現(xiàn)代紙機(jī)能耗構(gòu)成特點(diǎn)及節(jié)能途徑初探

楊 旭 陳克復(fù) 王 蓓

(1.輕工業(yè)杭州機(jī)電設(shè)計(jì)研究院,浙江杭州,310004;2.華南理工大學(xué),廣東廣州,510640)

現(xiàn)代紙機(jī)能耗構(gòu)成特點(diǎn)及節(jié)能途徑初探

楊 旭1,2陳克復(fù)2王 蓓1

(1.輕工業(yè)杭州機(jī)電設(shè)計(jì)研究院,浙江杭州,310004;2.華南理工大學(xué),廣東廣州,510640)

主要分析了現(xiàn)代紙機(jī)能耗的組成、分布及其特點(diǎn),并在此基礎(chǔ)上探討了相關(guān)的節(jié)能措施,尤其是能耗最大的干燥部分通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能方法。

現(xiàn)代紙機(jī);能耗;節(jié)能途徑

我國(guó)造紙工業(yè)在最近 10年得到極大發(fā)展,紙和紙板總產(chǎn)量已是世界排名第一。然而,我國(guó)造紙工業(yè)的效益并不高,能源消耗及對(duì)環(huán)境的壓力越來(lái)越大。就能耗來(lái)講,雖然我國(guó)造紙工業(yè)綜合能耗水平已從每噸紙消秏 1.55 t標(biāo)煤降到了 1.38 t標(biāo)煤[1-3],但與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍有較大差距。要達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,降低能源消耗,則需：①提高能源的利用率,如熱電聯(lián)產(chǎn),廢棄物 (如污泥和資源雜質(zhì)等)的燃燒利用;②降低無(wú)用功,回收有用能源。就目前造紙技術(shù)來(lái)講,暫時(shí)還看不到在工藝和技術(shù)上有重大性改變或進(jìn)步,因此所有節(jié)能工作都必須在整個(gè)造紙流程上下功夫,把工作做細(xì)做好,做到盡量多利用少浪費(fèi),積少成多,才能較好地把能耗降下來(lái)。本文僅論述造紙機(jī)械方面的能耗情況。

1 造紙機(jī)械能耗的構(gòu)成

造紙機(jī)械及其密切相關(guān)的真空系統(tǒng)和干燥通風(fēng)系統(tǒng)是整個(gè)造紙工藝中能耗最大的部分,根據(jù)原料和紙張產(chǎn)品的不同,這部分能耗約占整個(gè)紙機(jī)能耗的40%～70%,應(yīng)分析和重點(diǎn)關(guān)注這部分能耗。造紙機(jī)械的能耗主要表現(xiàn)在 3個(gè)方面：傳動(dòng)動(dòng)力能耗、真空動(dòng)力能耗及干燥能耗。根據(jù)筆者的初步調(diào)查統(tǒng)計(jì),文化用紙和紙板 (紙板主要包括箱紙板,白紙板原紙部分和瓦楞紙)的傳動(dòng)動(dòng)力能耗分別為 220～320 kWh/t和 170～280 kWh/t;文化用紙和紙板的真空動(dòng)力能耗分別為 100～180 kWh/t和 100～200 kWh/t;而文化用紙和紙板的干燥能耗分別為 1.8～2.6 t蒸汽/t紙和 1.6～2.2 t蒸汽 /t紙,換算成電功率分別約為 1130～1632 kWh/t和 1005～1382 kWh/t。從以上數(shù)據(jù)可以看出,在整個(gè)紙機(jī)能耗中,干燥能耗最大,傳動(dòng)動(dòng)力能耗和真空動(dòng)力能耗加起來(lái)約占干燥能耗的1/3。

紙張干燥過(guò)程中能耗的構(gòu)成主要有紙張和紙張中的水分升溫到汽化溫度所需的熱能,水分蒸發(fā)所需的熱量,蒸汽輸送和烘干部消耗的能量,氣罩等設(shè)備散發(fā)的熱量等。蒸發(fā)出的蒸汽被空氣帶走并排到機(jī)外,然后進(jìn)行回收或排空,冷凝水也被排到機(jī)外并用于回收二次蒸汽后送入鍋爐。紙張和水分的比熱為 1kcal/(kg·℃) (1 cal=4.18 J),而水分的汽化潛熱約為538 kcal/kg,因此與汽化潛熱相比,紙張升溫到80℃的能耗約只有汽化的 1/7左右,故干燥的能量絕大部分用于水分的蒸發(fā),也就是說(shuō)隨空氣排到機(jī)外的溫?zé)峥諝庵泻写罅康臒崮堋?/p>

