大型造紙企業(yè)生產(chǎn)過程節(jié)能實踐案例與研究

楊家萬 廖祥榮 王寶輝， 廖 瑛 李嘉躍 蔡賦涵郭大亮 劉 濤

（1.浙江山鷹紙業(yè)有限公司，浙江海鹽，314304；2.三明市供電服務(wù)有限公司將樂分公司，福建將樂，353300；3.漳州城投建材集團(tuán)有限公司，福建漳州，363000；4.昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，云南昆明，650031；5.浙江科技學(xué)院環(huán)境與資源學(xué)院，浙江杭州，310023）

造紙行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，紙和紙板不僅是生活材料，更是重要的生產(chǎn)資料[1]。在紙制品需求量不斷增加和國家節(jié)能減排[2]、“雙碳”目標(biāo)背景下，造紙行業(yè)面臨能源成本與政策雙重壓力。如何通過技術(shù)、工藝、管理上的探索創(chuàng)新和整合優(yōu)化，持續(xù)深挖節(jié)能潛力，突破能耗瓶頸，降低能源成本，是造紙行業(yè)共同面臨的問題[3-4]。

本文主要介紹了國內(nèi)某大型造紙企業(yè)通過實施永磁同步電機(jī)合同能源管理、真空系統(tǒng)Eco-pump 變速透平機(jī)節(jié)能改造、干燥部熱泵系統(tǒng)節(jié)能改造、沼氣回收發(fā)電、廠房屋頂光伏發(fā)電等項目的節(jié)能實踐案例，以期對國內(nèi)造紙企業(yè)節(jié)能改造及相關(guān)科學(xué)研究提供參考，為推動現(xiàn)代造紙產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降耗、綠色發(fā)展提供指導(dǎo)。

1 合同能源管理模式

合同能源管理是節(jié)能服務(wù)公司和用能單位以契約形式約定節(jié)能目標(biāo)，由節(jié)能服務(wù)公司承擔(dān)項目工程設(shè)計、設(shè)備制造供貨、安裝調(diào)試、性能考核、竣工驗收、人員培訓(xùn)、設(shè)備維修、質(zhì)保服務(wù)全過程，項目產(chǎn)生收益由雙方按約定比例分享，約定期限、效益核算方式由雙方共同確認(rèn)。節(jié)能服務(wù)公司向用能單位提供節(jié)能設(shè)備和服務(wù)，在約定期限內(nèi)收取約定比例的節(jié)能效益來收回投資并獲得收益；用能單位也從中獲得相應(yīng)節(jié)能效益，并在約定期滿后獲得節(jié)能設(shè)備所有權(quán)及全部節(jié)能效益[5]。

經(jīng)專家現(xiàn)場考察和技術(shù)研討，確認(rèn)國內(nèi)某大型造紙企業(yè)的雙盤磨高壓電機(jī)等有很大節(jié)能空間，決定選用高效高壓永磁同步電機(jī)代替原普通高壓電機(jī)，保守評估節(jié)能率在15%以上。

永磁同步電機(jī)由永磁體勵磁作為轉(zhuǎn)子產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)磁場，三相定子繞組在旋轉(zhuǎn)磁場作用下通過電樞反應(yīng)感應(yīng)三相對稱電流并在空間中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場中受到電磁力作用運(yùn)動產(chǎn)生動能[6]。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上有高質(zhì)量永磁體磁極結(jié)構(gòu)，功率效率及功率因素高，允許過載電流大，轉(zhuǎn)動慣量小，允許脈沖轉(zhuǎn)矩大，可獲得較高加速度，動態(tài)性能好，且省去了容易出問題的集電環(huán)和電刷，可靠性顯著提高；優(yōu)點是發(fā)熱小、噪音小，整機(jī)體積小、質(zhì)量輕；缺點是成本較高[7]。

