燃?xì)鈿庹謸P(yáng)克紙機(jī)的節(jié)能實(shí)例

李軍 梁新強(qiáng) 鄭鴻

1 本真能源科技（上海）有限公司

2 維達(dá)紙業(yè)（中國）有限公司

1 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)生活用紙的需求也越來越大。國外發(fā)達(dá)國家的人均年消費(fèi)量約25kg，我國目前的人均年消費(fèi)量約8.4kg[1]，中國市場(chǎng)還有很大的增長(zhǎng)空間。

生活用紙的生產(chǎn)工藝可以大概分為成形、壓榨、干燥和卷取4部分（圖1）。纖維濃度約為0.2%的紙漿均勻噴灑到成形網(wǎng)之后，形成一定厚度的纖維層，然后通過壓榨輥來擠壓水分，從壓榨部出來的纖維含量為39%～45%，進(jìn)入到干燥部，通過烘缸和氣罩的雙重加熱，把水分蒸發(fā)掉，變成干度為93%左右的生活用紙?jiān)圼2]。

圖1 生活用紙抄紙工藝流程

烘缸直徑越大，干燥能力越強(qiáng)。為了強(qiáng)化烘缸的加熱能力，市場(chǎng)上陸續(xù)推出了帶有溝槽的鋼制烘缸，烘干能力比傳統(tǒng)的鑄鐵烘缸高出30%以上。烘缸的干燥能力一般在70～90kg/（h.m2），而紙機(jī)的綜合干燥能力一般在150～240kg/（h.m2）[3]。當(dāng)烘缸的干燥能力無法匹配紙機(jī)的車速時(shí)，需要提高氣罩的干燥能力。氣罩的干燥能力取決于氣罩的包角、噴嘴的流速和氣罩的溫度。氣罩的包角在紙機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)候已經(jīng)確定，后期運(yùn)行時(shí)無法改變；噴嘴的風(fēng)速可以通過調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)；氣罩的溫度可以通過調(diào)整蒸汽或者天然氣的消耗量來改變。隨著紙機(jī)車速的不斷提高，車速超過1,700m/min的高速紙機(jī)通常采用燃?xì)鈿庹帧?/p>

采用燃?xì)鈿庹值膿P(yáng)克紙機(jī)的氣罩溫度一般在300～400℃之間，氣罩的排風(fēng)經(jīng)過氣一氣換熱器之后的最終排風(fēng)溫度依然在150℃以上。而普通的蒸汽氣罩的排風(fēng)溫度一般在70～100℃，這就導(dǎo)致了燃?xì)鈿庹值哪芎谋日羝麣庹忠吆芏?。目前市?chǎng)上的燃?xì)鈿庹值膿P(yáng)克紙機(jī)的噸紙綜合能耗在180～220Nm3天然氣（天然氣和蒸汽按照80：1的比例來折算）。

在整個(gè)生活用紙的生產(chǎn)過程中，干燥部的能耗占了整個(gè)紙機(jī)能耗的40%左右，所以紙機(jī)干燥部的節(jié)能對(duì)整個(gè)成本的降低至關(guān)重要[4]。烘缸部分的節(jié)能措施主要包括蒸汽熱泵、冷凝水回用，這些技術(shù)已經(jīng)非常成熟。氣罩部分目前都已經(jīng)安裝了氣一氣換熱器，利用排風(fēng)的廢熱來預(yù)熱新風(fēng)和燃燒器的助燃風(fēng)，個(gè)別用戶還在排風(fēng)管路上安裝了余熱鍋爐，利用廢熱來產(chǎn)生新鮮蒸汽。無論采取以上哪種措施，燃?xì)鈿庹肿罱K的排風(fēng)溫度依然在150℃以上，還有較大的熱量沒有充分利用，尤其是其中的潛熱。

本文將針對(duì)某一知名企業(yè)的一臺(tái)燃?xì)鈿庹謸P(yáng)克紙機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造的分析計(jì)算，以提供一種節(jié)能改造的思路。