干燥每噸成品紙所需要的熱能與進(jìn)出干燥部紙張的干度有關(guān),根據(jù)物料平衡原理,可用下列公式計(jì)算：

式 (1)中,S表示干燥每噸紙需要蒸發(fā)的水量,t/t紙;T1、T2分別表示進(jìn)出干燥部紙張的干度,%。

根據(jù)此公式計(jì)算的在紙張進(jìn)干燥部常用干度范圍內(nèi)單位產(chǎn)量需蒸發(fā)的水量見(jiàn)表 1。

表1 紙張進(jìn)干燥部的干度對(duì)蒸發(fā)水量的影響

紙機(jī)網(wǎng)部、壓榨部和干燥部的動(dòng)力消耗比率約為3∶3∶4,紙板機(jī)稍有不同但相差不大。動(dòng)力消耗主要用于主傳動(dòng)和輔助傳動(dòng),其中主傳動(dòng)的動(dòng)力消耗約占99%以上。主傳動(dòng)消耗于這幾個(gè)方面：滑動(dòng)磨擦(如脫水元件等),各種輥?zhàn)拥臐L動(dòng)磨擦,刮刀引起的阻力,機(jī)械和安裝誤差引起的消耗等。但是這些動(dòng)力消耗基本上與紙機(jī)運(yùn)行速度成正比,故對(duì)單位產(chǎn)量動(dòng)力消耗影響不大。

真空系統(tǒng)的動(dòng)力消耗主要用于濕紙幅脫水 (包括壓榨)和毛毯的洗滌調(diào)態(tài)。紙張或毛毯通過(guò)真空擠壓脫水,脫出的水被通過(guò)的氣流帶走,故真空系統(tǒng)的動(dòng)力主要消耗于氣體的狀態(tài)變化和流動(dòng),能耗的大小與抽氣速率的平方和真空度成比例,故與生產(chǎn)的紙種有關(guān),與紙機(jī)工作車(chē)速無(wú)正比關(guān)系。但在實(shí)際工作中,真空能耗除了用于有用功外,消耗于管路損失、真空度調(diào)節(jié)及脫水元件漏氣的功率也不小。有的系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)不當(dāng),使真空度在真空泵處為 0.06 MPa,但在用氣點(diǎn)處則只有 0.03 MPa,能量損失很大。

2 節(jié)能途徑及措施探討

從以上論述可以看出,紙機(jī)的大部分能耗在干燥部,因此,干燥部應(yīng)是節(jié)能所關(guān)注的重點(diǎn),當(dāng)然一直以來(lái),許多企業(yè)也是這樣在做的。要降低干燥部能耗,第一要盡量減少干燥紙張所需的蒸發(fā)水量,換句話說(shuō),就是要盡量提高紙張進(jìn)干燥部的干度。紙張進(jìn)干燥部的干度對(duì)蒸發(fā)水量的影響見(jiàn)表 1,紙張進(jìn)干燥部的干度每提高 1個(gè)百分點(diǎn),蒸發(fā)的水量可減少約3.8%～4.8%。而要提高紙張進(jìn)干燥部的干度,只能依靠高效壓榨裝置。最近 10多年來(lái),國(guó)際造紙界在高速高效壓榨技術(shù)的應(yīng)用上進(jìn)步很大,高效壓榨輥——靴式壓榨輥的成熟應(yīng)用,使得現(xiàn)代紙機(jī)的壓榨布置有了很大變化 (見(jiàn)圖 1),其特點(diǎn)也十分突出,主要有：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,減少壓榨道數(shù),最多兩道壓榨;②文化用紙紙機(jī)和紙板機(jī)的壓榨形式趨于一致;③靴式壓榨技術(shù)普遍采用,包括配套的可控中高輥;④蒸汽箱技術(shù)成熟應(yīng)用;⑤壓榨后的紙張干度顯著提高。

