現代紙機能耗構成特點及節能途徑初探

楊 旭 陳克復 王 蓓

(1.輕工業杭州機電設計研究院,浙江杭州,310004;2.華南理工大學,廣東廣州,510640)

現代紙機能耗構成特點及節能途徑初探

楊 旭1,2陳克復2王 蓓1

(1.輕工業杭州機電設計研究院,浙江杭州,310004;2.華南理工大學,廣東廣州,510640)

主要分析了現代紙機能耗的組成、分布及其特點,并在此基礎上探討了相關的節能措施,尤其是能耗最大的干燥部分通風系統的節能方法。

現代紙機;能耗;節能途徑

我國造紙工業在最近 10年得到極大發展,紙和紙板總產量已是世界排名第一。然而,我國造紙工業的效益并不高,能源消耗及對環境的壓力越來越大。就能耗來講,雖然我國造紙工業綜合能耗水平已從每噸紙消秏 1.55 t標煤降到了 1.38 t標煤[1-3],但與國際先進水平相比仍有較大差距。要達到國際先進水平,降低能源消耗,則需：①提高能源的利用率,如熱電聯產,廢棄物 (如污泥和資源雜質等)的燃燒利用;②降低無用功,回收有用能源。就目前造紙技術來講,暫時還看不到在工藝和技術上有重大性改變或進步,因此所有節能工作都必須在整個造紙流程上下功夫,把工作做細做好,做到盡量多利用少浪費,積少成多,才能較好地把能耗降下來。本文僅論述造紙機械方面的能耗情況。

1 造紙機械能耗的構成

造紙機械及其密切相關的真空系統和干燥通風系統是整個造紙工藝中能耗最大的部分,根據原料和紙張產品的不同,這部分能耗約占整個紙機能耗的40%～70%,應分析和重點關注這部分能耗。造紙機械的能耗主要表現在 3個方面：傳動動力能耗、真空動力能耗及干燥能耗。根據筆者的初步調查統計,文化用紙和紙板 (紙板主要包括箱紙板,白紙板原紙部分和瓦楞紙)的傳動動力能耗分別為 220～320 kWh/t和 170～280 kWh/t;文化用紙和紙板的真空動力能耗分別為 100～180 kWh/t和 100～200 kWh/t;而文化用紙和紙板的干燥能耗分別為 1.8～2.6 t蒸汽/t紙和 1.6～2.2 t蒸汽 /t紙,換算成電功率分別約為 1130～1632 kWh/t和 1005～1382 kWh/t。從以上數據可以看出,在整個紙機能耗中,干燥能耗最大,傳動動力能耗和真空動力能耗加起來約占干燥能耗的1/3。

紙張干燥過程中能耗的構成主要有紙張和紙張中的水分升溫到汽化溫度所需的熱能,水分蒸發所需的熱量,蒸汽輸送和烘干部消耗的能量,氣罩等設備散發的熱量等。蒸發出的蒸汽被空氣帶走并排到機外,然后進行回收或排空,冷凝水也被排到機外并用于回收二次蒸汽后送入鍋爐。紙張和水分的比熱為 1kcal/(kg·℃) (1 cal=4.18 J),而水分的汽化潛熱約為538 kcal/kg,因此與汽化潛熱相比,紙張升溫到80℃的能耗約只有汽化的 1/7左右,故干燥的能量絕大部分用于水分的蒸發,也就是說隨空氣排到機外的溫熱空氣中含有大量的熱能。

干燥每噸成品紙所需要的熱能與進出干燥部紙張的干度有關,根據物料平衡原理,可用下列公式計算：

式 (1)中,S表示干燥每噸紙需要蒸發的水量,t/t紙;T1、T2分別表示進出干燥部紙張的干度,%。

根據此公式計算的在紙張進干燥部常用干度范圍內單位產量需蒸發的水量見表 1。

表1 紙張進干燥部的干度對蒸發水量的影響

紙機網部、壓榨部和干燥部的動力消耗比率約為3∶3∶4,紙板機稍有不同但相差不大。動力消耗主要用于主傳動和輔助傳動,其中主傳動的動力消耗約占99%以上。主傳動消耗于這幾個方面：滑動磨擦(如脫水元件等),各種輥子的滾動磨擦,刮刀引起的阻力,機械和安裝誤差引起的消耗等。但是這些動力消耗基本上與紙機運行速度成正比,故對單位產量動力消耗影響不大。

真空系統的動力消耗主要用于濕紙幅脫水 (包括壓榨)和毛毯的洗滌調態。紙張或毛毯通過真空擠壓脫水,脫出的水被通過的氣流帶走,故真空系統的動力主要消耗于氣體的狀態變化和流動,能耗的大小與抽氣速率的平方和真空度成比例,故與生產的紙種有關,與紙機工作車速無正比關系。但在實際工作中,真空能耗除了用于有用功外,消耗于管路損失、真空度調節及脫水元件漏氣的功率也不小。有的系統管路設計不當,使真空度在真空泵處為 0.06 MPa,但在用氣點處則只有 0.03 MPa,能量損失很大。

