從能耗情況看熱電聯(lián)產(chǎn)在制漿造紙工業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

衛(wèi)曉林，張革倉，李群

(1 天津科技大學(xué)制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津，300457；2 山東晨鳴紙業(yè)集團(tuán)股份有限公司，濰坊，262700)

熱電聯(lián)產(chǎn)是熱能高效利用不可替代的途徑，是節(jié)約能源、水源和保護(hù)環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。所謂熱電聯(lián)產(chǎn)，就是蒸汽進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)，使其部分能量轉(zhuǎn)化為電能；汽輪機(jī)排出的低壓蒸汽用于生產(chǎn)過程的加熱所需。熱電聯(lián)產(chǎn)是能源的一種“梯級利用[4]”方式，在供熱上基本是“能質(zhì)匹配”，為提高能源利用效率，能源梯級利用勢在必行。故熱電聯(lián)產(chǎn)既有效實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，也保護(hù)了環(huán)境。造紙工業(yè)主要用能為電和汽，急需實(shí)現(xiàn)合理用電用汽。國家鼓勵推廣“熱電聯(lián)產(chǎn)，集中供熱，提高熱電機(jī)組的利用率，發(fā)展熱能梯級利用技術(shù)，熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)技術(shù)”[3-5]。自1973年世界第一次能源危機(jī)以來，各國都把它列為節(jié)能重要措施之一。

1 我國制漿造紙工業(yè)能源消耗與供給情況分析

據(jù)中國年鑒統(tǒng)計資料表明，在30 個制造業(yè)中，造紙工業(yè)的能耗位于黑色冶金業(yè)、化工制造業(yè)、非金屬制造業(yè)、石油煤焦業(yè)、有色金屬業(yè)、紡織業(yè)之后，居第7 位。在電耗方面排序基本同上，只是退居第8位[1,6]。按2005年國家統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算，制漿造紙工業(yè)總能耗達(dá)到3274.13萬噸（以標(biāo)準(zhǔn)煤計），占我國能源總能耗的1.47%?！笆濉逼陂g，2005年的工業(yè)用電量為1萬8342 億千瓦時，輕工業(yè)用電量為3829億千瓦時，造紙業(yè)用電占整個工業(yè)用電的2.2%，這比2000年的下降了0.2 個百分點(diǎn)[2]?！笆晃濉逼陂g，噸紙漿平均綜合能耗（標(biāo)準(zhǔn)煤）由0.55 噸降至0.45噸；噸紙及紙板平均綜合能耗（標(biāo)準(zhǔn)煤）由0.83 噸降至0.68 噸。制漿造紙工業(yè)的能耗主要體現(xiàn)在電耗和煤耗兩方面，一般對制漿過程和造紙過程分別考察。由于所采用的工藝、設(shè)備以及處理原料的不同，其能耗水平差異較大。

1.1 制漿過程能耗的分析

劉秉鉞[7]已對我國幾種不同制漿方法和不同制漿設(shè)備的能耗情況進(jìn)行了分析，能耗測算范圍從原料送入蒸煮工段開始（不包括備料），至噴放后制得的含水粗漿（稱為液體漿），包括蒸汽的熱回收，如果是漂白漿，后面還有漿料的洗滌、篩選和多段漂白，分析結(jié)果如表1 所示。

表1 我國不同制漿設(shè)備、不同制漿方法能耗的對比

如表1 所示，傳統(tǒng)的蒸球制漿設(shè)備，原料處理量較小，單位能耗較高；連續(xù)蒸煮設(shè)備單位能耗較之間歇式蒸煮設(shè)備具有明顯優(yōu)勢，有利于制漿過程的節(jié)能降耗。

1.2 造紙過程不同紙機(jī)能耗的比較

造紙過程噸紙能耗受到紙機(jī)車速的影響較大，不同產(chǎn)品類型和定量對于單位消耗的影響相對較小。表2 數(shù)據(jù)為我國5 種不同紙機(jī)的能耗調(diào)研結(jié)果[7]，能耗測算范圍均是從紙料及各種助劑進(jìn)入抄紙車間開始，經(jīng)過打漿、調(diào)料、篩選、凈化，然后上網(wǎng)脫水、壓榨、干燥，直至完成整理為止。