2 運(yùn)行工況

這臺(tái)紙機(jī)是國外某品牌的進(jìn)口紙機(jī)，幅寬5,600mm，設(shè)計(jì)車速2,000m/min，烘缸紙包角308°，氣罩包角248°。生產(chǎn)14g/m2產(chǎn)品時(shí)的起皺率20%，出卷干度95%。氣罩采用天然氣加熱，整個(gè)氣罩的排風(fēng)溫度為145℃，改造前噸紙的綜合單耗折算成天然氣為246m3/t左右（包含了損紙、管損等損失，天然氣和蒸汽按照80：1的比例來折算）。

紙機(jī)的白水溫度35℃，高壓噴淋水采用清水，溫度為25℃，中壓和低壓噴淋水是回用水，溫度在33℃。

烘缸使用0.6MPa的飽和蒸汽，閃蒸罐出口的冷凝水溫度159℃，從閃蒸罐直接輸送到開放式的冷凝水箱，然后再輸送到熱電廠。由于采用的熱電廠的蒸汽，所以只需要冷凝水輸送回電廠即可，冷凝水的熱量可以就地利用。

目前排氣安裝了氣一氣換熱器，用于回收排氣的廢熱。換熱器只用來加熱氣罩燃燒器的新風(fēng)及氣罩干部的新風(fēng)。整個(gè)換熱器的效率偏低。

使用專業(yè)的Testo比托管風(fēng)速測(cè)試儀測(cè)量氣罩各個(gè)點(diǎn)的風(fēng)速，并利用vaisla HMP77濕度儀測(cè)量廢氣的溫度和絕對(duì)濕度，從而計(jì)算出各個(gè)點(diǎn)位的空氣流量等參數(shù)，具體參數(shù)如圖2、表1。

表1 TM21的空氣參數(shù)

圖2 參數(shù)測(cè)量結(jié)果

改造前氣罩的風(fēng)系統(tǒng)采用干部和濕部同時(shí)排風(fēng)、同時(shí)補(bǔ)風(fēng)的方式，各個(gè)點(diǎn)的新風(fēng)量和排風(fēng)量可以使用風(fēng)閥來調(diào)整。最終的排風(fēng)絕對(duì)濕度只有177g/kg，明顯偏低，通常情況下，燃?xì)鈿庹值呐棚L(fēng)濕度在400～600g/kg比較合理。

3 節(jié)能方案

首先，根據(jù)能量守恒的原理，要降低紙機(jī)的能耗，就要盡可能地把排放到大氣中的熱量回收后重新應(yīng)用到造紙系統(tǒng)里，所以余熱回收是節(jié)能的主要途徑。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用的余熱回收方式是使用氣氣換熱器，利用排氣的熱量來預(yù)熱新風(fēng)。除此之外，還有一項(xiàng)重要的節(jié)能方式還沒有被廣泛采用，那就是系統(tǒng)水溫的提升，可以利用廢氣的熱量來加熱紙機(jī)的噴淋水，從而提高系統(tǒng)水溫，降低能耗。

其次，燃?xì)鈿庹值娘L(fēng)系統(tǒng)比較復(fù)雜，有干部循環(huán)風(fēng)、濕部循環(huán)風(fēng)、干部助燃風(fēng)、濕部助燃風(fēng)、干部新風(fēng)、濕部新風(fēng)、干部排風(fēng)、濕部排風(fēng)等多個(gè)風(fēng)系統(tǒng)，每個(gè)風(fēng)系統(tǒng)上都有相應(yīng)的風(fēng)閥來調(diào)節(jié)風(fēng)量。由于涉及到這么多的風(fēng)閥和風(fēng)機(jī)，大多數(shù)客戶現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)系統(tǒng)并沒有運(yùn)行在最佳的狀態(tài)下。所以，對(duì)氣罩的風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行合理的優(yōu)化調(diào)整也是節(jié)能的重要途徑之一。