圖1 現(xiàn)代紙機(jī)壓榨部——兩道直通壓榨

紙張順利通過(guò)壓榨部,不發(fā)生斷頭,不產(chǎn)生紙病等是紙機(jī)車(chē)速能否提高的關(guān)鍵因素。因此,壓榨技術(shù)的發(fā)展方向一貫就是：提高單一壓區(qū)的有效脫水率,減少壓榨道數(shù),壓榨后紙張干度顯著提高,而且結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)化,能耗要降低。目前,國(guó)內(nèi)常用的復(fù)合壓榨形式可以減少操作問(wèn)題的發(fā)生,但不能根本解決操作問(wèn)題的發(fā)生,對(duì)紙幅干度的提高有限,因此復(fù)合壓榨不可能是理想的壓榨技術(shù)。如果一道壓榨就可以達(dá)到紙張脫水的全部要求,這將是理想狀態(tài)。目前,Voith公司已經(jīng)在向市場(chǎng)推出單一壓榨布置的壓榨部 (見(jiàn)圖 2),這說(shuō)明高效壓榨脫水技術(shù)又上了一個(gè)大臺(tái)階,也肯定了壓榨技術(shù)發(fā)展的方向就是向單一壓區(qū)的高效壓榨脫水方向發(fā)展。

理論和實(shí)踐都已證明[3],在紙張水分含量為45%～82%之間時(shí),進(jìn)行壓榨脫水,在設(shè)備投資和使用成本上都是最經(jīng)濟(jì)的,約只占總成本的 12% (見(jiàn)圖3)。

通過(guò)壓榨,紙張能夠達(dá)到的干度決定于許多因素(見(jiàn)圖 4),如壓力、壓區(qū)長(zhǎng)度或停留時(shí)間、濾水性、毛毯性能、溫度等。對(duì)現(xiàn)代紙機(jī),尤其是靴式壓榨技術(shù)成熟應(yīng)用后,紙張壓榨后的干度可達(dá)到：文化用紙等約為 41%～44%,紙板類(lèi)約為 46%～51%,提高了 3～6個(gè)百分點(diǎn)。如果靴式壓榨技術(shù)能基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,售價(jià)大幅下降,紙廠大量使用,則紙廠壓榨后紙張的平均干度可提高 2～4個(gè)百分點(diǎn),蒸汽消耗量可減少 10%以上,這對(duì)節(jié)能降耗意義顯著。

有研究證明[4],通過(guò)壓榨,紙張干度完全可達(dá)到 60%～65%。可見(jiàn),壓榨技術(shù)還有很大的發(fā)展空間,即使壓榨后紙張干度可提高 1個(gè)百分點(diǎn),其效益都是特別顯著的。

干燥部的能耗主要是紙張中水分的蒸發(fā)過(guò)程：加熱蒸汽釋放潛熱,將紙張中水分蒸發(fā),加熱蒸汽凝結(jié)成的冷凝水排出機(jī)外,含有紙張蒸發(fā)出的水分的濕空氣也排出機(jī)外。而冷凝水和濕空氣都含有大量熱量,因此干燥部的主要節(jié)能途徑之一就是如何利用或回收這些熱量。對(duì)于如何盡量利用冷凝水中的熱量,已經(jīng)有很多人做了大量的工作,也取得了顯著的效果,包括利用熱泵技術(shù)和多段通汽技術(shù),這些技術(shù)的應(yīng)用比較成熟,在此就不論述。但濕空氣中含有的大量熱量 (或熱能),其利用率還不夠?，F(xiàn)在普遍采用的密封氣罩加熱回收裝置也僅能回收到 26%左右的濕空氣熱量,濕空氣的其余大部分熱量被排掉了,如果按干燥噸紙消秏 1.8 t蒸汽來(lái)計(jì)算,除去回收的熱量,仍然有 866 kWh/t紙的能量徹底消耗掉,這是十分可觀的,也是節(jié)能工作應(yīng)努力的方向。

圖4 影響紙張脫水及性能的主要因素

干燥部氣罩有普遍罩和密封罩之分,普遍罩熱量基本不回收,能耗很高,現(xiàn)代紙機(jī)已經(jīng)不采用了。一般密封罩排風(fēng)的溫度約 82℃,露點(diǎn)溫度 60℃,濕含量 0.14 kg水 /kg干空氣,相對(duì)濕度約 36.3%。目前,常用的密封罩熱回收是將匯風(fēng)道里的熱空氣抽到機(jī)外,進(jìn)行第一道氣-氣交換,以加熱新鮮空氣,然后再進(jìn)行第二道熱交換,加熱工藝用水 (如網(wǎng)毯洗滌用水等),排風(fēng)溫度降到 45～50℃,相對(duì)濕度達(dá)到飽和,濕含量約為 0.065 kg水 /kg干空氣[5-7]。飽和濕空氣在低溫部分的熱量及濕含量較大的高溫段的熱量分別見(jiàn)表 2和表 3。