表2 所涉及的幾種紙機(jī)中，圓網(wǎng)紙機(jī)生產(chǎn)管理比較嚴(yán)格，做到了全封閉零排放，噸紙耗水主要是干燥部蒸發(fā)和各類污泥廢渣帶水，其干燥部的烘缸罩屬于敞開式的。普通長網(wǎng)造紙機(jī)，生產(chǎn)的膠版紙需要進(jìn)行表面施膠，其干燥部的烘缸罩屬于半封閉式的。水平夾網(wǎng)紙機(jī)，于2007年安裝，是目前世界先進(jìn)的造紙機(jī)，其壓榨部采用蒸汽箱，干燥部的烘缸罩屬全封閉式的。疊網(wǎng)紙板機(jī)是國產(chǎn)的比較先進(jìn)的紙板機(jī)，其網(wǎng)部由四層長網(wǎng)組成，干燥部的烘缸罩屬全封閉式的。涂布白紙板機(jī)是進(jìn)口的先進(jìn)涂布白紙板機(jī)，采用機(jī)內(nèi)涂布方式，涂布后采用熱風(fēng)干燥，干燥部的烘缸罩屬全封閉式。

表2 中國不同造紙機(jī)能耗對比

從表1 和表2 可看出，制漿造紙過程需用大量熱能和電能，且負(fù)荷較均衡。以往提供動力的方式是向公用電網(wǎng)購電和獨(dú)立的鍋爐房供熱，這種動力供應(yīng)方式的能源利用率較低，具有能源利用效率提升空間。為適應(yīng)當(dāng)前節(jié)能減排發(fā)展趨勢，許多造紙企業(yè)大都采用堿回收產(chǎn)汽（產(chǎn)能）與纖維性垃圾焚燒等方式，最大限度上實(shí)現(xiàn)能源自給，以降低生產(chǎn)成本。

1.3 自產(chǎn)能源的利用

自產(chǎn)能源在制漿造紙工業(yè)中不可低估。自給能力的高低說明了能源利用和能源節(jié)約的水平[8]，有效地利用自產(chǎn)能源是一種高度的循環(huán)經(jīng)濟(jì)。這方面的工作受到國內(nèi)造紙行業(yè)的不斷重視，自產(chǎn)能源在總能耗中所占的比例日趨提高。

據(jù)楊懋暹[6]分析得出近年來我國有堿回收紙廠的自產(chǎn)能源和耗能情況（見表3），不包括紙廠外購煤炭發(fā)電的情況。

從表3 看出近年來我國堿回收量逐年增加，以此推算的自產(chǎn)能源量也逐年增加。2001年自產(chǎn)能源占總消耗能源的9.7%，到2003年上升到12%。到2010年，我國造紙工業(yè)中一些企業(yè)能源自給率達(dá)到20%～30%。據(jù)有關(guān)資料報道，2007年美國造紙工業(yè)的能源自給率達(dá)到47.1%，芬蘭為54%，瑞典高達(dá)62%[1]。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，我國制漿造紙企業(yè)總體上能源自給率較低，但發(fā)展勢頭良好；高效率的蒸汽、電力聯(lián)合生產(chǎn)模式適合制漿造紙企業(yè)能源需求特點(diǎn)，為熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)在造紙行業(yè)中的迅速普及與應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)條件和發(fā)展空間。

表3 近年來中國造紙行業(yè)產(chǎn)能和耗能情況

2 熱電聯(lián)產(chǎn)在制漿造紙工業(yè)的應(yīng)用

如前所述，制漿造紙工業(yè)中的能源和電力消耗巨大，而節(jié)能減排作為我國可持續(xù)發(fā)展的必要措施。因此在對環(huán)境友好的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，必須采取一定手段改進(jìn)當(dāng)前我國制漿造紙工業(yè)能源分配策略。熱電聯(lián)產(chǎn)作為一種既產(chǎn)電又產(chǎn)熱的能源利用形式，具有熱能利用率高、能耗降低大、供熱質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。因此熱電聯(lián)產(chǎn)成為提高制漿造紙工業(yè)能源統(tǒng)合利用率的有效方式。下面主要分析并討論了其運(yùn)行方式及對制漿造紙業(yè)的貢獻(xiàn)。

