制漿造紙工業的節能技術

鄺仕均

(中國制漿造紙研究院,北京,100020)

制漿造紙工業的節能技術

鄺仕均

(中國制漿造紙研究院,北京,100020)

簡要介紹了制漿造紙工業已經采用或有可能采用的一些節能技術。

制漿造紙工業;節能技術

在低碳經濟時代,節能已成為制漿造紙工業的重要課題。全球制漿造紙工業已經或正在致力開發各種技術,想方設法降低能耗。本文所列是制漿造紙工業已經采用或有可能采用的一些節能技術,制漿造紙企業可根據自身情況考慮采用或從中得到借鑒和啟示。

1 制 漿

1.1 化學法制漿

1.1.1 添加蒸煮助劑提高制漿得率

制漿過程添加化學助劑可以促進藥液滲透,使得蒸煮均勻,從而可以增加制漿得率,降低噸漿能耗,降低原料消耗,提高生產效率。其中蒽醌化合物是常用的蒸煮助劑。近年也在開發新的助劑,例如美國能源部資助的化學藥品 Chemstone OAE-11的研發,據報道,這種助劑既可用于闊葉木也可用于針葉木,可以防止細小纖維被過度蒸煮[1]。使用這種助劑由于縮短蒸煮時間,每蒸煮 1 t木片可以節能 132 MJ,同時還可以使得率增加 2%～5%,減少篩渣、漂白藥品用量及含硫化合物排放。磷酸酯是另一種新的蒸煮助劑,在硫酸鹽蒸煮中加入這種助劑可以提高木素脫除率[2],從而提高得率和漂白漿白度,并保護紙漿的黏度。采用這種助劑估計可節能 8%～10%,得率約增加 4%～6%。

1.1.2 連續蒸煮控制系統

改進蒸煮器性能可以明顯減少生產損失、操作成本和對環境的負面影響,同時可以提高紙漿的產量和質量。控制系統可以使生產工藝優化。例如,美國能源局贊助的一個計算機模型,用來計算各種木片通過連續蒸煮器時的物料平衡、能量平衡和擴散模擬,有助于強化工藝的改進。這種模型在 Texas一家工廠第一次應用就使得制漿工藝的溫度有所降低,從而節約能耗約 1%。

1.1.3 間歇蒸煮器改造

較小的工廠要安裝較大的間歇蒸煮器,操作上可能并不是很有效率;特種漿廠和那些需要生產各種不同紙漿的工廠也不適合采用連續蒸煮。對于間歇蒸煮有幾種方法可以降低能耗,如間接加熱和冷噴放[3]。間接加熱是用 1根中央管把蒸煮液從蒸煮鍋抽出,經過外部一個熱交換器,再從兩個不同位置送回蒸煮鍋內。這可以減少直接蒸汽用量,估計可以節能 3165 MJ/t漿。但是這需要有熱交換器的額外維修費用。對于冷噴放系統,是在蒸煮結束時用未漂漿洗漿廢液把熱蒸煮廢液置換出來,蒸煮廢液的熱被回收用于隨后的蒸煮加熱,可以減少用來加熱蒸煮藥液和木片的蒸汽用量。回收的黑液可以用來預熱和浸漬裝鍋的木片,或加熱白液或過程用水。據估計對日產 1000 t的工廠,每年可節能約 200萬美元,但這一措施需要增加的設備費用也較高 (如泵,黑液貯槽等)。

1.1.4 蒸煮鍋噴放閃蒸熱回收

在硫酸鹽化學漿廠,熱漿和蒸煮液在放鍋時會產生蒸汽。對于間歇蒸煮,蒸汽一般以熱水形式貯存在槽內;對于連續蒸煮,抽出的黑液流到一個槽內進行閃蒸。這些過程所回收的熱可以用來預汽蒸木片,加熱水甚至蒸發黑液。Georgia-Pacific公司位于 Arkansas州 Crossett工廠進行能源審計時,建議該廠兩條平行間歇蒸煮生產線改進噴放熱回收。當時該廠用 1個冷卻塔將噴放蒸汽收集槽過量的熱除去,用 1個蒸汽加熱器產生熱水用于漂白車間。審計組建議安裝新的熱交換器重新布置水流管線,這樣可以關閉冷卻塔和蒸汽加熱器,估計可節省可觀的燃料和天然氣,每年可節省 235萬美元,1年就可以收回投資費用。惠好公司在華盛頓州的 Longview工廠建議增加蒸煮熱回收系統,估計每年可節約天然氣費用達 28萬美元。