表2 飽和濕空氣在低溫部分的熱量

表3 濕含量較大的高溫段熱量

由表 2和表 3可知,濕空氣的熱含量絕大部分是潛熱,而不是顯熱,有利用價(jià)值。比較容易回收的也是潛熱,回收潛熱的多少,主要決定于空氣的露點(diǎn)溫度,露點(diǎn)溫度越高,濕含量越多,潛熱越高。

在實(shí)際工作中,尤其是在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上,回收潛熱的主要經(jīng)濟(jì)方法還是采用熱交換,將濕空氣中的水蒸氣冷卻到露點(diǎn)溫度以下,主要回收濕空氣中的潛熱。但目前熱回收系統(tǒng)有兩個(gè)地方嚴(yán)重影響了回收熱量：一是濕空氣濕含量不高或露點(diǎn)溫度不高;二是經(jīng)二次熱交換后的熱風(fēng)絕大部分排入空氣中,而其中仍含有大量的熱量。露點(diǎn)溫度不高,主要是因?yàn)楦稍锊亢蜌庹謨?nèi)部的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,使?jié)窨諝庠谂懦鰴C(jī)外時(shí)的濕度、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)分布較為復(fù)雜,稍掌握不好,一旦出現(xiàn)滯流、漏氣等就會(huì)產(chǎn)生結(jié)露、滴水,甚至破壞紙張等問(wèn)題。受氣罩保溫及操作的限制,只能按照最有可能結(jié)露的情況來(lái)處理或降低濕含量。但仔細(xì)分析干燥部和氣罩內(nèi)溫度和濕含量的分布可以發(fā)現(xiàn),其實(shí)它們的分布是不均勻的,甚至是很不均勻的,在紙張大量蒸發(fā)區(qū)域的袋區(qū),其局部濕含量可以達(dá)到 0.3 kg水 /kg干空氣,溫度也可達(dá) 92℃;但在干燥部的后端,即使是在袋區(qū),其濕含量也只有 0.02～0.04 kg水 /kg干空氣。

對(duì)于經(jīng)兩次熱回收后排空的氣體,其雖仍有大量熱量,但由于溫度較低,回收熱量極其困難。因溫度低,需要大量的換熱載體和換熱面積,成本很高。比較經(jīng)濟(jì)合理的方法應(yīng)是盡量回用,然而排空的氣體的濕含量較高,如簡(jiǎn)單回用將會(huì)影響到干燥效率。

紙張干燥有 3個(gè)階段,即升速干燥,恒速干燥和降速干燥,干燥速率可由下列公式表達(dá)：

式 (2)中,K為傳質(zhì)系數(shù);A為傳質(zhì)面積;Pw為干燥溫度下的飽和蒸汽壓;Pa為周?chē)諝庵兴畾夥謮骸?/p>

根據(jù)干燥理論,被干燥水分可分為結(jié)合水和非結(jié)合水。在干燥初期,被干燥的水分為非結(jié)合水,其Pw等于相同溫度下的飽和蒸汽壓,這時(shí)紙張經(jīng)過(guò)短暫升速干燥后,處于恒速干燥階段,干燥速率大小主要取決于蒸汽壓力,周?chē)鷿窨諝夥謮旱挠绊懞苄?故進(jìn)入該區(qū)域的熱風(fēng)濕含量可適當(dāng)提高;但當(dāng)進(jìn)結(jié)合水分干燥階段后 (大約在紙張干度 60%～65%),Pw是逐漸下降的,直至達(dá)到平衡水分的壓力 (取決于周?chē)諝獾男再|(zhì)),干燥結(jié)束。由式 (2)可知,在這過(guò)程中,干燥速率是逐漸下降的,直至為 0,與此同時(shí),周?chē)諝饣蜻M(jìn)入該區(qū)域的空氣的水氣分壓對(duì)干燥速率的影響就越來(lái)越大,為了維持一定的干燥速率,進(jìn)入該區(qū)域的空氣濕含量應(yīng)盡量低。因此,對(duì)進(jìn)出這兩個(gè)不同干燥階段的濕熱空氣可以采用不同的處理方法,在恒速干燥階段,可以在袋區(qū)直接抽取干燥紙張的濕空氣,不必通過(guò)匯風(fēng)道,以提高空氣濕含量,降低空氣用量,同時(shí)補(bǔ)充濕含量較高的熱空氣也不會(huì)對(duì)干燥速率產(chǎn)生影響或影響較小,這就意味著可以大量使用回收后的熱空氣,高濕含量的熱空氣可經(jīng)2～3道熱回收后排空。在降速干燥階段,要大量補(bǔ)充濕含量很低的熱空氣,以保持正常的干燥,但此時(shí)排出的濕空氣濕含量也低,可回收的熱含量也低,可經(jīng)簡(jiǎn)單的一次降溫調(diào)態(tài)后回用。這樣有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是排空的氣體減少了,熱損失降低了;二是換熱面積減少了,節(jié)省動(dòng)力。初步估算節(jié)能效果在 15%以上。

