造紙過(guò)程節(jié)能潛力分析與節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

孔令波 劉煥彬 李繼庚 陶勁松

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華南理工大學(xué)造紙與污染控制國(guó)家工程研究中心，廣東廣州，510640)

造紙過(guò)程節(jié)能潛力分析與節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

孔令波 劉煥彬 李繼庚 陶勁松

(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華南理工大學(xué)造紙與污染控制國(guó)家工程研究中心，廣東廣州，510640)

介紹了造紙脫水過(guò)程的特點(diǎn)，對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外造紙過(guò)程的能耗狀況，闡述了造紙過(guò)程各工段的用能狀況及節(jié)能潛力。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際探討了造紙過(guò)程的節(jié)能技術(shù)，重點(diǎn)介紹了干燥部相關(guān)的節(jié)能技術(shù)，并對(duì)其應(yīng)用做了綜述。

造紙過(guò)程;節(jié)能潛力;節(jié)能技術(shù)

造紙過(guò)程是造紙工業(yè)能耗最大的單元之一，我國(guó)造紙過(guò)程的平均能耗水平與世界先進(jìn)水平相差較大，這主要是由我國(guó)造紙工藝裝備水平不高及能量系統(tǒng)優(yōu)化程度較低造成的［1］。低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代，怎樣運(yùn)用節(jié)能技術(shù)促進(jìn)造紙過(guò)程向低能耗、低排放、低污染方向發(fā)展是我國(guó)造紙工業(yè)面臨的主要問(wèn)題之一。針對(duì)此問(wèn)題，本文首先對(duì)我國(guó)造紙過(guò)程的能耗現(xiàn)狀和節(jié)能潛力進(jìn)行了分析，然后結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際探討造紙過(guò)程各工段的節(jié)能技術(shù)及其應(yīng)用。

1 造紙過(guò)程的能耗狀況與節(jié)能潛力

1.1 造紙脫水過(guò)程的特點(diǎn)

紙張的抄造過(guò)程是一個(gè)不斷脫水的過(guò)程，該過(guò)程由網(wǎng)部、壓榨部和干燥部組成。網(wǎng)部是通過(guò)重力、脈沖或真空的作用將上網(wǎng)低濃漿料 (0．1% ～1．0%)脫水至15%～25%的干度;然后借助壓榨部機(jī)械力的作用進(jìn)一步脫水至33%～55%;最后在干燥部多組烘缸的蒸發(fā)作用下逐漸脫除紙幅內(nèi)殘留的水分，出干燥部紙幅干度一般為90% ～95%［2］。干燥過(guò)程蒸發(fā)出來(lái)的水分在空氣系統(tǒng)上升氣流的作用下向氣罩上方運(yùn)動(dòng)，經(jīng)抽風(fēng)機(jī)排出干燥部;排出的濕熱空氣先經(jīng)過(guò)換熱系統(tǒng)回收余熱，再由引風(fēng)機(jī)送入煙囪排至大氣［3］。

造紙過(guò)程以干燥部脫水量為最少，以圖1所示的某新聞紙機(jī)脫水過(guò)程為例，99%的水分是在網(wǎng)部和壓榨部脫除的，干燥部脫除的水分僅占上網(wǎng)紙料含水量的 0．96%。

1.2 我國(guó)造紙過(guò)程能耗狀況

我國(guó)造紙過(guò)程的單位產(chǎn)品綜合能耗為:噸漿紙比國(guó)際先進(jìn)水平高0．18～0．48 t標(biāo)煤［4］;噸紙和紙板比

圖1 某新聞紙機(jī)脫水過(guò)程

國(guó)際先進(jìn)水平高120%［5］;就不同紙種來(lái)看，由表1所示的國(guó)際先進(jìn)能耗水平［6］和2008年廣東相關(guān)紙廠實(shí)際能耗［7］的比較可知其差距亦較大。通過(guò)以上對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前我國(guó)造紙過(guò)程的節(jié)能空間較大。

表1 造紙過(guò)程綜合能耗對(duì)比［6-7］kg標(biāo)煤/t(風(fēng)干)

表2 造紙過(guò)程各工段用能狀況及節(jié)能潛力［8-9］

1.3 造紙過(guò)程用能狀況及節(jié)能潛力

表2給出了造紙過(guò)程各工序的用能狀況及節(jié)能措施，并對(duì)各工段的節(jié)能潛力進(jìn)行了初步分析評(píng)估。

盡管干燥部脫水量不到上網(wǎng)漿料含水量的1%，但卻是造紙過(guò)程能耗最大的工段，約占造紙總能耗的65%以上［10］。由表2可知，干燥部節(jié)能潛力最大，為0．4～2．1 GJ/t(風(fēng)干)(包括熱和電);其次是網(wǎng)部節(jié)能潛力，為60～190 kWh/t(風(fēng)干);壓榨部和壓光/卷紙的自身節(jié)能潛力均較低。

2 網(wǎng)部節(jié)能潛力與節(jié)能技術(shù)

網(wǎng)部脫水量雖然最多，但脫除等量水分所需的成本卻最低。網(wǎng)部、壓榨部和干燥部脫除等量水分的成本約為 1∶70∶330［11］，網(wǎng)部主要消耗電能，存在60～190 kWh/t(風(fēng)干)的節(jié)電潛力，因此應(yīng)確保網(wǎng)部具備良好的脫水性能。常見(jiàn)的網(wǎng)部節(jié)能措施有高濃成形、夾網(wǎng)成形及真空系統(tǒng)優(yōu)化等技術(shù)。

