制漿造紙工業(yè)的節(jié)能技術(shù)

鄺仕均

(中國(guó)制漿造紙研究院,北京,100020)

制漿造紙工業(yè)的節(jié)能技術(shù)

鄺仕均

(中國(guó)制漿造紙研究院,北京,100020)

簡(jiǎn)要介紹了制漿造紙工業(yè)已經(jīng)采用或有可能采用的一些節(jié)能技術(shù)。

制漿造紙工業(yè);節(jié)能技術(shù)

在低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代,節(jié)能已成為制漿造紙工業(yè)的重要課題。全球制漿造紙工業(yè)已經(jīng)或正在致力開發(fā)各種技術(shù),想方設(shè)法降低能耗。本文所列是制漿造紙工業(yè)已經(jīng)采用或有可能采用的一些節(jié)能技術(shù),制漿造紙企業(yè)可根據(jù)自身情況考慮采用或從中得到借鑒和啟示。

1 制 漿

1.1 化學(xué)法制漿

1.1.1 添加蒸煮助劑提高制漿得率

制漿過程添加化學(xué)助劑可以促進(jìn)藥液滲透,使得蒸煮均勻,從而可以增加制漿得率,降低噸漿能耗,降低原料消耗,提高生產(chǎn)效率。其中蒽醌化合物是常用的蒸煮助劑。近年也在開發(fā)新的助劑,例如美國(guó)能源部資助的化學(xué)藥品 Chemstone OAE-11的研發(fā),據(jù)報(bào)道,這種助劑既可用于闊葉木也可用于針葉木,可以防止細(xì)小纖維被過度蒸煮[1]。使用這種助劑由于縮短蒸煮時(shí)間,每蒸煮 1 t木片可以節(jié)能 132 MJ,同時(shí)還可以使得率增加 2%～5%,減少篩渣、漂白藥品用量及含硫化合物排放。磷酸酯是另一種新的蒸煮助劑,在硫酸鹽蒸煮中加入這種助劑可以提高木素脫除率[2],從而提高得率和漂白漿白度,并保護(hù)紙漿的黏度。采用這種助劑估計(jì)可節(jié)能 8%～10%,得率約增加 4%～6%。

1.1.2 連續(xù)蒸煮控制系統(tǒng)

改進(jìn)蒸煮器性能可以明顯減少生產(chǎn)損失、操作成本和對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響,同時(shí)可以提高紙漿的產(chǎn)量和質(zhì)量?？刂葡到y(tǒng)可以使生產(chǎn)工藝優(yōu)化。例如,美國(guó)能源局贊助的一個(gè)計(jì)算機(jī)模型,用來計(jì)算各種木片通過連續(xù)蒸煮器時(shí)的物料平衡、能量平衡和擴(kuò)散模擬,有助于強(qiáng)化工藝的改進(jìn)。這種模型在 Texas一家工廠第一次應(yīng)用就使得制漿工藝的溫度有所降低,從而節(jié)約能耗約 1%。

1.1.3 間歇蒸煮器改造

較小的工廠要安裝較大的間歇蒸煮器,操作上可能并不是很有效率;特種漿廠和那些需要生產(chǎn)各種不同紙漿的工廠也不適合采用連續(xù)蒸煮。對(duì)于間歇蒸煮有幾種方法可以降低能耗,如間接加熱和冷噴放[3]。間接加熱是用 1根中央管把蒸煮液從蒸煮鍋抽出,經(jīng)過外部一個(gè)熱交換器,再從兩個(gè)不同位置送回蒸煮鍋內(nèi)。這可以減少直接蒸汽用量,估計(jì)可以節(jié)能 3165 MJ/t漿。但是這需要有熱交換器的額外維修費(fèi)用。對(duì)于冷噴放系統(tǒng),是在蒸煮結(jié)束時(shí)用未漂漿洗漿廢液把熱蒸煮廢液置換出來,蒸煮廢液的熱被回收用于隨后的蒸煮加熱,可以減少用來加熱蒸煮藥液和木片的蒸汽用量?；厥盏暮谝嚎梢杂脕眍A(yù)熱和浸漬裝鍋的木片,或加熱白液或過程用水。據(jù)估計(jì)對(duì)日產(chǎn) 1000 t的工廠,每年可節(jié)能約 200萬美元,但這一措施需要增加的設(shè)備費(fèi)用也較高 (如泵,黑液貯槽等)。

1.1.4 蒸煮鍋噴放閃蒸熱回收

在硫酸鹽化學(xué)漿廠,熱漿和蒸煮液在放鍋時(shí)會(huì)產(chǎn)生蒸汽。對(duì)于間歇蒸煮,蒸汽一般以熱水形式貯存在槽內(nèi);對(duì)于連續(xù)蒸煮,抽出的黑液流到一個(gè)槽內(nèi)進(jìn)行閃蒸。這些過程所回收的熱可以用來預(yù)汽蒸木片,加熱水甚至蒸發(fā)黑液。Georgia-Pacific公司位于 Arkansas州 Crossett工廠進(jìn)行能源審計(jì)時(shí),建議該廠兩條平行間歇蒸煮生產(chǎn)線改進(jìn)噴放熱回收。當(dāng)時(shí)該廠用 1個(gè)冷卻塔將噴放蒸汽收集槽過量的熱除去,用 1個(gè)蒸汽加熱器產(chǎn)生熱水用于漂白車間。審計(jì)組建議安裝新的熱交換器重新布置水流管線,這樣可以關(guān)閉冷卻塔和蒸汽加熱器,估計(jì)可節(jié)省可觀的燃料和天然氣,每年可節(jié)省 235萬美元,1年就可以收回投資費(fèi)用?；莺霉驹谌A盛頓州的 Longview工廠建議增加蒸煮熱回收系統(tǒng),估計(jì)每年可節(jié)約天然氣費(fèi)用達(dá) 28萬美元。