最后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，把盡可能多的廢熱源按照溫度的高低采取梯度換熱的方式，綜合利用起來。本項(xiàng)目中，現(xiàn)場(chǎng)除了氣罩排風(fēng)145℃的廢熱之外，還有159℃的高溫冷凝水可以利用。

所以，本方案計(jì)劃從以下方面來入手改造。

（1）對(duì)紙機(jī)的新風(fēng)和排風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造，將干部的排風(fēng)作為濕部的新風(fēng)，系統(tǒng)的新風(fēng)補(bǔ)充到干部，以此來提高最終排風(fēng)的濕度，降低總的排風(fēng)量和新風(fēng)量，從而降低能耗。

（2）增加冷凝水加熱器，充分利用冷凝水的熱量來提高新風(fēng)的溫度，從而降低新風(fēng)的熱量消耗。

（3）利用排風(fēng)的熱量來加熱系統(tǒng)的高壓、中壓和低壓噴淋水，從而提高整條生產(chǎn)線的溫度。改造后的系統(tǒng)如圖3。

圖3 改造后的系統(tǒng)

3.1 氣罩風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算

表2 氣罩風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

3.2 節(jié)能量計(jì)算

3.2.1 風(fēng)平衡優(yōu)化的節(jié)能量

不同溫度下的空氣所對(duì)應(yīng)的飽和濕度是不同的（圖4），溫度越高，飽和濕度越高。蒸汽氣罩的排氣溫度在80～110℃，排氣的絕對(duì)濕度在250g/kg比較合理。燃?xì)鈿庹值呐艢鉁囟仍?40℃以上，紙機(jī)廠家建議的排氣濕度在400～600g/kg比較合適。

圖4 風(fēng)平衡優(yōu)化的節(jié)能量

目前紙機(jī)的排氣濕度只有177g/kg，紙機(jī)采用的干部和濕部同時(shí)補(bǔ)風(fēng)、同時(shí)排風(fēng)的方式，這就導(dǎo)致了排風(fēng)的濕度偏低。本項(xiàng)目改造之后，在干部的排風(fēng)和濕部的進(jìn)風(fēng)管路上安裝了聯(lián)通風(fēng)管，從干部排出的濕度相對(duì)較低的排風(fēng)作為濕部的新風(fēng)，然后氣罩的所有排風(fēng)都從濕部排出，整個(gè)系統(tǒng)的新風(fēng)全部補(bǔ)充到干部。這樣改造之后，干燥的新鮮空氣先進(jìn)入干部，吸收干部的水分之后濕度增加，然后再進(jìn)入濕部，繼續(xù)吸收濕部的水分，濕度繼續(xù)增加，最后通過排風(fēng)機(jī)抽走。經(jīng)過以上流程之后，排風(fēng)的濕度大幅增加，所需要的新風(fēng)量就會(huì)減少，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

Qm=M/D×1000

Qm—排氣的絕干空氣流量，kg/h

M—紙機(jī)烘干部蒸發(fā)的水分量，kg/h

D—排氣的絕對(duì)濕度，g/kg

當(dāng)產(chǎn)量保持不變時(shí)，排氣的濕度越高，所需要的排氣量就越小，對(duì)應(yīng)的能耗就越低。

按照以上公式，紙機(jī)的瞬時(shí)產(chǎn)量約6.9t/h，需要蒸發(fā)的水分含量為9.93t/h。按照實(shí)測(cè)的排氣含水量為177g/kg來計(jì)算，改造前需要的干空氣質(zhì)量流量為：

