625 B1 EP 0947625B1
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chemical
model
spectra
state model
recovery
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Herbert Dr. Furumoto
Andreas Dr. Kemna
Uwe Dr. Lampe
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C7/00—Digesters
    • D21C7/12—Devices for regulating or controlling
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21C—PRODUCTION OF CELLULOSE BY REMOVING NON-CELLULOSE SUBSTANCES FROM CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS; REGENERATION OF PULPING LIQUORS; APPARATUS THEREFOR
    • D21C11/00—Regeneration of pulp liquors or effluent waste waters

Definitions

  • the invention relates to a process for process control and process optimization of chemical recovery in the production of pulp using at least one state model and / or process model.
  • the invention relates to an apparatus for carrying out the method.
  • pulp digestion is carried out by boiling wood chips using appropriate cooking chemicals either in a continuous or in a batch process.
  • Sulphure or sulphite pulp cooking usually involves a recovery process for the cooking chemicals.
  • the process control in the recovery of cooking chemicals is difficult, as important quality parameters of cooking chemicals - the sulphate pulping example, the active alkali concentration, sulfidity, sulfate content, sulfur content, Na 2 S, Na 2 SO 4 , Na 2 CO 3 , Na 2 O, CaO, NaOH, NaCl, K 2 CO 3 , CaCO 3 , Ca (OH) 2 and in sulfite pulping, for example, the chemicals SO 2 , HSO 3 - , SO 3 - , S 2 O 3 - , SO 4 - , MgO , Active MgO, dead burned MgO - measured in the laboratory only after a time delay. For this reason, a meantime erroneous production can not be excluded. To avoid the risk of mis-production, therefore, the production process is usually operated with a greater safety margin in terms of Kochchemikalienteilteil than it would actually be necessary.
  • WO 98/10137 A1 For example, a method and apparatus for process control and process optimization in causticizing a green liquor in the sulfate pulp manufacturing process is known.
  • continuous infrared absorption spectra are measured on the green liquor and on the white liquor and the spectra are evaluated to form parameters.
  • Control signals are set up from the parameters and laboratory measurements in order to control the lime intake in the lime slaker used for causticisation.
  • Paper stocks and in the operation of refiners and paper machines it is proposed in each case to measure at least one point continuous spectra of electromagnetic radiation and / or continuous spectra of mechanical properties, continue to detect at least one location discrete physical and / or chemical properties, by mathematical evaluation of the continuous spectra characteristics form and from the characteristics, the physical and / or chemical properties and laboratory measurements of the product properties a state model and possibly a process model set up.
  • the method of detecting the continuous spectra is alternatively applicable to the sulfite or sulfate process.
  • spectroscopic measurements are carried out specifically on the chemical streams of the recovery plant, ie on sulphate digestion, for example on the soda melt after the recovery boiler, in the green, white and black liquors, and on sulphite digestion, for example in the ash stream or on the ash or in the cooking liquors. carried out.
  • sulphate digestion for example on the soda melt after the recovery boiler, in the green, white and black liquors
  • sulphite digestion for example in the ash stream or on the ash or in the cooking liquors.
  • for measuring continuous spectra of electromagnetic radiation absorption, emission and / or luminescence spectroscopy in the spectral range from 0.1 .mu.m to 400 .mu.m, preferably between 0.4 .mu.m and 100 .mu.m.
  • the continuous spectra are evaluated with suitable calculation methods and allow a statement about the expected chemical composition of the cooking liquid.
  • On the basis of these statements can be intervened in the process regulating, eg by changing the air distribution in the recovery boiler, the CaO supply in the so-called Kaustifizierer, by addition of so-called "make-up” chemicals and by regulating the mixing ratio of Black liquor, white liquor and dilution water.
  • the improved chemical recovery is particularly advantageous for pulp production with homogenization of the quality of the cooking liquor at a high level. This achieves an increase in the yield and the production quantity, a reduction in the use of chemicals and / or energy as well as the saving of auxiliary substances in the bleaching stage subsequent to the pulp production.
  • the invention is in relation to the above-mentioned prior art in essential points, such as in particular the measuring location, the measurement method, the processing of the spectra and the modeling further developed.
  • electromagnetic waves are used in the wavelength range between 100 nm and 400 ⁇ m, preferably in the range from 0.4 ⁇ m to 100 ⁇ m, not only absorption, emission or luminescence spectra but also so-called Raman spectra can be measured.
  • the excitation to luminescence can eg by the irradiation of electromagnetic radiation, such as UV radiation or by a specific chemical reaction such Chemiluminescence, done;
  • the emission is excited, for example, by irradiation with electrons.
  • FTIR Fourier transform infrared spectroscopy
  • the parameters are used to model the desired quality parameters.
