紙機(jī)干燥通風(fēng)系統(tǒng)現(xiàn)狀及研究展望,第1 部分：裝備與技術(shù)

摘要： 通風(fēng)系統(tǒng)影響干燥能耗、運(yùn)行成本及紙張質(zhì)量等，是干燥過(guò)程優(yōu)化潛力最大的操作單元。本文對(duì)干燥通風(fēng)裝備與技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展進(jìn)行了梳理，指出高效、綠色、智能是裝備與技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，需強(qiáng)化CFD仿真、數(shù)值計(jì)算等前沿技術(shù)在設(shè)備開(kāi)發(fā)及性能提升的融入；指出了通風(fēng)系統(tǒng)能耗差異大、缺乏與蒸汽冷凝水系統(tǒng)協(xié)同調(diào)控、調(diào)節(jié)策略不完善、關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)與指標(biāo)缺乏監(jiān)控與評(píng)價(jià)等，需對(duì)通風(fēng)與蒸汽冷凝水系統(tǒng)進(jìn)行整體分析與設(shè)計(jì)，加強(qiáng)關(guān)鍵參數(shù)及指標(biāo)監(jiān)控，結(jié)合蒸發(fā)負(fù)荷變化完善通風(fēng)控制。最后，提出應(yīng)完善通風(fēng)系統(tǒng)與蒸汽冷凝水系統(tǒng)的協(xié)同作用機(jī)理，為升級(jí)通風(fēng)系統(tǒng)裝備與技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：紙張干燥；氣罩通風(fēng)系統(tǒng)；協(xié)同調(diào)控；節(jié)能

中圖分類號(hào)：TS734 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 02. 017

2022年全球紙和紙板產(chǎn)量達(dá)4.15億t（中國(guó)占比達(dá)30.9%），相比2000年增長(zhǎng)21.8% [1]，能耗占全球工業(yè)能耗的6%[2]。作為能源密集度最高的行業(yè)之一，造紙業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)帶來(lái)了高碳排放，其發(fā)展面臨“碳中和”“碳達(dá)峰”的新約束。中國(guó)是世界制漿造紙行業(yè)中碳減排潛力最大的國(guó)家，總減排潛力達(dá)55%[3]，節(jié)能增效仍是造紙業(yè)踐行“雙碳”政策的主要手段[4]。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)分析，“十二五”“十三五”噸紙綜合能耗已分別降低23.6%、14.9%，“十四五”提出“單位產(chǎn)值能耗下降13.5%”[5]的政策背景下，如何進(jìn)一步降低造紙生產(chǎn)能耗是造紙行業(yè)亟待解決的共性問(wèn)題。

干燥約占造紙過(guò)程總能耗的70%[6]，蒸汽消耗約占整個(gè)制漿造紙生產(chǎn)過(guò)程的75%[7]，其能效高低對(duì)于紙張生產(chǎn)能耗有著重要影響。紙張干燥被認(rèn)為是蒸汽冷凝水系統(tǒng)與通風(fēng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)作用的結(jié)果[8]，從能源使用角度可被劃分為蒸汽冷凝水系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)[9]；鑒于過(guò)程的復(fù)雜性，干燥是造紙操作中優(yōu)化程度最低的過(guò)程之一[9]。理論上，除紙張和不凝氣所帶走的熱量外，干燥耗熱主要用于蒸發(fā)和空氣加熱，其中蒸發(fā)所需熱量基本固定；盡管通風(fēng)耗能僅占14.2% （TAPPITIP 0404-33），但決定干燥效率的15%～20%[8]，因空氣狀態(tài)直接影響干燥過(guò)程的傳熱傳質(zhì)，進(jìn)而影響能耗、生產(chǎn)成本、工作環(huán)境、甚至紙張質(zhì)量[9-10]，也被認(rèn)為是優(yōu)化潛力最大的干燥操作單元[9，11]。大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、診斷及研究[6， 12-15]表明，通風(fēng)系統(tǒng)與蒸汽冷凝水系統(tǒng)相互獨(dú)立，存在裝備及技術(shù)性能差異大、運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定、運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值等問(wèn)題。本文擬對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)裝備與技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)性的梳理，以期為裝備與技術(shù)升級(jí)、實(shí)現(xiàn)干燥系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)控與優(yōu)化干燥運(yùn)行指明方向，助力干燥能耗的進(jìn)一步降低和推動(dòng)“碳中和”與“智能制造”的進(jìn)程。

1 通風(fēng)裝備及技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

多烘缸干燥是最廣泛的干燥方式，約占總干燥方法應(yīng)用的85%～90%[8]，而衛(wèi)生紙機(jī)干燥系統(tǒng)主要包括常規(guī)含濕壓的揚(yáng)克烘缸（Yankee dryer） 干燥和不含壓榨的穿透空氣干燥（through air drying，簡(jiǎn)稱TAD）2 種[16]，其配套通風(fēng)系統(tǒng)為Yankee 氣罩通風(fēng)系統(tǒng)和TAD通風(fēng)系統(tǒng)，這3種干燥方式基本涵蓋了原紙生產(chǎn)的干燥系統(tǒng)。因此，本節(jié)以多烘缸干燥通風(fēng)系統(tǒng)、Yankee氣罩通風(fēng)系統(tǒng)和TAD通風(fēng)系統(tǒng)為對(duì)象分別展開(kāi)論述。