9.93×1,000÷177×1,000=49,650kg/h。

即：改造之前需要49,650kg/h的干空氣來把水分帶走。

改造后的排氣濕度控制在450～600g/kg左右。按照450g/kg來計(jì)算，需要的總的排氣干空氣質(zhì)量為：

9.93×1,000÷450×1000=22,066 kg/h。

改造前和改造后相比，氣罩排風(fēng)的絕干空氣質(zhì)量流量減少的幅度為：

49,650—22,066=27,584kg/h

氣罩的排風(fēng)溫度為145℃，這些干空氣是從常溫被加熱到145℃，吸收的蒸汽和天然氣的熱量，這些干空氣吸收的熱量為：

H=ΔQm×Cp×Δt

H—加熱量，kJ/h

ΔQm—減少的絕干空氣量，kg/h

Cp—空氣的比熱，kJ/（kg/g）

Δt—溫差，℃

27,584×1.01×（145-30）=3,203,881kJ/h

按照天然氣熱值35,000kJ/Nm3來計(jì)算，這些熱量相當(dāng)于燃?xì)獾牧髁繛椋?/p>

3,203,881÷35,000=91.5m3/h

按照目前產(chǎn)量6.9t/h計(jì)算，相當(dāng)于每噸紙可以節(jié)約的燃?xì)饬繛椋?/p>

91.5÷6.9=13.2m3/t

3.2.2 提高新風(fēng)溫度的節(jié)能量

從氣罩濕部出來的排氣溫度約240℃，屬于高品位熱源，烘缸的冷凝水出閃蒸罐的溫度為159℃。改造之前僅有一臺(tái)氣一氣換熱器，240℃的排風(fēng)直接加熱新鮮空氣到107～148℃，換熱器的熱效率不高。改造之后先利用冷凝水來預(yù)熱新風(fēng)，把新風(fēng)溫度從室溫20℃提高到70℃，再經(jīng)過氣一氣換熱器加熱到163℃。改造之后的絕干空氣流量為22,066kg/h，這些空氣約80%是從換熱器補(bǔ)充進(jìn)去的，20%從氣罩與烘缸的縫隙處泄露進(jìn)去的，這80%的新風(fēng)量溫度提高15℃可以節(jié)約的熱量為：

22,066×80％×1.01×15=267,440kJ/h

按照天然氣熱值35,000kJ/Nm3來計(jì)算，這些熱量相當(dāng)于燃?xì)獾牧髁繛椋?/p>

267,440÷35,000=7.6m3/h

按照目前產(chǎn)量6.9t/h計(jì)算，相當(dāng)于每噸紙可以節(jié)約的燃?xì)饬繛椋?/p>

7.6÷6.9=1.1m3/t

3.2.3 加熱水系統(tǒng)的節(jié)能量

造紙工藝當(dāng)中，脫水占據(jù)了大部分的能耗。從上漿開始，網(wǎng)部、壓榨、烘干的功能之一就是為了脫水。水的黏度隨溫度上升而下降，黏度越小，脫水越容易。在20℃時(shí)水的黏度約為1mPa.s，升至60℃時(shí)其黏度下降至0.5mPa.s。溫度每提高10℃，出壓榨后的干度大約提高1%，可以節(jié)約烘干部的能耗4%～5%[4]。因此，提高濕紙頁的溫度可以減少紙頁中水的黏度，減少脫水時(shí)的阻力，提高出壓榨的干度。