該造紙企業(yè)采取合同能源管理模式，將10臺原普通高壓電機(jī)（總裝機(jī)功率17000 kW，單臺裝機(jī)功率1700 kW）改造為高效高壓永磁同步電機(jī)（見圖1，總裝機(jī)功率16000 kW，單臺裝機(jī)功率1600 kW），并對控制軟件進(jìn)行優(yōu)化，提高功率因素，減少拖動系數(shù)，甚至可向電網(wǎng)提供無功支持，提高電網(wǎng)質(zhì)量，省去無功補(bǔ)償設(shè)備及維護(hù)費(fèi)用，極大提高電機(jī)利用率。改造完成后輸出有功功率滿足生產(chǎn)要求，實測功率因數(shù)大幅提高到0.997，電流降低13.65%，無功功率降低82.89%；據(jù)第三方檢測報告，永磁同步電機(jī)節(jié)電率在23%～28%，平均節(jié)電率為26.57%，實測小時節(jié)電量2325.56 kWh，如表1 所示。每年按8000 h 運(yùn)行時間計算，可節(jié)電1860.45萬kWh，折合標(biāo)煤2286.49 tce（當(dāng)量值，折標(biāo)系數(shù)1.229 tce/(104kWh)），實現(xiàn)合同能源管理模式下的互利共贏。

表1 設(shè)備電機(jī)改造前后第三方檢測數(shù)據(jù)Table 1 Third party test data before and after motor transformation

圖1 高效高壓永磁同步電機(jī)Fig.1 High-efficiency high-voltage permanent magnet synchronous motor

2 真空系統(tǒng)節(jié)能改造

真空系統(tǒng)是紙機(jī)重要耗能部位之一[8]，紙機(jī)吸水箱、伏輥、吸移輥等都需要不同真空度，且需根據(jù)生產(chǎn)工藝變化進(jìn)行調(diào)整，維持真空系統(tǒng)高效運(yùn)行、有效降低真空系統(tǒng)能耗是現(xiàn)代造紙管理者和技術(shù)人員需關(guān)注的問題[9]?，F(xiàn)代造紙真空系統(tǒng)主流設(shè)備為水環(huán)式真空泵，透平風(fēng)機(jī)近年來在部分造紙企業(yè)得到推廣和應(yīng)用，綜合比較各有優(yōu)缺：水環(huán)式真空泵需配置真空工作液循環(huán)系統(tǒng)及處理配套，能效低、功耗高；透平風(fēng)機(jī)在設(shè)備能耗、熱回收和節(jié)約水方面相比水環(huán)式真空泵更具優(yōu)勢，但通常需使用多級組合才獲得最終所需壓力，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占地空間大、投產(chǎn)成本大、故障率高、荷載高、噪音大等缺陷[10-11]。

針對水環(huán)式真空泵、透平風(fēng)機(jī)缺點局限，以蘭泰克為代表的Eco-pump 變速透平機(jī)（見圖2），結(jié)合先進(jìn)高速電機(jī)和高效風(fēng)機(jī)，通過變頻器驅(qū)動可實現(xiàn)從零到最大速度之間的無極調(diào)速控制，電機(jī)通過速度控制有效調(diào)節(jié)生產(chǎn)率，真空容量即便很小也能產(chǎn)生顯著節(jié)能效果；葉輪使用碳纖維或鑄鈦材料，具備良好的機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，直接安裝在電機(jī)軸一側(cè)（單級）或雙側(cè)（雙級）上，提高系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊性和機(jī)械可靠性，無需齒輪箱及耦合器，無共振頻率；相比水環(huán)式真空泵節(jié)能30%～70%，相比定速透平機(jī)可節(jié)能20%～30%，速度可控、功率可調(diào)，對基礎(chǔ)要求低、尺寸緊湊、質(zhì)量輕、維護(hù)快速簡單[12-14]。