1. 1 多烘缸干燥通風(fēng)裝備及技術(shù)

通風(fēng)系統(tǒng)隨氣罩的產(chǎn)生而出現(xiàn)，先后經(jīng)歷敞開(kāi)式（非保溫、保溫）、半密閉式和密閉式（低露點(diǎn)、高露點(diǎn)） 等氣罩結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變[8， 17-19]，通風(fēng)裝備與技術(shù)也不斷完善與發(fā)展。隨著裝備與技術(shù)的不斷進(jìn)步，通風(fēng)系統(tǒng)承擔(dān)著收集并攜帶走所蒸發(fā)水分以維持干燥動(dòng)力、提高能源利用效率和紙機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性、減小噪音污染維持工作環(huán)境，避免廠房與機(jī)械設(shè)備腐蝕等功能（TAPPI TIP 0404-24， TIP 0404-50）。典型多烘缸干燥通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示，干燥通風(fēng)系統(tǒng)包括氣罩本體、送風(fēng)系統(tǒng)、排風(fēng)及熱回收系統(tǒng)。也有研究將排風(fēng)系統(tǒng)、熱回收系統(tǒng)、吹風(fēng)元件或排風(fēng)元件分別作為氣罩的一部分[8]，本文按功能將吹風(fēng)元件或排風(fēng)元件分別歸入送、排風(fēng)系統(tǒng)考慮，并將排風(fēng)與熱回收系統(tǒng)作為一個(gè)整體。

“雙碳”背景下，造紙行業(yè)的節(jié)能及環(huán)保要求不斷提高，國(guó)際廠商不斷致力于促進(jìn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代。如德國(guó)Lamp;E公司從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和換熱材料兩方面對(duì)通風(fēng)裝備與技術(shù)進(jìn)行整體研究和設(shè)計(jì)，以改善氣罩保溫性、氣密性、耐腐蝕性等性能，利用二次蒸汽和冷凝水降低了95%通風(fēng)系統(tǒng)熱耗[20]。芬蘭TM Systems設(shè)計(jì)緊湊、高效的袋區(qū)吹風(fēng)裝置，向袋區(qū)送風(fēng)的同時(shí)吸走大量水汽，提高了蒸發(fā)速率、余熱回收率及車速和產(chǎn)量[21]。芬蘭Runtech Systems開(kāi)發(fā)的緊湊型高露點(diǎn)密閉氣罩則通過(guò)減少排氣量和送風(fēng)量，降低設(shè)備投資和熱負(fù)荷，高效回收余熱提高通風(fēng)能效[22]。德國(guó)Voith將排風(fēng)露點(diǎn)從56 ℃提高至62 ℃，余熱回收增加19%的同時(shí)，功率需求降低了約70%[23]。芬蘭Valmet采用3D掃描和建模，進(jìn)行精準(zhǔn)可視化設(shè)計(jì)，通過(guò)減少烘缸和輥?zhàn)又g的間距，增大紙幅烘缸包角以提高干燥能力，產(chǎn)生高真空以減少鼓風(fēng)機(jī)和空氣管道的數(shù)量，降低了能耗和維護(hù)成本[24]。由此可知，緊湊、高效節(jié)能是通風(fēng)裝備與技術(shù)的主流發(fā)展方向；除需配套高精度數(shù)控加工設(shè)備、大型性能測(cè)試裝置外，CFD（computation?al fluid dynamics） 仿真、3D掃描和建模、強(qiáng)度數(shù)值計(jì)算等多種先進(jìn)設(shè)計(jì)工具已深度融入設(shè)計(jì)及制造過(guò)程。

此外，伴隨著物聯(lián)科技和數(shù)字化管理應(yīng)用的發(fā)展，大數(shù)據(jù)分析、云計(jì)算及智能算法等AI技術(shù)已逐步在生產(chǎn)過(guò)程體現(xiàn)，信息化和智能化也已成為通風(fēng)裝備與技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)。如TM Systems通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)結(jié)合專家系統(tǒng)識(shí)別并消除瓶頸或異常、優(yōu)化生產(chǎn)流程，借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（IioT） 遠(yuǎn)程收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化流程、定時(shí)維護(hù)、故障排除和服務(wù)指導(dǎo)[25]。德國(guó)Voith將其EcoHood 62 和65氣罩集成加入其數(shù)字化產(chǎn)品Voith “造紙4.0”中，提高生產(chǎn)效率、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、監(jiān)測(cè)和優(yōu)化生產(chǎn)，并將相關(guān)數(shù)字應(yīng)用集成在其工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT 平臺(tái)——dataPARC云上提供遠(yuǎn)程服務(wù)[23]。Valmet氣罩產(chǎn)品OptiAir通過(guò)其控制系統(tǒng)DNAe，與外部系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)OT（運(yùn)營(yíng)技術(shù)） /IT（信息技術(shù)） 連接，依靠Valmet工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)解決方案，基于Valmet大數(shù)據(jù)運(yùn)行中心（VPC） 匯總生產(chǎn)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)模型分析，對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行溯源、發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題[24]。

