基于夾點技術的涂布紙機干燥部熱回收優(yōu)化分析

李玉剛劉煥彬陶勁松李繼庚孔令波賈靖江

(1.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州,510640;

2.金東(江蘇)紙業(yè)股份有限公司,江蘇鎮(zhèn)江,212132)

基于夾點技術的涂布紙機干燥部熱回收優(yōu)化分析

李玉剛1劉煥彬1陶勁松1李繼庚1孔令波1賈靖江2

(1.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州,510640;

2.金東(江蘇)紙業(yè)股份有限公司,江蘇鎮(zhèn)江,212132)

應用夾點技術對某日產(chǎn)1500 t的涂布紙機干燥部熱回收網(wǎng)絡進行了診斷和優(yōu)化分析。結果表明,該紙機現(xiàn)有的換熱網(wǎng)絡存在著較大的節(jié)能潛力,通過優(yōu)化改造可以使紙機干燥部的回收熱量由原來的4821.60 kJ/s增加到9973.09 kJ/s,節(jié)約了干燥部2.3%的蒸汽用量,有明顯的節(jié)能效果。

紙機干燥部;熱回收網(wǎng)絡;夾點技術;優(yōu)化分析

造紙機的熱回收系統(tǒng)是一個熱交換網(wǎng)絡,可從紙機干燥部的濕熱空氣中回收能量。通常情況下,干燥部濕熱空氣的能量通過換熱器預熱新鮮空氣和過程水來回收[1-2]。有資料顯示,1臺年產(chǎn)能30萬t的新聞紙機有40 MJ/s的熱量通過濕熱空氣排出,新聞紙機干燥部消耗熱量的60%可以通過熱回收重復利用[3]。涂布紙機由于其原紙和涂布紙分別干燥且干燥方式不同,可以回收更多的熱量。夾點技術以熱力學為基礎,從宏觀角度分析過程系統(tǒng)中能量流沿溫度分布的方法[4]。1978年Linnohoff提出了換熱網(wǎng)絡中的夾點問題,并在隨后幾年對夾點技術在換熱綜合網(wǎng)絡中的應用和推廣做了大量研究[5]。Nordman R等對夾點技術在制漿造紙企業(yè)的應用作了研究[6]。在國內(nèi),用夾點技術對換熱網(wǎng)絡進行分析優(yōu)化已經(jīng)在石化工業(yè)的節(jié)能中得到了廣泛應用[7-9]。

本研究應用夾點技術對涂布紙機的換熱網(wǎng)絡進行了診斷、分析并提出了熱交換網(wǎng)絡的系統(tǒng)優(yōu)化策略。

1 涂布紙機干燥部熱回收網(wǎng)絡的分析

涂布紙機的干燥過程分為前干燥和后干燥兩部分。前干燥是指涂布原紙濕紙幅通過由蒸汽加熱的烘缸組的接觸干燥和對流干燥,后干燥主要是指通過燃燒天然氣對紙張涂料的紅外輻射干燥和熱風(熱風由空氣和天然氣混合燃燒產(chǎn)生)干燥。因此,涂布紙機的熱回收也分為兩部分,即前干燥氣罩內(nèi)濕熱空氣熱量的二級回收和后干燥高溫熱風的熱量回收。本研究中的在線涂布紙機設計車速1800 m/min,抄寬9.77 m,產(chǎn)品定量范圍80～120 g/m2,產(chǎn)量1500 t/d,其干燥部流程如圖1所示。

1.1 過程數(shù)據(jù)的采集

用專業(yè)儀器測量換熱過程中各種物流的流量溫度、熱焓等參數(shù)。其中,空氣溫度、濕度以及流量用德國德圖公司生產(chǎn)的TESTO-400多功能溫濕度測量儀測出,清水的溫度和流量用在線傳感器測出。

根據(jù)圖1和夾點分析技術的要求,把原換熱系統(tǒng)的工藝物流分為2個熱物流(濕熱空氣、飽和濕氣)和2個冷物流(新鮮空氣、清水)。其中,濕熱空氣是指換熱前的濕熱空氣;飽和濕氣是指汽氣換熱后的濕熱空氣。各個物流的初始溫度、最終溫度、熱負荷等參數(shù)見表1。

1.2 子網(wǎng)絡的繪制

根據(jù)表1的物流數(shù)據(jù)和夾點計算的要求作出的夾點計算網(wǎng)絡如圖2所示。由圖2可知,確定冷、熱物流的界面換熱溫差為10～20℃[10],同時以每個冷、熱物流的初始溫度和最終溫度作水平線,分出不同的溫度間隔,每個溫度間隔為子網(wǎng)絡,以SNk(Subnetwork)表示。