1.2 機械法制漿

1.2.1 木材微波處理

用微波處理原木段,可使木材內的木素軟化,降低 T MP制漿能耗。Scott等人[4]認為高功率微波處理黑云杉生產 T MP漿可節能 15%,還可以改進紙漿質量。但經微波處理所得紙漿要加強漂白才能獲得所需白度,雖然增加了漂白成本但由于能夠節省能耗和改善紙漿質量,因此還是經濟的。初步估計 20 kW和50 kW的微波處理系統投資分別為 750萬美元和 1250萬美元。

1.2.2 生物處理

用霉菌或酶處理木片可以軟化木材內的結合,使制漿過程能耗降低。Swaney等人[5]進行的中試項目已達到 50 t規模。在機械制漿以前木片經過生物處理,由于能明顯提高紙漿強度性能,明顯降低能耗(可以降低磨漿能耗 33%),生物制漿顯示明顯優勢。木片經篩選以后加熱到 100℃已達到滅菌作用,然后在室溫下冷卻后加入霉菌和營養物。再把木片堆垛存放 1～4周,天氣和季節性因素對處理效果十分重要。由于木片必須堆放 4周,工廠的場地可能成為問題。這一技術還未見有工廠應用的報道。

1.2.3 盤磨機的改進

在加拿大魁北克一家新聞紙廠采用盤磨機控制策略,以減少超高得率亞硫酸鹽漿的游離度波動,由于降低電機負荷,每噸產品節電 51.3 kWh[6]。磨漿處理設置方面則將原來用的盤磨機改為錐形精漿機。此外,通過把磨漿濃度從 50%降至 30%,對于 T MP和RMP工藝而言,可以節電 7%～15%[7]。Martin等人[3]估計機械磨漿通過這些改進節電可達 11%。

1.2.4 從整體能耗考慮優化磨漿

無論是原生纖維還是再生纖維都要通過磨漿以獲得纖維的最佳性質,但是磨漿同時會增加纖維的保水值,這會使網部脫水能力下降,從而增加了干燥部的蒸汽消耗,保水值增加有可能導致每噸紙能耗增加30～40美元[8]。因此,對于磨漿操作的優化策略,應把保水值考慮進去。

1.2.5 熱制漿

這是 T MP工藝的變種,從第一段磨漿機出來的漿在熱混合器內和隨后的第二段磨漿機內進行短時間的高溫處理。第一段磨漿機內的溫度低于木素軟化溫度。在第二段磨漿機內,較高的操作壓力減少了所產生蒸汽的體積流量。與其他節能技術不同的是,這一方法的優點是可以根據需要直接由操作人員接通或斷開。但缺點是白度稍有降低,撕裂指數也略有下降。據估計這種方法可使 T MP的比能耗節約達 20%[9-10]。

1.2.6 RTS制漿

RTS表示短停留時間、高溫、高速的制漿方法。這一工藝主要是通過提高第一段磨的旋轉速度來減少能量消耗,這導致停留時間減少,盤磨間隙較小,有更高的磨漿強度。木片進行第一段高速磨漿之前在160℃高溫下處理短暫時間,使得單位磨漿能耗下降而不降低紙漿質量,白度還可以提高 1個百分點[11-13]。據估計,單位能耗要比傳統磨漿系統降低 15%。有人甚至認為增加 T MP盤磨轉速可以降低能耗達 15%～30%,這取決于磨盤形式和磨漿機類型。RTS漿的強度略好于 T MP漿,而它們的光學性能相似。