另外，當(dāng)系統(tǒng)的水溫提高之后，上烘缸的紙頁溫度也會(huì)提高（紙的溫度等于白水溫度），紙頁上烘缸的溫度越高，烘缸消耗的熱量就越低。

粗略計(jì)算，大氣壓下1kg水完全蒸發(fā)熱量計(jì)算：

蒸汽總焓值：2,675kJ/kg

蒸發(fā)焓值：2,257kJ/kg

100℃水焓值：418kJ/kg

每10℃水焓值變化：41.8kJ/kg

烘缸蒸汽供給壓力：0.6MPa

0.6MPa蒸汽蒸發(fā)焓：2,075kJ/kg

假設(shè)烘缸傳熱效率：90%

節(jié)約蒸汽量百分比：

41.8÷2075÷90%=2.2%

即：系統(tǒng)的漿溫每提高10℃，紙機(jī)烘干能耗可以降低2.2%左右。

本項(xiàng)目在排風(fēng)的氣氣換熱器之后又增加了“水流動(dòng)層”氣—水換熱器，用排風(fēng)的廢熱來加熱紙機(jī)的高壓、中壓和低壓噴淋水，加熱之后的溫水匯集到網(wǎng)下白水池之后再經(jīng)過多盤過濾之后循環(huán)使用，慢慢的可以提高整個(gè)系統(tǒng)的白水溫度。經(jīng)過加熱之后，整個(gè)系統(tǒng)的白水溫度提高5℃。按照上面的介紹，系統(tǒng)水溫提高5℃，出壓榨的干度提高0.5%，烘干節(jié)能3.1%（壓榨干度提高引起的節(jié)能為2%，水溫提高引起的節(jié)能為1.1%）。按照客戶改造前能耗246m3/t為基準(zhǔn)，水溫提高帶來的節(jié)能效果為：

246×3.1%=7.6mm3/t

將以上三部分進(jìn)行累加，每噸紙可以節(jié)約的燃?xì)饬繛椋?/p>

13.2+1.1+7.6=21.9m3/t

綜合起來計(jì)算，紙機(jī)噸紙可以做到節(jié)約21.9m3的天然氣耗量。

3.3 換熱器的選型

（1）新風(fēng)預(yù)熱器

氣罩的新風(fēng)量按照6,000kg/h來計(jì)算，把新風(fēng)從室溫20℃預(yù)熱到70℃，換熱器的加熱功率為：

6,000×1.01×（70-20）÷3,600=84kW

（2）干部助燃風(fēng)預(yù)熱器

干部助燃風(fēng)的理論計(jì)算為8,000kg/h，溫度從20℃預(yù)熱到70℃，加熱器的功率為：

8,000×1.01×（70-20）÷3,600=112kW

（3）濕部助燃風(fēng)預(yù)熱器

濕部助燃風(fēng)的理論計(jì)算為8,000kg/h，溫度從20℃預(yù)熱到70℃，加熱器的功率為：

8,000×1.01×（70-20）÷3600=112kW

4 投資回報(bào)

這臺(tái)紙機(jī)每年的產(chǎn)量約5萬t，每噸紙節(jié)約21.9m3的天然氣消耗，按照天然氣價(jià)格3元/m3來計(jì)算，每年節(jié)約的燃?xì)赓M(fèi)用為：

5×21.9×3=328萬元

即：每年至少節(jié)約328萬元的燃?xì)赓M(fèi)用，投資回收期在一年以內(nèi)，這是投資回報(bào)非常好的節(jié)能改造項(xiàng)目。

5 減少的碳排放量

不同的天然氣熱值對(duì)應(yīng)的碳排放量略有差異[5]，按照天然氣熱值35,000kJ/Nm3來計(jì)算，1m3天然氣的碳排放量約為1.95kg。目前每年節(jié)約109.5萬m3的天然氣，對(duì)應(yīng)減少的碳排放量為：

109.5×10,000×1.95÷1000=2,135.2t，即每年至少可以減少2,135.2t的二氧化碳排放量。

6 結(jié)束語

在碳中和碳達(dá)峰的大趨勢(shì)下，造紙行業(yè)作為國家重點(diǎn)關(guān)注的高能耗行業(yè)，節(jié)能減排勢(shì)在必行。節(jié)能改造不僅可以減少能源消耗和碳排放，還可以切實(shí)降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，一舉兩得。作為紙機(jī)氣罩的節(jié)能改造措施，本文闡述的技術(shù)路線可以降低紙機(jī)的燃?xì)庀?，整個(gè)項(xiàng)目的投資回收期在一年以內(nèi)，是非常好的節(jié)能改造項(xiàng)目，值得造紙企業(yè)借鑒和參考。