1.2 機(jī)械法制漿

1.2.1 木材微波處理

用微波處理原木段,可使木材內(nèi)的木素軟化,降低 T MP制漿能耗。Scott等人[4]認(rèn)為高功率微波處理黑云杉生產(chǎn) T MP漿可節(jié)能 15%,還可以改進(jìn)紙漿質(zhì)量。但經(jīng)微波處理所得紙漿要加強(qiáng)漂白才能獲得所需白度,雖然增加了漂白成本但由于能夠節(jié)省能耗和改善紙漿質(zhì)量,因此還是經(jīng)濟(jì)的。初步估計(jì) 20 kW和50 kW的微波處理系統(tǒng)投資分別為 750萬美元和 1250萬美元。

1.2.2 生物處理

用霉菌或酶處理木片可以軟化木材內(nèi)的結(jié)合,使制漿過程能耗降低。Swaney等人[5]進(jìn)行的中試項(xiàng)目已達(dá)到 50 t規(guī)模。在機(jī)械制漿以前木片經(jīng)過生物處理,由于能明顯提高紙漿強(qiáng)度性能,明顯降低能耗(可以降低磨漿能耗 33%),生物制漿顯示明顯優(yōu)勢(shì)。木片經(jīng)篩選以后加熱到 100℃已達(dá)到滅菌作用,然后在室溫下冷卻后加入霉菌和營(yíng)養(yǎng)物。再把木片堆垛存放 1～4周,天氣和季節(jié)性因素對(duì)處理效果十分重要。由于木片必須堆放 4周,工廠的場(chǎng)地可能成為問題。這一技術(shù)還未見有工廠應(yīng)用的報(bào)道。

1.2.3 盤磨機(jī)的改進(jìn)

在加拿大魁北克一家新聞紙廠采用盤磨機(jī)控制策略,以減少超高得率亞硫酸鹽漿的游離度波動(dòng),由于降低電機(jī)負(fù)荷,每噸產(chǎn)品節(jié)電 51.3 kWh[6]。磨漿處理設(shè)置方面則將原來用的盤磨機(jī)改為錐形精漿機(jī)。此外,通過把磨漿濃度從 50%降至 30%,對(duì)于 T MP和RMP工藝而言,可以節(jié)電 7%～15%[7]。Martin等人[3]估計(jì)機(jī)械磨漿通過這些改進(jìn)節(jié)電可達(dá) 11%。

1.2.4 從整體能耗考慮優(yōu)化磨漿

無論是原生纖維還是再生纖維都要通過磨漿以獲得纖維的最佳性質(zhì),但是磨漿同時(shí)會(huì)增加纖維的保水值,這會(huì)使網(wǎng)部脫水能力下降,從而增加了干燥部的蒸汽消耗,保水值增加有可能導(dǎo)致每噸紙能耗增加30～40美元[8]。因此,對(duì)于磨漿操作的優(yōu)化策略,應(yīng)把保水值考慮進(jìn)去。

1.2.5 熱制漿

這是 T MP工藝的變種,從第一段磨漿機(jī)出來的漿在熱混合器內(nèi)和隨后的第二段磨漿機(jī)內(nèi)進(jìn)行短時(shí)間的高溫處理。第一段磨漿機(jī)內(nèi)的溫度低于木素軟化溫度。在第二段磨漿機(jī)內(nèi),較高的操作壓力減少了所產(chǎn)生蒸汽的體積流量。與其他節(jié)能技術(shù)不同的是,這一方法的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)需要直接由操作人員接通或斷開。但缺點(diǎn)是白度稍有降低,撕裂指數(shù)也略有下降。據(jù)估計(jì)這種方法可使 T MP的比能耗節(jié)約達(dá) 20%[9-10]。

1.2.6 RTS制漿

RTS表示短停留時(shí)間、高溫、高速的制漿方法。這一工藝主要是通過提高第一段磨的旋轉(zhuǎn)速度來減少能量消耗,這導(dǎo)致停留時(shí)間減少,盤磨間隙較小,有更高的磨漿強(qiáng)度。木片進(jìn)行第一段高速磨漿之前在160℃高溫下處理短暫時(shí)間,使得單位磨漿能耗下降而不降低紙漿質(zhì)量,白度還可以提高 1個(gè)百分點(diǎn)[11-13]。據(jù)估計(jì),單位能耗要比傳統(tǒng)磨漿系統(tǒng)降低 15%。有人甚至認(rèn)為增加 T MP盤磨轉(zhuǎn)速可以降低能耗達(dá) 15%～30%,這取決于磨盤形式和磨漿機(jī)類型。RTS漿的強(qiáng)度略好于 T MP漿,而它們的光學(xué)性能相似。

1.2.7 T MP熱回收

熱磨機(jī)械法制漿產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品蒸汽,這些低壓蒸汽常被污染,但它們的大部分熱能可以通過熱回收設(shè)備回收用于其他工藝過程。熱回收的途徑:①對(duì)于一個(gè)綜合工廠來說可以采用機(jī)械再次增壓,所產(chǎn)生的潔凈蒸汽可以用于紙機(jī)干燥部;②用熱交換器加熱的水用于紙機(jī),或作為鍋爐補(bǔ)給水;③用于重沸器產(chǎn)生潔凈的過程用蒸汽;④其他設(shè)備如熱蒸汽再次增壓,熱泵系統(tǒng)等?，F(xiàn)代化新的 T MP廠都帶有熱回收系統(tǒng),估計(jì)壓力磨漿系統(tǒng)典型熱回收系統(tǒng)每噸漿可以通過熱回收產(chǎn)生 1.1～1.9 t潔凈蒸汽用于干燥部,投資回收期最快的幾個(gè)月,但運(yùn)行費(fèi)用和維修費(fèi)用明顯增加。