圖1 在線涂布紙機干燥部和熱回收系統(tǒng)

表1 紙機干燥部換熱系統(tǒng)的物流數(shù)據(jù)

1.3 子網(wǎng)絡的熱量衡算

根據(jù)圖2和夾點分析關于子網(wǎng)絡熱量衡算原理,子網(wǎng)絡的熱量衡算如下:

Ok——子網(wǎng)絡k傳遞的熱量

Ik——其他子網(wǎng)絡向子網(wǎng)絡k提供的熱量

Dk——子網(wǎng)絡k向其他子網(wǎng)絡提供的熱量(正值表示向外界提供的熱量,負值表示需要外界供給的熱量)

∑CPcold——子網(wǎng)絡中冷物流的熱容流率之和

∑CPhot——子網(wǎng)絡中熱物流的熱容流率之和

Tk-Tk+1——子網(wǎng)絡間的溫度差

以優(yōu)化前的子網(wǎng)絡SN1為例,即k=1時,冷物流溫度間隔為90～102℃,熱物流溫度間隔為110～122℃。

這表明該子網(wǎng)絡有1827.60 kJ/s的熱量剩余。而此時該換熱系統(tǒng)中子網(wǎng)絡包含的物料溫度最高,所以沒有熱量輸入,I1=0,則由式(1)可得:

這說明子網(wǎng)絡SN1有1827.60 kJ/s的熱量盈余,可以向外界或者其他子網(wǎng)絡提供。同理,各個子網(wǎng)絡的計算結果見表2。

圖2 夾點計算網(wǎng)絡圖

表2 各個子網(wǎng)絡熱量衡算結果kJ/s

從表2可以看出,某些子網(wǎng)絡存在著供給和排出熱量為負的現(xiàn)象。由于熱量只能從高溫向低溫傳遞,所以當子網(wǎng)絡中出現(xiàn)熱量為負的情況時,說明熱回收系統(tǒng)中熱物流提供不了冷物流達到終溫所需要的能量。夾點理論表明,過程物流的工藝目標(如溫度)如果不能在熱回收網(wǎng)絡中達到,就要外加熱量去完成。通過計算可以看出,僅依靠熱回收的熱量不能滿足進氣罩空氣和冷凝水10006.68 kJ/s的加熱需求,需要外界補充5185.08 kJ/s的熱量,這部分熱量需要新鮮蒸汽來提供。

為了能直觀地看出系統(tǒng)的能量回收和存在的差距,根據(jù)物流參數(shù)和表2的計算結果,做出各個子網(wǎng)絡界面溫度與熱負荷值,見表3。

表3 各個子網(wǎng)絡界面溫度與熱負荷

1.4 總組合曲線

根據(jù)表3繪制出該換熱網(wǎng)絡優(yōu)化前的總組合曲線如圖3所示。

圖3中組合曲線的各個節(jié)點A、B、C、D、E表示了表3中子網(wǎng)絡各個界面的溫度和熱負荷狀態(tài),例如A點的坐標為(112℃,5185.08 kJ/s)。按照夾點技術的分析方法[5],過熱物流的端點A引垂直線和冷物流DE交于F,結合表3可以看出:若要滿足子網(wǎng)絡SN4需求的10006.68 kJ/s的熱量,需要外界提供子網(wǎng)絡SN1的熱量為5185.08 kJ/s,也就是總組合曲線圖中E、F兩點之間的熱負荷差。需求熱量和外界供給熱量的差值為系統(tǒng)的回收熱量,在總組合曲線中即為D F兩點之間的熱負荷差(4821.60 kJ/s)。

圖3 優(yōu)化前換熱網(wǎng)絡的總組合曲線圖

2 涂布紙機干燥部熱回收網(wǎng)絡的優(yōu)化方案及結果

2.1 優(yōu)化方案

在線涂布紙機的前干燥和后干燥是一個靠紙幅聯(lián)結在一起的整體,紙機前后干燥過程能量利用方式相互獨立,如何將這兩部分的余熱結合起來,有效地綜合利用是一個有意義的問題。通過現(xiàn)有的換熱網(wǎng)絡分析和現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),紙機干燥部換熱系統(tǒng)一方面需要外加新鮮蒸汽才能滿足空氣預熱的需要,另一方面在后干燥過程中又有熱負荷很高的熱風沒有被充分利用因此,可利用紙機后干燥過程產(chǎn)生的熱負荷很高的熱風替代新鮮蒸汽來預熱空氣,以優(yōu)化回收網(wǎng)絡系統(tǒng)節(jié)約能源?，F(xiàn)場測得的后干燥熱風的物流參數(shù)見表4。