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，中國(guó)廠商在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與加工制造、設(shè)備成套水平及系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力等方面均有了顯著提高，涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的國(guó)產(chǎn)裝備與技術(shù)廠商。如無(wú)錫維科通風(fēng)機(jī)械有限公司（以下簡(jiǎn)稱無(wú)錫維科）、湖南晟明環(huán)?？萍加邢薰荆ㄒ韵潞?jiǎn)稱晟明環(huán)保）、山東豐信科技發(fā)展有限公司（以下簡(jiǎn)稱豐信科技） 等。因高精度數(shù)控加工、大型性能測(cè)試、設(shè)計(jì)及制造過(guò)程仿真計(jì)算等方面的積累有限，中國(guó)裝備與技術(shù)的研發(fā)側(cè)重于局部能效的提高，如利用余熱減少蒸汽消耗、減少熱損失等。無(wú)錫維科憑借為Valmet、Voith等著名造紙機(jī)械制造企業(yè)配套通風(fēng)系統(tǒng)，成為中國(guó)該領(lǐng)域領(lǐng)頭企業(yè)，主要從密閉性能、外觀設(shè)計(jì)、裝備材料及涂層、余熱回收等方面提高產(chǎn)品性能。豐信科技注重紙幅轉(zhuǎn)移真空箱、穩(wěn)紙器、袋區(qū)吹風(fēng)箱、余熱回收裝置等關(guān)鍵元件及高濕度氣罩系統(tǒng)的研制，還可提供高溫高速揚(yáng)克氣罩、氣浮熱風(fēng)干燥箱、氣翼干燥器等其他熱風(fēng)干燥裝置[26]。由上述案例可見(jiàn)，中國(guó)廠家通過(guò)不斷消化吸收國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，通過(guò)模仿、開(kāi)發(fā)、研制與國(guó)際高速紙機(jī)廠家配套的密閉氣罩、通風(fēng)裝置和換熱器等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)部分國(guó)際巨頭高速紙機(jī)的配套，如廣東華泰紙業(yè)有限公司5590/1400紙機(jī)的穩(wěn)紙通風(fēng)系統(tǒng)，山東華泰紙業(yè)股份有限公司PM9 6060/1000紙機(jī)的氣罩通風(fēng)系統(tǒng)等[27]；河南省龍?jiān)醇垬I(yè)股份有限公司5 600 mm/950 mpm密閉氣罩及其空氣系統(tǒng)等[26]。但受制于起步較晚、技術(shù)研發(fā)積累不足，中國(guó)廠商與國(guó)際巨頭在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品性能與穩(wěn)定性方面仍存在一定差距，盡管個(gè)別企業(yè)提及智能化理念，但先進(jìn)設(shè)計(jì)工具及AI技術(shù)的融入產(chǎn)品鮮有報(bào)道，仍處于起步階段。

1. 2 Yankee通風(fēng)裝備及技術(shù)

鑒于TAD 紙機(jī)較高的投資和運(yùn)行成本，Yankee通風(fēng)系統(tǒng)在生活用紙生產(chǎn)中仍占主導(dǎo)地位。受蒸汽壓力限制，揚(yáng)克烘缸干燥能力有限，通常配備揚(yáng)克氣罩來(lái)強(qiáng)化傳熱[28]。該氣罩將高溫高速熱風(fēng)垂直吹到紙上以破壞或減小紙張表面空氣滯留層，產(chǎn)生快速的對(duì)流傳熱以提高傳熱和傳質(zhì)系數(shù)、強(qiáng)化蒸發(fā)，相比多烘缸干燥，其產(chǎn)品的松厚度和柔軟性得到明顯提高[29]。

根據(jù)供風(fēng)方式不同，通風(fēng)系統(tǒng)可分單套通風(fēng)和雙套通風(fēng)，其中單套通風(fēng)系統(tǒng)適宜生產(chǎn)能力較小的紙機(jī)，已較少采用。按熱源可分為蒸汽氣罩和燃?xì)鈿庹郑渲姓羝麣庹炙惋L(fēng)溫度約200 ℃[30]，其與揚(yáng)克烘缸干燥能力比約為25%∶75%，起火風(fēng)險(xiǎn)較低，但紙毛易交織聚集、堵塞氣孔[31]，常配套生產(chǎn)能力較低的紙機(jī)；生產(chǎn)能力較大則需采用燃?xì)鈿庹?，熱風(fēng)溫度可達(dá)450 ℃，其與揚(yáng)克缸的干燥能力比為40%∶60%[31]，該氣罩不僅可以燒掉氣罩的紙毛，還可以提高生產(chǎn)能力和車速。圖2為典型雙套通風(fēng)系統(tǒng)示意圖。如圖2所示，以燃?xì)鈿庹譃槔渫L(fēng)系統(tǒng)同樣包括了氣罩、送風(fēng)系統(tǒng)（送風(fēng)機(jī)、空氣加熱器或燃燒器）、排風(fēng)及余熱回收系統(tǒng)。烘缸加熱紙張蒸發(fā)其水分，送風(fēng)系統(tǒng)將空氣加熱到必要的溫度，并增加其壓力以實(shí)現(xiàn)所需的沖擊速度，加速紙張水分的蒸發(fā)；而排風(fēng)系統(tǒng)將氣罩內(nèi)濕熱空氣抽出，一部分與新鮮風(fēng)混合回用，剩余部分被用來(lái)預(yù)熱“補(bǔ)充”空氣，循環(huán)后排出[32]。氣罩內(nèi)配備供風(fēng)分配噴嘴系統(tǒng)，通過(guò)面向紙張表面孔、噴嘴或槽將熱空氣吹到紙張上，并設(shè)置回風(fēng)槽或管使部分氣罩內(nèi)濕熱空氣循環(huán)利用。