2 紙漿的洗、選、漂

2.1 改進(jìn)未漂漿洗滌

傳統(tǒng)的洗滌技術(shù)是由 3～4個(gè)鼓式真空洗漿機(jī)組成一個(gè)系列,而先進(jìn)的洗漿系統(tǒng)用壓力擴(kuò)散或洗滌壓榨來代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法。據(jù)報(bào)道,這些系統(tǒng)能更有效地把漿洗凈,且用更少的電耗、蒸汽和漂白藥品。尤其是洗滌壓榨有更好的效果,且已在工廠廣為應(yīng)用,估計(jì)采用這些先進(jìn)的洗滌系統(tǒng)生產(chǎn) 1 t漿可節(jié)能 10 MJ,12 kWh電。

2.2 未漂漿蒸汽循環(huán)洗漿機(jī)

據(jù)統(tǒng)計(jì)目前美國(guó)紙漿洗滌設(shè)備平均年齡為 45年,因此開發(fā)和采用新的更有效的洗漿技術(shù)可以提供明顯的節(jié)能機(jī)會(huì)。美能源部資助開發(fā)了一種采用逆流洗滌、蒸汽和高壓力差的新型蒸汽循環(huán)洗漿機(jī)。因?yàn)榭稍跐{層濃度高達(dá) 28%～32%的條件下進(jìn)行洗滌,比傳統(tǒng)洗漿機(jī)節(jié)約用水 70%～75%。結(jié)果使電耗下降達(dá) 21%,而未漂漿生產(chǎn)所需燃料能耗下降 40%。這一技術(shù)正在處于示范和商業(yè)化過程中。

2.3 ClO2熱交換

C lO2溶液在送去漂白車間使用之前通常被冷卻以獲得最大的 ClO2濃度。但是在 ClO2進(jìn)入混合器之前進(jìn)行預(yù)熱,可以降低漂白車間的蒸汽用量,因此這是一個(gè)重要的節(jié)能環(huán)節(jié)?？梢栽谳斔?ClO2的回路上安裝熱交換器,用再生熱源進(jìn)行預(yù)熱。如在 Crossett工廠審計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn),可以用冷凝器的供水來預(yù)熱 ClO2。該廠有兩個(gè)冷凝器為 ClO2車間提供冷水,每個(gè)冷凝器把 21℃井水冷卻至 7℃。建議采用一個(gè)預(yù)冷凝器,可以采用來自漂白車間的 10℃的 ClO2溶液來冷卻送來的井水,而同時(shí)對(duì) ClO2溶液進(jìn)行預(yù)熱,由此可減少漂白車間的蒸汽消耗。

2.4 漂白車間廢水熱回收

漂白車間廢水含有大量的熱量,如果不回收便排放會(huì)被浪費(fèi)掉,可以安裝熱交換器來回收這些熱,產(chǎn)生熱水。Geoyia-Pacific公司位于 Arkansas州的 Crossett廠在審計(jì)時(shí)建議安裝熱交換器回收漂白車間廢水的熱,產(chǎn)生的熱水供紙機(jī)使用。估計(jì)投資 160萬美元,每年可節(jié)能 939 TJ,約 240萬美元,大約 0.7年可回收投資費(fèi)用。

3 紙機(jī)系統(tǒng)

3.1 連續(xù)水力碎漿

漿板碎漿通常是間歇進(jìn)行,如果改成連續(xù)式,由于提高過程效率可以達(dá)到節(jié)能目的,據(jù)估計(jì)通過減少碎漿電機(jī)功率,可能節(jié)能達(dá) 40%。

3.2 優(yōu)化成形部和壓榨部脫水

紙機(jī)運(yùn)行過程中,水分依次在網(wǎng)部、壓榨部和干燥部被脫除。據(jù)經(jīng)驗(yàn),在壓榨部脫除 1 kg水所需的能量是在成形部的 5倍,而在干燥部脫除 1 kg水所需的能量是成形部的 25倍,因此應(yīng)盡量在干燥部前脫水。許多紙機(jī)在成形部脫水都不盡理想,其原因包括設(shè)備的限制,低、高真空脫水元件處的儀表和控制配置不足或是欠維護(hù)。比較舊的紙機(jī)常常有過量的高真空元件,這會(huì)增加真空系統(tǒng)工作動(dòng)力,增加成形毛毯牽引負(fù)荷,從而增加傳動(dòng)動(dòng)力。

紙幅離開網(wǎng)部和壓榨部以后再濕的可能性應(yīng)引起注意,紙幅再濕會(huì)增加干燥部的能耗。研究表明,對(duì)所生產(chǎn)的紙種選用合適的毛毯是十分重要的,這可以減少再濕現(xiàn)象。當(dāng)紙機(jī)產(chǎn)品變換時(shí),優(yōu)化毛毯的選擇也很重要。此外,優(yōu)化紙幅路徑和毛毯路徑的幾何形狀同樣重要,使它們?nèi)弑M量分開以減少再濕。為減少紙幅離開長(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)和壓輥時(shí)的再濕,對(duì)伏輥和真空輥使用雙重刮刀是個(gè)有效的辦法。