高濃成形可以節(jié)省漿料輸送、脫水和驅(qū)動(dòng)的動(dòng)能。視生產(chǎn)紙種不同，高濃成形尚有8%～20%的節(jié)能空間 (相對(duì)于成形的電耗而言)［12］。夾網(wǎng)紙機(jī)的成形器比長(zhǎng)網(wǎng)紙機(jī)短，不僅能減少電耗，還能提高紙張質(zhì)量。文獻(xiàn) ［13］指出夾網(wǎng)成形可節(jié)電40 kWh/t(風(fēng)干)。

真空系統(tǒng)是僅次于紙機(jī)傳動(dòng)的第二大耗電單元，占紙機(jī)電耗的10% ～17%［9，14］。某紙廠對(duì)真空系統(tǒng)進(jìn)行的評(píng)估表明該系統(tǒng)存在約25%的節(jié)能潛力［15］。真空系統(tǒng)管理的有效手段是實(shí)施監(jiān)視能耗狀況，常見(jiàn)的節(jié)能措施有:真空度較低的部位用排氣扇取代真空泵，去掉不必要的真空箱，不同部位的真空泵的合理設(shè)置，真空泵之前設(shè)置汽水分離器，定期清洗真空泵，實(shí)時(shí)控制不同部位的真空度以及變頻控制等。

3 壓榨部節(jié)能潛力與節(jié)能技術(shù)

干燥部與壓榨部脫除同樣質(zhì)量的水分所需的能量比，以未漂硫酸鹽漿紙板機(jī)為例，其值約為7．5∶1［9］。從節(jié)能的角度來(lái)看，改善壓榨部性能以提高出壓榨部紙幅干度是更為經(jīng)濟(jì)的一種脫水方式。盡管對(duì)壓榨部而言，其自身節(jié)能潛力僅為12～28 kWh/t(風(fēng)干)，但卻能給干燥部帶來(lái)巨大的節(jié)能潛力。

濕紙幅經(jīng)壓榨部脫除的水分越多，干燥時(shí)能耗就越低。對(duì)于“壓榨干度每提高1%，干燥部可節(jié)省多少蒸汽量?”這一問(wèn)題，文獻(xiàn) ［16-19］都認(rèn)為在3%～5%之間?？晒?jié)約蒸汽量之所以不同，是由所選取的初始?jí)赫ジ啥群途砑埜啥炔煌斐傻?。?jù)調(diào)查，現(xiàn)行紙機(jī)的壓榨干度為33%～55%，卷紙干度為90%～95%，運(yùn)用理論干燥模型預(yù)測(cè)壓榨干度每提高1%，干燥部可節(jié)省8．5% ～3%的蒸汽，如圖2所示，這一結(jié)論基本上適宜于當(dāng)前所有的紙機(jī)。

圖2 壓榨干度對(duì)干燥部汽耗的影響

靴式壓榨將輥式壓榨的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)線(xiàn)性脫水改為了靜壓下長(zhǎng)時(shí)間的寬壓區(qū)脫水，是一種高效的壓榨脫水方式。靴式壓榨以其優(yōu)越的脫水性能在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，目前可達(dá)到50% ～55%的壓榨干度［20］。國(guó)內(nèi)某瓦楞原紙紙機(jī)采用Voith靴壓后，壓榨干度由46%提高至51%，噸紙汽耗降低17%［21］;國(guó)外某薄頁(yè)紙機(jī)采用X-NIP T靴壓后，干燥部汽耗可降低15%［22］。

壓榨輥面的材料和形式也是影響壓榨效率的重要因素，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予重點(diǎn)關(guān)注。壓榨毛毯也是壓榨部?jī)?yōu)化的一個(gè)重要部分，因?yàn)樗粌H有利于濕紙幅脫水，還可以減少紙幅回濕的可能性，從而間接提高了進(jìn)入干燥部的紙幅干度［14］。另外，濕紙幅在經(jīng)過(guò)壓榨部時(shí)溫度會(huì)降低，如果能維持其溫度不變或提高溫度，亦可節(jié)省干燥部汽耗。一般情況下，壓榨時(shí)若能使紙幅溫度升高10℃，則干燥部可節(jié)約4%的蒸汽［19］。文獻(xiàn) ［23］對(duì)壓榨部的優(yōu)化措施進(jìn)行了詳細(xì)介紹，可作為紙機(jī)壓榨部?jī)?yōu)化的依據(jù)。

50%～55%的壓榨干度已是目前能達(dá)到的最高水平，但仍有進(jìn)一步提高的可能性。美國(guó)林產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線(xiàn)優(yōu)先考慮的研發(fā)需要之一就是提高壓榨干度，目標(biāo)是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再提高10% ～15%，使進(jìn)干燥部紙幅干度達(dá)到65%的水平［24］。進(jìn)干燥部紙幅干度提高10%意味著干燥部節(jié)能可達(dá)30%，因此通過(guò)改善紙機(jī)壓榨效率以節(jié)約干燥部能耗還有較大的空間。

4 干燥部節(jié)能潛力與節(jié)能技術(shù)

干燥部是造紙過(guò)程能耗最大的工段，電耗60～130 kWh/t(風(fēng)干)，熱耗 2．85 ～4．85 GJ/t(風(fēng)干);同時(shí)也是造紙過(guò)程節(jié)能潛力最大的工段，約為0．4～2．1 GJ/t(風(fēng)干)。

