Precyzyjna kontrola wilgotności w procesach papierniczych stanowi jeden z kluczowych czynników decydujących o jakości produktu, efektywności energetycznej oraz stabilności samej produkcji. Od poziomu zawilgocenia masy włóknistej, przez parametry w sekcji pras, aż po końcowe dosuszanie i kondycjonowanie w magazynie – każdy etap oddziaływania wody na włókna celulozowe wpływa na wytrzymałość, gramaturę, stabilność wymiarową oraz zachowanie się papieru w drukowaniu i dalszym przetwórstwie. Coraz ostrzejsze wymagania odbiorców, rozwój technologii pomiarowych i rosnące koszty energii sprawiają, że optymalizacja gospodarki wodno‑wilgotnościowej staje się jednym z głównych obszarów doskonalenia nowoczesnych zakładów papierniczych.

Znaczenie wilgotności w strukturze papieru i przebiegu procesu

Wilgotność papieru i masy papierniczej jest nierozerwalnie związana z ich budową oraz właściwościami mechanicznymi i optycznymi. Włókna celulozowe są materiałem silnie hydrofilowym; woda wnika w ich strukturę, pęcznieje ścianki włókien, modyfikując odległości między nimi oraz sposób tworzenia wiązań wodorowych. To z kolei przekłada się na szereg parametrów, które są kluczowe w ocenie jakości produktu końcowego.

Wyróżnić można kilka głównych rodzajów wody w układzie włókiennym:

• woda wolna – znajdująca się pomiędzy włóknami, relatywnie łatwo usuwalna mechanicznie i termicznie,
• woda kapilarna – związana w porach i kapilarach, trudniejsza do usunięcia w sekcji pras,
• woda związana – adsorbowana na powierzchni i w strukturze włókna, powiązana za pomocą sił fizykochemicznych, usuwana głównie na etapie suszenia termicznego.

Od proporcji tych rodzajów wody zależy przebieg odwadniania na sicie, skuteczność prasowania oraz ilość energii niezbędna do końcowego suszenia. Im wcześniej w procesie uda się obniżyć zawartość wody mechanicznie, tym mniejsze będą koszty cieplne w suszarni. Z tego powodu producenci poszukują takich konfiguracji urządzeń i strategii sterowania, które pozwolą równocześnie zachować wymaganą jakość papieru i zminimalizować zużycie energii.

Wilgotność odgrywa także rolę w kształtowaniu struktury arkusza. W czasie odwadniania następuje formowanie się sieci włóknistej, orientacja włókien w kierunku maszynowym, a także rozkład drobnych cząstek i wypełniaczy. Nierównomierne usuwanie wody może prowadzić do lokalnych różnic gęstości, tworzenia smug, plam czy mikroporów, które w druku objawiają się jako niejednorodności barwy, różnice w przyjmowaniu farby lub problemy z adhezją powłok.

Istotny jest też wpływ wilgotności na właściwości użytkowe: zbyt suchy papier bywa kruchy, bardziej podatny na pękanie podczas zginania i falcowania, natomiast zbyt wilgotny jest mniej sztywny, ma gorszą stabilność wymiarową oraz większą tendencję do falowania i falcowania brzegów. W środowisku drukarskim nadmierna wilgotność może zakłócać transport arkuszy lub roli, prowadzić do offsetu (odbijania farby) oraz trudności w utrzymaniu rejestracji.

Kontrola wilgotności jest więc nie tylko zagadnieniem laboratoryjnym, ale przede wszystkim narzędziem zarządzania całym procesem technologicznym. Wzajemne powiązania pomiędzy odwadnianiem, suszeniem, przepływem masy, doborem chemikaliów oraz parametrami powietrza halowego układają się w złożony system, który wymaga stałego monitorowania i optymalizacji.

Etapy procesu papierniczego a wymagania dotyczące wilgotności

Przebieg procesu produkcji papieru – od przygotowania masy, poprzez formowanie wstęgi, prasowanie i suszenie, aż po kalandrowanie i cięcie – można przeanalizować krok po kroku z punktu widzenia kontroli zawartości wody. Każdy etap posiada specyficzne cele wilgotnościowe i ograniczenia technologiczne, a błędy popełnione na wcześniejszych fazach często ujawniają się dopiero na końcu linii.

Przygotowanie masy włóknistej i wstępne odwadnianie

W sekcji przygotowania masy włóknistej operuje się zawartościami suchej substancji na poziomie kilku procent. Zadaniem jest odpowiednie rozwłóknienie, modyfikacja struktury włókien (np. poprzez szlifowanie), dozowanie wypełniaczy mineralnych, barwników, środków retencyjnych i innych dodatków chemicznych. Na tym etapie kontrola wilgotności polega przede wszystkim na utrzymaniu właściwego stężenia masy, które wpływa na reologię zawiesiny, równomierność rozprowadzania na sicie oraz efektywność chemikaliów.

