Hệ thống màng lọc tại nhà máy Grande Prairie giúp giảm 76% năng lượng tiêu thụ nhờ giám sát dịch đen trực tuyến của Vaisala.

Trong ngành bột giấy và giấy, việc xử lý dịch đen luôn là một trong những công đoạn tiêu tốn nhiều năng lượng nhất. Dự án hợp tác giữa Vaisala và Via Separations đã mở ra hướng đi mới với công nghệ màng lọc tiên tiến, giúp giảm đáng kể nhu cầu sử dụng hơi nước, tối ưu vận hành và cắt giảm phát thải CO₂.

Tại nhà máy International Paper Grande Prairie, hệ thống màng lọc thương mại đầu tiên của Via Separations đã chứng minh khả năng giảm tới 76% mức tiêu thụ năng lượng so với phương pháp bay hơi truyền thống. Thành công này có sự đóng góp quan trọng từ giải pháp giám sát nồng độ dịch đen trực tuyến bằng khúc xạ kế Vaisala.

Bài toán tối ưu hóa quá trình cô đặc dịch đen trong nhà máy bột giấy

Dịch đen là sản phẩm phụ có tính kiềm cao của quy trình sản xuất bột giấy kraft và là một trong những loại chất lỏng khó đo lường nhất. Chất lỏng này có độ nhớt cao, tính ăn mòn mạnh, chứa các hợp chất hữu cơ từ gỗ cùng nhiều hóa chất vô cơ, với độ pH khoảng 13 và nhiệt độ có thể lên tới 82°C. Trong quá trình sản xuất, dịch đen được đưa qua nhiều công đoạn từ nấu và rửa bột, đến bay hơi và cuối cùng là lò thu hồi. Trước khi được đốt để thu hồi năng lượng và hóa chất, hàm lượng chất rắn hòa tan trong dịch đen phải được tăng từ khoảng 15% lên hơn 70%, đòi hỏi quá trình cô đặc chính xác và hiệu quả.

Hệ thống màng Via làm cô đặc sơ bộ dịch đen để giảm tải cho thiết bị bay hơi.

Các hệ thống bay hơi thông thường cô đặc dịch đen bằng cách đun sôi để tách nước, một quy trình tiêu tốn rất nhiều năng lượng và hơi nước. Trong nhà máy bột giấy, thiết bị bay hơi thường là một trong những bộ phận sử dụng hơi nước nhiều nhất và cũng là điểm nghẽn phổ biến trong sản xuất. Khi giảm chất rắn ở thượng nguồn, hệ thống bay hơi thường khó đáp ứng kịp, làm ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định vận hành.

Nhận thấy tiềm năng cải tiến đáng kể, Via Separations đã phát triển công nghệ màng lọc dựa trên vật liệu graphene oxide. Thay vì làm bay hơi nước bằng nhiệt, hệ thống sử dụng màng lọc để tách nước trực tiếp khỏi dịch đen. Các thử nghiệm trước đó cho thấy giải pháp này có thể giúp giảm đáng kể chi phí năng lượng và chi phí vận hành. Tuy nhiên, do chưa từng được áp dụng ở quy mô thương mại nên việc chứng minh hiệu quả thực tế của công nghệ trở thành yêu cầu quan trọng hàng đầu.

Khúc xạ kế Vaisala đóng vai trò trung tâm trong hệ thống giám sát

Để đánh giá hiệu suất của công nghệ màng lọc, Via Separations cần một giải pháp đo lường có khả năng hoạt động liên tục trong môi trường dịch đen khắc nghiệt, đồng thời cung cấp dữ liệu chính xác theo thời gian thực. Sau quá trình đánh giá, doanh nghiệp đã lựa chọn khúc xạ kế quy trình Vaisala PR23SD nhờ khả năng đo hàm lượng chất rắn hòa tan tổng số (TDS) với độ tin cậy cao.

Trong hệ thống cô đặc dịch đen của Via, ba khúc xạ kế Vaisala được lắp đặt tại các vị trí chính để theo dõi hiệu suất toàn bộ quy trình theo thời gian thực:

1. Giám sát dòng dịch đầu vào (feed) đi vào hệ thống màng lọc.
2. Theo dõi độ đặc (concentrate) đi ra khỏi hệ thống màng lọc.
3. Đo chất thẩm thấu (tách nước sạch) để xác nhận chất lượng nước sau quá trình lọc.

Công nghệ màng lọc của Via Separations giúp tiết kiệm chi phí, giảm phát thải và cải thiện hiệu quả vận hành. Với thiết kế mô đun linh hoạt, hệ thống là bước tiến đáng kể so với các giải pháp tách truyền thống trong ngành.

Các khúc xạ kế Vaisala sử dụng công nghệ đo quang học để xác định hàm lượng chất rắn hòa tan tổng số (TDS) thông qua việc đo độ khúc xạ của ánh sáng trong dòng dịch. Giá trị này có mối tương quan trực tiếp với nồng độ chất rắn hòa tan, giúp theo dõi chính xác quá trình cô đặc dịch đen theo thời gian thực. Thiết bị được thiết kế để hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt của ngành bột giấy, bao gồm nhiệt độ cao, độ kiềm mạnh và hàm lượng sợi lớn, những điều kiện thường gây khó khăn cho nhiều công nghệ đo lường khác.

Một trong những yêu cầu quan trọng của Via Separations là hệ thống phải vận hành liên tục với thời gian hoạt động gần như tuyệt đối và ít cần sự can thiệp của con người. Nhờ cơ chế tự làm sạch, các cảm biến Vaisala luôn duy trì độ chính xác cao và giảm đáng kể nhu cầu bảo trì. Kết hợp với độ bền đã được chứng minh của màng lọc Via, có thể hoạt động tới 18 tháng, giải pháp này mang lại hiệu suất ổn định và độ tin cậy cao trong vận hành thương mại.

