前沿生活用紙科技助力紙業(yè)減碳節(jié)能

孔令吉 安德里茨（中國）有限公司

安德里茨作為設(shè)備的供應(yīng)商，一直致力于和客戶一道為造紙生產(chǎn)過程中的節(jié)能減排貢獻力量。安德里茨倡議零排放、零浪費的目標，也在不斷研發(fā)衛(wèi)生紙生產(chǎn)中減碳節(jié)能的解決方案。

1 助力紙業(yè)減碳節(jié)能

圖1為衛(wèi)生紙生產(chǎn)流程圖。從此圖中能更好地找到節(jié)能降耗的切入點。作為輸入端，主要就是原料的消耗，衛(wèi)生紙的原料包括商品木漿、以及各種其他替代纖維，如蔗渣漿、竹漿、麥草漿以及廢紙漿等，輸入端也包括了衛(wèi)生紙在成形、脫水、干燥過程中所需要的能源，包括蒸汽、燃氣、電、水等。作為排出端，主要有廢水、排氣及一些固體廢棄物。安德里茨旨在從輸入端入手，降低噸紙的能耗——及降低水、電、蒸汽、燃氣以及降低同等使用效果下的原料消耗，來達到節(jié)能降耗的目的。

圖1 衛(wèi)生紙的生產(chǎn)流程圖

PrimeLineTIAC衛(wèi)生紙機試驗機，能夠生產(chǎn)傳統(tǒng)的干起皺衛(wèi)生紙，生產(chǎn)塑紋型（類TAD）和結(jié)構(gòu)型（TAD）生活用紙。紙機包括完整的備漿系統(tǒng)、流送系統(tǒng)、生活用紙紙機附屬系統(tǒng)以及先進的全自動化系統(tǒng)?？梢栽囼灢挥玫脑吓浔取⒒瘜W品、織物等，研究不同操作條件，并獲取相關(guān)參數(shù)。作為平臺，能夠測試和研發(fā)可持續(xù)性衛(wèi)生紙技術(shù)，具有商業(yè)規(guī)模，并涵蓋備漿設(shè)備和全新的數(shù)字化技術(shù)。

從表1可以看出，以一臺幅寬為5.6m，車速為2,000m/min，燃氣為氣罩加熱介質(zhì)的衛(wèi)生紙機為例，其每噸紙的平均燃氣消耗約為600kWh，同樣，每噸紙蒸汽消耗約為750 kWh，每噸紙電的消耗約為890kWh，將所消耗的燃氣、蒸汽、電都折算為等效的CO2排放，意味著正常生產(chǎn)每噸衛(wèi)生紙就需要排放約653kgCO2。按照每天182.4t的產(chǎn)量來計算，每年就需要排放約40,964t的CO2。

表1 衛(wèi)生紙機生產(chǎn)過程的總能源消耗和碳排放案例

2 降低能耗和碳排放的潛在機會

2.1 安德里茨試驗紙機

如圖2所示，按照上文中的案例，每年排放CO240,496t。若采用安德里茨提供的各種設(shè)備、技術(shù)，例如鋼制揚克缸取代傳統(tǒng)的鑄鐵缸、靴壓取代傳統(tǒng)的單真空壓或雙壓、揚克缸端蓋保溫技術(shù)、再蒸發(fā)技術(shù)、流送雙稀釋設(shè)計、真空透平機取代傳統(tǒng)水環(huán)式真空泵等，可以將綜合能耗降低17%，折算成等效的CO2排放，則可以減少15%的CO2排放量。如果考慮熱電聯(lián)產(chǎn)、可再生能源等還有進一步降低能耗的空間。

圖2 采用安德里茨試驗機降低能耗和碳排放的潛在機會

2.2 靴壓

針對于生活用紙低定量、高車速以及作用力于揚克缸上的這些特點。安德里茨的靴壓也有一些針對性的優(yōu)化設(shè)計：靴壓的加載是通過兩根U型軟管來實現(xiàn)的，使得橫幅壓力更為均勻的同時也可以分別控制這兩根軟管的壓力來實現(xiàn)不同的壓力曲線，加上150kN/m的高線壓力，可獲得更高的壓榨后干度，也就意味著節(jié)省了后續(xù)的干燥能源。由于可以實現(xiàn)不同的壓力曲線，靴壓能夠在不同的模式下運行（圖3）：干燥模式下和真空壓榨相比壓榨后干度最高可以提高6個百分點，從而可以節(jié)省24%的干燥熱能（圖4）；質(zhì)量模式/松厚度模式下和傳統(tǒng)壓榨相比，可以改善紙頁松厚度，即可以提高紙頁質(zhì)量或可以節(jié)省10%的纖維。

圖3 靴壓的兩種運行模式：質(zhì)量模式（左側(cè)）和干燥模式（右側(cè)）

圖4 安德里茨不同模靴壓與傳統(tǒng)真空壓榨生產(chǎn)的紙張干度對比

另外，安德里茨應(yīng)用于衛(wèi)生紙機的靴壓還有一些其他優(yōu)勢：如邊緣可控，壓區(qū)更寬（125mm），具有專利的靴板形狀設(shè)計可以減少回濕，確保整個橫幅水分的均一性等，也可以考慮懸臂設(shè)計，從而縮短換毯、換靴套時間，提高生產(chǎn)效率。