Typowo stosuje się pomiary konsystencji (zawartości suchej masy) w kluczowych punktach instalacji – w mieszalnikach, kadziach masowych oraz przed skrzynką rozdzielczą. Utrzymywanie stabilnej konsystencji minimalizuje wahania przepływu, poprawia stabilność formowania wstęgi i zmniejsza ryzyko powstawania pasm o różnej gramaturze. W tej części procesu wilgotność jest więc rozumiana pośrednio jako odwrotność stężenia suchej substancji, a jej kontrola silnie oddziałuje na dalsze etapy odwadniania mechanicznego.

Formowanie wstęgi na sicie i odwadnianie grawitacyjno‑podciśnieniowe

Na odcinku sita masa o relatywnie niskim stężeniu trafia na ruchomą siatkę, gdzie rozpoczyna się intensywne odwadnianie. Woda jest usuwana pod wpływem grawitacji, działania skrzynek ssących, wałów próżniowych oraz ukształtowanych hydrodynamicznie elementów wspierających formowanie. W tym obszarze decyduje się w dużej mierze o jednorodności profilu poprzecznego i wzdłużnego wstęgi.

Z punktu widzenia wilgotności krytyczne jest:

• uzyskanie możliwie równomiernego profilu suchej substancji na szerokości maszyny,
• zapewnienie wystarczającej stabilności wstęgi, by można ją było wprowadzić do sekcji pras,
• kontrola ilości wody odprowadzanej przez poszczególne urządzenia próżniowe,
• minimalizacja lokalnych przeodwodnień, które prowadzą do różnic strukturalnych.

Chociaż zawartość suchej masy na wyjściu z sita jest nadal stosunkowo niska, każdy dodatkowy procent odwadniania mechanicznego oznacza znaczące oszczędności na dalszym etapie suszenia termicznego. Jednocześnie zbyt agresywne odwadnianie podciśnieniowe może prowadzić do zaburzeń struktury wstęgi, powstawania dziur, pęknięć czy wyciągania drobnych cząstek na powierzchnię, co ma negatywny wpływ na właściwości estetyczne i drukowe papieru.

Sekcja pras – kluczowy etap mechanicznego usuwania wody

Sekcja pras jest najbardziej efektywnym obszarem jeśli chodzi o mechaniczne usuwanie wody z wstęgi. Wstęga papieru przechodzi przez układ walców i filców, gdzie pod wpływem nacisku woda jest wyciskana i odprowadzana do systemu obiegowego. Tutaj zawartość suchej masy może wzrosnąć z kilkunastu do trzydziestu lub nawet czterdziestu kilku procent, w zależności od konstrukcji maszyny, rodzaju papieru i zastosowanej technologii prasowania.

Wysoka skuteczność prasowania jest korzystna energetycznie – im więcej wody zostanie usunięte wprasami, tym mniej pary wodnej będzie zużyte w suszarni. Jednak wzrost nacisku pras wiąże się z ryzykiem nadmiernej kompaktacji struktury, co może obniżyć porowatość, przepuszczalność i sztywność papieru. Ponadto nierównomierne dociski prowadzą do pasm o różnej gęstości, widocznych później jako pasy twarde lub miękkie w trakcie drukowania i cięcia.

Dlatego sterowanie pracą sekcji pras odbywa się z uwzględnieniem profilu wilgotności w poprzek wstęgi, pomiarów sił liniowych, stanu filców oraz parametrów próżni. Optymalizacja tego obszaru wymaga ścisłego powiązania danych z pomiarów on‑line z systemami regulacji ciśnień i prędkości, aby dążyć do równoczesnego spełnienia wymagań jakościowych i energetycznych.

Suszarnia cylindrowa i strefy dosuszania

Suszenie termiczne w sekcji suszarek jest najbardziej energochłonnym etapem procesu papierniczego. Wstęga jest prowadzona przez szereg ogrzewanych cylindrów suszących, często w obecności kapturów suszarniczych z kontrolowaną temperaturą i wilgotnością powietrza. W tym miejscu woda związana z włóknami jest usuwana w wyniku parowania, co wymaga doprowadzenia znacznej ilości energii cieplnej.

Kontrola wilgotności w suszarni dotyczy zarówno profilu wzdłużnego (zmiana zawartości wody na kolejnych grupach cylindrów), jak i poprzecznego (różnice na szerokości wstęgi). Zbyt intensywne suszenie w jednej strefie może doprowadzić do nadmiernego wysuszenia i naprężeń wewnętrznych, co objawi się jako skręcanie, falowanie lub pękanie. Z kolei niedosuszone obszary stwarzają ryzyko problemów w dalszej obróbce, zwłaszcza przy aplikacji powłok i w procesach drukarskich.