與成形部一樣,壓榨部的優(yōu)化有助于提高干燥部前的脫水。壓榨水平衡能提供有價(jià)值的信息,這些信息表明水分是在壓榨部什么地方被擠出的。但是許多紙機(jī)不具有可以從真空箱和壓輥壓區(qū)測(cè)量水分的合適儀表。壓榨有很多變量,不可能有單獨(dú)一套參數(shù)能對(duì)所有紙種都?jí)赫サ阶畲竺撍潭取Ｔ谠O(shè)計(jì)允許條件下壓區(qū)負(fù)荷應(yīng)最大化,而且對(duì)輥面的包覆材料 (從軟到硬)和輥面的形式 (帶孔的、波紋的或是其他形式的)都應(yīng)是整個(gè)壓榨部研究的一部分。此外,應(yīng)考慮毛毯設(shè)計(jì)的改變,在采取優(yōu)化過程每一步都應(yīng)經(jīng)過試驗(yàn)。一般而言當(dāng)紙幅通過壓榨部,它的溫度下降,因而要采取措施保持它出壓榨時(shí)的溫度,甚至提高溫度。出壓榨紙頁溫度升高 8℃,烘缸用蒸汽可節(jié)約 4%。此外較高的壓榨溫度可以改進(jìn)紙料的脫水,從而進(jìn)一步減少烘缸用蒸汽。用溫度較高的壓榨噴淋水 (超過 54℃),或者在真空箱添加蒸汽噴嘴,使蒸汽在真空開孔處被吸進(jìn)毛毯,都可以提高紙幅溫度。最后應(yīng)再次強(qiáng)調(diào),在壓榨部紙幅不應(yīng)發(fā)生再濕或者應(yīng)把再濕減小至最低程度。

3.3 夾網(wǎng)成形

夾網(wǎng)成形器是替代長(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)的另一種成形器,又可以分為刮刀式成形器、輥式成形器和輥式-刮刀式成形器,當(dāng)紙料在兩個(gè)夾網(wǎng)之間脫水后形成紙幅,輥?zhàn)?、刮刀或真空把紙幅過量的水除去。成形部很短,紙幅成形時(shí)間僅為長(zhǎng)網(wǎng)成形的幾分之一,可在高車速下生產(chǎn)出相同勻度質(zhì)量的紙張。結(jié)合壓榨部的改造或者提高干燥能力,可使紙機(jī)產(chǎn)能增加 30%。夾網(wǎng)紙機(jī)的節(jié)能主要來自電耗減少,而且還可以提高質(zhì)量,據(jù)估計(jì)每噸紙可以節(jié)電 40 kWh[14]。據(jù) AF&PA估計(jì),包括網(wǎng)前箱在內(nèi)每 2.54 cm網(wǎng)寬設(shè)備費(fèi)用夾網(wǎng)約為 7.550萬美元,而長(zhǎng)網(wǎng)約為 3.075萬美元。

3.4 靴壓

靴壓可以加大壓區(qū),同時(shí)增加紙幅在壓區(qū)的停留時(shí)間,這可以擠壓出更多的水 (水脫除量約增加 5%～7%),可以達(dá)到 35%～50%的干度,從而減少干燥部能耗,減少蒸汽消耗。如果干燥能力不足,由于降低干燥部負(fù)荷,這種方法還可以使車間產(chǎn)能增加25%,靴壓還可以增加紙幅濕強(qiáng)度。估計(jì)通過安裝靴壓可節(jié)省蒸汽達(dá) 2%～15%左右,這取決于產(chǎn)品和車間布置。在某生活用紙車間采用 X-N IP T靴壓,干燥能耗減少 15%[15]。

3.5 先進(jìn)的烘缸控制

美國(guó)制漿造紙工業(yè)所用的蒸汽、電和直接燃料大約有 50%用在造紙過程,造紙過程所耗熱能大部分用在紙機(jī)干燥部上。因此造紙節(jié)能大都和改進(jìn)干燥過程效率、回收干燥過程廢熱有關(guān)。控制系統(tǒng)是眾所周知的優(yōu)化工藝參數(shù),降低能耗,提高生產(chǎn)率,改進(jìn)工藝過程質(zhì)量的手段。其中烘缸控制系統(tǒng)的一個(gè)例子是烘缸管理系統(tǒng)控制軟件,據(jù)報(bào)道它可以提供烘缸系統(tǒng)設(shè)置點(diǎn)和過程參數(shù)的先進(jìn)控制,以減少蒸汽用量,提高生產(chǎn)效率[16]。這一技術(shù)的幾個(gè)研究案例已見諸報(bào)道。Stora Enso的一臺(tái) Voith低定量涂布紙機(jī)有兩組機(jī)內(nèi)涂布頭,安裝了烘缸管理系統(tǒng)軟件后,由于降低了能耗,減少了維修費(fèi)用和提高了生產(chǎn)率,每年可節(jié)省 26.3萬美元。

3.6 露點(diǎn)控制

烘缸罩內(nèi)水蒸氣的露點(diǎn)決定熱交換效率,但受排氣扇安裝的影響。應(yīng)測(cè)定和控制紙機(jī)烘缸罩內(nèi)水蒸氣的露點(diǎn)水平,以優(yōu)化干燥過程。烘缸罩工況的優(yōu)化提供更好的質(zhì)量控制,使產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定。