1.2.7 T MP熱回收

熱磨機械法制漿產生大量的副產品蒸汽,這些低壓蒸汽常被污染,但它們的大部分熱能可以通過熱回收設備回收用于其他工藝過程。熱回收的途徑:①對于一個綜合工廠來說可以采用機械再次增壓,所產生的潔凈蒸汽可以用于紙機干燥部;②用熱交換器加熱的水用于紙機,或作為鍋爐補給水;③用于重沸器產生潔凈的過程用蒸汽;④其他設備如熱蒸汽再次增壓,熱泵系統等。現代化新的 T MP廠都帶有熱回收系統,估計壓力磨漿系統典型熱回收系統每噸漿可以通過熱回收產生 1.1～1.9 t潔凈蒸汽用于干燥部,投資回收期最快的幾個月,但運行費用和維修費用明顯增加。

2 紙漿的洗、選、漂

2.1 改進未漂漿洗滌

傳統的洗滌技術是由 3～4個鼓式真空洗漿機組成一個系列,而先進的洗漿系統用壓力擴散或洗滌壓榨來代替傳統方法。據報道,這些系統能更有效地把漿洗凈,且用更少的電耗、蒸汽和漂白藥品。尤其是洗滌壓榨有更好的效果,且已在工廠廣為應用,估計采用這些先進的洗滌系統生產 1 t漿可節能 10 MJ,12 kWh電。

2.2 未漂漿蒸汽循環洗漿機

據統計目前美國紙漿洗滌設備平均年齡為 45年,因此開發和采用新的更有效的洗漿技術可以提供明顯的節能機會。美能源部資助開發了一種采用逆流洗滌、蒸汽和高壓力差的新型蒸汽循環洗漿機。因為可在漿層濃度高達 28%～32%的條件下進行洗滌,比傳統洗漿機節約用水 70%～75%。結果使電耗下降達 21%,而未漂漿生產所需燃料能耗下降 40%。這一技術正在處于示范和商業化過程中。

2.3 ClO2熱交換

C lO2溶液在送去漂白車間使用之前通常被冷卻以獲得最大的 ClO2濃度。但是在 ClO2進入混合器之前進行預熱,可以降低漂白車間的蒸汽用量,因此這是一個重要的節能環節。可以在輸送 ClO2的回路上安裝熱交換器,用再生熱源進行預熱。如在 Crossett工廠審計時發現,可以用冷凝器的供水來預熱 ClO2。該廠有兩個冷凝器為 ClO2車間提供冷水,每個冷凝器把 21℃井水冷卻至 7℃。建議采用一個預冷凝器,可以采用來自漂白車間的 10℃的 ClO2溶液來冷卻送來的井水,而同時對 ClO2溶液進行預熱,由此可減少漂白車間的蒸汽消耗。

2.4 漂白車間廢水熱回收

漂白車間廢水含有大量的熱量,如果不回收便排放會被浪費掉,可以安裝熱交換器來回收這些熱,產生熱水。Geoyia-Pacific公司位于 Arkansas州的 Crossett廠在審計時建議安裝熱交換器回收漂白車間廢水的熱,產生的熱水供紙機使用。估計投資 160萬美元,每年可節能 939 TJ,約 240萬美元,大約 0.7年可回收投資費用。

3 紙機系統

3.1 連續水力碎漿

漿板碎漿通常是間歇進行,如果改成連續式,由于提高過程效率可以達到節能目的,據估計通過減少碎漿電機功率,可能節能達 40%。

3.2 優化成形部和壓榨部脫水

紙機運行過程中,水分依次在網部、壓榨部和干燥部被脫除。據經驗,在壓榨部脫除 1 kg水所需的能量是在成形部的 5倍,而在干燥部脫除 1 kg水所需的能量是成形部的 25倍,因此應盡量在干燥部前脫水。許多紙機在成形部脫水都不盡理想,其原因包括設備的限制,低、高真空脫水元件處的儀表和控制配置不足或是欠維護。比較舊的紙機常常有過量的高真空元件,這會增加真空系統工作動力,增加成形毛毯牽引負荷,從而增加傳動動力。

紙幅離開網部和壓榨部以后再濕的可能性應引起注意,紙幅再濕會增加干燥部的能耗。研究表明,對所生產的紙種選用合適的毛毯是十分重要的,這可以減少再濕現象。當紙機產品變換時,優化毛毯的選擇也很重要。此外,優化紙幅路徑和毛毯路徑的幾何形狀同樣重要,使它們三者盡量分開以減少再濕。為減少紙幅離開長網紙機和壓輥時的再濕,對伏輥和真空輥使用雙重刮刀是個有效的辦法。