干燥部傳熱速率q(kJ/(m2·s))和水分蒸發(fā)速率w(kg/(m2·s))是衡量紙幅干燥效率的重要指標(biāo)，分別如式 (1)和式 (2)所示［25-26］。

式中，U為總傳熱系數(shù)，由冷凝水傳熱系數(shù)、烘缸壁厚、烘缸壁導(dǎo)熱系數(shù)、烘缸與紙幅的傳熱系數(shù)、通風(fēng)溫度和流量等因素決定;K為總傳質(zhì)系數(shù)，由干網(wǎng)透氣度、干網(wǎng)張力、通風(fēng)濕度和流量、氣罩空氣露點(diǎn)等因素決定;(Ts-Tp)為烘缸內(nèi)蒸汽與紙幅溫度差;(Pp-Pa)為紙幅表面與周?chē)諝獾乃畾夥謮翰睢?/p>

由式 (1)和式 (2)可知，U和K是決定干燥部能效的關(guān)鍵因素。對(duì)某臺(tái)紙機(jī)而言，U和K主要受冷凝水層厚度、干網(wǎng)透氣度和張力、通風(fēng)溫濕度和流量以及氣罩空氣露點(diǎn)等變量影響。所以，干燥部節(jié)能應(yīng)首先從提高傳熱傳質(zhì)方面入手，以下分別從強(qiáng)化烘缸傳熱、蒸汽梯級(jí)利用、通風(fēng)系統(tǒng)、熱回收等方面論述了提高熱、質(zhì)傳遞的相關(guān)技術(shù)。

4.1 強(qiáng)化烘缸傳熱節(jié)能

烘缸作為干燥部的主體，其傳熱性能的好壞對(duì)紙機(jī)的能耗影響最大。常見(jiàn)的強(qiáng)化傳熱措施有:增加烘缸內(nèi)壁冷凝水湍動(dòng)、及時(shí)排除冷凝水、端蓋保溫、合理選用干網(wǎng)和調(diào)節(jié)干網(wǎng)張力等。

4.1.1 增加烘缸內(nèi)壁冷凝水湍動(dòng)

對(duì)傳統(tǒng)烘缸內(nèi)壁進(jìn)行適當(dāng)改造，如樹(shù)脂掛里、加裝擾流棒以增加冷凝水的湍動(dòng)程度，可有效提高烘缸的傳熱性能。樹(shù)脂掛里既可防止內(nèi)壁腐蝕，又能提高傳熱系數(shù)，文獻(xiàn)［27］指出采用樹(shù)脂掛里可使傳熱系數(shù)提高38%，節(jié)約蒸汽約6．9%。加裝擾流棒對(duì)傳熱效率的改善因紙機(jī)車(chē)速不同而不同［28］，車(chē)速越高越有利于傳熱，見(jiàn)表3。文獻(xiàn) ［29］指出，車(chē)速為1000～1400 m/min的紙機(jī)烘缸加裝擾流棒可使烘缸傳熱系數(shù)提高40%～50%。

4.1.2 及時(shí)排除冷凝水

冷凝水通常是借助固定式或旋轉(zhuǎn)式虹吸管排除烘缸外的，固定式虹吸管普遍應(yīng)用于車(chē)速較高的紙機(jī)，可使傳熱效率提高5% ～10%［9］;旋轉(zhuǎn)式虹吸管不僅適于低車(chē)速時(shí)冷凝水聚集在烘缸下部的情況，也適于高車(chē)速時(shí)冷凝水在烘缸內(nèi)形成水環(huán)的情況，還可減少干燥部傳動(dòng)的電耗，是排除烘缸內(nèi)冷凝水的有效裝置［25］。除虹吸管類(lèi)型及尺寸外，決定冷凝水排除的因素還有:壓差大小、冷凝水管道的尺寸等，在設(shè)計(jì)和操作時(shí)應(yīng)給予全面考慮。

表3 擾流棒對(duì)傳熱的影響［28］

圖3 烘缸端蓋散熱情況

4.1.3 烘缸端蓋保溫

許多紙機(jī)的烘缸端蓋保溫效果不佳，由此造成了較大的熱損失。筆者對(duì)烘缸端蓋進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。圖3(a)所示烘缸端蓋表面溫度高達(dá)121．5℃，而圖3(b)的表面溫度只有67．7℃。烘缸端蓋溫度過(guò)高，將會(huì)導(dǎo)致大量的熱量會(huì)從端蓋散失掉。一個(gè)直徑為1．5 m的烘缸每年因端蓋散熱造成的損失約相當(dāng)于86 t蒸汽的熱量［30］。由此可見(jiàn)，烘缸端蓋保溫的節(jié)能效果顯著。

有研究表明，烘缸端蓋90%的散熱損失是可以通過(guò)加強(qiáng)保溫而避免的，可降低1．7% ～3．0%的能耗，且投資回收期不到1年［30］。文獻(xiàn) ［31-32］對(duì)端蓋保溫的具體措施進(jìn)行了詳細(xì)介紹，可作為企業(yè)實(shí)施端蓋保溫措施的技術(shù)支持。