Nowoczesne systemy sterowania suszarniami wykorzystują regulację ciśnienia pary w cylindrach, prędkości obrotowej, intensywności nadmuchu w kapturach, a także czasem promienniki lub dodatkowe strefy IR. Kluczowym zadaniem jest osiągnięcie możliwie stabilnej i jednorodnej końcowej wilgotności wstęgi przy minimalnym zużyciu energii, z uwzględnieniem dynamicznych zmian warunków otoczenia oraz zmienności parametrów surowca.

Wykańczanie, magazynowanie i transport papieru

Po wyjściu z suszarni wstęga trafia zwykle do kalandra, gdzie pod wpływem ciśnienia i ewentualnie temperatury następuje wygładzanie powierzchni oraz modyfikacja grubości. Wilgotność ma tutaj istotny wpływ na podatność na odkształcenia powierzchniowe oraz na ryzyko pękania przy zbyt suchym papierze. Następnie papier jest nawijany na roli lub cięty na arkusze.

Na etapie gotowego produktu kluczową rolę odgrywa tzw. wilgotność równowagowa, związana z warunkami klimatycznymi w magazynie i w łańcuchu dostaw. Papier w kontakcie z powietrzem o danej temperaturze i wilgotności względnej dąży do osiągnięcia równowagi higroskopijnej. Jeżeli klimatyzacja magazynu jest niewłaściwie ustawiona, może dochodzić do powolnego pochłaniania lub oddawania wilgoci przez papier, co skutkuje zmianą wymiarów, falowaniem arkuszy i pogorszeniem parametrów drukowych.

Dlatego nowoczesne zakłady stosują systemy kontroli klimatu w halach gotowego wyrobu, a także procedury aklimatyzacji papieru przed drukiem – aby zminimalizować różnice wilgotności pomiędzy warunkami produkcji a środowiskiem pracy maszyny drukarskiej. W ten sposób można ograniczyć ilość odrzutów, przestojów oraz reklamacji związanych z deformacją papieru.

Metody pomiaru i systemy sterowania wilgotnością w przemyśle papierniczym

Skuteczna kontrola wilgotności wymaga połączenia precyzyjnych metod pomiarowych, odpowiednio zaprojektowanych systemów sterowania oraz rozumienia zjawisk fizykochemicznych zachodzących w układzie włókno–woda–powietrze. Dostępne rozwiązania pomiarowe obejmują zarówno techniki laboratoryjne, jak i zaawansowane systemy on‑line instalowane bezpośrednio na maszynach papierniczych.

Klasyczne metody laboratoryjne i ich znaczenie

Podstawową metodą oznaczania wilgotności papieru pozostaje suszenie próbki do stałej masy w suszarce laboratoryjnej. Mimo że jest to procedura czasochłonna, nadal stanowi punkt odniesienia dla kalibracji innych technik. Uzupełnieniem są szybkie metody, takie jak wagi halogenowe czy przyrządy działające na zasadzie pomiaru przewodności lub zmian właściwości dielektrycznych.

W laboratorium wykonuje się także bardziej zaawansowane analizy, w tym pomiary absorpcji pary wodnej w funkcji wilgotności względnej otoczenia, które pozwalają określić charakterystykę sorpcyjną danego rodzaju papieru. Dane te są wykorzystywane do przewidywania zachowania produktu w różnych warunkach klimatycznych, co ma znaczenie przy projektowaniu opakowań, wyrobów higienicznych czy papierów specjalistycznych.

Choć laboratoryjne metody pomiaru nie nadają się do bezpośredniego sterowania procesem w czasie rzeczywistym, pełnią istotną rolę w walidacji systemów on‑line, monitorowaniu trendów oraz w badaniach rozwojowych nad nowymi gatunkami papieru i recepturami masy.

Systemy pomiaru on‑line: radiometria, IR, mikrofale

W praktyce przemysłowej kluczowe znaczenie mają systemy pomiaru ciągłego, zainstalowane na liniach produkcyjnych. Najczęściej są to urządzenia skanujące, przesuwające się poprzecznie nad wstęgą, które umożliwiają budowę mapy rozkładu wilgotności na szerokości maszyny.

Do najpowszechniej stosowanych należą:

• czujniki radiometryczne (izotopowe lub rentgenowskie) – mierzące tłumienie promieniowania przez papier, co w połączeniu z pomiarem gramatury pozwala określić zawartość wody,
• czujniki w podczerwieni – wykorzystujące różnice w absorpcji promieniowania IR przez wodę i suchą substancję, nadające się szczególnie do pomiaru wilgotności powierzchniowej,
• czujniki mikrofalowe – analizujące zmiany właściwości dielektrycznych wstęgi pod wpływem zawartości wody, często stosowane w grubszych materiałach i tam, gdzie istotny jest pomiar objętościowy.