圖2 Eco-pump變速透平機(jī)Fig.2 Eco-pump variable speed turbine

該造紙企業(yè)原有39 臺水環(huán)式真空泵，配備Y2 系列電機(jī)，裝機(jī)功率14842 kW，負(fù)載均高于95%，運(yùn)行功率約14321 kW；為保證水環(huán)式真空泵正常運(yùn)行，需循環(huán)水泵提供水環(huán)水，其裝機(jī)功率237 kW，運(yùn)行功率167 kW；故總裝機(jī)功率15079 kW，總運(yùn)行功率14488 kW。另外，水環(huán)水在運(yùn)行過程中溫度會逐漸升高，為降低水環(huán)水溫度保證真空泵正常運(yùn)行，必須配備冷卻水塔；由于真空泵運(yùn)行噪音大，需配備消音池和消音囪；水環(huán)水、消音池用水均密閉循環(huán)，水質(zhì)較臟會產(chǎn)生臭氣，一方面增加冷卻水塔維護(hù)費(fèi)用，另一方面產(chǎn)生大量帶有異味的白霧，影響廠區(qū)環(huán)境。

該造紙企業(yè)對原有真空系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造，將39 臺水環(huán)式真空泵替換為22 臺Eco-pump 變速透平機(jī)，淘汰Y2 系列電機(jī)；改善刮刀和接水盤的脫排水效果，借助Eco-flow 在線脫水測量系統(tǒng)對網(wǎng)部、壓榨部脫水進(jìn)行控制，合理配置網(wǎng)部及壓榨部真空度，從而實現(xiàn)真空系統(tǒng)節(jié)能穩(wěn)定運(yùn)行。改造后的真空系統(tǒng)無需配置循環(huán)水泵、冷卻水塔、消音池和消音囪，總裝機(jī)功率從15079 kW 降低至12110 kW，實測運(yùn)行負(fù)荷平均58.96%，保有良好的富余量。

根據(jù)改造前后真空系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析（見表2），真空系統(tǒng)運(yùn)行功率節(jié)約7348 kW，總節(jié)降率50.72%。每年按照運(yùn)行8000 h計算，則年節(jié)約電量約5878.40萬kWh，折合標(biāo)煤7224.55 tce（當(dāng)量值，折標(biāo)系數(shù)1.229 tce/(104kWh)），節(jié)降效果明顯；設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，改善了網(wǎng)部及壓榨部脫水效果，提高出壓榨部紙幅干度，降低后段蒸汽用量，為紙機(jī)提產(chǎn)創(chuàng)造條件；無需使用水環(huán)水，節(jié)水率100%，且消除對環(huán)境的不利影響。

表2 節(jié)能改造前后真空系統(tǒng)運(yùn)行情況對比Table 2 Comparison of vacuum system operation before and after energy saving transformation

3 干燥部節(jié)能改造

紙機(jī)干燥部是在烘缸通入高溫蒸汽對濕紙幅干燥脫水，約35%～40%的水分需通過干燥部脫出[15]，能耗量占整個造紙過程能耗總量的45%～55%，廢紙造紙企業(yè)干燥部汽耗更是占全部汽耗的90%以上[16]。從某種程度上說，汽耗量成為影響造紙企業(yè)成本和利潤的關(guān)鍵因素，更是造紙產(chǎn)業(yè)節(jié)能降耗的重要環(huán)節(jié)。為降低干燥部能耗，有對其溫濕參數(shù)動態(tài)特征及熱能節(jié)約原理進(jìn)行研究[17]，也有研究提出能耗協(xié)同控制概念，即同時考慮烘缸內(nèi)部蒸汽冷凝水熱力系統(tǒng)與氣罩通風(fēng)熱力系統(tǒng)的能耗，實現(xiàn)二次熱能循環(huán)綜合利用[18]。

干燥部蒸汽冷凝水系統(tǒng)的優(yōu)劣決定了蒸汽消耗量，可調(diào)式熱泵蒸汽冷凝水系統(tǒng)通過尾氣流量控制，能明顯改善烘缸排水性能，提高排水動力，并充分回收低壓蒸汽以減少消耗，滿足各種類型紙機(jī)和不同生產(chǎn)規(guī)模需求[19]。圖3 為可調(diào)式熱泵結(jié)構(gòu)及烘缸組尾汽流量控制示意圖。如圖3所示，可調(diào)式熱泵主要包括執(zhí)行器、主軸、管口、擴(kuò)壓室等，動力高壓蒸汽通過噴管（拉法爾噴管或漸縮噴管）使蒸汽速度升高，壓力下降，該流動過程屬于絕熱膨脹過程；經(jīng)混合室使高速的動力蒸汽與二次汽均勻混合達(dá)到喉口處使混合氣體達(dá)到音速，經(jīng)擴(kuò)壓段斷面由小變大，速度變小，壓力則由低升高，該過程屬于絕熱壓縮過程；即完成了絕熱膨脹、混合以及絕熱壓縮3個過程[20]。