4.1.4 合理選用干網(wǎng)和調(diào)節(jié)干網(wǎng)張力

干網(wǎng)的使用大大提高了紙幅的水分蒸發(fā)速率。Clontz W．R．的測(cè)試顯示［33］，干網(wǎng)與干毯相比可使水分蒸發(fā)速率提高7%，同時(shí)可節(jié)約干燥部10%的汽耗。如今干網(wǎng)以其優(yōu)越的性能已取代了干毯的歷史地位，幾乎應(yīng)用于所有的紙機(jī)烘缸組，但隨著干網(wǎng)的普及，干網(wǎng)透氣度和張力已成為影響干燥效率的重要因素，對(duì)此在優(yōu)化干燥部能量系統(tǒng)時(shí)應(yīng)給予關(guān)注。

干網(wǎng)透氣性能對(duì)傳熱、傳質(zhì)都有影響，是決定水分蒸發(fā)速率的關(guān)鍵因素。一般透氣度越大越有利于傳質(zhì)，但對(duì)于與紙幅有接觸的那部分干網(wǎng)，則不利于傳熱。從節(jié)能的角度來(lái)講，透氣度的選取并不是越大越好，而是存在一個(gè)對(duì)應(yīng)于能耗最小的最佳值。各機(jī)臺(tái)應(yīng)結(jié)合各段烘缸組的蒸發(fā)速率和能耗情況合理選用，以使熱、質(zhì)傳遞處于最佳狀態(tài)。另外，在紙機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，干網(wǎng)表面會(huì)變臟，這會(huì)對(duì)它的透氣性能產(chǎn)生影響，所以應(yīng)不定期清洗干網(wǎng)，也可以安裝在線(xiàn)清洗裝置避免類(lèi)似情況的發(fā)生。對(duì)某安裝在線(xiàn)清洗裝置的紙機(jī)進(jìn)行的節(jié)能量審核表明，可以達(dá)到年節(jié)能2%的效果［34］。

干網(wǎng)張力的作用是使紙幅緊貼在烘缸表面，以改善烘缸與紙幅的傳熱。一般張力越大又有利于傳熱。據(jù)統(tǒng)計(jì)，干網(wǎng)張力每增加175 N/m，可使干燥效率提高0．7%［9］。對(duì)于舊紙機(jī)，TAPPI推薦的干網(wǎng)張力為1．4～1．7 kN/m，而對(duì)于現(xiàn)代化紙機(jī)可以高達(dá) 2．6 kN/m［35］。生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況的不同，合理調(diào)節(jié)干網(wǎng)張力，以保持干燥效率的最大化和干燥能耗的最小化。

4.2 蒸汽梯級(jí)利用節(jié)能

4.2.1 多段通汽節(jié)能

多段通汽的干燥效率較直接通汽有了較大提高，可減少新鮮蒸汽用量。多段通汽由之前的蒸汽直接利用改為了梯級(jí)利用，符合逐級(jí)用能的原則，有利于充分利用蒸汽的潛熱，并能有效排除冷凝水。由于各段烘缸之間的蒸汽壓力是逐級(jí)遞減的，還可以有效地調(diào)節(jié)干燥曲線(xiàn)、改善紙張質(zhì)量。

目前，以三段通汽系統(tǒng)在紙機(jī)上的應(yīng)用為多。圖4為某新聞紙機(jī)三段通汽結(jié)構(gòu)圖，其中III段由1#～5#烘缸組成，GRP3為II段，GRP4和GRP5為I段。各段烘缸間的壓差隨操作條件的不同而異，可按干燥曲線(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)紙機(jī)的壓差并不是系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)的，而是根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)的。為了保證烘缸內(nèi)冷凝水的順暢排出，壓差往往設(shè)置的偏大，這就造成了蒸汽的浪費(fèi)。通過(guò)完善蒸汽冷凝水的控制系統(tǒng)，合理調(diào)節(jié)各段壓差和二次蒸汽用量，不僅可以節(jié)約蒸汽用量，還能提高紙機(jī)的生產(chǎn)效率。烘缸管理系統(tǒng)控制軟件 (DMSTM)可用來(lái)實(shí)時(shí)優(yōu)化蒸汽冷凝水系統(tǒng)，在Stora Enso Biron PM26的應(yīng)用表明，可以節(jié)約能源費(fèi)用26．3萬(wàn)美元/年，投資回收期僅為7個(gè)月［36］。

圖4 某新聞紙機(jī)三段通汽結(jié)構(gòu)圖

多段通汽系統(tǒng)自身也存在缺陷［37］，如:不利于調(diào)節(jié)紙機(jī)干燥部各段烘缸的供汽壓力和用汽量、烘缸中冷凝水難以順暢排出、烘缸的傳熱效率低、熱能得不到充分利用等。

4.2.2 熱泵通汽節(jié)能

針對(duì)多段通汽的不足，20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了熱泵通汽技術(shù)。熱泵通汽可以解決多段通汽存在的問(wèn)題，由于可增加抽吸不凝氣體的能力，并能使烘缸內(nèi)冷凝水順暢排出，從而能提高蒸汽的放熱系數(shù)和烘缸的傳熱效率。熱泵不直接消耗機(jī)械能或電能，而是利用工作蒸汽減壓前后的能量差為動(dòng)力，來(lái)提高二次蒸汽和廢熱蒸汽的品位供生產(chǎn)使用，因此可以降低新鮮蒸汽的消耗量［38］。某紙機(jī)由三段通汽改為熱泵通汽后可節(jié)約 4．94%的蒸汽［39］。