Yankee通風(fēng)裝備國(guó)際廠商主要有Valmet集團(tuán)子公司PMP、Voith 子公司Toscotec、Andritz、Brunnsch?weiler、TM System等，最大設(shè)計(jì)產(chǎn)能達(dá)7萬(wàn)t/a，車速達(dá)2 400 m/min。高效節(jié)能、清潔能源化、智能型成為其裝備與技術(shù)的主流發(fā)展方向。如Valmet針對(duì)定量lt;25 g/m2的紙品開(kāi)發(fā)的純排風(fēng)Intelli-Cap?節(jié)能氣罩，基于CFD建模所設(shè)計(jì)導(dǎo)流葉片和吹風(fēng)槽可避免氣罩內(nèi)壁冷凝和減少紙塵聚集；可將送風(fēng)溫度降低至90～100 ℃、取消了熱回收和減小了風(fēng)機(jī)功率，采用烘缸冷凝水加熱空氣，可節(jié)能并減少設(shè)備投資[31]。Andritz則通過(guò)使用生物合成氣，借助CFD模擬燃燒、熱傳遞及污染物排放來(lái)實(shí)現(xiàn)能源的清潔化和減量化[33]。Toscotec兼并氣罩和通風(fēng)系統(tǒng)專業(yè)公司Milltech，將通風(fēng)系統(tǒng)融入紙機(jī)整體設(shè)計(jì)，可根據(jù)生產(chǎn)工況自動(dòng)調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)最佳效率、節(jié)能及系統(tǒng)的智能化[34]。中國(guó)廠商通過(guò)模仿、研制與國(guó)際高速紙機(jī)配套的密閉氣罩、通風(fēng)裝置和換熱器等，基本占據(jù)了國(guó)產(chǎn)衛(wèi)生紙機(jī)的市場(chǎng)，如晟明環(huán)保、湖南三匠人科技有限公司、無(wú)錫維科等。因高精度數(shù)控加工、大型性能測(cè)試、設(shè)計(jì)及制造過(guò)程仿真計(jì)算等方面的積累有限，其裝備與技術(shù)研發(fā)側(cè)重于減少蒸汽消耗和熱損失等局部能效的提高。圖3 為集成透平風(fēng)機(jī)余熱的衛(wèi)生紙機(jī)氣罩系統(tǒng)。如圖3所示，依次用透平真空系統(tǒng)排風(fēng)、閃蒸罐的冷凝水加熱送風(fēng)，并用閃蒸罐的蒸汽加熱到130 ℃以上，以減少干燥的蒸汽用量。

1. 3 TAD通風(fēng)裝備與技術(shù)

因TAD紙機(jī)主要由真空和直通干燥2種非壓縮的操作實(shí)現(xiàn)脫水，其所生產(chǎn)紙張具有優(yōu)異的蓬松度、縱向拉伸和吸收性等，同時(shí)減少了纖維用量，特別適用于生活用紙的生產(chǎn)。圖4為帶有2個(gè)TAD缸和揚(yáng)克烘缸的典型TAD紙機(jī)。如圖4所示，TAD紙機(jī)干燥部常采用2道TAD穿透干燥和1道揚(yáng)克烘缸干燥相結(jié)合的方式[36]。紙張經(jīng)TAD 干燥后干度在50%～（70%～80%）變化，揚(yáng)克干燥系統(tǒng)被用于最終干燥和起皺；Kim?berly-Clark則開(kāi)發(fā)出不起皺的TAD工藝，紙幅在2～3道TAD系統(tǒng)中干燥至最終出紙。圖5為2個(gè)TAD缸組成的典型穿透干燥的空氣系統(tǒng)。

如圖5 所示，TAD 干燥系統(tǒng)主要包括TAD 缸、TAD氣罩和空氣系統(tǒng)[37]，氣罩內(nèi)通入熱干空氣，氣罩覆蓋TAD缸部分產(chǎn)生弧形的真空干燥區(qū)，其空氣系統(tǒng)與揚(yáng)克氣罩無(wú)本質(zhì)區(qū)別。紙幅中水被蒸發(fā)轉(zhuǎn)移到干燥空氣中，穿過(guò)紙幅、缸毯進(jìn)入TAD穿透缸；穿過(guò)紙幅的熱空氣吸收了紙張中的濕氣后溫度降低、濕度增加，一部分（約占總空氣的25%） 通過(guò)排風(fēng)機(jī)排出，大部分在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)利用。循環(huán)空氣與補(bǔ)充空氣經(jīng)燃?xì)饧訜崽岣邷囟戎?00～250 ℃后通入氣罩內(nèi)[36]。