與成形部一樣,壓榨部的優化有助于提高干燥部前的脫水。壓榨水平衡能提供有價值的信息,這些信息表明水分是在壓榨部什么地方被擠出的。但是許多紙機不具有可以從真空箱和壓輥壓區測量水分的合適儀表。壓榨有很多變量,不可能有單獨一套參數能對所有紙種都壓榨到最大脫水程度。在設計允許條件下壓區負荷應最大化,而且對輥面的包覆材料 (從軟到硬)和輥面的形式 (帶孔的、波紋的或是其他形式的)都應是整個壓榨部研究的一部分。此外,應考慮毛毯設計的改變,在采取優化過程每一步都應經過試驗。一般而言當紙幅通過壓榨部,它的溫度下降,因而要采取措施保持它出壓榨時的溫度,甚至提高溫度。出壓榨紙頁溫度升高 8℃,烘缸用蒸汽可節約 4%。此外較高的壓榨溫度可以改進紙料的脫水,從而進一步減少烘缸用蒸汽。用溫度較高的壓榨噴淋水 (超過 54℃),或者在真空箱添加蒸汽噴嘴,使蒸汽在真空開孔處被吸進毛毯,都可以提高紙幅溫度。最后應再次強調,在壓榨部紙幅不應發生再濕或者應把再濕減小至最低程度。

3.3 夾網成形

夾網成形器是替代長網紙機的另一種成形器,又可以分為刮刀式成形器、輥式成形器和輥式-刮刀式成形器,當紙料在兩個夾網之間脫水后形成紙幅,輥子、刮刀或真空把紙幅過量的水除去。成形部很短,紙幅成形時間僅為長網成形的幾分之一,可在高車速下生產出相同勻度質量的紙張。結合壓榨部的改造或者提高干燥能力,可使紙機產能增加 30%。夾網紙機的節能主要來自電耗減少,而且還可以提高質量,據估計每噸紙可以節電 40 kWh[14]。據 AF&PA估計,包括網前箱在內每 2.54 cm網寬設備費用夾網約為 7.550萬美元,而長網約為 3.075萬美元。

3.4 靴壓

靴壓可以加大壓區,同時增加紙幅在壓區的停留時間,這可以擠壓出更多的水 (水脫除量約增加 5%～7%),可以達到 35%～50%的干度,從而減少干燥部能耗,減少蒸汽消耗。如果干燥能力不足,由于降低干燥部負荷,這種方法還可以使車間產能增加25%,靴壓還可以增加紙幅濕強度。估計通過安裝靴壓可節省蒸汽達 2%～15%左右,這取決于產品和車間布置。在某生活用紙車間采用 X-N IP T靴壓,干燥能耗減少 15%[15]。

3.5 先進的烘缸控制

美國制漿造紙工業所用的蒸汽、電和直接燃料大約有 50%用在造紙過程,造紙過程所耗熱能大部分用在紙機干燥部上。因此造紙節能大都和改進干燥過程效率、回收干燥過程廢熱有關。控制系統是眾所周知的優化工藝參數,降低能耗,提高生產率,改進工藝過程質量的手段。其中烘缸控制系統的一個例子是烘缸管理系統控制軟件,據報道它可以提供烘缸系統設置點和過程參數的先進控制,以減少蒸汽用量,提高生產效率[16]。這一技術的幾個研究案例已見諸報道。Stora Enso的一臺 Voith低定量涂布紙機有兩組機內涂布頭,安裝了烘缸管理系統軟件后,由于降低了能耗,減少了維修費用和提高了生產率,每年可節省 26.3萬美元。

3.6 露點控制

烘缸罩內水蒸氣的露點決定熱交換效率,但受排氣扇安裝的影響。應測定和控制紙機烘缸罩內水蒸氣的露點水平,以優化干燥過程。烘缸罩工況的優化提供更好的質量控制,使產品質量更加穩定。