盡管熱泵通汽較多段通汽有眾多優(yōu)勢(shì)，但在現(xiàn)代化紙機(jī)上的應(yīng)用卻并不多見(jiàn)，這可能是由于熱泵通汽的能耗成本比多段通汽高，因?yàn)闊岜猛ㄆ枰~外的高壓蒸汽作為驅(qū)動(dòng)蒸汽 (約為總通汽量的25%～30%)［37］，而在很多紙廠并沒(méi)有現(xiàn)成的高壓蒸汽可利用，況且高壓蒸汽比低壓蒸汽的成本要高。

4.3 通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能

通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)紙幅干燥速率的影響僅次于蒸汽冷凝水系統(tǒng)。通風(fēng)優(yōu)越的干燥部與無(wú)通風(fēng)的相比，可使干燥速率提高25%［26］。另外，有效的通風(fēng)不僅能使干燥速率提高1% ～12%，還可節(jié)省電能和熱能［40］。據(jù)估計(jì)，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)可降低熱耗0．76 GJ/t(風(fēng)干)，減少電耗 6．3 kWh/t(風(fēng)干)［41］。

通風(fēng)溫度和濕度是影響干燥效率的重要變量，溫度過(guò)高會(huì)增加蒸汽消耗，濕度過(guò)大則會(huì)降低水分蒸發(fā)速率。通風(fēng)溫度以82～93℃為宜，某通風(fēng)量為3400 m3/min的紙機(jī)的送風(fēng)溫度由113℃降為93℃之后，不但干燥效率沒(méi)有降低，還節(jié)約蒸汽2180 kg/h［19］。排風(fēng)濕度則因氣罩類(lèi)型而異，敞開(kāi)式氣罩一般為40～70 g H2O/kg干空氣，密閉氣罩為120～140 g H2O/kg干空氣，高濕度密閉氣罩則可達(dá)180 g H2O/kg干空氣。

根據(jù)筆者的調(diào)查，大多數(shù)企業(yè)并沒(méi)有認(rèn)識(shí)到要對(duì)其通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這就造成了大量的能源浪費(fèi)。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)環(huán)境、車(chē)速和蒸發(fā)速率的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)，以使能耗最小。通風(fēng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制包括:調(diào)節(jié)通風(fēng)量，使露點(diǎn)、零位恒定;調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)量，使送風(fēng)濕度恒定;調(diào)節(jié)空氣加熱器蒸汽流量，使送風(fēng)溫度恒定。

4.4 熱回收節(jié)能

紙機(jī)干燥部排出的濕熱空氣 (即氣罩排風(fēng))帶走了蒸汽傳給烘缸的大部分熱量［42］。以某年產(chǎn)30萬(wàn)t的紙機(jī)為例，約有40 MW的熱量是由氣罩排風(fēng)帶走的，其熱回收系統(tǒng)就可回收20 MW的余熱［43-44］。目前我國(guó)半封閉氣罩紙機(jī)排風(fēng)幾乎均無(wú)熱回收，即使某配備有密閉氣罩的現(xiàn)代化紙機(jī)也僅回收了30%的余熱。而性能優(yōu)良的熱回收系統(tǒng)這一比例可達(dá)60% ～70%［45］。由此可見(jiàn)，在余熱回收方面存在的節(jié)能潛力還較大。

據(jù)報(bào)道，通過(guò)安裝熱回收系統(tǒng)可節(jié)約蒸汽0．5 GJ/t紙［46］。另外，通過(guò)熱回收系統(tǒng)的優(yōu)化集成亦可以有效降低干燥部的蒸汽消耗，Kilponen L．對(duì)某紙機(jī)熱回收系統(tǒng)的優(yōu)化研究表明，可以節(jié)約10%～15%的汽耗［47］;Nordman R．利用夾點(diǎn)技術(shù)對(duì)瑞典某制漿造紙企業(yè)進(jìn)行過(guò)研究［48］，對(duì)于冷、熱物流較復(fù)雜的熱回收系統(tǒng)建議采用夾點(diǎn)技術(shù)來(lái)優(yōu)化其換熱網(wǎng)絡(luò)?；趭A點(diǎn)技術(shù)的原理，筆者就造紙機(jī)干燥部換熱系統(tǒng)提出了一種優(yōu)化分析方法，并對(duì)某在線(xiàn)涂布紙機(jī)的熱回收系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化研究，結(jié)果表明，可節(jié)約2．3% 的蒸汽［49］。

5 能量系統(tǒng)診斷與優(yōu)化技術(shù)

5.1 能量系統(tǒng)診斷技術(shù)

能量系統(tǒng)診斷技術(shù)是挖掘節(jié)能潛力的有力工具，文獻(xiàn)［50］介紹了干燥部的診斷方法，并給出了關(guān)鍵指標(biāo)的推薦值，可作為我國(guó)造紙企業(yè)干燥部能量系統(tǒng)診斷和優(yōu)化的指南。在此基礎(chǔ)上，國(guó)外多家機(jī)構(gòu)曾對(duì)紙機(jī)能量系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)診斷與優(yōu)化分析，如Albany、Voith、Feltri等公司曾分別對(duì)廣州造紙集團(tuán)的1#紙機(jī)和9#紙機(jī)，岳陽(yáng)泰格林紙集團(tuán)的1#紙機(jī)，廣東東莞理文紙業(yè)的3#紙機(jī)和4#紙機(jī)進(jìn)行過(guò)分析。華南理工大學(xué)劉煥彬團(tuán)隊(duì)擁有先進(jìn)的能量系統(tǒng)診斷儀器，已對(duì)國(guó)內(nèi)多臺(tái)紙機(jī)進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的分析，如金東紙業(yè)的1#紙機(jī)、2#紙機(jī)和3#紙機(jī)、廣東東莞理文紙業(yè)的1#紙機(jī)和2#紙機(jī)、永發(fā)紙業(yè)的11#紙機(jī)和12#紙機(jī)，為企業(yè)進(jìn)一步挖掘了節(jié)能空間，并提供了相應(yīng)的技改措施。以永發(fā)紙業(yè)的11#紙機(jī)為例，診斷結(jié)果表明，存在約22%的節(jié)能潛力。