圖3 可調(diào)式熱泵結(jié)構(gòu)及烘缸組尾汽流量控制示意圖Fig.3 Schematic diagram of adjustable heat pump structure and tail steam flow control of drying cylinder group

該造紙企業(yè)生產(chǎn)線紙機(jī)干燥部為多段進(jìn)汽的控制方式，蒸汽耗用量較大。實施節(jié)能技術(shù)改造后，引入可調(diào)式蒸汽冷凝水系統(tǒng)熱泵技術(shù)，根據(jù)紙機(jī)各段蒸汽耗用情況及對蒸汽溫度、壓力的總體要求進(jìn)行合理設(shè)計，同時優(yōu)化供氣管道布局；根據(jù)干燥前后段紙幅含水率差別，以及逐級提高蒸汽壓力與溫度的要求，使用可調(diào)式蒸汽冷凝水系統(tǒng)熱泵技術(shù)將后段蒸汽尾汽供向前段，充分利用尾段蒸汽；通過多段供汽、尾段蒸汽梯級利用以節(jié)約蒸汽消耗，降低熱交換清水用量，有效實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能降耗。改造實施情況如下。

（1）濕端烘缸（包括壓榨后第一組烘缸，施膠后第一組烘缸）原設(shè)計不變，利用后段汽水分離器二次閃蒸的蒸汽加熱，不夠時再由新鮮蒸汽補(bǔ)充。

（2）其他烘缸組均為標(biāo)準(zhǔn)熱泵系統(tǒng)，采用尾汽流量控制來調(diào)節(jié)烘缸排水，操作壓力在0.05～0.6 MPa之間，并根據(jù)各工段需求調(diào)節(jié)操作壓力范圍，熱泵的引射蒸汽和烘缸組主干燥蒸汽則使用1.2 MPa 中壓蒸汽，進(jìn)入烘缸組的蒸汽全部在該組循環(huán)利用，干燥過程中保證蒸汽不變成冷凝水；各烘缸蒸汽組可在給定壓力范圍內(nèi)工作，在紙機(jī)正常運(yùn)行過程中或生產(chǎn)斷紙時均實現(xiàn)蒸汽的穩(wěn)定利用，不造成浪費(fèi)[21]。

（3）冷凝水余熱回用：前烘、后烘第三組后烘缸的總冷凝水分別收集到汽水分離器，一次閃蒸后分別回用到前烘、后烘第二組烘缸使用，前烘、后烘第二組烘缸的冷凝水分別匯合進(jìn)入汽水分離器二次閃蒸供給低溫段使用；紙機(jī)的總冷凝水（102～105℃）進(jìn)入熱風(fēng)系統(tǒng)，汽-汽回收后為新風(fēng)預(yù)熱再回到電廠。

（4）氣罩換熱器加熱：熱風(fēng)系統(tǒng)的空氣在汽-汽回收后的加熱分為兩個部分：第一部分為冷凝水預(yù)熱器，優(yōu)先使用整條紙機(jī)的總冷凝水給新風(fēng)做預(yù)熱，充分提高新風(fēng)溫度；第二部分為新鮮蒸汽加熱，熱風(fēng)溫度不足部分由新鮮蒸汽補(bǔ)充。

改造實施后，蒸汽單耗平均下降0.1643 t/t紙，節(jié)降率9.43%，詳見表3。每年可節(jié)約蒸汽18.73萬t，折合標(biāo)煤18040.88 tce（當(dāng)量值，折標(biāo)系數(shù)0.03412 tce/GJ），并節(jié)約了熱交換清水用量。