TAD 紙機(jī)主要集中在能源相對(duì)便宜的北美地區(qū)（超過(guò)30%的生活用紙由TAD紙機(jī)生產(chǎn)）；而在歐洲等能源價(jià)格相對(duì)較高的區(qū)域，傳統(tǒng)工藝仍占主導(dǎo)地位。2021年2月，TAD技術(shù)開(kāi)創(chuàng)者Toscotec向恒安集團(tuán)提供2臺(tái)TAD衛(wèi)生紙機(jī)，才正式開(kāi)啟TAD紙機(jī)在中國(guó)的應(yīng)用。隨著中國(guó)消費(fèi)水平的提升，領(lǐng)頭企業(yè)開(kāi)始尋找新的差異化產(chǎn)品來(lái)保持領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，TAD紙機(jī)產(chǎn)品松厚度、柔軟度、吸水性遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)紙巾，在中國(guó)有充足的發(fā)展空間。Toscotec基于獨(dú)特的直流式和蜿蜒型熱風(fēng)穿透區(qū)域的設(shè)計(jì)，保障產(chǎn)品優(yōu)越的松厚度、柔軟度和吸水性的同時(shí)，提高了運(yùn)行性能和設(shè)備效率，能耗低至4.5～5.5 MWh/t，明顯低于標(biāo)準(zhǔn)TAD能耗（6.0～7.0 MWh/t） [38]。Valmet所設(shè)計(jì)TAD缸缸面開(kāi)孔面積達(dá)95%，利用沖壓和快速轉(zhuǎn)移（rush trans?fer） 將進(jìn)干燥部干度提高至50%， 顯著降低了能耗[39]。2000 年，Andritz 進(jìn)入TAD 紙機(jī)市場(chǎng)，在提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低能耗方面做了大量工作，如通過(guò)開(kāi)發(fā)關(guān)鍵元件、借助CFD分析優(yōu)化熱風(fēng)系統(tǒng)和能源效率、燃燒器的空燃比、控制TAD的送、排風(fēng)特性，利用各種熱回收減少總能源消耗，調(diào)節(jié)不同TAD蒸發(fā)負(fù)荷降低干燥能耗15%～20%，緊湊設(shè)計(jì)減少?gòu)S房占地面積和土建成本等[40]。

綜上所述，節(jié)能、清潔能源化、系統(tǒng)化與智能化是衛(wèi)生紙機(jī)通風(fēng)裝備與技術(shù)發(fā)展的主要方向?！半p碳”背景下，國(guó)際廠商均非常重視裝備與技術(shù)的能效與穩(wěn)定性。國(guó)際巨頭通過(guò)收購(gòu)或自主研發(fā)擁有性能優(yōu)異的通風(fēng)系統(tǒng)，注重從裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵零部件、系統(tǒng)運(yùn)行、流場(chǎng)模擬全方位的尋優(yōu)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和能耗的最優(yōu)化；中國(guó)廠家以國(guó)產(chǎn)紙機(jī)配套為主，注重于局部改良。國(guó)際巨頭均重視CFD仿真、強(qiáng)度數(shù)值計(jì)算等前沿技術(shù)應(yīng)用于對(duì)氣罩內(nèi)流場(chǎng)的模擬與裝備設(shè)計(jì)，為中國(guó)廠家提升產(chǎn)品性能和能效指明了方向。此外，Valmet Intelli-Cap? 節(jié)能氣罩將通風(fēng)溫度由常規(guī)的200 ℃降低至100 ℃，明顯降低了能耗和設(shè)備投資，也反映出現(xiàn)有干燥相關(guān)理論研究還有待進(jìn)一步提高，特別是缺乏集成通風(fēng)蒸汽協(xié)同干燥紙張的機(jī)理。

2 通風(fēng)系統(tǒng)存在的不足

通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)影響干燥效率、能量消耗、紙機(jī)操作環(huán)境甚至紙張質(zhì)量。為確保生產(chǎn)的穩(wěn)定性，通風(fēng)系統(tǒng)均配備了排風(fēng)露點(diǎn)或濕度、送風(fēng)溫度控制系統(tǒng)以確保干燥質(zhì)量及生產(chǎn)安全；多烘缸干燥還需控制氣罩零位（送風(fēng)量），揚(yáng)克烘缸干燥系統(tǒng)需控制空氣沖擊速度、回流比，TAD干燥系統(tǒng)則需控制空氣壓差以滿足生產(chǎn)要求。此外，其他控制系統(tǒng)如熱回收噴淋控制系統(tǒng)、提升門控制系統(tǒng)、氣罩內(nèi)消防控制系統(tǒng)則主要針對(duì)生產(chǎn)異常的保護(hù)或處理，在此不做論述。然而，因操作人員缺乏優(yōu)化調(diào)節(jié)方法導(dǎo)致不合理送排風(fēng)，使得氣罩仍普遍處于低露點(diǎn)排風(fēng)或局部袋區(qū)濕度接近飽和狀態(tài)，蒸汽用量較高等。

2. 1 通風(fēng)系統(tǒng)能效差異大、通風(fēng)系統(tǒng)與蒸汽冷凝水系統(tǒng)調(diào)控缺乏協(xié)同

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，主要通過(guò)各段蒸汽壓差控制以達(dá)到紙張干度的要求，而通過(guò)控制送風(fēng)溫度、送風(fēng)量、排風(fēng)露點(diǎn)等參數(shù)來(lái)確保干燥通風(fēng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，通風(fēng)系統(tǒng)與蒸汽冷凝水系統(tǒng)控制目標(biāo)不同，兩者研究相對(duì)孤立、能耗耦合關(guān)系不明確。以瓦楞原紙為例，烘缸蒸汽壓差通常設(shè)置為15～35 kPa （固定式虹吸） 或40～95 kPa （轉(zhuǎn)動(dòng)式虹吸） （TAPPITIP0404-63），袋區(qū)送風(fēng)溫度為82～93 ℃；袋區(qū)濕度維持在0.12～0.28 kgH2O/kg 絕干空氣（d.a），排風(fēng)濕度為0.13～0.17 kgH2O/kg d.a，通風(fēng)需求量為7～10 kgd.a/kg H2O （TAPPI TIP0404-24），噸紙干燥蒸汽消耗在1.2～1.9 t變化（TAPPI TIP0404-47）。