3.7 多通道烘缸

據報道,由Argonne國家實驗室開發的多通道烘缸,相對于傳統烘缸生產能力可提高 50%,而相對于裝有擾流棒的烘缸生產能力可提高 20%。傳統烘缸在缸內有冷凝水,成為傳熱障礙。新式多通道烘缸在和烘缸內表面很近的地方裝有比較小的通道,由于明顯減小冷凝水層厚度和增加烘缸表面溫度而提高熱交換效率,這一技術可在技改時采用,所需費用僅是新裝烘缸的 20%,多通道烘缸目前正在中試。

3.8 Condebelt干燥

1996年第一臺 Condebelt干燥器在芬蘭投入應用,隨后于 1999年在韓國應用。這種干燥方式是在一個干燥室內,紙幅和連續的熱鋼帶直接接觸,該鋼帶用蒸汽或熱風加熱,紙幅的水分通過金屬帶加熱被蒸發掉[17]。這種干燥技術有可能完全取代傳統的紙機干燥部,比傳統蒸汽干燥效率高 5～15倍。但這種干燥方式不適用于定量高的紙張,而且至今在美國還很少應用。盡管干燥區域可以縮小,但投資費用也比較高。據估計這一技術可節省蒸汽消耗 15%,電耗亦稍有下降 (20 kWh/t紙)。

3.9 空氣沖擊干燥

空氣沖擊干燥技術是將 300℃的熱空氣高速噴向濕紙幅上,這種技術蒸汽消耗少,但電耗稍有增加,最有可能用于涂布紙的干燥,但也可以取代傳統蒸汽烘缸用于一般紙張。據估計,沖擊干燥比傳統燃氣或紅外干燥技術可節省蒸汽 10%～40%,電耗卻增加5%。因此,這種方法牽涉到熱能和電能應用的平衡,而這種平衡程度因設備而異,因此凈能耗的節省還應根據不同設備進行驗證。

3.10 紙張燃氣干燥

氣體技術研究所 (GTI)和美國能源部合作正在開發新的紙張干燥方法,這可能大大提高效率。這種燃氣烘缸系統在烘缸內用小凹坑進行燃燒,這可取代目前的蒸汽烘缸,蒸汽烘缸的干燥能力限制了它的生產率。新技術明顯增加烘缸溫度 (超過 316℃),因此增加干燥速率,從而可以降低能耗,紙機產量估計可增加 10%～20%。這一技術的關鍵在于擴散燃燒可以高度回收熱來預熱燃燒空氣。

3.11 脈沖干燥

脈沖干燥可把進入干燥部的紙幅水分提高到38%,因而可明顯地降低干燥部能耗。脈沖干燥是在一個高溫轉動輥 (150～500℃)和一個固定的凹面輥之間用很短的接觸時間進行壓榨,其壓力大約比在干燥部和 Condebelt干燥的壓力高 10倍[17]。據估計干燥用蒸汽可節約 50%～75%。還有報道認為這一技術可以降低投資費用,增加紙機生產能力,提高產品強度,減少纖維用量,增加廢紙纖維用量。但是迄今為止的中試結果表明,這一技術的能源效率改進十分有限,還有待進一步研究。

3.12 真空系統優化

每臺紙機都有若干個真空泵和一個真空系統。真空系統所用的動力和整臺紙機傳動的動力幾乎一樣。但是如果真空系統效率低會使得脫水時所需的電能和蒸汽增加,提高能源效率有很大空間。如對加拿大14臺紙機進行審計以后發現,通過真空系統的改造,改變操作甚至拆除一些真空泵,有可能節省 3.5 MW電力。這 14臺紙機用于真空系統的動力總共為 37 MW,紙機傳動 34 MW。

有時是存在過量的真空能力,因為系統是新的,在操作上會有明顯的變化,這樣會對真空系統的性能和要求有影響。過了一段時間,紙料、化學藥品、網前箱濃度、留著、成形和壓榨毛毯的變化都會對真空的要求和真空系統的性能有影響。一個最近的例子是,對一臺最近改造安裝了新壓榨的紙機調研發現,不適當的真空控制和過度真空度引起許多問題,認為可以通過拆除一些真空泵或降低一些真空泵速度,整個真空系統有可能節省 522 kW。