3.7 多通道烘缸

據(jù)報(bào)道,由Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的多通道烘缸,相對(duì)于傳統(tǒng)烘缸生產(chǎn)能力可提高 50%,而相對(duì)于裝有擾流棒的烘缸生產(chǎn)能力可提高 20%。傳統(tǒng)烘缸在缸內(nèi)有冷凝水,成為傳熱障礙。新式多通道烘缸在和烘缸內(nèi)表面很近的地方裝有比較小的通道,由于明顯減小冷凝水層厚度和增加烘缸表面溫度而提高熱交換效率,這一技術(shù)可在技改時(shí)采用,所需費(fèi)用僅是新裝烘缸的 20%,多通道烘缸目前正在中試。

3.8 Condebelt干燥

1996年第一臺(tái) Condebelt干燥器在芬蘭投入應(yīng)用,隨后于 1999年在韓國(guó)應(yīng)用。這種干燥方式是在一個(gè)干燥室內(nèi),紙幅和連續(xù)的熱鋼帶直接接觸,該鋼帶用蒸汽或熱風(fēng)加熱,紙幅的水分通過金屬帶加熱被蒸發(fā)掉[17]。這種干燥技術(shù)有可能完全取代傳統(tǒng)的紙機(jī)干燥部,比傳統(tǒng)蒸汽干燥效率高 5～15倍。但這種干燥方式不適用于定量高的紙張,而且至今在美國(guó)還很少應(yīng)用。盡管干燥區(qū)域可以縮小,但投資費(fèi)用也比較高。據(jù)估計(jì)這一技術(shù)可節(jié)省蒸汽消耗 15%,電耗亦稍有下降 (20 kWh/t紙)。

3.9 空氣沖擊干燥

空氣沖擊干燥技術(shù)是將 300℃的熱空氣高速噴向濕紙幅上,這種技術(shù)蒸汽消耗少,但電耗稍有增加,最有可能用于涂布紙的干燥,但也可以取代傳統(tǒng)蒸汽烘缸用于一般紙張。據(jù)估計(jì),沖擊干燥比傳統(tǒng)燃?xì)饣蚣t外干燥技術(shù)可節(jié)省蒸汽 10%～40%,電耗卻增加5%。因此,這種方法牽涉到熱能和電能應(yīng)用的平衡,而這種平衡程度因設(shè)備而異,因此凈能耗的節(jié)省還應(yīng)根據(jù)不同設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證。

3.10 紙張燃?xì)飧稍?/h3>

氣體技術(shù)研究所 (GTI)和美國(guó)能源部合作正在開發(fā)新的紙張干燥方法,這可能大大提高效率。這種燃?xì)夂娓紫到y(tǒng)在烘缸內(nèi)用小凹坑進(jìn)行燃燒,這可取代目前的蒸汽烘缸,蒸汽烘缸的干燥能力限制了它的生產(chǎn)率。新技術(shù)明顯增加烘缸溫度 (超過 316℃),因此增加干燥速率,從而可以降低能耗,紙機(jī)產(chǎn)量估計(jì)可增加 10%～20%。這一技術(shù)的關(guān)鍵在于擴(kuò)散燃燒可以高度回收熱來預(yù)熱燃燒空氣。

3.11 脈沖干燥

脈沖干燥可把進(jìn)入干燥部的紙幅水分提高到38%,因而可明顯地降低干燥部能耗。脈沖干燥是在一個(gè)高溫轉(zhuǎn)動(dòng)輥 (150～500℃)和一個(gè)固定的凹面輥之間用很短的接觸時(shí)間進(jìn)行壓榨,其壓力大約比在干燥部和 Condebelt干燥的壓力高 10倍[17]。據(jù)估計(jì)干燥用蒸汽可節(jié)約 50%～75%。還有報(bào)道認(rèn)為這一技術(shù)可以降低投資費(fèi)用,增加紙機(jī)生產(chǎn)能力,提高產(chǎn)品強(qiáng)度,減少纖維用量,增加廢紙纖維用量。但是迄今為止的中試結(jié)果表明,這一技術(shù)的能源效率改進(jìn)十分有限,還有待進(jìn)一步研究。

3.12 真空系統(tǒng)優(yōu)化

每臺(tái)紙機(jī)都有若干個(gè)真空泵和一個(gè)真空系統(tǒng)。真空系統(tǒng)所用的動(dòng)力和整臺(tái)紙機(jī)傳動(dòng)的動(dòng)力幾乎一樣。但是如果真空系統(tǒng)效率低會(huì)使得脫水時(shí)所需的電能和蒸汽增加,提高能源效率有很大空間。如對(duì)加拿大14臺(tái)紙機(jī)進(jìn)行審計(jì)以后發(fā)現(xiàn),通過真空系統(tǒng)的改造,改變操作甚至拆除一些真空泵,有可能節(jié)省 3.5 MW電力。這 14臺(tái)紙機(jī)用于真空系統(tǒng)的動(dòng)力總共為 37 MW,紙機(jī)傳動(dòng) 34 MW。

有時(shí)是存在過量的真空能力,因?yàn)橄到y(tǒng)是新的,在操作上會(huì)有明顯的變化,這樣會(huì)對(duì)真空系統(tǒng)的性能和要求有影響。過了一段時(shí)間,紙料、化學(xué)藥品、網(wǎng)前箱濃度、留著、成形和壓榨毛毯的變化都會(huì)對(duì)真空的要求和真空系統(tǒng)的性能有影響。一個(gè)最近的例子是,對(duì)一臺(tái)最近改造安裝了新壓榨的紙機(jī)調(diào)研發(fā)現(xiàn),不適當(dāng)?shù)恼婵湛刂坪瓦^度真空度引起許多問題,認(rèn)為可以通過拆除一些真空泵或降低一些真空泵速度,整個(gè)真空系統(tǒng)有可能節(jié)省 522 kW。

