纸张多烘缸干燥过程建模与智能模拟技术研究进展

总结纸张干燥过程建模与智能模拟技术的研究进展，为建立纸张干燥过程系统模型，实现智能模拟纸张干燥生产过程并最终助力传统造纸工业转型升级、实现智能制造，积累技术力量。

关键词：纸张干燥；过程建模与模拟；智能模拟

中图分类号：TS7

文献标识码：A

DOI：10.11981/j.issn.1000-6842.2018.04.64

2016年3月，来自谷歌的AlphaGo围棋程序在与韩国围棋九段棋手李世石决战5轮之后，最终以4∶1击败了后者，获得了人机大战的胜利。智能技术从默不作声的后台，高调走向大庭广众，被人们所广泛认知。其实，早在上世纪六七十年代，智能算法及其相关技术的研究就已经开始了[1]，经过近60年的发展，智能技术取得了巨大进步，呈爆发增长之势。作为工业4.0时代的关键技术，智能技术日益成为新一轮工业革命的引擎，深刻影响国际产业竞争的格局。2015年5月，我国国务院印发“中国制造2025”，部署全面推进、实施制造强国战略，并提出智能制造是“中国制造2025”的主攻方向。

造纸工业是一个与国民经济发展和人类文明建设息息相关的传统基础原料产业。2017年，我国纸和纸板产量达11130万t，消费量10897万t，均居世界第一[2]。如何助力造纸工业转型升级、实现智能制造？国外造纸服务商已走在了前面，如Voith提出的造纸工业4.0概念，ABB研发的ServicePort工具等。华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室刘焕彬团队在构建智能造纸企业方面做了探索，提出了实现制浆造纸企业智能化的8个基础技术[3]：①过程自动化、信息化技术，②数据信息的采集与传送技术，③新一代互联网技术，④数据组织和存储技术，⑤数据挖掘与分析技术，⑥建模与智能模拟技术，⑦预测与协调优化技术，⑧数据安全技术。笔者认为，①～④和⑧是“外部技术”，主要取决于社会科技进步和信息技术发展；⑤～⑦是“内部技术”，主要取决于对制浆造纸过程原理的认知水平，其中建模与智能模拟技术是最核心的内部技术。

纸产品主要通过造纸机来生产制造，生产过程包括浆料准备、成形、压榨和干燥等主要工序。干燥因其体积最大、固定资产投资最大、能源消耗最高，被认为是最关键的工序。因此，本研究选择纸张干燥过程作为切入点，总结纸张干燥过程建模与智能模拟技术的研究进展，为建立纸张干燥过程系统模型，实现智能模拟纸张干燥生产过程并最终助力传统造纸工业转型升级、实现智能制造，积累技术力量。

1纸张干燥工艺

1799年，法国人LouisRrobert发明了连续抄纸机后，直到1816年连续抄纸机才装配有烘缸，实现了连续生产干纸品的生产工艺。纸张干燥工艺多种多样，根据传热所涉及的機理不同，大致可划分为：①以热传导为主的烘缸干燥；②以对流传热为主的冲击干燥和穿透干燥；③以辐射传热为主的红外干燥；④以电磁加热为主的微波干燥和高频干燥；各种干燥工艺应用占比情况见表1[4]；传统的多烘缸干燥是目前应用最为广泛的干燥工艺，约占总干燥类型分布的85%～90%。虽然烘缸干燥工艺有蒸发速度小、设备投资高、占地面积大等缺点，但其技术成熟、可适用于多种纸种，仍是目前最为经济稳定的干燥方式之一。本研究涉及的纸张干燥过程建模与智能模拟技术主要针对传统多烘缸干燥工艺。