理論上，隨產(chǎn)品定量、車速變化，操作人員需主動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽壓力以確保紙張干度，而烘缸供熱量隨蒸汽壓差調(diào)整發(fā)生變化后，各烘缸蒸發(fā)負(fù)荷和袋區(qū)空氣狀態(tài)也將隨之變化。為確保各袋區(qū)空氣狀態(tài)處于合理的范圍需相應(yīng)調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)；然而，在不影響生產(chǎn)穩(wěn)定性的情況下，通風(fēng)系統(tǒng)很少主動(dòng)調(diào)整。袋區(qū)空氣狀態(tài)受送風(fēng)溫度和排風(fēng)露點(diǎn)控制影響，改變送風(fēng)溫度或排風(fēng)量均將直接影響余熱回收，進(jìn)而影響送、排風(fēng)量及其電耗，也將影響空氣加熱器的蒸汽消耗[12-13]。因此，片面追求通風(fēng)系統(tǒng)的低能耗可使烘缸蒸汽消耗增加，甚至影響生產(chǎn)；為了實(shí)現(xiàn)干燥整體能耗的最小化，需對(duì)通風(fēng)與蒸汽冷凝水熱力系統(tǒng)進(jìn)行能量平衡分析及整體設(shè)計(jì)，需集成通風(fēng)系統(tǒng)與蒸汽冷凝水系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)協(xié)同調(diào)控。

2. 2 通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)差異明顯，調(diào)節(jié)策略不夠完善

送風(fēng)溫度控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)送風(fēng)空氣加熱器蒸汽量來(lái)控制送風(fēng)溫度，以確保氣罩內(nèi)無(wú)結(jié)露現(xiàn)象，特別是局部袋區(qū)的結(jié)露。送風(fēng)溫度過(guò)高將增加蒸汽消耗，過(guò)低易導(dǎo)致局部濕空氣飽和滴露。TAPPI推薦在82～93 ℃ （TAPPI TIP0404-24）， 也有研究指出在90～95 ℃[8]。送風(fēng)溫度的設(shè)定因紙種、定量不同存在一定差異，研究發(fā)現(xiàn)將送風(fēng)溫度從80～90 ℃提高到120～130 ℃，蒸發(fā)速率變化很小、但蒸汽消耗增加2%[8]。生產(chǎn)過(guò)程，送風(fēng)溫度常依據(jù)進(jìn)熱回收裝置排風(fēng)濕度或氣罩內(nèi)局部濕度人為設(shè)定，存在不確定性或片面性，難以權(quán)衡干燥能耗及運(yùn)行穩(wěn)定性。大量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)[6， 12-14]證實(shí)，由于缺乏精準(zhǔn)調(diào)控策略，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程常將送風(fēng)溫度設(shè)定過(guò)高以避免滴漏。因此，掌握氣罩內(nèi)空氣溫濕度場(chǎng)變化規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)有控制邏輯完善送風(fēng)溫度控制系統(tǒng)，將提高通風(fēng)系統(tǒng)控制效果和能效。

此外，排風(fēng)露點(diǎn)或濕度控制用于杜絕氣罩頂板滴漏、確保氣罩正常運(yùn)行。提高排風(fēng)濕度，余熱回收潛力提高、送風(fēng)加熱蒸汽減少，對(duì)于送、排風(fēng)量的需求量也將降低[9]。表1 為各氣罩類型的典型工藝參數(shù)。如表1所示，目前，中國(guó)產(chǎn)氣罩常以中濕度運(yùn)行，排風(fēng)露點(diǎn)約為53～57 ℃， 排風(fēng)濕度處于0.12～0.14 kgH2O/kg d.a[8]；國(guó)際先進(jìn)紙機(jī)配套高濕度氣罩，露點(diǎn)常處于61～63 ℃[41]，排風(fēng)濕度約為0.16～0.18 kg H2O/kg d.a[8]，Valmet 密閉氣罩設(shè)計(jì)濕度高達(dá)0.20 kg H2O/kg d.a[42]，Voith設(shè)計(jì)露點(diǎn)溫度達(dá)65 ℃，送風(fēng)量和排風(fēng)量減少近20%[23]。它們通過(guò)檢測(cè)排風(fēng)管道內(nèi)的濕空氣溫、濕度調(diào)節(jié)排風(fēng)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，而排風(fēng)管道空氣無(wú)法代表氣罩各區(qū)域特別是死角區(qū)域的空氣，局部的濕度過(guò)大導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行過(guò)程排風(fēng)濕度設(shè)置差異較大。氣罩排風(fēng)露點(diǎn)差異明顯，除氣罩設(shè)計(jì)方面的差異外，也體現(xiàn)了現(xiàn)有控制邏輯的不完善，因此，加強(qiáng)對(duì)氣罩頂板區(qū)域局部薄弱點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，完善排風(fēng)濕度的控制將有助于提高氣罩運(yùn)行的穩(wěn)定性和能效。