4 化學(xué)品回收

4.1 優(yōu)化稀釋因子控制

在提取黑液時(shí)優(yōu)化稀釋因子控制可以減少從稀黑液蒸發(fā)的水量,從而減少蒸發(fā)器的蒸汽消耗。稀釋因子可以通過控制最后一段洗漿的噴淋水量達(dá)到一個(gè)最佳值來優(yōu)化,這一最佳噴淋水量是從蒸汽費(fèi)用、漂白藥品費(fèi)用、廢水質(zhì)量等方面考慮所決定的。惠好公司在華盛頓州 Longview的漿紙廠一個(gè)改進(jìn)蒸煮器洗滌和降低稀釋因子的項(xiàng)目,估計(jì)每分鐘可節(jié)省 0.9 m3水,每年節(jié)省 327 TJ天然氣。

4.2 黑液濃縮

黑液濃縮器用來增加黑液濃度,以便送去回收爐燃燒。燃燒濃度高的黑液可以減少在回收爐內(nèi)的水蒸發(fā)。目前應(yīng)用的主要有兩種濃縮器:浸管式和降膜式。浸管式濃縮器 (Submerged tube concentrator)黑液在浸管內(nèi)循環(huán),黑液只被加熱并不蒸發(fā),然后黑液在濃縮器蒸發(fā)器的蒸發(fā)室間閃蒸,進(jìn)行蒸發(fā)[18]。投資費(fèi)用包括濃縮器、輸送黑液和蒸汽用的管道和泵。

管式降膜蒸發(fā)器的操作幾乎和傳統(tǒng)升膜蒸發(fā)器一樣,只不過它們的黑液流向相反,由于黑液流下的速度更快,泡沫又以相反方向流動(dòng),使得這種蒸發(fā)器不易結(jié)垢,可以產(chǎn)生高濃黑液 (高達(dá) 70%,而非傳統(tǒng)的 50%)。美國(guó)一家日產(chǎn) 900 t的漿紙廠安裝了黑液濃縮器把黑液濃度由 73%增加至 80%,每年可節(jié)約費(fèi)用 90萬美元。

4.3 黑液氣化

黑液在美國(guó)制漿造紙工業(yè)所消耗的燃料中占很大比例,硫酸鹽漿廠一般用 Tomlinson回收鍋爐燃燒黑液回收化學(xué)藥品并產(chǎn)生蒸汽,發(fā)電。這種鍋爐通常效率很低,約為 65%～70%。所謂黑液氣化是指通過把黑液中的有機(jī)物加工轉(zhuǎn)化成潔凈的合成氣,后者可用在鍋爐,或者用在聯(lián)合循環(huán)過程產(chǎn)生電能或過程用蒸汽。當(dāng)堿回收爐能力不足而成為生產(chǎn)瓶頸時(shí),黑液氣化器可以用作堿回收爐的補(bǔ)充。黑液氣化器和聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用可取代傳統(tǒng)的堿回收爐系統(tǒng),并為石灰窯提供燃料,甚至還可生產(chǎn)汽車用燃料或氫。黑液氣化有兩種主要形式,即低溫/固相和高溫 /熔融相,氣化過程所產(chǎn)生的燃料氣體需要清潔以除去雜質(zhì),供動(dòng)力系統(tǒng)和回收制漿化學(xué)藥品用。

低溫氣化是以常壓下的硫化床為基礎(chǔ),溫度在700℃或以下,低于無機(jī)鹽熔點(diǎn),無機(jī)物中含有大部分來自黑液的焦炭。碳酸鈉用作硫化床介質(zhì),它可被沉淀出來再用。

高溫氣化發(fā)生在壓力 2.5 MPa和溫度 950℃以上,在無機(jī)物熔點(diǎn)之上,藥品以熔融態(tài)被回收。更高的溫度會(huì)導(dǎo)致更高的碳轉(zhuǎn)化率,但也會(huì)引起反應(yīng)器更嚴(yán)重的腐蝕。合成氣用水急冷 (產(chǎn)生低壓蒸汽)和清潔,然后送去透平機(jī)燃燒。第一套高溫鼓風(fēng)黑液氣化器生產(chǎn)裝置已于 1997年在北卡New Bern的惠好公司安裝[19]。

黑液氣化的優(yōu)點(diǎn)是得到的氣態(tài)燃料有更大的終端應(yīng)用靈活性,可以減少空氣污染物含量。與標(biāo)準(zhǔn)回收爐蒸汽透平機(jī)系統(tǒng)相比,聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)能產(chǎn)生更高的電-熱比。與堿回收系統(tǒng)相比,氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的缺點(diǎn)包括要獲得足夠高黑液濃度所需要的能量投資,而且石灰窯和苛化器的負(fù)荷會(huì)更高。此外因?yàn)槁?lián)合循環(huán)系統(tǒng)比蒸汽透平系統(tǒng)能有效產(chǎn)生電能,氣化聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的堿回收爐系統(tǒng)需要更多的燃料才能滿足工廠相同的蒸汽要求。但是這額外的燃料應(yīng)用也會(huì)產(chǎn)生更多的電以供本廠用或售給電網(wǎng)。

有研究認(rèn)為,在熱動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上,高效的堿回收爐系統(tǒng)在產(chǎn)生蒸汽和電力方面要比生產(chǎn)規(guī)模的低溫氣化系統(tǒng)效率更高;但認(rèn)為生產(chǎn)規(guī)模的高溫氣化系統(tǒng)要比高效的堿回收爐系統(tǒng)更有效率。