4 化學品回收

4.1 優化稀釋因子控制

在提取黑液時優化稀釋因子控制可以減少從稀黑液蒸發的水量,從而減少蒸發器的蒸汽消耗。稀釋因子可以通過控制最后一段洗漿的噴淋水量達到一個最佳值來優化,這一最佳噴淋水量是從蒸汽費用、漂白藥品費用、廢水質量等方面考慮所決定的。惠好公司在華盛頓州 Longview的漿紙廠一個改進蒸煮器洗滌和降低稀釋因子的項目,估計每分鐘可節省 0.9 m3水,每年節省 327 TJ天然氣。

4.2 黑液濃縮

黑液濃縮器用來增加黑液濃度,以便送去回收爐燃燒。燃燒濃度高的黑液可以減少在回收爐內的水蒸發。目前應用的主要有兩種濃縮器:浸管式和降膜式。浸管式濃縮器 (Submerged tube concentrator)黑液在浸管內循環,黑液只被加熱并不蒸發,然后黑液在濃縮器蒸發器的蒸發室間閃蒸,進行蒸發[18]。投資費用包括濃縮器、輸送黑液和蒸汽用的管道和泵。

管式降膜蒸發器的操作幾乎和傳統升膜蒸發器一樣,只不過它們的黑液流向相反,由于黑液流下的速度更快,泡沫又以相反方向流動,使得這種蒸發器不易結垢,可以產生高濃黑液 (高達 70%,而非傳統的 50%)。美國一家日產 900 t的漿紙廠安裝了黑液濃縮器把黑液濃度由 73%增加至 80%,每年可節約費用 90萬美元。

4.3 黑液氣化

黑液在美國制漿造紙工業所消耗的燃料中占很大比例,硫酸鹽漿廠一般用 Tomlinson回收鍋爐燃燒黑液回收化學藥品并產生蒸汽,發電。這種鍋爐通常效率很低,約為 65%～70%。所謂黑液氣化是指通過把黑液中的有機物加工轉化成潔凈的合成氣,后者可用在鍋爐,或者用在聯合循環過程產生電能或過程用蒸汽。當堿回收爐能力不足而成為生產瓶頸時,黑液氣化器可以用作堿回收爐的補充。黑液氣化器和聯合循環動力系統結合應用可取代傳統的堿回收爐系統,并為石灰窯提供燃料,甚至還可生產汽車用燃料或氫。黑液氣化有兩種主要形式,即低溫/固相和高溫 /熔融相,氣化過程所產生的燃料氣體需要清潔以除去雜質,供動力系統和回收制漿化學藥品用。

低溫氣化是以常壓下的硫化床為基礎,溫度在700℃或以下,低于無機鹽熔點,無機物中含有大部分來自黑液的焦炭。碳酸鈉用作硫化床介質,它可被沉淀出來再用。

高溫氣化發生在壓力 2.5 MPa和溫度 950℃以上,在無機物熔點之上,藥品以熔融態被回收。更高的溫度會導致更高的碳轉化率,但也會引起反應器更嚴重的腐蝕。合成氣用水急冷 (產生低壓蒸汽)和清潔,然后送去透平機燃燒。第一套高溫鼓風黑液氣化器生產裝置已于 1997年在北卡New Bern的惠好公司安裝[19]。

黑液氣化的優點是得到的氣態燃料有更大的終端應用靈活性,可以減少空氣污染物含量。與標準回收爐蒸汽透平機系統相比,聯合循環系統能產生更高的電-熱比。與堿回收系統相比,氣化聯合循環系統的缺點包括要獲得足夠高黑液濃度所需要的能量投資,而且石灰窯和苛化器的負荷會更高。此外因為聯合循環系統比蒸汽透平系統能有效產生電能,氣化聯合循環系統比傳統的堿回收爐系統需要更多的燃料才能滿足工廠相同的蒸汽要求。但是這額外的燃料應用也會產生更多的電以供本廠用或售給電網。

有研究認為,在熱動力學基礎上,高效的堿回收爐系統在產生蒸汽和電力方面要比生產規模的低溫氣化系統效率更高;但認為生產規模的高溫氣化系統要比高效的堿回收爐系統更有效率。

