熱泵在造紙工業(yè)節(jié)能減排中的應(yīng)用

劉俊杰

（天津科技大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，天津，300222中國(guó)制漿造紙研究院，北京，100020）

熱泵在造紙工業(yè)節(jié)能減排中的應(yīng)用

劉俊杰

（天津科技大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，天津，300222中國(guó)制漿造紙研究院，北京，100020）

對(duì)熱泵的原理及特點(diǎn)等進(jìn)行了介紹，并詳細(xì)地闡述了其在造紙行業(yè)幾個(gè)能源消耗較大的節(jié)點(diǎn)，包括紙機(jī)干燥部、化學(xué)制漿黑液蒸發(fā)、化學(xué)機(jī)械制漿高濃廢水高效預(yù)濃縮等方面應(yīng)用的節(jié)能減排效果。

熱泵 節(jié)能減排 制漿 造紙

熱泵蒸發(fā)裝置有節(jié)能效果，且適于在較小溫差下工作，因而引起國(guó)內(nèi)外的廣泛重視。特別是70年代西方世界能源危機(jī)以來，能源價(jià)格猛漲，而且蒸汽價(jià)格比電價(jià)增長(zhǎng)得快，這就使得熱泵蒸發(fā)節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益的重要性更為顯著。熱泵不僅用于核工業(yè)、食品、制藥以及溶劑回收，還用于能源消耗較大的造紙工業(yè)，在造紙工業(yè)中應(yīng)用的熱泵主要為噴射型吸收式熱泵和壓縮型開路循環(huán)式熱泵。

造紙工業(yè)雖然沒有列入“高能耗、高污染”的六大行業(yè)中，但節(jié)能減排仍是造紙工業(yè)一項(xiàng)重要和緊迫的工作，能否降低造紙工業(yè)的能源消耗成為造紙工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。在造紙工業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要數(shù)種不同壓力等級(jí)的蒸汽作為生產(chǎn)用汽，但是熱源能提供的蒸汽壓力一般比較單一，目前普遍采用的供熱方式是對(duì)蒸汽進(jìn)行節(jié)流減壓的方式。節(jié)流減壓式供熱造成熱能的無效貶值和浪費(fèi)，蒸汽噴射泵技術(shù)能有效利用高品位蒸汽的熱能，進(jìn)行供熱蒸汽的壓力匹配，回收廢蒸汽，使蒸汽熱能得到充分利用，起到節(jié)能作用。另外，在制漿造紙過程中產(chǎn)生大量的二次低壓蒸汽，難以直接應(yīng)用于生產(chǎn)，通過壓縮型熱泵提高蒸汽的壓力及溫度重新用于生產(chǎn)而達(dá)到回用水平，降低新鮮蒸汽的耗量，達(dá)到顯著的節(jié)能效果。

1 熱泵的工作原理

根據(jù)逆向卡諾循環(huán)的理論基礎(chǔ)，結(jié)合壓縮型開路循環(huán)式熱泵的特點(diǎn)，其基本工作原理就是使被蒸發(fā)的料液所產(chǎn)生的二次蒸汽，經(jīng)過壓縮機(jī)的絕熱壓縮，使其壓力、溫度有所上升，熱焓也有所增加，然后使其作為加熱蒸汽再送回蒸發(fā)器的加熱室與被蒸發(fā)的料液進(jìn)行熱交換，使料液得到繼續(xù)蒸發(fā)，而蒸發(fā)本身則被凝結(jié)成水再加以利用，從而節(jié)省了大量的熱能，提高了熱效率，簡(jiǎn)而言之，以少量的高值能，如機(jī)械功、電能等，通過熱力循環(huán)，把大量的低溫位熱能轉(zhuǎn)化成為有用的高溫位熱能加以利用。