4.4 綠液直接用于制漿

這一技術(shù)是在制漿前用綠液預(yù)處理木片。綠液富含氫硫根離子,這可以加促制漿。這種利用綠液的方式已在芬蘭的工廠應(yīng)用過。據(jù)報(bào)道可以增加得率,紙漿的強(qiáng)度提高,紙漿更易漂白。蒸煮用堿量可以減少50%,石灰窯的負(fù)荷可以減少 30%,能耗可降低25%。估計(jì)這一技術(shù)很快便能工業(yè)化應(yīng)用。

4.5 富氧石灰窯煅燒

富氧燃燒是為增加燃燒效率而開發(fā)的技術(shù),已在采用高溫燃燒工藝的工業(yè)部門以不同形式被應(yīng)用。富氧石灰窯燃燒可以使燃料用量減少 7%～12%[20]。據(jù)報(bào)道,應(yīng)用富氧技術(shù)的投資不高,只需進(jìn)氣管道、氧氣噴槍和控制儀表[21],投資回收期估計(jì)為 1～3年。

4.6 石灰窯改造

石灰窯可以通過幾項(xiàng)改造來降低能耗?？梢园惭b高效過濾器以降低進(jìn)料的水分,從而減少蒸發(fā)能耗;可以用高效耐火磚以減少熱輻射損失,據(jù)估計(jì)用新型高效耐火磚可使石灰窯能耗節(jié)約達(dá) 5%?？梢詮氖液褪腋G排氣回收熱量來預(yù)熱進(jìn)窯的白泥和空氣。據(jù)估計(jì)[3],通過結(jié)合應(yīng)用上述措施每噸產(chǎn)品節(jié)能達(dá)496 MJ,同時(shí),還可以提高綠液的石灰回收率,減少工廠外購石灰量。

4.7 石灰窯靜電除塵器

石灰窯的濕法煙氣洗滌器可以用靜電除塵器取代,從而節(jié)省水電。靜電除塵器把石灰窯的粉塵收集起來,直接送回石灰窯,無需增加白泥過濾器的負(fù)荷;相反濕法洗滌器要求經(jīng)過白泥過濾器后才能回用廢水,消耗不少用水。據(jù)估計(jì),白泥進(jìn)料水分每降低1% (通過添加干灰),石灰窯能耗可以減少約46 GJ。白泥干度由 70%增加至 75%,每噸石灰可以少用燃料 422 MJ[8]。

4.8 回收爐采用改進(jìn)過的復(fù)合材料管

回收鍋爐有很多管,壓力水在其中循環(huán)產(chǎn)生蒸汽,這些管通常由碳鋼制造,但往往會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕致使管壁變薄,有時(shí)甚至損壞,因而有必要尋找更為先進(jìn)的管材合金。美能源部支持的研究項(xiàng)目開發(fā)出新的焊接涂層和共擠壓成管的合金,這些先進(jìn)的合金使得處理高濃黑液成為可能,增加鍋爐熱效率,減少停機(jī)時(shí)間,這些新型復(fù)合管已在美國(guó) 18家硫酸鹽漿廠回收爐上應(yīng)用,自從 1996年工業(yè)化以來累計(jì)節(jié)能4853 TJ[22]。

4.9 回收鍋爐沉積監(jiān)控

控制好回收鍋爐傳熱面上的沉積物,可保證更高的運(yùn)行效率,由于避免堵塞而減少停機(jī)時(shí)間,檢修日程更具預(yù)見性。一種手提紅外檢測(cè)系統(tǒng)已被開發(fā)用來早期檢測(cè)有故障的設(shè)備 (管漏或損壞的吹灰器)和爐渣的生成,以防沖擊損害并使沉積物變硬前清掃掉。據(jù)報(bào)道,這一系統(tǒng)能夠提供充滿顆粒粉塵鍋爐的內(nèi)部清晰圖像,能夠檢測(cè)燃燒室內(nèi)任何地方。2005年美國(guó)有 69家單位使用這一系統(tǒng),自 2002年應(yīng)用以來由于減少吹灰蒸汽的應(yīng)用,節(jié)能達(dá) 1477 TJ。

4.10 四次通風(fēng)

在美國(guó),大多數(shù)堿爐有三段通風(fēng),但很少有應(yīng)用第三段的。通過充分應(yīng)用第三段通風(fēng)并增加一個(gè)第四段通風(fēng)入口,可以減少飛灰和管道結(jié)垢,從而可以減少回收爐清洗次數(shù)。因?yàn)榭杀苊忮仩t的停機(jī)和重新點(diǎn)火,從而達(dá)到節(jié)能目的。

5 廢紙制漿

5.1 增加廢紙漿的應(yīng)用

廢紙漿生產(chǎn)所消耗的能量平均來說明顯比機(jī)械木漿和化學(xué)木漿少。根據(jù)美國(guó)林紙協(xié)會(huì)數(shù)據(jù),約有 200家美國(guó)工廠僅用廢紙生產(chǎn)紙漿,美國(guó)大約 80%的紙廠以不同方式應(yīng)用廢紙,美國(guó)的制漿造紙工業(yè)不斷增加廢紙利用,進(jìn)一步降低和原生漿生產(chǎn)相關(guān)的能耗。不過廢紙漿會(huì)產(chǎn)生污泥,需要加以處理。