表3 干燥部熱泵節(jié)能改造前后蒸汽單耗情況Table 3 Unit steam consumption of drying heat pump before and after energy saving transformation

4 沼氣回收發(fā)電

大型造紙企業(yè)通常配置完備的廢水處理系統(tǒng)，厭氧發(fā)酵過程能產(chǎn)生大量沼氣[22]，沼氣主要成分甲烷是一種理想的氣體燃料，無色無味，與適量空氣混合即可燃燒[23]，充分燃燒產(chǎn)物為二氧化碳和水，并具有良好的抗爆性能，是一種安全清潔的燃料。如果直接排放不僅浪費(fèi)沼氣中能量，還會增加大氣溫室效應(yīng)（甲烷吸收紅外線的能力是二氧化碳的26 倍左右，其溫室效應(yīng)要比二氧化碳高出22倍），且所含揮發(fā)物異味氣體會造成環(huán)境污染[24]。

該造紙企業(yè)廢水處理系統(tǒng)經(jīng)改造后，將IC塔厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)生的沼氣通過管道收集、暫存，脫硫洗滌后通過穩(wěn)壓柜及羅茨風(fēng)機(jī)輸送至熱電廠，在循環(huán)流化床鍋爐中完成摻燒發(fā)電，以代替部分原煤消耗，如圖4所示。

圖4 沼氣回收發(fā)電應(yīng)用Fig.4 Application of biogas recovery for power generation

改造投用后每年沼氣產(chǎn)生量約1602.73萬m3，折合標(biāo)煤11443.49 tce（當(dāng)量值，折標(biāo)系數(shù)7.14 tce/(104m3)），全部送熱電廠鍋爐摻燒發(fā)電實現(xiàn)熱值利用，替代了部分原煤消耗，避免沼氣直接排放及大氣溫室效應(yīng)，并通過脫硫洗滌處理去除二氧化硫、減排煙塵。沼氣回收量如表4所示。同時為實現(xiàn)廢水處理過程清潔化，將過程池等加蓋負(fù)壓收集氣體，增加洗滌塔、生物箱去除H2S 等氣體后送熱電廠焚燒，再經(jīng)配套的脫硫脫硝工藝處理后超清排放，減少環(huán)境污染。

表4 節(jié)能改造后1年內(nèi)沼氣回收量統(tǒng)計Table 4 Statistics of biogas recovery within one year after energy saving transformation 萬m3

5廠房屋頂光伏發(fā)電

太陽能光伏發(fā)電作為清潔能源日益受到青睞，多國已將光伏產(chǎn)業(yè)納入國家新能源戰(zhàn)略[25]。我國2/3 以上國土面積年日照時數(shù)大于2000 h，各地太陽能年輻射總量約在334～836 kJ/cm2之間，具有重大發(fā)展?jié)摿26]。隨著造紙企業(yè)規(guī)?；⒓s化發(fā)展，集中的廠房、倉儲庫房等建筑擁有大面積閑置屋頂，可用于布置太陽能光伏實現(xiàn)清潔能源利用，對改善企業(yè)能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)清潔生產(chǎn)具有重要意義。

該造紙企業(yè)與專業(yè)的光伏發(fā)電機(jī)構(gòu)合作實施了屋頂光伏發(fā)電項目。光伏發(fā)電機(jī)構(gòu)作為項目合作投資方，負(fù)責(zé)全部投資（包括光伏組件、并網(wǎng)逆變器、支架、配電設(shè)備、通訊控制調(diào)度設(shè)備等），在造紙廠區(qū)內(nèi)廠房、倉庫、原料大棚等屋頂安裝分布式光伏設(shè)備，如圖5所示，并負(fù)責(zé)運(yùn)維管理，在約定合作期內(nèi)發(fā)電量全額上網(wǎng)實現(xiàn)利益共享，期滿后所有光伏設(shè)備產(chǎn)權(quán)無償歸造紙廠方所有。項目建設(shè)安裝晶硅發(fā)電系統(tǒng)分布式光伏組件設(shè)備，面積約18 萬㎡，安裝容量約18.5 MW，所需太陽能電池組件、逆變器等均不需做特別處理，實現(xiàn)光伏發(fā)電分散逆變、區(qū)塊獨(dú)立單元、分區(qū)并網(wǎng)，組件設(shè)備及配套設(shè)施用電由外網(wǎng)供給，同時配置遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)。投用后運(yùn)行穩(wěn)定，自身耗電比例約占發(fā)電量的4.39‰，發(fā)電效果良好，第一年發(fā)電情況見表5。