4.4 綠液直接用于制漿

這一技術是在制漿前用綠液預處理木片。綠液富含氫硫根離子,這可以加促制漿。這種利用綠液的方式已在芬蘭的工廠應用過。據報道可以增加得率,紙漿的強度提高,紙漿更易漂白。蒸煮用堿量可以減少50%,石灰窯的負荷可以減少 30%,能耗可降低25%。估計這一技術很快便能工業化應用。

4.5 富氧石灰窯煅燒

富氧燃燒是為增加燃燒效率而開發的技術,已在采用高溫燃燒工藝的工業部門以不同形式被應用。富氧石灰窯燃燒可以使燃料用量減少 7%～12%[20]。據報道,應用富氧技術的投資不高,只需進氣管道、氧氣噴槍和控制儀表[21],投資回收期估計為 1～3年。

4.6 石灰窯改造

石灰窯可以通過幾項改造來降低能耗。可以安裝高效過濾器以降低進料的水分,從而減少蒸發能耗;可以用高效耐火磚以減少熱輻射損失,據估計用新型高效耐火磚可使石灰窯能耗節約達 5%。可以從石灰和石灰窯排氣回收熱量來預熱進窯的白泥和空氣。據估計[3],通過結合應用上述措施每噸產品節能達496 MJ,同時,還可以提高綠液的石灰回收率,減少工廠外購石灰量。

4.7 石灰窯靜電除塵器

石灰窯的濕法煙氣洗滌器可以用靜電除塵器取代,從而節省水電。靜電除塵器把石灰窯的粉塵收集起來,直接送回石灰窯,無需增加白泥過濾器的負荷;相反濕法洗滌器要求經過白泥過濾器后才能回用廢水,消耗不少用水。據估計,白泥進料水分每降低1% (通過添加干灰),石灰窯能耗可以減少約46 GJ。白泥干度由 70%增加至 75%,每噸石灰可以少用燃料 422 MJ[8]。

4.8 回收爐采用改進過的復合材料管

回收鍋爐有很多管,壓力水在其中循環產生蒸汽,這些管通常由碳鋼制造,但往往會產生嚴重的腐蝕致使管壁變薄,有時甚至損壞,因而有必要尋找更為先進的管材合金。美能源部支持的研究項目開發出新的焊接涂層和共擠壓成管的合金,這些先進的合金使得處理高濃黑液成為可能,增加鍋爐熱效率,減少停機時間,這些新型復合管已在美國 18家硫酸鹽漿廠回收爐上應用,自從 1996年工業化以來累計節能4853 TJ[22]。

4.9 回收鍋爐沉積監控

控制好回收鍋爐傳熱面上的沉積物,可保證更高的運行效率,由于避免堵塞而減少停機時間,檢修日程更具預見性。一種手提紅外檢測系統已被開發用來早期檢測有故障的設備 (管漏或損壞的吹灰器)和爐渣的生成,以防沖擊損害并使沉積物變硬前清掃掉。據報道,這一系統能夠提供充滿顆粒粉塵鍋爐的內部清晰圖像,能夠檢測燃燒室內任何地方。2005年美國有 69家單位使用這一系統,自 2002年應用以來由于減少吹灰蒸汽的應用,節能達 1477 TJ。

4.10 四次通風

在美國,大多數堿爐有三段通風,但很少有應用第三段的。通過充分應用第三段通風并增加一個第四段通風入口,可以減少飛灰和管道結垢,從而可以減少回收爐清洗次數。因為可避免鍋爐的停機和重新點火,從而達到節能目的。

5 廢紙制漿

5.1 增加廢紙漿的應用

廢紙漿生產所消耗的能量平均來說明顯比機械木漿和化學木漿少。根據美國林紙協會數據,約有 200家美國工廠僅用廢紙生產紙漿,美國大約 80%的紙廠以不同方式應用廢紙,美國的制漿造紙工業不斷增加廢紙利用,進一步降低和原生漿生產相關的能耗。不過廢紙漿會產生污泥,需要加以處理。