2纸张干燥机理与过程建模研究进展

早在1921年，国外学者Lewis[5]通过机理和实验相结合的方式研究了固体干燥问题，总结出无热源条件下固体干燥的Lewis方程。纸浆的干燥，始于Sherwood[6]在1930年的研究，其通过实验研究发现，纸浆干燥有较为明显的“恒速”和“减速”两个干燥阶段，并提出内部水分扩散受限是纸浆减速干燥的主要原因。Nissan等[7-8]是研究纸张多烘缸干燥过程的先驱，其用二阶偏微分方程和适当边界条件定量描述了烘缸干燥的4个干燥区，这种烘缸干燥的分区方式被众多学者沿用至今。Heikkil[9]以涂布白纸板为对象，通过实验获得纸张干燥等温吸附线模型，并利用Clausius-Clapeyron方程推演出纸张减速干燥阶段的吸附热估算模型，该估算模型被后辈学者广泛应用到纸张干燥过程模型中。瑞典的LundUniversity在纸张干燥过程建模方面做了比较系统的研究。Wilhelmsson等[10-11]梳理了20个用于描述纸张多烘缸干燥过程的数学模型，还对模型中的传热系数展开过实验研究，并最终基于一维非稳态导热方程建立了纸张多烘缸干燥的数学模型。Nilsson等[12-15]研究了纸张干燥过程中水的扩散机理，并且结合实际生产数据，研究了纸张干燥模型中传热传质系数的估算方法。Karlsson[4，16]对纸张干燥机理与过程建模做了较为系统的研究，并主持编写了制浆造纸技术系列丛书中的纸张干燥分册《Book9：PapermakingPart2，Drying》。Sltteke[17]以前人模型为基础，对纸张干燥过程运行优化控制进行了研究，主要包括蒸汽-冷凝水系统的压力控制和纸张纵向水分控制两个方面。kesson等[18]在Sltteke的基础上开发了纸张干燥过程模型求解器DryLib，为研究纸张干燥过程运行优化控制问题提供了一个很好的工具。韩国学者Chang等[19-20]以及Hoe等[21]用实际生产数据对纸张干燥模型进行了应用研究，验证了模型模拟用以指导生产的可行性。

刘焕彬团队一直以“造纸过程模拟与优化”作为该团队的重点研究方向之一，在造纸过程计算机模拟软件开发方面也做了大量研究。早在1989年，刘焕彬和刘明旭[22]对纸张干燥过程耗热量与通风量的模拟计算进行了研究。曹旭光等[23]探讨了造纸过程计算机模拟求解方法，即序贯模块法。方奕文[24]以纸张干燥过程为研究对象，在DOS系统下开发了纸张干燥过程模拟器PAMS。刘金星等[25]在方奕文的研究基础上，将PAMS兼容到Windows系统下成为WinPAMS。周艳明[26]对WinPAMS的开发环境进行了升级，提出了一种集成物流、能流和流分析的纸张干燥过程建模方法。林治作[27]对纸张干燥机理以及纸张干燥过程机理建模方法进行了研究，采用一个二元偏微分方程组描述了纸张在干燥过程中温度与湿度变化的问题，并通过测定烘缸与空气边界条件实现了模型的数值求解。孔令波[28]在林治作的研究基础上，根据实际生产过程的物理特点以及传热和传质耦合现象，将纸张干燥过程描述为一个常微分方程的初值问题和一个偏微分方程的边界值问题，并对这两个问题进行了有限差分求解，完善了林治作提出的模型，但是模型求解仍然需要测定空气边界条件。陈晓彬等[29-30]在孔令波的研究基础上，从纸张干燥传热与传质机理出发，以生产过程中容易获取的过程变量作为模型输入，建立了纸张干燥系统模型并开发了模型求解器PDS.Lab，该模型求解不需要测定烘缸和空气边界条件，而后以此为工具探索了纸张干燥过程能效运行优化问题。李继庚等[31-35]集成团队的研究成果应用于实践，开发了造纸企业能量管理平台MEOP，并对造纸企业怎样实现智能制造做了初步探索。此外我国其他学者也做过相关研究，如沈胜强[36]和卢涛[37]利用多孔介质干燥机理对纸张干燥过程的传热传质进行了分析并建立了纸张干燥过程模型。宫振祥和田临林等[38-39]对干燥部进行了热平衡计算研究。董继先等[40]也对干燥部有过相关研究，主要集中在纸机干燥部热力系统方面。周强等[41]从纸张干燥过程的机理出发，建立了纸张干燥的数学模型，并采用遗传算法对烘缸干燥曲线进行了优化。张辉[42]在造纸装备与节能减排方面做了大量研究。姚新跃[43]从控制角度出发对纸机干燥部热风交换系统建立了零位控制模型。

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