該原理可以從蒸汽的焓－熵圖來解釋，見圖1。

圖1 水蒸汽焓（I）—熵（S）圖

從蒸發(fā)器出來的二次蒸汽狀態(tài)為A，此時(shí)的狀態(tài)參數(shù)為，壓力 P1＝1.0 大氣壓，溫度 t1＝100℃，熱焓I1＝639Kcal/kg。如果壓縮機(jī)對(duì)汽體做功。經(jīng)絕熱壓縮dq＝0，即等熵過程，S＝常數(shù)，ds＝＝0，二次蒸汽由狀態(tài)A沿等熵線變化，把壓力提高到P2＝1.5大氣壓，變?yōu)闋顟B(tài)B，成為過熱蒸汽。再經(jīng)噴水，消除過熱變?yōu)闋顟B(tài)C的飽和蒸汽。其過程是汽體由狀態(tài)B沿等壓線下降與飽和線相交，此時(shí)水蒸氣狀態(tài)參數(shù)為P2＝1.5大氣壓，t2＝110.79℃，I2＝643kcal/kg。狀態(tài) C 的飽和蒸汽即可作為熱源。促成蒸發(fā)的推動(dòng)力為△t＝110.79－100＝10.79℃。

由圖1可知，將具有大量潛熱的二次蒸汽通過壓縮機(jī)做功，熱焓由639kcal/kg提高到643kcal/kg，只需提高4kcal/kg的熱，就使二次蒸汽提高品位（提高約10℃）達(dá)到它的潛熱可以再利用的程度。普通多效蒸發(fā)器的二次蒸汽的潛熱均降級(jí)使用，而第一效蒸發(fā)器所需的熱能又要完全由新鮮蒸汽來補(bǔ)充。所以熱泵蒸發(fā)是一個(gè)高效節(jié)能的方法。

2 熱泵蒸發(fā)裝置的特點(diǎn)

1）熱泵最突出優(yōu)點(diǎn)就是熱效率高，節(jié)能效果顯著，只需消耗少量的高值能即可獲得大量的滿足工作要求的高溫位熱量，從而回收了大量的低溫位余熱，提高了能源利用率，收到良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2）熱泵蒸發(fā)裝置結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，可以省去龐大的供汽鍋爐和復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)設(shè)備，同時(shí)也節(jié)省了大量的冷卻用水，這就等于節(jié)省了許多燃料，并且減少了大氣的污染，保護(hù)環(huán)境，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

3）熱泵裝置的啟動(dòng)和壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式可以因地制宜。比較靈活，如選用電動(dòng)、汽輪機(jī)、柴油機(jī)均可滿足需求。

4）這種裝置操作方便，運(yùn)行安全可靠，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化。

3 熱泵的種類及用途

熱泵包括噴射型吸收式熱泵、壓縮型閉路循環(huán)式熱泵及壓縮型開路循環(huán)式熱泵等。

噴射型吸收式熱泵的最大特點(diǎn)就是沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，比壓縮型熱泵構(gòu)造簡(jiǎn)單。但是，使用這種熱泵必須具有較高壓力的蒸汽作為推動(dòng)熱源。一般利用低于150℃的蒸汽作為動(dòng)力時(shí)，其能量利用上并不合算，而且在操作條件方面也不易控制，由于從中所獲的能量和經(jīng)濟(jì)收益有限，所以使用場(chǎng)合不多，在造紙工業(yè)中用于紙機(jī)干燥部。

壓縮型閉路循環(huán)式熱泵，多用于建筑采暖、冷凍、干燥等空調(diào)系統(tǒng)。它的實(shí)際制熱系數(shù)一般在2.5～4.5左右。系統(tǒng)中必須選用適當(dāng)?shù)妮d熱劑（制冷劑）如氟利昂12等。

壓縮型開路循環(huán)式熱泵適于工業(yè)預(yù)熱的回收，如石油、化工、輕紡、食品、核能等工業(yè)領(lǐng)域里的某些沸點(diǎn)升高不大，熱敏性較強(qiáng)的要求有效溫差較少的水溶性料液的蒸發(fā)、蒸餾操作單元均可選用它作為濃縮凈化、提純和溶劑回收的手段。這種裝置的實(shí)際致熱系數(shù)一般為5.5～10左右，若設(shè)計(jì)的換熱設(shè)備較好，系統(tǒng)匹配得當(dāng)其實(shí)際制熱系數(shù)還可以大大提高。