5.2 高效碎漿機(jī)轉(zhuǎn)子

通過用計(jì)算流體力學(xué)模擬研究碎漿機(jī)轉(zhuǎn)子和紙漿之間的相互作用,提出新的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)從而優(yōu)化了動(dòng)力消耗。據(jù)報(bào)道,用一個(gè)優(yōu)化過的新轉(zhuǎn)子代替原有的轉(zhuǎn)子,可以使轉(zhuǎn)子電機(jī)能耗減少 10%～30%。Wausan Paper在威斯康辛 Rhinelander的一家工廠安裝并試用一個(gè)新的 373 kW高效碎漿機(jī)轉(zhuǎn)子,電力消耗可以下降 23%。用相同的碎漿時(shí)間所產(chǎn)生的漿料質(zhì)量和用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子一樣;Canfor在大不列顛哥倫比亞 Prince George的 Northwood硫酸鹽漿廠試用一個(gè)新的高產(chǎn)能、空氣動(dòng)力、可變速的碎漿機(jī)轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)允許在低速下運(yùn)轉(zhuǎn),但仍然可以有效地清潔碎漿機(jī)的篩孔,這種新型轉(zhuǎn)子可以使電力消耗減少達(dá) 50%以上。

5.3 轉(zhuǎn)鼓式碎漿機(jī)

通常用于廢紙碎漿。該設(shè)備較緩和的機(jī)械作用使得污染物能保持完整狀態(tài),而且能耗比傳統(tǒng)機(jī)械碎漿機(jī)低,用水較少,減少對(duì)纖維的切斷。有分析認(rèn)為,脫墨漿生產(chǎn)線用連續(xù)轉(zhuǎn)鼓式碎漿機(jī)取代間歇式碎漿機(jī),單位能耗可下降 25%以上。

5.4 廢紙漿分級(jí)

安德里茲公司曾試驗(yàn)過在脫墨生產(chǎn)線上把廢紙漿長(zhǎng)、短纖維分級(jí),這使脫墨線有可能被簡(jiǎn)化 (比傳統(tǒng)脫墨漿線投資減少 13%～22%),電能和熱能分別減少 11%～13%和 40%[23]。這一措施已在瑞士的Perlen Paper新聞紙廠試用。

5.5 電動(dòng)液壓除去污染物

廢紙漿中的膠黏物會(huì)明顯降低產(chǎn)品的質(zhì)量。一項(xiàng)由美國(guó)能源局贊助的示范項(xiàng)目表明,一種新的污染物去除技術(shù)可以有效去除這類污染物。這是基于水中放電的原理,在除渣和篩選過程用電火花放電來強(qiáng)化篩選及除渣過程的膠黏物去除效率,從而增加浮選脫墨的效率[24]。這個(gè)方法已在 Appleton Papers、Stora Enso等公司的幾家紙廠進(jìn)行試驗(yàn),認(rèn)為所觀察到的膠黏物去除、浮選、凈化的改進(jìn)導(dǎo)致在去除污染物和凈化設(shè)備的直接能耗下降 10%～15%。

5.6 脫墨廢水的熱回收

通常廢紙漿廠排放的脫墨廢水溫度都比較高,這可以回收低能級(jí)的熱量。在廢水回路裝上熱交換器可以回收這些熱量用于水的加熱。某工廠有 3臺(tái)紙機(jī)生產(chǎn)新聞紙和特種紙,以 60%來自舊報(bào)紙和舊雜志紙的纖維為原料,工廠綜合廢水溫度約為 49℃,流量為 2.7 m3/min,使用熱交換器可以產(chǎn)生加熱經(jīng)過濾的紙機(jī)噴淋水,這可以節(jié)省工廠蒸汽用量。

6 其 他

6.1 激光-超聲波紙幅挺度傳感器

Lawrence Berkeley國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員已開發(fā)出一種新型激光超聲波傳感器,可以用來在線測(cè)量紙幅的彎曲挺度和撕裂強(qiáng)度這兩項(xiàng)重要性能。傳統(tǒng)的做法是每當(dāng)一軸紙下機(jī)后對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè),如果指標(biāo)不合標(biāo)準(zhǔn),整輥紙便要回抄或作為次品處理。新的激光-超聲波傳感器可以實(shí)時(shí)測(cè)量這些重要物理性能,這可使生產(chǎn)者優(yōu)化生產(chǎn)出合格產(chǎn)品所需的原料量。據(jù)此,美國(guó)每年大約在能源方面節(jié)省 2億美元,在纖維方面節(jié)省 3.3億美元。這一技術(shù)已通過生產(chǎn)試驗(yàn)。在工廠試驗(yàn)中,由于這一技術(shù)能使紙機(jī)在更接近產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)下運(yùn)行,可使定量下降 2%,而必須要回收的不合格部分可減少 1% (這可減少重新處理廢紙所用的能耗),工廠總的能耗可以下降 3%。

6.2 先進(jìn)的纖維填料

礦物填料通常在紙品生產(chǎn)中取代部分木材纖維。由于紙張強(qiáng)度和質(zhì)量的要求,加填一般是限制在15%～20%?，F(xiàn)在正開發(fā)出新的無機(jī)纖維填料,可以把加填量增加至 50%,在許多產(chǎn)品中可以保持其強(qiáng)度和質(zhì)量。據(jù)報(bào)道,使用填料可使噸紙生產(chǎn)能耗降低,其原因一方面是減少紙漿的用量,另一方面由于可以增加壓榨干度而減少干燥能耗。

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Energy Sav ing Technologies for Pulp and Paper I ndustry

KUANG Shi-jun
(China National Pulp&Paper Research Institute,Beijing,100020)

Some energy saving technologies,which have been used or have application potential in pulp and paper industry,were briefly introduced.

pulp and paper industry;energy saving technology

TS7

A

0254-508X(2010)10-0056-08

(E-mail:ksj@cnppri.com.cn)

2010-06-26

(責(zé)任編輯:郭彩云)