  • the state models for calculating the quality parameters can be structured with a sufficiently large number of data based on neural networks, fuzzy systems, multi-linear regression models or combinations thereof. As an alternative to purely data-driven models, combined models are also possible in which additional analytical knowledge is introduced.
  • the process models can be constructed in the same way and with the same means.
  • a pre-processing integrated into model verification ("Novelty Detection") according to the older, not pre-published DE 196 322 45 A1 can indicate in time the need for a new training phase in the current process.
  • FIG. 1 the structure of a continuously working chemical treatment is shown, wherein in the present context, the Meßstellenschema is clarified.
  • a known cooker for producing pulp by cooking raw materials in particular in the form of wood chips, in a suitable cooking liquid.
  • Denoted at 11 is the inlet for the wood into the digester 10, at 12 the supply line for the cooking liquid and at 13 the outlet for the finished pulp.
  • the digester 10 is followed by a blow tank 14 and a plurality of scrubbers 15, 15 ', 15 "with associated filtrate tanks 16, 16', 16". From the washer the finished pulp is spent.
  • the filtrate is passed through at least one unit 17, advantageously units 17, 17 ', 17 ", ... for multistage evaporation, into a so-called black liquor tank 18 and from there into a recovery boiler 20 for cooking chemicals.
  • recovery boiler 20 the non-reusable waste liquors referred to as black liquor are to be incinerated and the recyclable cooking chemicals recovered.
  • An electric filter 21 removes the fly ash.
  • the soda melt accumulating at the bottom of the recovery boiler 20 flows into a melt-dissolving tank 22. This is followed by a green liquor clarification tank 23 and a caustification plant in which chemical conversion reactions for liquor extraction take place.
  • This plant consists essentially of a quenching tank 24, several individual Kaustifizierern 25, 25 ', 25 ", a white liquor clarification tank 26 and a cooking liquor tank 27.
  • the Kaustment plant is associated with a scrubber 28 with filter 29 and a lime kiln 30.
  • the there burned lime is returned to the extinguishing tank 24. From the partial illustration to FIG. 2 the operation of the staggered caustics 25, 25 ', 25''and25''' becomes clear.
  • the illustrated chemical treatment is relatively complex: it can be used alternatively after the sulphate process or after the sulphite process.
  • the process state is to be detected at various significant points of the process chain and the process to be optimized, for which measurement quantities must be recorded.
  • spectrometers for recording individual continuous spectra A at corresponding points in the process chain, B, C, D, E, F, G, H and I of electromagnetic radiation and in the partial view according to FIG. 2 With appropriate modifications, spectrometers are mounted at suitable measuring points for the spectra F 'and G'.
  • spectroscopic measurements are carried out online in the cooking liquid.
  • Such a measurement can be carried out, for example, with the aid of a known ATR probe or a known FTIR spectrometer.
  • the measured spectra are smoothed and normalized by signal preprocessing. Subsequently, a decomposition into the main components and / or the identification of important peaks can take place.
  • the main components can then be modeled, e.g. according to multilinear regression methods, the concentrations of the following quantities are calculated: effective alkali, sulphidity, carbonate, sulphate and thiosulphate.
  • a regulatory intervention is conceivable at various points in the recovery process, e.g. by replenishment of chemicals, by temperature variations or by changes in the circulation.
  • FIG. 3 31 exemplifies the course of an IR spectrum of cooking liquid in the wavenumber range 1500 to 900 cm -1 .
  • spectra A to I in the FIGS. 1 and 2 can also be measured in other wavenumber ranges.
  • FIG. 3 exemplified spectra are analyzed by a variety of mathematical methods, As already mentioned, this essentially involves a preprocessing of the spectra, the introduction of analytical knowledge and a possible outlier detection, in order to ensure a correct determination of parameters as intended. It is essential that alone from the continuous spectra by a suitable mathematical evaluation such characteristics can be formed specifically for the chemical streams in the recovery process and that from the characteristics and laboratory measurements of the chemical concentrations a state model and / or additionally with process properties a process model is formed. Furthermore, discrete physical and / or chemical properties for further processing can be detected at the chemical streams.
  • the latter applies to the cooking chemicals both in the sulfate process and in the sulfite process:
  • descriptive chemical concentrations in particular the active alkali concentration, the sulfidity, the sulfate content and the proportion of Na 2 S, Na 2 CO 3 and NaOH used.
  • the MgO Concentration divided into so-called deadburned MgO and active MgO, used.
  • FIGS. 4 and 5 40A and 40B each indicate a related state model of the cooking chemicals from which their properties, such as concentration, are calculated. From this, the essential quality parameters for the cooking liquid to be processed can be derived. For this purpose, from the spectra either with the so-called principal component analysis (PCA) or With the so-called PLS method (partial least square), the parameters are determined and entered into the model.