表5 屋頂光伏發(fā)電項目第一年發(fā)電量統(tǒng)計Table 5 Statistics of power generation of roof photovoltaic power generation project in the first year 萬kWh

圖5 屋頂光伏發(fā)電實施應(yīng)用Fig.5 Implementation and application of roof photovoltaic power generation

項目光伏組件年均衰減預(yù)計不超1%，使用年限在25～30 年以上，前3 年年均凈發(fā)電量1525.51 萬kWh，折合標(biāo)煤1874.85 tce（當(dāng)量值，折標(biāo)系數(shù)1.229 tce/(104kWh)），凈發(fā)電量隨季節(jié)氣候的光照輻射差異而變化，詳見圖6。單位面積年凈發(fā)電量約84.75 kWh/m2。

圖6 屋頂光伏發(fā)電項目凈發(fā)電量Fig.6 Net power generation of roof photovoltaic power generation project

6 結(jié) 語

采用合同能源管理模式開展的節(jié)能項目，節(jié)能服務(wù)公司可在約定效益期內(nèi)通過節(jié)能收益來收回投資并獲得收益；用能單位實現(xiàn)零投入獲得節(jié)能效益并降低能耗，在約定效益期滿后獲得節(jié)能設(shè)備所有權(quán)及全部節(jié)能效益，雙方互利共贏。合同能源管理模式下實施永磁同步電機(jī)改造案例，代替原普通高壓電機(jī)，平均節(jié)電率為26.57%，節(jié)電效果顯著。

在紙機(jī)關(guān)鍵能耗部位實施節(jié)能改造，其中真空系統(tǒng)實施Eco-pump 變速透平機(jī)節(jié)能改造案例，真空系統(tǒng)功耗節(jié)降率達(dá)到50.72%，節(jié)能效果顯著，但一次性改造投入也較大，改造前應(yīng)做好評估；干燥部實施可調(diào)式熱泵節(jié)能改造案例，蒸汽單耗平均下降0.1643 t/t紙，節(jié)降率9.43%，每年可節(jié)約蒸汽18.73萬t，折合標(biāo)煤18040.88 tce（當(dāng)量值）。因此，節(jié)能更應(yīng)關(guān)注重點能耗部位。

挖掘新能源潛力，發(fā)揮資源能源協(xié)同效應(yīng)，實施了廢水處理系統(tǒng)沼氣回收發(fā)電案例，每年可回收沼氣約1602.73 萬m3，折合標(biāo)煤11443.49 tce（當(dāng)量值），既實現(xiàn)熱值有效利用并可替代部分燃煤消耗，又有效減少大氣溫室效應(yīng)及環(huán)境污染；廠房屋頂光伏發(fā)電應(yīng)用案例，單位面積年凈發(fā)電量約84.75 kWh/m2，也為造紙行業(yè)規(guī)?；⒓s化發(fā)展趨勢下，造紙廠區(qū)集中空置的廠房、倉庫等頂部發(fā)展光伏清潔能源提供借鑒，同時建設(shè)過程應(yīng)充分考慮光伏發(fā)電的專業(yè)性、安全性，兼顧資源優(yōu)化利用與安全生產(chǎn)。

通過以上大型造紙企業(yè)生產(chǎn)過程節(jié)能實踐案例，取得良好的節(jié)能效果，每年綜合節(jié)能量40870.26 tce（當(dāng)量值），可為同行提供參考。節(jié)能降耗并非一蹴而就，需長期持續(xù)推進(jìn)、探索改進(jìn)與管理創(chuàng)新，并綜合考慮技術(shù)可行性、投資回報率、風(fēng)險可控性等多重因素。