5.2 能量系統(tǒng)綜合優(yōu)化技術(shù)

能量系統(tǒng)綜合優(yōu)化技術(shù)用于過(guò)程行業(yè)可大幅降低企業(yè)能耗，并能顯著提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，屬?lài)?guó)家發(fā)改委重點(diǎn)推廣的關(guān)鍵技術(shù)，也是國(guó)家十大節(jié)能工程實(shí)施方案之一。劉煥彬團(tuán)隊(duì)運(yùn)用“三環(huán)節(jié)”方法對(duì)造紙過(guò)程能量系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)研究，開(kāi)發(fā)了適于造紙企業(yè)的“三環(huán)節(jié)能量系統(tǒng)綜合優(yōu)化技術(shù)”［51-57］。針對(duì)造紙企業(yè)的復(fù)雜流程，還開(kāi)發(fā)了集造紙企業(yè)能量流、物料流、信息流于一體的“造紙企業(yè)能量系統(tǒng)優(yōu)化信息平臺(tái) (MEOP 1．0版本)”，該平臺(tái)將系統(tǒng)、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地調(diào)度生產(chǎn)能量配給，優(yōu)化熱電廠運(yùn)行，減少人為調(diào)度的局限性，使企業(yè)能量調(diào)度達(dá)到全局優(yōu)化的目的，在廣州造紙集團(tuán)的應(yīng)用表明可達(dá)到5%的節(jié)能效果［58］，現(xiàn)階段正在廣東東莞理文紙業(yè)開(kāi)發(fā)完善其MEOP 2．0 版本。

6 結(jié)語(yǔ)

造紙過(guò)程是一個(gè)不斷脫水的過(guò)程，從節(jié)能的角度來(lái)看，改善網(wǎng)部和壓榨部的脫水性能是更為經(jīng)濟(jì)的一種脫水方式。常見(jiàn)的網(wǎng)部節(jié)能技術(shù)有:高濃成形、夾網(wǎng)成形及真空系統(tǒng)優(yōu)化等。常見(jiàn)的壓榨部節(jié)能技術(shù)有:大輥壓榨、靴式壓榨及升溫壓榨等。通過(guò)強(qiáng)化烘缸傳熱、蒸汽梯級(jí)利用、通風(fēng)系統(tǒng)以及熱回收系統(tǒng)優(yōu)化等技術(shù)提高熱質(zhì)傳遞效率，可有效節(jié)約烘缸蒸汽用量。

雖然干燥部脫水量不及上網(wǎng)漿料含水量的1%，但卻是造紙過(guò)程能耗最大的工段，電耗60～130 kWh/t(風(fēng)干)、熱耗 2．85 ～4．85 GJ/t(風(fēng)干)，約占造紙過(guò)程總能耗的65%以上。當(dāng)前我國(guó)造紙過(guò)程干燥部的節(jié)能潛力最大，為0．4～2．1 GJ/t(風(fēng)干);網(wǎng)部次之，為60～190 kWh/t(風(fēng)干);壓榨部最小，僅為12～28 kWh/t(風(fēng)干)。盡管壓榨部的自身節(jié)能潛力小，但卻能給干燥部帶來(lái)巨大的節(jié)能潛力。一般情況下，壓榨干度每提高1%，干燥部可節(jié)省3%～8．5%的蒸汽。目前壓榨干度已達(dá)到了50% ～55%，今后仍有進(jìn)一步提高的潛力，預(yù)計(jì)可達(dá)到65%的水平，相當(dāng)于存在約30%的節(jié)能空間。

能量系統(tǒng)診斷與優(yōu)化技術(shù)是提高紙機(jī)運(yùn)行效率、減少紙機(jī)干燥部能耗的有效手段，可為企業(yè)挖掘更大的節(jié)能空間;能量系統(tǒng)綜合優(yōu)化技術(shù)則是從系統(tǒng)優(yōu)化的角度研究企業(yè)級(jí)的能量系統(tǒng)，不僅包括了上述單項(xiàng)節(jié)能優(yōu)化技術(shù)，而且還提出了過(guò)程系統(tǒng)用能效率的改進(jìn)措施和工程實(shí)施方案，是目前我國(guó)造紙過(guò)程節(jié)能技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。

［1］劉煥彬．低碳經(jīng)濟(jì)視角下的造紙工業(yè)節(jié)能減排［J］．中華紙業(yè)，2009，30(12):10．

［2］Karlsson M．Papermaking Science and Technology Series，Papermaking Part 2，Drying［M］．Helsinki，F(xiàn)inland:Finish Paper Engineers'Association and TAPPI，2000．

［3］Kong L b，Liu H b，Li J g，et al．Waste heat integration of coating paper machine drying process［J］．Drying Technology，2011，29(4):442．