  • PCA principal component analysis
  • PLS partial least square
  • the state model 40A or 40B can optionally be formed solely with parameters PC1 to PCn determined from the continuous spectra.
  • the model 40A or 40B may e.g. advantageously be formed by a neural network.
  • a neural network In modeling, use is generally made of modern information-technological calculation methods, in particular also evolutionary or genetic algorithms.
  • a process model for chemical recovery by the sulphate process is designated 50.
  • discrete physical and chemical properties such as temperature, pH and pressure
  • state variables of the cooking liquid as an output of the state models, for example, according to the FIGS. 4 or 5
  • the process models can also be formed solely with the parameters determined from the continuous spectra.
  • FIG. 7 a corresponding process model 60 is given specifically for the sulfite process. If discrete physical and / or chemical properties are to be used, in addition to the optical spectrum, for example, the flow rates and / or the temperatures can be specified, which in FIG. 6 is shown. The pH value for sulfite digestion can be entered.
  • the process model according to FIG. 6 can also be designed as a dynamic process model 70.
  • the input variables are here according to the input variables in FIG. 6 in each case at discrete points in time k,..., (kn). The same applies to the chemical concentration. From this, the dynamic process model 70 determines the chemical concentration at future times (k + 1.
  • fuzzy methods can also be used.
  • Combined neuro-fuzzy systems can be used.
  • the sizes obtained from the described modeling methods are used for process control and process optimization in the recovery plant.
  • the process model is designated here by 82, from which the data is put into a unit for the cost function 83, which simultaneously with data for costs and prices from the unit 84 is charged.
  • An optimizer 85 determines therefrom the manipulated variables 86, which are fed back into the process model 82 and also the optimal manipulated variables 87 for process control. These can also be switched through a switch 88 by the plant operator.
  • FIG. 10 for a litigation, in which a dynamic model according to the FIG. 8 is used.
  • a unit 89 with the dynamic model is additionally present, in which the current process state is entered on the one hand, and the optimal control variables, on the other hand, are specified.
  • FIG. 11 illustrates that a unit 91 for preprocessing and compression for the spectra of the total spectrum 90 is used, from which in the evaluation unit 92, for example, the parameters PC 1 to PC 10 are calculated.
  • the parameters PC 1 to PC 10 are calculated.
  • scores are formed from a suitable number of spectra, for example between three and ten spectra, for the purpose of data reduction. From this, the input variables PC1,..., PCn, in particular the model according to FIG FIG. 4 calculated.
  • the parameters PC1 to PCn flow into the state model 93 and into the process model 94, in which case additional discrete physical and / or chemical properties and the process description supplement the state model to the process model.
  • the product properties of the cooking chemicals and from the process model 94 the product properties of the cooking liquid are derived. Now all chemical additives can be calculated and optimized in terms of the targeted cost savings.
  • FIG. 12 shows, as with appropriate evaluation and optimization software on the basis of a computer, the computer 105 from FIG. 1 be intervened in an existing process control system.
  • Optimized manipulated variables can be generated, which act as a process control system on a known automation device 100, which interacts with the actual system for carrying out the process.

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Paper (AREA)

Claims (27)

  1. Procédé de conduite des opérations et d'optimisation des opérations dans la récupération de produits chimique lors de la production de cellulose, en utilisant au moins un modèle d'état ou un modèle d'état et un modèle des opérations ayant les caractéristiques suivantes .
    a) on mesure en au moins un point des spectres continus de rayonnement électromagnétique sur les courants de produits chimiques,
    b) en exploitant les spectres continus, on forme des grandeurs ( PC1...PCn ) caractéristiques pour les courants de produits chimiques,
    c) à partir des grandeurs ( PC1...PCn ) caractéristiques et de mesures de laboratoire des concentrations de produits chimiques, on établit le modèle d'état et on établit, le cas échéant, en plus le modèle des opérations par des propriétés des opérations,
    caractérisé,
    en ce que, dans le stade b ) du procédé, on traite les spectres à l'avance et on les comprime, en ce que, dans le cadre d'une exploitation mathématique sur un nombre donné à l'avance de spectres, on effectue une analyse de composantes principales et pour réduire les données, on choisit un nombre correspondant d'indice de pertinence et on en ce que l'on en détermine les grandeurs caractéristiques pour la formation du modèle.
  2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on détecte des propriétés physiques et/ou chimiques discrètes en au moins un point sur les courants de produits chimiques.
  3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'on utilise des propriétés physiques et/ou chimiques discrètes pour l'établissement du modèle d'état et le cas échéant du modèle des opérations.
  4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue des mesures à des longueurs d'onde du rayonnement électromagnétique comprises entre 100 nm et 400 µm.
  5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'on détecte le rayonnement électromagnétique sous la forme d'un spectre d'absorption, d'un spectre d'émission, d'un spectre de luminescence ou d'un spectre Raman.