2.3 鋼制揚克缸

安德里茨早在20世紀90年代初就開始嘗試小直徑的鋼制揚克缸，到2008年，隨著金屬涂層、制造、焊接技術(shù)的成熟，開始生產(chǎn)大規(guī)格的鋼制揚克缸。和鑄鐵揚克缸相比，鋼制揚克缸壁厚更薄，從而保證了更高的熱傳導能力和蒸發(fā)效率，干燥所需的蒸汽和電耗降低10%。另外，由于鋼材的柔韌性更高，抗張強度、允許的設(shè)計應(yīng)力、彈性模數(shù)更大，可以承受更高的蒸汽壓力和線壓力，從而可以防止熱沖擊、機械事故和潛在的爆炸風險。此外，鋼制揚克缸從投入運行第一天開始就可以良好運行，沒有磨合期，也不會因為長期使用而降低性能。還可以配合安德里茨新型的噴涂材質(zhì)，改進的T型虹吸管技術(shù)等。

鋼制揚克缸效率更高，更安全，在配合高線壓的靴壓，可以節(jié)約干燥能源24%。

2.4 蒸汽發(fā)生器

安德里茨的蒸汽發(fā)生器具有安裝快速方便，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕、維護要求不高、投資回報更快等優(yōu)點，不僅適用于新投資的項目，也適用于現(xiàn)有紙機的改造，達到節(jié)能減排的效果。流程如圖5所示，使用燃氣氣罩的衛(wèi)生紙機熱風系統(tǒng)，尾氣中含有較高的熱能，安德里茨高效的蒸汽發(fā)生器能夠利用尾氣中的熱能來加熱揚克缸排出的冷凝水，從而再蒸發(fā)產(chǎn)生二次蒸汽，重新返回到揚克缸中供紙頁干燥使用，可以降低約10%的蒸汽消耗量，總的干燥能耗可以降低5%。再蒸發(fā)后的尾氣仍具有熱能，可以采用氣/氣熱回收設(shè)備，預熱熱風系統(tǒng)所要補充的新風和燃燒器需要的助燃風，從而達到充分利用熱能的效果。最后，利用氣/水熱回收來加熱生產(chǎn)過程中和廠房通風所需的熱水等，從而達到進一步節(jié)能降耗的效果。

圖5 再蒸發(fā)系統(tǒng)流程圖

以一臺幅寬為5.6m，車速為2,000m/min，以燃氣為氣罩加熱介質(zhì)的衛(wèi)生紙機為例，在使用再蒸發(fā)系統(tǒng)的情況下，每噸紙可以節(jié)省蒸汽0.13t，每噸蒸汽按照180元來計算的話，可以節(jié)省23.4元，全年的產(chǎn)量按照5.8萬t來計算的話，每臺紙機全年蒸汽的節(jié)省費用大概在135萬元。

2.5 其他節(jié)能降耗技術(shù)

安德里茨在衛(wèi)生紙生產(chǎn)過程中還有一些其他節(jié)能降耗的技術(shù)和方案（如圖6）：

圖6 其他模塊節(jié)能降耗的技術(shù)和方案

1.采用雙稀釋的流送系統(tǒng)，將壓力篩從傳統(tǒng)的流漿箱前移到?jīng)_漿泵前，這樣可以在較高的濃度（約1.1%）和較低的流量下篩選，使得壓力篩所需能量更少，降低能耗的同時，由于沖漿泵無需考慮網(wǎng)前篩的壓降和回流的損失，所需能量也相應(yīng)更低。綜合考慮，流送系統(tǒng)可以降低10%的能耗。

2.除了采用鋼制揚克缸取代鑄鐵缸以外，還考慮到了揚克缸兩個端蓋的保溫，可以減少沒有紙頁包覆的兩個端面造成的熱損失，采用端蓋保溫技術(shù)，可以降低蒸汽消耗約5%。

3.真空的電耗在衛(wèi)生紙生產(chǎn)過程中的總電耗中占比較大，傳統(tǒng)的水環(huán)式真空泵，效率低、需要密封水。采用真空透平風機來取代傳動的水環(huán)式真空泵，可以節(jié)約真空電耗約25%，同時可以利用溫度在140°C以上透平機的尾氣來加熱工藝系統(tǒng)和廠房通風所需的熱水、提高了總能源效率。

2.6 生物質(zhì)燃料

采用生物質(zhì)燃料取代傳統(tǒng)的化石燃料，安德里茨可以提供大直徑揚克缸配合蒸汽氣罩的方案。這樣揚克缸和氣罩的熱源皆為生物質(zhì)為燃料的鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽，保證產(chǎn)能的同時無需燃氣等化石燃料。同時，也可以考慮采用生物質(zhì)合成氣體取代傳統(tǒng)的化石燃料，作為揚克氣罩燃燒器的燃料來使用。安德里茨為位于盧卡的Sofidel公司提供了合成氣體燃燒器方案，比薩大學（UniPi）能源部提供生產(chǎn)合成氣體技術(shù)，每年可以減少碳排放8,500t（使用這項技術(shù)，從碳排放的角度來講節(jié)約50%）。