4 熱泵在制漿造紙工業(yè)中的應(yīng)用

4.1 在紙機(jī)干燥部的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)老式紙機(jī)普遍采用單段、二段或三段通氣方式的常規(guī)供熱干燥系統(tǒng)。單段通氣供熱系統(tǒng)中，紙機(jī)干燥部全部耗用新蒸汽，在每段缸前采用閥門來調(diào)節(jié)進(jìn)入烘缸的蒸汽壓力和蒸汽量，從烘缸排到大氣中的蒸汽凝結(jié)水中夾帶大量的廢熱蒸汽，浪費(fèi)熱能，還造成環(huán)境污染。在二段或三段通汽供熱系統(tǒng)是多段串聯(lián)逆向蒸汽供熱，在各段烘缸間依靠汽水分離的閃蒸蒸汽與凝結(jié)水系統(tǒng)的壓差推動(dòng)蒸汽進(jìn)行熱力循環(huán)。高溫段烘缸排出的蒸汽凝結(jié)水通過汽水分離，產(chǎn)生的二次蒸汽供給低溫段烘缸。存在以下缺點(diǎn)：①無法單獨(dú)調(diào)節(jié)紙機(jī)各段烘缸溫度，不利于建立適合各種紙張要求的最佳烘缸溫度曲線。低溫段烘缸利用二次蒸發(fā)汽為熱源，不利于單獨(dú)調(diào)節(jié)各段烘缸所需要的蒸汽壓力和流量。②烘缸中的凝結(jié)水難以通暢排出，烘缸內(nèi)積水造成表面?zhèn)鳠釓?qiáng)度降低，影響成紙質(zhì)量和產(chǎn)量。③浪費(fèi)能源污染環(huán)境，用蒸汽吹出烘缸中的凝結(jié)水，破壞了烘缸各段用汽的平衡，同時(shí)熱力系統(tǒng)排出的凝結(jié)水中帶走大量的蒸汽。

熱泵技術(shù)是解決以上問題的有效途徑，某造紙廠對(duì)傳統(tǒng)干燥部進(jìn)行改造，采用兩次閃蒸雙級(jí)閉式熱泵供熱代替兩段通汽供熱系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)改造，紙機(jī)烘缸排水不暢等不利因素得到改善，噸紙汽耗由4.02t降低到 2.65t，電耗由 537.84kWh降低到500.26kWh，單位產(chǎn)品汽耗平均汽耗下降34.07%，平均電耗下降6.98%，由于改造應(yīng)用熱泵供熱系統(tǒng)，使紙機(jī)烘缸連續(xù)排水通暢，解決了烘缸表面?zhèn)鳠釓?qiáng)度低，紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)晃動(dòng)等不利因素，紙機(jī)達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)，改造后月平均產(chǎn)量比改造前增加9.1%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

近年來，還有研究人員研制了可調(diào)節(jié)式熱泵供熱系統(tǒng)替代不可調(diào)節(jié)式熱泵供熱系統(tǒng)用于紙機(jī)干燥部，增大了紙機(jī)干燥部熱泵供熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍，保證烘缸供汽壓力和烘缸排水壓差，回收了二次蒸汽，降低了冷凝水排放溫度，提高了烘缸表面溫度和紙幅表面水蒸汽分壓力，在紙幅干燥過程中起到了強(qiáng)化干燥傳熱、傳質(zhì)的作用?？朔瞬豢烧{(diào)節(jié)式熱泵供熱系統(tǒng)在紙機(jī)工況變化時(shí)，只能采用調(diào)節(jié)新蒸汽壓力的方法來滿足紙幅干燥工藝的要求，熱泵進(jìn)口新鮮蒸汽調(diào)節(jié)閥開度會(huì)減小，造成熱泵做功能力降低，而造成蒸汽有效能損失降低熱泵工作效率的問題。

4.2 化學(xué)漿黑液蒸發(fā)

熱泵蒸發(fā)裝置用于蒸發(fā)廢液（黑液）可以以單效形式作為稀黑液預(yù)濃縮器，稀黑液濃度低、粘度小、沸點(diǎn)升高小，器蒸發(fā)強(qiáng)度和傳熱系數(shù)將會(huì)顯示出更高的水平，適用于蒸發(fā)面積不足的工廠，作為補(bǔ)充蒸發(fā)器以擴(kuò)大生產(chǎn)能力，也可以多效并聯(lián)串聯(lián)代替部分蒸發(fā)器。