通常零位控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)總送風(fēng)量來(lái)控制零位。零位過(guò)高，外界冷空氣易滲入氣罩內(nèi)引起紙幅抖動(dòng)；零位過(guò)低，氣罩內(nèi)濕熱空氣易擴(kuò)散至車間，惡化車間環(huán)境、增加能耗。根據(jù)蒸發(fā)速率變化曲線可知各干燥段蒸發(fā)水量差異較大，即使紙種、定量或車速變化，袋區(qū)通風(fēng)量分配在開(kāi)機(jī)調(diào)試過(guò)程已通過(guò)送風(fēng)管道的風(fēng)閥手動(dòng)調(diào)節(jié)確定且基本不作調(diào)節(jié)，且橫向空氣狀態(tài)缺乏監(jiān)控，局部空氣濕度過(guò)大易產(chǎn)生凝結(jié)。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，氣罩濕端零位較低的問(wèn)題依然比較普遍[43]，生產(chǎn)人員因擔(dān)憂局部空氣飽和滴露、產(chǎn)生紙病而增加排風(fēng)或提高送風(fēng)溫度確保生產(chǎn)安全，但為了維持零位需相應(yīng)提高送風(fēng)量，會(huì)導(dǎo)致送、排風(fēng)機(jī)電耗均增加。因此，有必要結(jié)合蒸發(fā)負(fù)荷變化動(dòng)態(tài)調(diào)整各袋區(qū)送風(fēng)量，加強(qiáng)關(guān)鍵袋區(qū)及橫向空氣狀態(tài)監(jiān)測(cè)，以完善送風(fēng)量及零位控制系統(tǒng)。

2. 3 關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)與指標(biāo)缺乏監(jiān)控與評(píng)價(jià)

首先，通風(fēng)系統(tǒng)能耗主要包括空氣加熱器蒸汽或燃?xì)庀?、送排風(fēng)電能消耗。蒸汽或燃?xì)庥脕?lái)加熱送風(fēng)，風(fēng)機(jī)電耗主要用來(lái)泵送熱風(fēng)進(jìn)出氣罩，其均與通風(fēng)量和送風(fēng)溫度有關(guān)。現(xiàn)階段通風(fēng)系統(tǒng)中空氣加熱器蒸汽消耗、風(fēng)機(jī)電耗均缺乏單獨(dú)計(jì)量和核算，且缺乏對(duì)干燥總能耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。其次，紙張干燥的傳質(zhì)動(dòng)力是紙張表面水汽分壓與袋區(qū)空氣水汽分壓之差，為維持持續(xù)的干燥動(dòng)力良好的袋區(qū)通風(fēng)需確保各袋區(qū)空氣絕對(duì)濕度不宜過(guò)高或過(guò)低、且分布趨于均勻，如圖6（a）所示；通風(fēng)不佳將使得各袋區(qū)空氣濕度分布不均，部分袋區(qū)空氣濕度明顯過(guò)高（TAPPI TIP0404-33），甚至產(chǎn)生飽和滴露，這將降低干燥速率和生產(chǎn)效率，如圖6（b）所示。

與圖6中目標(biāo)值一致，TAPPI建議袋區(qū)濕度應(yīng)低于0.2 kg H2O/kg d.a（TAPPI TIP 0404-33），而實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程需維持在0.12～0.28 kg H2O/kg d.a （TAPPI TIP0404-24）。盡管部分紙機(jī)袋區(qū)空氣在0.25～0.30 kg H2O/kg d.a仍正常運(yùn)行（TAPPI TIP 0404-33），但出于對(duì)干網(wǎng)保護(hù)和送風(fēng)吸濕能力考慮，袋區(qū)最高濕度不應(yīng)高于0.30 kg H2O/kg d.a[44]。圖7為排風(fēng)濕度對(duì)干燥速率的影響。從圖7可知，袋區(qū)空氣濕度越低，干燥速率越高；降低袋區(qū)濕度有利于提高干燥速率，其對(duì)于低定量紙種（新聞?dòng)眉垼?的影響明顯高于高定量紙種（掛面紙板） [41]。低袋區(qū)濕度意味著過(guò)度的排風(fēng)或送風(fēng)，將造成能源浪費(fèi)；但濕度過(guò)高將使得干燥動(dòng)力降低，影響紙張干燥速率，袋區(qū)空氣易飽和冷凝。然而，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程對(duì)于袋區(qū)空氣狀態(tài)和通風(fēng)能耗缺乏監(jiān)控及對(duì)氣罩或袋區(qū)滴漏的擔(dān)憂，這可能也是袋區(qū)通風(fēng)量分配不做調(diào)整的原因，因未按蒸發(fā)負(fù)荷調(diào)整送風(fēng)，基于對(duì)大量生產(chǎn)線干燥袋區(qū)空氣濕度測(cè)量結(jié)果也表明部分袋區(qū)相對(duì)濕度非常大，甚至達(dá)到飽和。