2.1 熱電聯(lián)產(chǎn)的運(yùn)行方式

熱電循環(huán)方式通常有三種，分別為凝汽式、抽汽凝汽式和純背壓式。純背壓式熱電循環(huán)是采用專門的汽輪機(jī)，其乏汽壓力不是很低，直接利用乏汽來供熱。此系統(tǒng)的特點(diǎn)是熱用戶H 代替凝汽式熱力循環(huán)的凝汽器B，因此能同時供熱和供電。顯然由于純背壓式汽輪機(jī)排汽壓力提高，蒸汽用于做功發(fā)電的能量減少，但以前被冷卻水帶走的熱量現(xiàn)在供給熱用戶使用，所以總的熱能利用率提高了。然而，純背壓式熱電循環(huán)的一個缺點(diǎn)是發(fā)電量與供熱量之間有著固定的聯(lián)系，彼此互相牽制。當(dāng)熱負(fù)荷增長時，必須多供蒸汽，通過汽輪機(jī)的蒸汽量就得增加，因此發(fā)電量也相應(yīng)增加。反之熱負(fù)荷減少時，蒸汽減少，發(fā)電量也被迫減少。因此純背壓式熱電循環(huán)不能同時獨(dú)立地滿足熱負(fù)荷與電負(fù)荷的需要[1]。

為了克服純背壓式熱電循環(huán)的缺點(diǎn)，同時滿足造紙廠蒸汽負(fù)荷波動比較大的特點(diǎn)，可以采用抽汽式熱電循環(huán)，如圖1 所示。

圖1 三種熱力循環(huán)簡圖

圖中的A2為抽汽式汽輪機(jī)。蒸汽在抽汽式輪機(jī)中膨脹至一定壓力，抽出一部分送給熱用戶H，其余蒸汽繼續(xù)在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹做功，乏汽進(jìn)入凝汽器B。這種熱電循環(huán)的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠自動調(diào)節(jié)熱電輸出，在保證供電、供汽參數(shù)一定的條件下，能較好地滿足用戶對熱、電負(fù)荷的不同要求。此熱電循環(huán)的熱效率介于背壓式熱電循環(huán)和凝汽式熱電循環(huán)之間。圖2 是現(xiàn)許多造紙廠使用的動力循環(huán)。

圖2 造紙廠的蒸汽動力裝置系統(tǒng)圖

造紙廠的燃煤鍋爐和堿回收爐等產(chǎn)生的高壓蒸汽一部分送至背壓式汽輪機(jī)，乏汽供生產(chǎn)工藝用熱，這部分的發(fā)電和供熱恒定。另一部分蒸汽送至抽汽凝汽式汽輪機(jī)中，從汽輪機(jī)抽汽供生產(chǎn)工藝用熱，乏汽送凝汽器冷凝?？筛鶕?jù)生產(chǎn)工藝熱負(fù)荷的波動及時調(diào)節(jié)抽汽量，當(dāng)熱負(fù)荷減少時，多余的蒸汽可用來發(fā)電，乏汽進(jìn)入凝汽器。

2.2 熱電聯(lián)產(chǎn)在制漿造紙工業(yè)中的貢獻(xiàn)

2.2.1 熱電聯(lián)產(chǎn)在國內(nèi)外制漿造紙廠的應(yīng)用

（1）國內(nèi)多家制漿造紙廠已經(jīng)實(shí)行熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，如海南金海紙漿廠，是全球最大的單條制漿生產(chǎn)線。熱電設(shè)備主要有日處理固形物5500t/d、產(chǎn)蒸汽800t/h 的堿回收爐、產(chǎn)蒸汽400t/h 的多燃料循環(huán)流化床鍋爐和三臺雙抽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)。該漿廠最大發(fā)電能力可達(dá)330M W，平均用電量127M W，自供電率可達(dá)100%。堿回收爐產(chǎn)生的熱能占全廠熱能使用量的83%左右，熱電聯(lián)產(chǎn)方式增加的電量占全廠使用電量的50%左右。