Kết quả: Hiệu suất đáng tin cậy được chứng minh ở quy mô thương mại

Hệ thống màng lọc của Via Separations tại nhà máy Grande Prairie được xây dựng trong vòng 10 tháng, với hơn 600 mô-đun màng lọc được tích hợp vào dây chuyền của International Paper mà không làm gián đoạn sản xuất. Hệ thống chính thức vận hành từ tháng 5/2024.

Dữ liệu giám sát liên tục từ các khúc xạ kế Vaisala đã xác nhận hiệu quả của công nghệ, cho thấy hệ thống giảm tới 76% năng lượng tiêu thụ cho mỗi gallon nước được tách ra so với phương pháp bay hơi truyền thống. Mức tiết kiệm này tương đương với việc cắt giảm 1 tấn CO₂ sau mỗi 80 phút vận hành, hoặc khoảng 6.500 tấn CO₂ mỗi năm đối với một hệ thống thế hệ thứ hai. Nhờ đó, Via Separations đã chứng minh thành công tính khả thi và hiệu quả của công nghệ màng lọc ở quy mô thương mại.

Lợi ích về năng lượng: biểu đồ so sánh mức tiêu thụ điện năng của hệ thống màng lọc với quá trình bay hơi.

Bên cạnh việc giảm tiêu thụ năng lượng, dữ liệu giám sát liên tục từ Vaisala còn giúp Via Separations hiểu rõ hơn về hiệu suất màng lọc trong các điều kiện vận hành khác nhau. Kết quả cho thấy khi hàm lượng chất rắn của dịch đen giảm, hệ thống có thể tạo ra lưu lượng chất thẩm thấu cao hơn tới 93%, đặc biệt hữu ích trong các giai đoạn khởi động lại hoặc khi nhà máy cần tăng năng lực tách nước.

Việc theo dõi liên tục hàm lượng chất rắn hòa tan tổng số (TDS) còn cho phép đánh giá tình trạng màng lọc theo thời gian thực, từ đó tối ưu hóa quy trình vệ sinh, tần suất làm sạch và lượng hóa chất sử dụng. Nhờ vậy, khi triển khai ở quy mô lớn, hệ thống có thể giúp tiết kiệm tới hàng triệu đô la chi phí hóa chất mỗi năm.

Bên cạnh đó, tuổi thọ màng lọc đã được chứng minh lên tới 18 tháng khiến độ chính xác của cảm biến Vaisala trở nên đặc biệt quan trọng. Các cảm biến có khả năng phát hiện những thay đổi rất nhỏ trong khả năng giữ lại chất hòa tan của màng theo thời gian, thông qua các biến động nhỏ về TDS ở dòng cô đặc hoặc lưu chất thẩm thấu. Đây là những tín hiệu mà chỉ các thiết bị đo có độ chính xác cao mới có thể ghi nhận đáng tin cậy.

Khả năng xây dựng các đường cong hiệu chuẩn riêng cho từng dòng công nghệ cũng góp phần nâng cao độ chính xác của phép đo. Do hệ thống màng lọc của Via loại bỏ các thành phần trong dịch đen theo từng giai đoạn, thành phần của các dòng trung gian có thể khác đáng kể so với dòng đầu vào. Việc hiệu chuẩn dựa trên các mẫu thực tế giúp đảm bảo kết quả đo luôn phản ánh đúng điều kiện vận hành.

Trong năm đầu tiên, hệ thống đã tích lũy hơn 10.000 giờ vận hành với tỷ lệ thời gian vận hành trên 90%. Dữ liệu TDS liên tục từ Vaisala đã giúp Via Separations chứng minh hiệu suất và độ tin cậy của công nghệ, góp phần giảm thiểu rủi ro cho lần triển khai thương mại đầu tiên và tăng niềm tin của khách hàng đối với giải pháp.

Thành công của dự án Grande Prairie đã chứng minh rằng công nghệ màng lọc có thể giải quyết hiệu quả một bài toán từng được xem là khó khả thi trong ngành bột giấy. Trong bối cảnh nhiều hệ thống bay hơi tại Bắc Mỹ đã vận hành hàng chục năm và đang cần được thay thế, giải pháp của Via Separations mang đến một lựa chọn hấp dẫn với chi phí đầu tư thấp hơn, hiệu quả năng lượng cao hơn và khả năng vận hành linh hoạt hơn.

Dự án cũng cho thấy vai trò quan trọng của công nghệ đo lường trong việc thúc đẩy đổi mới công nghiệp. Nhờ khả năng giám sát liên tục và chính xác của các khúc xạ kế Vaisala, Via Separations không chỉ chứng minh được hiệu quả của công nghệ màng lọc mà còn thu thập được dữ liệu giá trị để tối ưu hóa vận hành và khám phá thêm các cơ hội cải tiến quy trình.

Khi mở rộng triển khai tại các nhà máy bột giấy khác và các ngành công nghiệp liên quan, hệ thống giám sát của Vaisala tiếp tục là nền tảng quan trọng giúp đảm bảo hiệu suất ổn định và được xác thực bằng dữ liệu thực tế. Đối với các doanh nghiệp đang tìm cách giảm phát thải, tiết kiệm năng lượng hoặc khắc phục các hạn chế về công suất, dự án Grande Prairie là minh chứng rõ ràng rằng công nghệ cô đặc dịch đen bằng màng lọc hoàn toàn khả thi, đáng tin cậy và mang lại giá trị kinh tế rõ rệt.

Nguồn: https://www.vaisala.com/en/case/vaisala-and-separations-measuring-success-advanced-black-liquor-technology