真空系統(tǒng)方面,最應(yīng)該注意的是真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和真空度的調(diào)節(jié)。真空泵盡量靠近用氣點(diǎn),要按不同真空度要求配置真空泵,盡量不使用放氣的方法調(diào)節(jié)真空度,真空度調(diào)節(jié)盡量采用變頻技術(shù)來(lái)節(jié)能。對(duì)真空輥類(lèi),如真空伏輥,壓榨輥等,要盡量采用新型的傳動(dòng)側(cè)抽氣的真空輥類(lèi),這樣可節(jié)約能耗 8%～10%;有條件的企業(yè)還可采用透平式真空泵,目前國(guó)內(nèi)已有廠家在開(kāi)發(fā)透平式真空泵,如成功應(yīng)用,對(duì)降低真空泵能耗會(huì)產(chǎn)生良好的效果。

對(duì)于動(dòng)力消耗,節(jié)能的主要措施是從結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑兩個(gè)方面著手。結(jié)構(gòu)方面主要是盡量減少輥?zhàn)拥臄?shù)量,針對(duì)不同紙種的生產(chǎn),合理使用刮刀,并加強(qiáng)噴水潤(rùn)滑 (濕部),調(diào)節(jié)好刮刀的線壓力,不能過(guò)大,網(wǎng)、毯張力控制適度,在滿足正常生產(chǎn)前提下,張力盡量小一些;對(duì)烘干部來(lái)講,傳動(dòng)系統(tǒng)可以采用導(dǎo)輥傳動(dòng)與烘缸單點(diǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合的傳動(dòng)系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多齒輪傳動(dòng),據(jù)估計(jì),這樣可減少至少 15%的傳動(dòng)功率消耗。潤(rùn)滑方面主要是要針對(duì)不同工作條件的軸承選好潤(rùn)滑劑,并加強(qiáng)維護(hù)和觀察工作,使軸承保持良好的工作狀態(tài)。國(guó)產(chǎn)紙機(jī)在動(dòng)力消耗方面的節(jié)能估計(jì)有 8%～12%的空間。

3 結(jié) 語(yǔ)

3.1 在造紙工段中,能耗最大的還是干燥部,濕空氣排出的熱量是最大的能量損失。

3.2 提高紙張進(jìn)干燥部的干度,可顯著減少蒸發(fā)的水分,故應(yīng)大力研發(fā)和推廣高效的靴式壓榨技術(shù)。

3.3 干燥部通風(fēng)應(yīng)積極探索采用局部高露點(diǎn)溫度,高濕含量通風(fēng)技術(shù),為排空的熱風(fēng)回用創(chuàng)造條件,從而降低能耗。

[1] 國(guó)家發(fā)改委.我國(guó)造紙工業(yè)現(xiàn)狀及主要問(wèn)題 [J/OL].http：//www.chinapaper.net.2007-11-05.

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[3] Peter Seifert.Pulp and Paper Manufacture[M].3th.The Water Removal Committee of the TAPPI Engineering Division,1991.

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(責(zé)任編輯：陳麗卿)

Energy Consumption and Energy Saving ofModern PaperMachine

YANG Xu1,2,＊CHEN Ke-fu2WANGBei1
(1.Hangzhou Project&Research Institute of Electro-mechanic in Light Industry,Hangzhou,Zhejiang Province,310004;2.South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)
(＊ E-mail：bypyxy@163.com)

Based on the analysis of the constituent,distribution and characteristic of energy consumption of the modern paper machine,corresponding energy saving measurements are discussed,the ways of energy saving in dryer section and ventilation system in particular.

modern paper machine;energy consumption;energy saving

TS7

A

0254-508X(2011)02-0058-05

楊 旭先生,教授級(jí)高級(jí)工程師;主要研究方向：高速造紙機(jī)及特種造紙機(jī)。

2010-10-31