［4］國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)．造紙產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策［R］．2007．

［5］國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)．節(jié)能中長(zhǎng)期專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃［R］．2004．

［6］Worrell E，Price L，Neelis M，et al．World Best Practice EnergyIntensity Values for Selected Industrial Sectors［R］．California:Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory，2008．

［7］華南理工大學(xué)造紙污染與控制國(guó)家工程研究中心．廣東省造紙行業(yè)節(jié)能潛力分析與節(jié)能關(guān)鍵共性技術(shù)研究報(bào)告［R］．2009．

［8］IPPC．Reference Document on Best Available Techniques in the Pulp and Paper Industry［M］．Brussels:Integrated Pollution Prevention and Control，European Commission，2001．

［9］Kinstrey R B，White D．Pulp and Paper Industry Energy Bandwidth Study［R］．Report for American Institute of Chemical Engineers．Jacobs Greenville and Institute of Paper Science and Technology(IPST)at Georgia Institute of Technology，Atlanta，2006．

［10］Yaroslav C，Aleksander K，Lester S．Laboratory Development of a High Capacity Gas-Fired Paper Dryer［R］．Des Plaines，IL:Gas Technology Institute-Energy Utilization Center，2004．

［11］盧謙和．造紙?jiān)砼c工程［M］．北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社，2006．

［12］Martin N，Anglani N，Einstein D，et al．Opportunities to Improve Energy Efficiency and Reduce Greenhouse Gas Emissions in the U．S．Pulp and Paper Industry［R］．California:Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory，2000．

［13］Jaccard M，Willis enterprises associates．Energy Conservation Potential in Six Canadian Industries［M］．Canada，Ottawa:Natural Resources Canada，1996．

［14］?slund P．On suction box dewatering mechasims［D］．Stockholm:Royal Institute of Technology，Department of Fiber and Polymer Technology，2008．

［15］Centre Technique du Papier(CTP)and Pira International．Energy technology in the paper industry［R］．1992．

［16］Urbas J C．Uniform drying:the effects and importance of air in the process［J］．Pulp and Paper，1966，40(26):26．

［17］Reese R A．Energy conservation opportunities in papermaking［J］．Pulp＆ Paper Canada，1988，89(10):97．

［18］Wicks L D．Press design review［C］//Practical Aspects of Pressing and Drying Course，Atlanta:TAPPI，1990．

［19］TIP 0404-63，Paper machine energy conservation［S］．TAPPI，Atlanta，2006．

［20］Holik H．Handbook of Paper and Board［M］．Weinheim:WILEYVCH Verlag GmbH ＆ Co．KGaA，2006．

［21］華南理工大學(xué)造紙與污染控制國(guó)家工程研究中心．東莞玖龍紙業(yè)有限公司9期(PM9/10)造紙機(jī)靴壓改造項(xiàng)目節(jié)能量審核報(bào)告［R］．2010．

［22］Baubock J，Anzel A．Reduce your drying costs．Steel Yankee and shoe press make a more attractive alternative to conventional technology，as energy costs rise［J］．Tissue World Magazine，2007，December 2007/January 2008．

［23］TIP 0404-50，Press section optimaization［S］．TAPPI，Atlanta，2009．

［24］The Agenda 2020 Technology Alliance．Forest Products Industry Technology Roadmap［OL］．［2010-04］．http://www．a(chǎn)genda2020．org．

［25］Chance J L．Overview of the dryer section［C］//Practical Aspects of Pressing and Drying Course，Atlanta:TAPPI，1990．

［26］Paltakari J T，Karlsson M A，Timofeev O N．Effect of blow boxes on evaporation during cylinder contact in a paper machine dryer section［J］．Drying Technology，1997，15(6):1857．

［27］何北海，林 鹿，劉秉鉞，等．造紙工業(yè)清潔生產(chǎn)原理與技術(shù)［M］．北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社，2007．

［28］Macdonald R G．Pulp and Paper Manufacture，VolumeⅢ．Papermaking and Paperboard Making［M］．2ndEdition．McGRAW-HILL，1970．

［29］Pulkowski J H，Wedel G L．The effect of spoiler bars on dryer heat transfer［J］．Pulp ＆ Paper Canada，1988，89(8):61．

［30］Mujumdar A S．Handbook of Industrial Drying［M］．3rdEdition．New York:CRC Press，2006．

［31］Mcgowan P J．Insulative end cap for cylindrical metal drying rollers of paper drying machines，and process for fabrication thereof:U S，4399169［P］．1983-08-16．

［32］Paper machine drying-cylinder end-cap insulation，Energy efficiency demonstration scheme，Project Profile 114［R］．U．K．:Energy Efficiency Office，Department of Energy，1986．

［33］Clontz W R．Determination of drying improvements in a dryer section［J］．TAPPI，1971，54(10):1714．

［34］華南理工大學(xué)造紙與污染控制國(guó)家工程研究中心．東莞玖龍紙業(yè)有限公司PM12/13生產(chǎn)線(xiàn)干網(wǎng)清洗設(shè)備技術(shù)改造項(xiàng)目節(jié)能量審核報(bào)告［R］．2010．

［35］TIP 0404-04，Recommend tensions in dryer fabrics［S］．TAPPI，Atlanta，2007．

［36］Reese D．Low-cost dryer update opportunities offer efficiency gains，energy savings［J］．Pulp and Paper，2005，79(3):54．