（2）國外，芬蘭Joutseno 紙廠中，漂白木漿生產(chǎn)線中熱電設(shè)備有固形物處理能力3500t/d、蒸汽產(chǎn)量522t/h 的堿回收鍋爐、多抽冷凝汽輪發(fā)電機(jī)。最大發(fā)電能力可達(dá)97MW，平均發(fā)電量79.8MW。除自用的41.7MW 電量外，有48%的電力外賣。德國Stendal漿廠熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備包括堿回收鍋爐、樹皮鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)。系統(tǒng)采用8.5Mpa 高壓蒸汽使發(fā)電量達(dá)90MW，除漿廠使用55MW 的電量外，還有39%電力外賣。

2.2.2 熱電聯(lián)產(chǎn)在制漿造紙廠的效益分析

（1）提高制漿企業(yè)的熱能利用效率，降低能源的消耗。純發(fā)電的冷凝式鍋爐發(fā)電機(jī)組，鍋爐熱效率約為67%，冷凝式汽輪機(jī)的熱效率約為45%，總熱效率約為30%；而采用熱電聯(lián)產(chǎn)方式，多級供汽冷凝發(fā)電的機(jī)組，熱效率可達(dá)55%～60%，總熱效率可達(dá)40%。抽汽背壓機(jī)組熱效率可高達(dá)85%，總熱效率可達(dá)57%；采用熱電聯(lián)產(chǎn)的生產(chǎn)方式，可提高制漿企業(yè)熱能利用效率，降低由于冷凝汽輪機(jī)排汽而浪費(fèi)的熱量[9]。

（2）造紙廠利用熱電聯(lián)產(chǎn)實(shí)現(xiàn)能源自給，降低生產(chǎn)成本。我國30 個制造業(yè)中僅造紙業(yè)能利用廢料生產(chǎn)能源。一般漿廠除有堿回收爐外，同時有1 臺動力鍋爐，可燃燒樹皮、木屑、黑液處理后的污泥等各種固形垃圾。它產(chǎn)生的高壓蒸汽與回收爐的高壓蒸汽合并用于發(fā)電和供熱，也是變害為利[3]。此種發(fā)電和供熱方式可滿足全廠用電需求，甚至還能實(shí)現(xiàn)部分電能外賣[9,11]。若不采用熱電聯(lián)產(chǎn)，堿回收鍋爐產(chǎn)生的蒸汽直接供生產(chǎn)使用，剩余的純凝發(fā)電，產(chǎn)電量很少且電力還需外購。若采用熱電聯(lián)產(chǎn)，堿回收鍋爐產(chǎn)生的蒸汽做功發(fā)電后，分級抽汽供生產(chǎn)使用。在供給全廠蒸汽用量的同時，發(fā)電量可滿足生產(chǎn)用電需要，并有部分剩余。

（3）降低對環(huán)境的影響，并能節(jié)約土地資源。由于熱電聯(lián)產(chǎn)一般選擇循環(huán)流化床鍋爐，采用分段燃燒等技術(shù)，燃燒效率高，同時可摻燒石灰石脫硫，相比于小鍋爐、火電廠，可明顯降低溫室氣體（GHG）的排放[15]，Pini Prato A 等研究了紙廠熱電聯(lián)產(chǎn)實(shí)施的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（DHS），有效實(shí)現(xiàn)集散供熱和熱電氣的高效分配。這一過程中，其SOX 排放量大降，NOX 排放量低于100 mg/l，而且灰、渣是制磚和水泥的好原料[9,10]。同時可節(jié)約生產(chǎn)用地，相對于熱電分廠它可使設(shè)備和貯煤場布置更緊湊，節(jié)約土地資源。

3 制漿造紙廠的熱電平衡

3.1 制漿廠的熱電平衡

一個現(xiàn)代化紙漿廠能在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量熱和電，超過其需用量。這是由于通過技術(shù)不斷改進(jìn)，制漿過程所需熱、電能耗已大幅下降，蒸發(fā)后黑液的濃度和堿回收爐熱效率顯著提高，以及生物燃料（樹皮、木屑、漿渣等）焚燒爐的推廣。Henrik Holmberg等已做研究，熱電聯(lián)產(chǎn)能使燃料費(fèi)和CO2排放量大幅降低，實(shí)現(xiàn)紙廠熱電配置平衡[11]。采用硫酸鹽法化學(xué)制漿廠的熱電平衡決定于以下幾個因素[1]：