Systemy te dostarczają informacji o średniej wilgotności oraz o odchyleniach w profilu poprzecznym. Dzięki integracji z zaawansowanymi systemami sterowania możliwe jest aktywne korygowanie parametrów pracy suszarni, pras lub nawiewów, w celu uzyskania bardziej jednorodnego rozkładu wilgotności. Dane historyczne z takich pomiarów są również cennym źródłem informacji podczas analiz przyczyn ewentualnych wad produkcyjnych.

Integracja pomiarów wilgotności z systemami automatyki

Nowoczesne zakłady papiernicze opierają się na zintegrowanych systemach sterowania procesem (DCS, QCS), które łączą w sobie pomiary jakościowe (np. profil gramatury, wilgotności, popiół, grubość) z regulacją parametrów technologicznych (np. prędkości, temperatur, ciśnień). W takim środowisku pomiar wilgotności staje się jednym z głównych sygnałów do sterowania.

Typowe strategie sterowania obejmują:

• regulację wzdłużną – zmiana całkowitej mocy suszenia w zależności od średniej wilgotności wstęgi,
• regulację poprzeczną – sterowanie lokalnymi strefami grzewczymi, nawiewami lub natryskami wodnymi w celu wyrównania profilu na szerokości,
• sprzężenie z regulacją gramatury – ponieważ wilgotność i gramatura są ze sobą powiązane, zmiany w dopływie masy i wody muszą być koordynowane.

Zaawansowane algorytmy sterowania wykorzystują nie tylko klasyczne regulatory, ale również modele predykcyjne, które uwzględniają dynamikę odpowiedzi maszyny na zmiany nastaw. Pozwala to ograniczyć wahania parametrów oraz szybciej reagować na zakłócenia, takie jak zmiany jakości surowca, spadki temperatury mediów czy nagłe zmiany prędkości produkcyjnej.

Znaczenie klimatu otoczenia i gospodarki powietrzno‑parowej

Oprócz bezpośredniego pomiaru wilgotności wstęgi istotne jest monitorowanie i sterowanie wilgotnością oraz temperaturą powietrza w hali produkcyjnej i w suszarni. Układ powietrzno‑parowy ma bezpośredni wpływ na warunki parowania oraz na właściwości papieru po wyjściu z maszyny.

Kontrolowane są m.in.:

• temperatura i wilgotność względna powietrza w kapturach suszarniczych,
• podciśnienie w suszarni – wpływające na kierunek przepływu powietrza i emisje pary,
• temperatura i wilgotność hal magazynowych,
• bilans powietrza świeżego i obiegowego – decydujący o efektywności odzysku ciepła.

Odpowiednie sterowanie tymi parametrami umożliwia nie tylko stabilizację procesu suszenia, ale także redukcję zużycia energii dzięki rekuperacji ciepła oraz ograniczeniu strat przez nadmierną wentylację. Zapewnienie stabilnego klimatu wewnątrz zakładu wpływa również na komfort pracy obsługi i na trwałość elementów maszyn, wrażliwych na korozję i kondensację wilgoci.

Perspektywy rozwoju technologii kontroli wilgotności

Rosnące wymagania dotyczące efektywności energetycznej, jakości wyrobów oraz elastyczności produkcji sprzyjają rozwojowi nowych technologii pomiarowych i sterujących. W kierunku innowacji zmierzają m.in.:

• czujniki o wyższej rozdzielczości przestrzennej, pozwalające na bardziej szczegółowe mapowanie profilu wilgotności,
• systemy bezdotykowego obrazowania, łączące pomiar wilgotności z analizą struktury powierzchni,
• algorytmy oparte na analizie danych procesowych i uczeniu maszynowym, służące do predykcyjnego utrzymania ruchu oraz optymalizacji nastaw.

Zwiększa się także znaczenie integracji systemów kontroli wilgotności z bardziej złożonymi modelami całej linii technologicznej, obejmującymi przepływy masy, energii i mediów pomocniczych. Pozwala to szukać nowych punktów oszczędności i poprawiać stabilność procesu na poziomie całej fabryki, a nie tylko pojedynczej maszyny.

W rezultacie kontrola wilgotności w procesach papierniczych coraz częściej postrzegana jest nie jako lokalne zadanie pomiarowe, ale jako element całościowego zarządzania produkcją, obejmującego planowanie, jakość, utrzymanie ruchu oraz efektywność energetyczną. Takie podejście sprzyja długofalowej konkurencyjności zakładów papierniczych oraz lepszemu wykorzystaniu surowców i zasobów energetycznych.