熱泵蒸發(fā)與普通蒸發(fā)相比，可引用能量使用比例EUR及熱泵蒸汽節(jié)汽指數(shù)SSI這兩個(gè)概念來評(píng)價(jià)。EUR表示以普通蒸發(fā)法應(yīng)消耗的能量與包括電補(bǔ)償及壓縮功耗在內(nèi)的熱泵蒸發(fā)使用的能量之間的比例。中國(guó)造紙研究院試驗(yàn)得出熱泵的EUR為5～6，（其理論EUR為10以上），說明一臺(tái)熱泵蒸發(fā)器相當(dāng)于普通蒸發(fā)5～6效，或者其使用的能量相當(dāng)于普通蒸發(fā)的1/5～1/6?？梢钥闯鰺岜帽绕胀ㄕ舭l(fā)大大節(jié)能。熱泵蒸發(fā)的熱經(jīng)濟(jì)性較好，蒸發(fā)效率較高。節(jié)汽指數(shù)SSI為14.5～72。即每公斤蒸汽蒸發(fā)14.5～72公斤的水，而相同規(guī)模的六效蒸發(fā)站蒸發(fā)效率只有4.8。這樣，由于使用電能就大大節(jié)約了蒸汽，在電能供應(yīng)充足、價(jià)格低廉，而蒸汽供應(yīng)緊張，成本又高的地方可以因地制宜的選用熱泵蒸發(fā)來替代多效蒸發(fā)站。

中國(guó)制漿造紙研究院采用熱泵技術(shù)對(duì)木漿黑液進(jìn)行蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：固形物從15.5%濃縮到46%時(shí)，能耗比四效蒸發(fā)器的綜合能耗低約30%，污冷凝水BOD5去除率56%。對(duì)造紙草漿黑液蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：固形物含量從10.7%濃縮到40%時(shí)，能耗比四效蒸發(fā)器綜合能耗低40%，污冷凝水BOD5去除56%。

4.3 化機(jī)漿廢液的濃縮

高得率制漿是由于其節(jié)約木材資源及環(huán)境污染相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)在近年來快速發(fā)展，但其帶來的環(huán)境污染也不容忽視?；瘜W(xué)機(jī)械漿P-RC APMP制漿廢水中，CODCr含量為13000mg/L，溶解性CODCr含量為11600mg/L，BOD5為 5300mg/L，SS 含量為 1250mg/L。成分比例與化學(xué)漿接近，但濃度較低，僅為1%～2%，屬高濃廢水，采用傳統(tǒng)水處理措施進(jìn)行處理，達(dá)標(biāo)排放難度較大。而直接進(jìn)行堿回收難以實(shí)現(xiàn)能量自給。國(guó)內(nèi)某大型造紙企業(yè)，經(jīng)技術(shù)攻關(guān)采用熱泵技術(shù)對(duì)廢水進(jìn)行預(yù)濃縮，使其濃度從1.65%濃縮到15%，使其中90%的水分蒸發(fā)出來，經(jīng)預(yù)濃縮的廢液進(jìn)傳統(tǒng)蒸發(fā)堿回收系統(tǒng)，消減有機(jī)污染物的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)品及能量的回收。其運(yùn)行成本較多效蒸發(fā)系統(tǒng)低（見表1），不過前期投資較多效蒸發(fā)系統(tǒng)高。

圖1MVR與MEE的運(yùn)行成本比較

結(jié)語

利用熱泵供熱系統(tǒng)（部分）回收造紙工業(yè)過程余熱是造紙行業(yè)節(jié)能減排潛力挖掘的一種有效手段，熱泵技術(shù)在造紙工業(yè)節(jié)水、節(jié)能、降耗、減少污染等方面均具有較大的應(yīng)用前景，隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展及節(jié)能減排工作的推動(dòng)，其應(yīng)用將越來越廣泛，將在改善環(huán)境，穩(wěn)定生產(chǎn)，節(jié)能減排方面發(fā)揮重要的作用。

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2011－6－28

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劉俊杰

天津科技大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院2008級(jí)在讀碩士，主要從事制漿、環(huán)保技術(shù)研究，

電話：010-65817476

草類原料清潔制漿專欄