（1）紙漿得率，隨木材種類、紙漿品種、工藝條件和制漿技術(shù)裝備而有差別；（2）所用木材是原木還是木片（已去皮或未去皮），樹皮是否焚燒產(chǎn)生熱能或出售；（3）制漿及熱電聯(lián)產(chǎn)過程中的熱、電消耗量；（4）熱電站產(chǎn)生的蒸汽參數(shù)、機(jī)組選型和制漿過程所用蒸汽參數(shù)；（5）是單獨(dú)的紙漿廠還是制漿造紙綜合廠。

3.2 造紙廠的熱電平衡

現(xiàn)代造紙廠熱、電需用量大，還不能自給自足，須設(shè)置外購燃料的動力鍋爐及發(fā)電裝置供汽、發(fā)電。發(fā)達(dá)國家通常設(shè)置重油鍋爐或天然氣鍋爐產(chǎn)生高壓蒸汽，配備背壓、抽汽冷凝機(jī)組發(fā)電，以滿足紙廠的熱、電需用量。采用機(jī)漿造紙的廠有大量樹皮和木材廢料，用脫墨廢紙漿的廠有大量污泥及漿渣。這些固體廢料均可用作鍋爐燃料產(chǎn)生飽和蒸汽或高壓蒸汽，用于生產(chǎn)過程或發(fā)電，可節(jié)約大量能源并減輕對環(huán)境的污染。造紙廠的熱電平衡隨產(chǎn)品品種、原料配比、熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組及造紙生產(chǎn)線規(guī)模及裝備而異[12-14]。

4 制漿造紙工業(yè)中熱電聯(lián)產(chǎn)的發(fā)展趨勢

4.1 熱電設(shè)備向高參數(shù)方向發(fā)展

高參數(shù)熱電設(shè)備，可提高發(fā)電能力，具較高的熱效率。制漿造紙工業(yè)中，D.J.Marshaman 和T.Chmelyk 等在熱電聯(lián)產(chǎn)的運(yùn)用中開發(fā)了一種可行能源優(yōu)化算法（MILP 模型），此動態(tài)程序設(shè)計在各紙廠廣泛應(yīng)用，普及性好，因能高效解決紙廠能源配置問題，經(jīng)濟(jì)效益也好[16]。

4.2 多燃料鍋爐的使用

原料（木片）制備過程會產(chǎn)生樹皮和木屑等廢渣，充分利用這部分廢棄物和漿廠的廢液、廢渣等生物質(zhì)能源，減少外購能源的使用量；利用制漿廢液通過堿回收爐生產(chǎn)高值能源，除回收化學(xué)品外還可回收熱能。因此，制漿企業(yè)可使用摻燒多種燃料的循環(huán)流化床鍋爐，綜合利用備料廢渣（樹皮、木屑、竹屑、蔗髓）、污水處理站污泥等，通過生物鍋爐來回收熱能。

4.3 黑液和廢料的干餾/氣化生產(chǎn)可燃?xì)怏w

使用干餾/氣化方法是處理制漿過程中的黑液、木屑、污泥等生物廢料生產(chǎn)可燃?xì)怏w的一種新的技術(shù)。若合理處理甲醇也可減少環(huán)境污染。與熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備結(jié)合起來，將生物廢料產(chǎn)生的可燃?xì)怏w供給燃?xì)廨啓C(jī)作燃料，驅(qū)動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力，而其燃燒后的廢氣，經(jīng)過廢熱回收裝置（廢熱鍋爐等）回收產(chǎn)生蒸汽，供給制漿過程使用，在滿足制漿過程的熱電需求后，剩余的可燃?xì)怏w或電力可出售。在干餾/氣化過程中，不同的觸媒有不同的催化作用，能按要求轉(zhuǎn)移催化方向，產(chǎn)生氫、一氧化碳、甲烷等不同的可燃?xì)怏w[9]。

結(jié)語

制漿造紙企業(yè)既有熱電的需求，也有生產(chǎn)熱電的條件。熱電聯(lián)產(chǎn)、集中供熱是提高能源利用率，節(jié)約能源的有效途徑，并且具有減少污染，凈化環(huán)境，提高供熱質(zhì)量，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)，其良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益越來越引起人們關(guān)注和重視。積極發(fā)展熱電事業(yè)是制漿造紙行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的重要途徑，某種意義上說，這同時也是我國科技水平以及社會文明程度提高的重要標(biāo)志之一。

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