  6. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'on détecte le rayonnement électromagnétique en transmission, en réflexion directe ou diffuse ou en réflexion totale atténuée ( ATR ).
  7. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'on détecte comme propriété physique et/ou chimique discrète la conductivité électrique, le pH, la température, les débits, les concentrations en produits chimiques des courants de produits chimiques.
  8. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on choisit les valeurs caractéristiques spécifiques des spectres, notamment les composantes principales, et on les entre directement dans le modèle d'état.
  9. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit les grandeurs caractéristiques spécifiques des spectres, notamment les composantes principales, dans le modèle d'état et en ce que l'on forme les propriétés du produit à la sortie du modèle d'état et on les entre directement dans le modèle des opérations.
  10. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on élimine par un contrôle de vraisemblance des spectres qui ne conviennent pas à la formation du modèle.
  11. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on utilise des réseaux neuronaux et/ou une logique floue pour former le modèle.
  12. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue les mesures des spectres dans le procédé au sulfate, à la fois sur le carbonate de soude fondue et sur les courants aqueux de produits chimiques, comme la liqueur verte, la liqueur blanche et la liqueur noire.
  13. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue la mesure des spectres dans le procédé au sulfite, à la fois sur un courant de cendre et sur les cendres et sur les lessives acides de cuisson.
  14. Procédé suivant la revendication 12 ou revendication 13, caractérisé en ce qu'on tire partie, pour la commande et/ou la régulation de l'opération de récupération, des grandeurs caractéristiques obtenues en exploitant les spectres.
  15. Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce que, pour la commande et/ou la régulation de la récupération des produits chimiques, on modélise les paramètres de qualité du liquide de cuisson fini, notamment les concentrations en produits chimiques.
  16. Procédé suivant la revendication 15, caractérisé en ce que les mises en équation du modèle sont mises à profit, outre pour la prédiction de la qualité du produit, également pour le calcul des charges de produits chimiques.
  17. Procédé suivant la revendication 15, caractérisé en ce que l'on utilise, comme concentrations en produits chimiques décrivant l'opération de récupération de produits chimiques dans le procédé au sulfate, de la concentration d'alcali active, la sulfurité, la proportion de sulfate, ainsi que la proportion de Na2S, Na2CO3 et NaOH.
  18. Procédé suivant la revendication 15, caractérisé en ce qu'on utilise, comme concentration de produits chimiques décrivant l'opération de récupération de produits chimiques dans le procédé au sulfite, pour les acides, les concentrations totales en SO2, en HSO3 --, en SO2 ---, en S2O3 ---, en SO4 --- et, pour les bases, la concentration en MgO subdivisée en MgO calcinée et en MgO active.
  19. Procédé suivant la revendication 15, caractérisé en ce qu'on utilise la mise en équation du modèle ayant les paramètres de qualité dans l'optimisation des opérations.
  20. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on forme une fonction de coût que l'on optimise par un optimiseur par variation appropriée des grandeurs de réglage.
  21. Procédé suivant la revendication 19, caractérisé en ce que l'on effectue l'optimisation par des algorithmes génétiques.
  22. Procédé suivant la revendication 20, caractérisé en ce que l'on utilise comme fonction de coût une fonction de coût pour les coûts de production et/ou une fonction de profit.
  23. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérise en ce que l'on utilise un modèle dynamique pour contrôler les grandeurs de réglage optimisées par un modèle statique, en utilisant, comme modèle dynamique, notamment un réseau neuronal.
  24. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on fait subir au modèle et/ou aux sous-modèles un apprentissage en ligne.
  25. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on effectue, par un choix assisté par ordinateur de toutes les données apportant de l'information, un contrôle des résultats obtenus ( "novelty detection" ).
  26. Procédé suivant la revendication 25, caractérisé en ce que, présence de résultats qui ne sont pas cohérents, on effectue un réapprentissage.
  27. Dispositif pour effectuer le procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 26, constitué d'au moins un spectromètre ( 101, 102, 103 ), d'une unité de prétraitement et de compression des spectres, d'un ordinateur ( 105 ) numérique pour l'exploitation mathématique des spectres continus en vue du calcul des grandeurs ( PC1...PCn ) caractéristiques et de l'établissement du modèle d'état ou du modèle d'état et du modèle des opérations à partir des grandeurs ( PC1...PCn ) caractéristiques et, le cas échéant, des propriétés physiques et/ou chimiques discrètes comme propriétés des opérations, ainsi que d'un système ( 100 ) de conduite des opérations.
EP19990105545 1998-03-31 1999-03-18 Procédé et appareil pour le contrôle et l'optimisation du procédé de la récupération des substances chimiques pendant la production de cellulose Expired - Lifetime EP0947625B1 (fr)

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