2.7 熱電聯(lián)產(chǎn)

采用熱電聯(lián)產(chǎn)，紙廠不僅可以滿足自身的電力需求，還可以輸送多余的電力到公共電網(wǎng)上，也為其他工業(yè)行業(yè)的節(jié)能降耗做出一份貢獻。

采用熱電聯(lián)產(chǎn)來提高總的能源轉(zhuǎn)化效率，也就是利用燃氣透平機為紙廠發(fā)電（圖7），透平機的熱空氣不僅可用于加熱揚克氣罩的熱風系統(tǒng)，還可產(chǎn)生揚克缸使用的蒸汽，更進一步用于其他工藝系統(tǒng)和廠房通風的加熱，從而提高總的能源轉(zhuǎn)化效率。采用熱電聯(lián)產(chǎn)，所有熱風、蒸汽、電等的能源消耗只需要燃氣，從而可以減少約50%碳排放。

圖7 燃氣透平機的工作流程圖

3 節(jié)約纖維、水和化學品

在達到同樣使用效果的前提下，節(jié)約原生纖維的用量也是從另一個角度來節(jié)能降耗，從而實現(xiàn)減少碳排放的目的。

安德里茨的塑紋型紙機（類TAD）由于采用濕端速差起皺技術(shù)，塑紋型衛(wèi)生紙機和傳統(tǒng)干起皺相比，可獲得更高的松厚度和更好的質(zhì)量，從而可以用較低的定量或較少的紙頁長度生產(chǎn)類似的后加工產(chǎn)品，節(jié)約高達20%的纖維用量。通過安德里茨位于奧地利格拉茨的試驗機試驗表明，和普通干起皺的衛(wèi)生紙相比，塑紋型紙機生產(chǎn)的廚房紙巾松厚度和吸水性都更高，松厚度可以達到12～16cm3/g，吸水性可以達到8～14g/g，以上試驗數(shù)據(jù)表，塑紋型紙的質(zhì)量已經(jīng)非常接近結(jié)構(gòu)型的紙，也即TAD紙。如表2的數(shù)據(jù)顯示，安德里茨試驗機生產(chǎn)的塑紋型紙和歐洲采用傳統(tǒng)干起皺技術(shù)生產(chǎn)的廁用衛(wèi)生紙相比，每個卷筒的長度和卷重都更低，換言之，也就是同樣的纖維量，塑紋型紙可生產(chǎn)出更多的紙卷，從以上試驗結(jié)果可以看出，177t的纖維量，傳統(tǒng)干起皺方式僅生產(chǎn)出1,945,000卷衛(wèi)生紙，而采用安德里茨塑紋型紙卻可以生產(chǎn)出2,110,000卷筒紙，后加工的卷數(shù)提高了8%。進一步驗證了，這種塑紋型紙機節(jié)省纖維的效果。

表2 PrimeLineTEX與PrimeLineTM生產(chǎn)的產(chǎn)品對比

其他節(jié)約纖維用量的措施包括：（1）采用白水多盤等設(shè)備回收白水中的纖維，以達到循環(huán)使用、減少纖維用量的目的，同時可以考慮采用納米纖維來替代部分原生木材纖維，納米纖維具有高強、脫水快等特性，從而減少能源消耗和化學品的消耗。（2）采用替代纖維來取代傳統(tǒng)的原生木纖維，如云貴川等地竹資源比較豐富的地方可以用竹纖維部分或全部替代木纖維生產(chǎn)生活用紙，山東、寧夏等地可以用麥草漿來替代木漿，兩廣地區(qū)可以將甘蔗渣處理后來替代木漿纖維。

4 數(shù)字化

圖8 安德里茨METRIS系統(tǒng)

Metris系統(tǒng)包括很多的優(yōu)化模塊，可以幫助衛(wèi)生紙機生產(chǎn)過程中消除障礙，持續(xù)生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品，提高效率并降低能源消耗和其他生產(chǎn)成本。具體體現(xiàn)為：Metrix控制系統(tǒng)可以優(yōu)化流程，減少人工干預的失誤；使生產(chǎn)過程始終處于良好的狀態(tài)；使系統(tǒng)設(shè)定可以確保在高效率下運行。從備漿到卷紙，以及各個輔助系統(tǒng)的自動化控制，提高工作效率，利用大數(shù)據(jù)經(jīng)驗進行預設(shè)定。通過揚克氣罩橫幅風量的自動調(diào)節(jié)，來實現(xiàn)紙頁水分的良好控制；也可以通過流漿箱橫幅稀釋水控制來精確控制紙頁橫幅定量差，優(yōu)化纖維使用；可以在優(yōu)化能源的操作條件下運行，綜合節(jié)約能源達6%。