優(yōu)化后的干燥部熱回收夾點計算網(wǎng)絡見圖4。

2.2 優(yōu)化后熱回收網(wǎng)絡的能量衡算與總組合曲線

按照表2的方法,優(yōu)化后各個子網(wǎng)絡熱量衡算的結果見表5。

圖4 優(yōu)化后的干燥部熱回收夾點計算網(wǎng)絡圖

表5 優(yōu)化后各個子網(wǎng)絡的熱量衡算kJ/s

由表5可知,通過換熱網(wǎng)絡的優(yōu)化,在不加新鮮蒸汽(外界熱量)的情況下,利用優(yōu)化后換熱網(wǎng)絡本身的熱物流就可以把空氣(冷物流)預熱到目標溫度,并且還有熱量盈余。

按照表3的方法,優(yōu)化后各個子網(wǎng)絡界面溫度與熱負荷見表6。

表6 優(yōu)化后各個子網(wǎng)絡界面溫度與熱負荷

根據(jù)表6繪制的優(yōu)化后總組合曲線見圖5。

2.3 優(yōu)化前后結果對比

圖5所示的優(yōu)化后換熱網(wǎng)絡的總組合曲線與圖3所示的優(yōu)化前換熱網(wǎng)絡的總組合曲線相比,優(yōu)化后總組合曲線中與縱軸相交的熱負荷為零的點(A′)出現(xiàn)在曲線的頂端,而優(yōu)化前總組合曲線中與縱軸相交的熱負荷為零的點(E)出現(xiàn)在曲線的底端,兩者呈現(xiàn)相反的狀態(tài)。交點在頂端表明該網(wǎng)絡存在著熱量盈余。通過圖5中的標示可以看出優(yōu)化后的換熱網(wǎng)絡回收的熱量遠大于優(yōu)化前的換熱網(wǎng)絡,優(yōu)化后回收的熱量達9973.09 kJ/s(優(yōu)化前回收的熱量僅為4821.60 kJ/s),約占該紙機干燥部總蒸汽供入熱量(433612.61 kJ/s)的2.3%。另外,圖5中也標出了優(yōu)化后換熱網(wǎng)絡的盈余熱量6695.17 kJ/s,由于這些熱量溫度較低,不適合再次換熱利用,作為廢氣排出。

圖5 優(yōu)化后換熱網(wǎng)絡的總組合曲線圖

3 結 論

3.1 夾點技術是一種解決靜態(tài)優(yōu)化問題、應用簡單易行的優(yōu)化方法,用夾點技術進行造紙過程熱回收網(wǎng)絡的診斷和優(yōu)化分析是可行的。

3.2 用夾點技術對在線涂布紙機干燥部換熱網(wǎng)絡進行診斷分析,發(fā)現(xiàn)優(yōu)化前的換熱網(wǎng)絡回收的熱量僅為4821.60 kJ/s,還需要從外界補充新鮮蒸汽的熱量為5185.08 kJ/s。

3.3 優(yōu)化后的涂布紙機干燥部換熱網(wǎng)絡改變了系統(tǒng)的操作夾點,使系統(tǒng)的回收熱量增加,回收的總熱量達9973.09 kJ/s,可滿足預熱空氣的需求,不再需要補充新鮮蒸汽。

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Abstract:Pinch technologywas applied to diagnose and optimize the heat exchange ne tworks in the drying-section of coatingmachine with capacity of 1500 t/d.The result showed that there was a biggish energy-saving potential in the existing heat exchange networks.The amoun of heat-saving in new heat exchange networks after opt imizational rebuilding increased from 4821.60 kJ/s to 9973.09 kJ/s,fresh steam con sumption of drying-section reduced by 2.3%.The energy-saving effectwas evident.

Keywords:drying-section of papermachine;heat exchange networks;pinch technology;opt imizational analysis

(責任編輯:田風洲)

Opt im izational Analysis of Heat-Recovery in Dry ing-section of CoatingMachine Based on Pinch Technology

L I Yu-gang1,＊L IU Huan-bin1TAO Jin-song1L IJi-geng1KONG Ling-bo1J IA Jing-jiang2
(1.State Key Lab of Pulp&Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510641;
2.Goldeast Paper(Jiangsu)Co.,Ltd.,Zhenjiang,Jiangsu Province,212132)
(＊E-mail:liyugang355@yahoo.com.cn)

TS755

A

1000-6842(2010)02-0071-05

2009-12-25(修改稿)

本課題為粵港關鍵領域重點突破招標項目(20070109-2)、廣東省科技計劃項目(2007B050200010)、國家自然科學基金項目(20906030)和華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室青年教師創(chuàng)新基金支持項目。

李玉剛,男,1983年生;在讀博士研究生;研究方向:制漿造紙過程優(yōu)化與節(jié)能。

E-mail:liyugang355@yahoo.com.cn