5.2 高效碎漿機轉子

通過用計算流體力學模擬研究碎漿機轉子和紙漿之間的相互作用,提出新的轉子設計從而優化了動力消耗。據報道,用一個優化過的新轉子代替原有的轉子,可以使轉子電機能耗減少 10%～30%。Wausan Paper在威斯康辛 Rhinelander的一家工廠安裝并試用一個新的 373 kW高效碎漿機轉子,電力消耗可以下降 23%。用相同的碎漿時間所產生的漿料質量和用傳統的轉子一樣;Canfor在大不列顛哥倫比亞 Prince George的 Northwood硫酸鹽漿廠試用一個新的高產能、空氣動力、可變速的碎漿機轉子,轉子設計允許在低速下運轉,但仍然可以有效地清潔碎漿機的篩孔,這種新型轉子可以使電力消耗減少達 50%以上。

5.3 轉鼓式碎漿機

通常用于廢紙碎漿。該設備較緩和的機械作用使得污染物能保持完整狀態,而且能耗比傳統機械碎漿機低,用水較少,減少對纖維的切斷。有分析認為,脫墨漿生產線用連續轉鼓式碎漿機取代間歇式碎漿機,單位能耗可下降 25%以上。

5.4 廢紙漿分級

安德里茲公司曾試驗過在脫墨生產線上把廢紙漿長、短纖維分級,這使脫墨線有可能被簡化 (比傳統脫墨漿線投資減少 13%～22%),電能和熱能分別減少 11%～13%和 40%[23]。這一措施已在瑞士的Perlen Paper新聞紙廠試用。

5.5 電動液壓除去污染物

廢紙漿中的膠黏物會明顯降低產品的質量。一項由美國能源局贊助的示范項目表明,一種新的污染物去除技術可以有效去除這類污染物。這是基于水中放電的原理,在除渣和篩選過程用電火花放電來強化篩選及除渣過程的膠黏物去除效率,從而增加浮選脫墨的效率[24]。這個方法已在 Appleton Papers、Stora Enso等公司的幾家紙廠進行試驗,認為所觀察到的膠黏物去除、浮選、凈化的改進導致在去除污染物和凈化設備的直接能耗下降 10%～15%。

5.6 脫墨廢水的熱回收

通常廢紙漿廠排放的脫墨廢水溫度都比較高,這可以回收低能級的熱量。在廢水回路裝上熱交換器可以回收這些熱量用于水的加熱。某工廠有 3臺紙機生產新聞紙和特種紙,以 60%來自舊報紙和舊雜志紙的纖維為原料,工廠綜合廢水溫度約為 49℃,流量為 2.7 m3/min,使用熱交換器可以產生加熱經過濾的紙機噴淋水,這可以節省工廠蒸汽用量。

6 其 他

6.1 激光-超聲波紙幅挺度傳感器

Lawrence Berkeley國家實驗室的研究人員已開發出一種新型激光超聲波傳感器,可以用來在線測量紙幅的彎曲挺度和撕裂強度這兩項重要性能。傳統的做法是每當一軸紙下機后對樣品進行檢測,如果指標不合標準,整輥紙便要回抄或作為次品處理。新的激光-超聲波傳感器可以實時測量這些重要物理性能,這可使生產者優化生產出合格產品所需的原料量。據此,美國每年大約在能源方面節省 2億美元,在纖維方面節省 3.3億美元。這一技術已通過生產試驗。在工廠試驗中,由于這一技術能使紙機在更接近產品標準下運行,可使定量下降 2%,而必須要回收的不合格部分可減少 1% (這可減少重新處理廢紙所用的能耗),工廠總的能耗可以下降 3%。

6.2 先進的纖維填料

礦物填料通常在紙品生產中取代部分木材纖維。由于紙張強度和質量的要求,加填一般是限制在15%～20%。現在正開發出新的無機纖維填料,可以把加填量增加至 50%,在許多產品中可以保持其強度和質量。據報道,使用填料可使噸紙生產能耗降低,其原因一方面是減少紙漿的用量,另一方面由于可以增加壓榨干度而減少干燥能耗。

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Energy Sav ing Technologies for Pulp and Paper I ndustry

KUANG Shi-jun
(China National Pulp&Paper Research Institute,Beijing,100020)

Some energy saving technologies,which have been used or have application potential in pulp and paper industry,were briefly introduced.

pulp and paper industry;energy saving technology

TS7

A

0254-508X(2010)10-0056-08

(E-mail:ksj@cnppri.com.cn)

2010-06-26

(責任編輯:郭彩云)