最后，氣罩空氣平衡率即進(jìn)出氣罩的空氣量之比，對(duì)于維持干燥能效、確保車間環(huán)境及產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。受氣罩結(jié)構(gòu)和性能的影響，中濕度密閉氣罩空氣平衡率為55%～80%，高濕度氣罩處于65%～80%（TAPPI TIP0404-24）。平衡率過(guò)低，外界空氣易滲入氣罩內(nèi)，導(dǎo)致氣流失控產(chǎn)生紙張顫動(dòng)，紙張橫幅水分分布不均；平衡率過(guò)高，則使得氣罩內(nèi)濕空氣向車間內(nèi)泄漏，導(dǎo)致能耗增加、惡化工作環(huán)境。圖8為氣罩平衡對(duì)干燥速率和蒸汽消耗的影響。如圖8所示，空氣平衡率越高，意味著泄露空氣少，將維持更高的干燥速率；而更高的排風(fēng)濕度和溫度將使其余熱得到更高效的回收，從而降低了蒸汽消耗。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，訂單切換可能意味著產(chǎn)品定量及紙機(jī)車速的調(diào)整，干燥各段蒸發(fā)負(fù)荷將隨之變化，理應(yīng)相應(yīng)調(diào)整送、排風(fēng)，實(shí)際運(yùn)行并沒(méi)有監(jiān)測(cè)氣罩平衡率，其對(duì)干燥效率的影響也被忽略[8， 45]。

綜上所述，完善通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)策略、加強(qiáng)通風(fēng)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)及運(yùn)行性能的監(jiān)控將有助于在確保產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定的前提下維持干燥速率，進(jìn)一步降低干燥能耗，并為解決通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行瓶頸、優(yōu)化氣罩通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行提供基礎(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

面對(duì)升級(jí)后的干燥節(jié)能裝備及技術(shù)，如何進(jìn)一步降低造紙生產(chǎn)能耗是當(dāng)前“雙碳”目標(biāo)約束下造紙工作者亟待解決的共性問(wèn)題。通風(fēng)影響干燥過(guò)程的傳熱、傳質(zhì)，進(jìn)而影響水分蒸發(fā)速率、紙張干燥能耗、運(yùn)行成本、工作環(huán)境、甚至紙張質(zhì)量，被認(rèn)為是紙張干燥過(guò)程中優(yōu)化空間最大的部分。通風(fēng)裝備及技術(shù)除了向高效率節(jié)能、緊湊型發(fā)展外，清潔能源化及產(chǎn)品的數(shù)字化、智能化技術(shù)應(yīng)用成為主流。中國(guó)廠商需注重將CFD仿真、強(qiáng)度數(shù)值計(jì)算等先進(jìn)設(shè)計(jì)工具，結(jié)合工業(yè)控制、數(shù)據(jù)分析及智能算法等技術(shù)融入設(shè)計(jì)及制造過(guò)程。Valmet Intelli-Cap?通風(fēng)溫度大幅調(diào)整降低了能耗和設(shè)備投資，反映出通風(fēng)與蒸汽協(xié)同干燥紙張的機(jī)理研究需繼續(xù)加強(qiáng)，需集成通風(fēng)系統(tǒng)與蒸汽冷凝水熱力系統(tǒng)進(jìn)行整體平衡分析及設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同調(diào)控。低露點(diǎn)排風(fēng)、局部袋區(qū)空氣飽和、蒸汽用量高等現(xiàn)象，映射出通風(fēng)系統(tǒng)與蒸汽冷凝水系統(tǒng)控制孤立、通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)手段有限、運(yùn)行關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)與指標(biāo)缺乏監(jiān)控與評(píng)價(jià)等問(wèn)題本質(zhì)，在明確蒸汽與通風(fēng)系統(tǒng)協(xié)同作用的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)氣罩空氣流場(chǎng)的模擬，增設(shè)對(duì)局部高濕度袋區(qū)的監(jiān)控，完善對(duì)干燥系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)和控制。

此外，降低通風(fēng)溫度可明顯降低能耗和設(shè)備投資，未按蒸發(fā)負(fù)荷分配送風(fēng)而導(dǎo)致袋區(qū)濕度差異較大等方面反映出相關(guān)理論研究偏弱，缺乏兼顧運(yùn)行穩(wěn)定和整體能效的協(xié)同調(diào)控策略。因此，有必要系統(tǒng)性的梳理相關(guān)理論研究，基于紙張中水分存在的不同形式及其干燥速率控制條件、橫幅蒸發(fā)速率差異等按需通風(fēng)來(lái)優(yōu)化或合理設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)，完善通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)紙張干燥的協(xié)同作用機(jī)理研究，以維持生產(chǎn)穩(wěn)定、確保產(chǎn)品質(zhì)量及進(jìn)一步提高整體能源效率。

致謝

感謝湖南泛航智能裝備有限公司楊崎峰先生、安德里茲（中國(guó)）有限公司林治作先生、福伊特造紙（中國(guó)）有限公司陳勝先生、維美德（中國(guó)）有限公司匡利先生、Tri-Y Environmental Research Institute 的Helen Sun、Joan 女士等給予的支持。

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（責(zé)任編輯：董鳳霞）

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（22468006）；國(guó)家留學(xué)基金（CSCNO. 202106665001）；廣西自然科學(xué)基金（2024JJA120200）；廣西博世科環(huán)保科技股份有限公司國(guó)家企業(yè)技術(shù)中心開(kāi)放基金（GXUBFY-2020-031）。