［37］Hill K C．Dryer drainage systems［C］//Practical Aspects of Pressing and Drying Course，Atlanta:TAPPI，1990．

［38］何智偉．熱泵在紙機(jī)干燥部蒸汽-冷凝水系統(tǒng)的應(yīng)用［J］．湖南造紙，2003(2/4):9．

［39］王 權(quán)，劉聿拯，姜寶偉．造紙機(jī)干燥部熱泵供汽系統(tǒng)節(jié)能效益分析［J］．節(jié)能，1993(6):27．

［40］Smith J．Energy optimization in the dryer section［J］．Paper Age，2008，September/October:24．

［41］Kramer K J，Masanet E，Worrell E．Energy efficiency opportunities In the U．S．pulp and paper industry［J］．Energy Engineering，2010，107(1):21．

［42］Reese J R．High-humidity hoods conserve energy and improve runnability［J］．TAPPI，1989，72(4):87．

［43］S?derman J，Pettersson F．Influence of variations in cost factors in structural optimisation of heat recovery systems with moist air streams［J］．Applied Thermal Engineering，2003，23(14):1807．

［44］Sivill L，Ahtila P，Taimisto M．Thermodynamic simulation of dryer section heat recovery in paper machines［J］．Applied Thermal Engineering，2005，25(8/9):1273．

［45］Maltais D．Heat recovery on a paper machine hood［J］．Pulp＆ Paper Canada，1993，94(12):113．

［46］De Beer J G，Van Wees M T，Worrell E，et al．Icarus-3:The potential of energy efficiency improvement in the Netherlands up to 2000 and 2015［R］．Utrecht，Netherlands．:Department of Science，Technology and Society，Utrecht University，1994．

［47］Kilponen L，Ahtila P，Taimisto M．Improvement of dryer section heat recovery in existing paper machines during operation［C］//1stInternational Conference on Sustainable Energy Technologies，Porto，Portugal，2002．

［48］Nordman R，Berntsson T．Use of advanced composite curves for as-sessing cost-effective HEN retrofit II．Case studies［J］．Applied Thermal Engineering，2009，29(2/3):282．

［49］李玉剛，劉煥彬，陶勁松，等．基于夾點(diǎn)技術(shù)的涂布紙機(jī)干燥部熱回收優(yōu)化分析［J］．中國(guó)造紙學(xué)報(bào)，2010，25(2):71．

［50］TIP 0404-33，Dryer section performance monitoring［S］．TAPPI，Atlanta，2003．

［51］解新安，劉煥彬，鄧 毅，等．造紙企業(yè)能量系統(tǒng)“三環(huán)節(jié)”模型的建立及應(yīng)用探討［J］．造紙科學(xué)與技術(shù)，2004，23(1，2，6):25，32，6．

［52］解新安，劉煥彬，李繼庚，等．過(guò)程能量綜合技術(shù)及其在造紙工業(yè)能量系統(tǒng)優(yōu)化中的應(yīng)用［J］．造紙科學(xué)與技術(shù)，2006，25(6):21．

［53］劉煥彬，李繼庚．造紙工業(yè)節(jié)能關(guān)鍵共性技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用［C］//中日節(jié)能環(huán)保合作論壇(廣東)，廣州，2008．

［54］陶勁松，李繼庚，孔令波，等．造紙過(guò)程“三環(huán)節(jié)”能量系統(tǒng)及診斷案例分析［J］．造紙科學(xué)與技術(shù)，2009，28(6):24．

［55］張鼎華，李繼庚，劉煥彬，等．造紙過(guò)程“三環(huán)節(jié)”能量結(jié)構(gòu)優(yōu)化MAS模型的設(shè)計(jì)［J］．中國(guó)造紙，2009，28(10):5．

［56］Tao J S，Li J G，Liu H B，et al．Energy and Exergy Measurement for Papermaking Processes［J］．Measurement＆ Control，2010，43(4):116．

［57］Li J G，Liu H B，Yin Y J，et al．Energy system diagnosis and analysis with‘Three-Link’models in pulp and paper mill［C］//International Conference on Renewable Energies and Power Quality(ICREPQ'10)，Granada，Spain，2010．

［58］李繼庚，劉煥彬，吳 波，等．造紙企業(yè)全廠能量系統(tǒng)優(yōu)化信息平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［J］．造紙科學(xué)與技術(shù)，2009，28(6):14．

Potential Analysis and Application Techniques of Energy Efficiency in Papermaking Process

KONG Ling-bo LIU Huan-bin*LI Ji-geng TAO Jin-song
(State Kay Lab of Pulp and Paper Engineering，National Engineering Research Center of Papermaking and Pollution Control，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong Province，510640)
(*E-mail:hbliu@scut．edu．cn)

This paper firstly introduced the characteristics of dewatering process in a paper machine，then the energy consumption status of papermaking process both at home and abroad were compared，and the energy consumption status and energy efficiency potential of each papermaking units were discussed．Finally，the energy efficiency techniques and its applications in papermaking process were reviewed．

papermaking process;energy efficiency potential;energy efficiency techniques

TK01+8;TS7

A

0254-508X(2011)08-0055-08

孔令波先生，在讀博士研究生;主要研究方向:制漿造紙節(jié)能與過(guò)程優(yōu)化技術(shù)。

2011-03-01(修改稿)

本課題由廣東省科技廳節(jié)能減排重大專(zhuān)項(xiàng) (2010A080801002)資助。

(責(zé)任編輯:常 青)