2 節能途徑及措施探討

從以上論述可以看出,紙機的大部分能耗在干燥部,因此,干燥部應是節能所關注的重點,當然一直以來,許多企業也是這樣在做的。要降低干燥部能耗,第一要盡量減少干燥紙張所需的蒸發水量,換句話說,就是要盡量提高紙張進干燥部的干度。紙張進干燥部的干度對蒸發水量的影響見表 1,紙張進干燥部的干度每提高 1個百分點,蒸發的水量可減少約3.8%～4.8%。而要提高紙張進干燥部的干度,只能依靠高效壓榨裝置。最近 10多年來,國際造紙界在高速高效壓榨技術的應用上進步很大,高效壓榨輥——靴式壓榨輥的成熟應用,使得現代紙機的壓榨布置有了很大變化 (見圖 1),其特點也十分突出,主要有：①結構簡化,減少壓榨道數,最多兩道壓榨;②文化用紙紙機和紙板機的壓榨形式趨于一致;③靴式壓榨技術普遍采用,包括配套的可控中高輥;④蒸汽箱技術成熟應用;⑤壓榨后的紙張干度顯著提高。

圖1 現代紙機壓榨部——兩道直通壓榨

紙張順利通過壓榨部,不發生斷頭,不產生紙病等是紙機車速能否提高的關鍵因素。因此,壓榨技術的發展方向一貫就是：提高單一壓區的有效脫水率,減少壓榨道數,壓榨后紙張干度顯著提高,而且結構要簡化,能耗要降低。目前,國內常用的復合壓榨形式可以減少操作問題的發生,但不能根本解決操作問題的發生,對紙幅干度的提高有限,因此復合壓榨不可能是理想的壓榨技術。如果一道壓榨就可以達到紙張脫水的全部要求,這將是理想狀態。目前,Voith公司已經在向市場推出單一壓榨布置的壓榨部 (見圖 2),這說明高效壓榨脫水技術又上了一個大臺階,也肯定了壓榨技術發展的方向就是向單一壓區的高效壓榨脫水方向發展。

理論和實踐都已證明[3],在紙張水分含量為45%～82%之間時,進行壓榨脫水,在設備投資和使用成本上都是最經濟的,約只占總成本的 12% (見圖3)。

通過壓榨,紙張能夠達到的干度決定于許多因素(見圖 4),如壓力、壓區長度或停留時間、濾水性、毛毯性能、溫度等。對現代紙機,尤其是靴式壓榨技術成熟應用后,紙張壓榨后的干度可達到：文化用紙等約為 41%～44%,紙板類約為 46%～51%,提高了 3～6個百分點。如果靴式壓榨技術能基本實現國產化,售價大幅下降,紙廠大量使用,則紙廠壓榨后紙張的平均干度可提高 2～4個百分點,蒸汽消耗量可減少 10%以上,這對節能降耗意義顯著。

有研究證明[4],通過壓榨,紙張干度完全可達到 60%～65%。可見,壓榨技術還有很大的發展空間,即使壓榨后紙張干度可提高 1個百分點,其效益都是特別顯著的。

干燥部的能耗主要是紙張中水分的蒸發過程：加熱蒸汽釋放潛熱,將紙張中水分蒸發,加熱蒸汽凝結成的冷凝水排出機外,含有紙張蒸發出的水分的濕空氣也排出機外。而冷凝水和濕空氣都含有大量熱量,因此干燥部的主要節能途徑之一就是如何利用或回收這些熱量。對于如何盡量利用冷凝水中的熱量,已經有很多人做了大量的工作,也取得了顯著的效果,包括利用熱泵技術和多段通汽技術,這些技術的應用比較成熟,在此就不論述。但濕空氣中含有的大量熱量 (或熱能),其利用率還不夠。現在普遍采用的密封氣罩加熱回收裝置也僅能回收到 26%左右的濕空氣熱量,濕空氣的其余大部分熱量被排掉了,如果按干燥噸紙消秏 1.8 t蒸汽來計算,除去回收的熱量,仍然有 866 kWh/t紙的能量徹底消耗掉,這是十分可觀的,也是節能工作應努力的方向。

圖4 影響紙張脫水及性能的主要因素

干燥部氣罩有普遍罩和密封罩之分,普遍罩熱量基本不回收,能耗很高,現代紙機已經不采用了。一般密封罩排風的溫度約 82℃,露點溫度 60℃,濕含量 0.14 kg水 /kg干空氣,相對濕度約 36.3%。目前,常用的密封罩熱回收是將匯風道里的熱空氣抽到機外,進行第一道氣-氣交換,以加熱新鮮空氣,然后再進行第二道熱交換,加熱工藝用水 (如網毯洗滌用水等),排風溫度降到 45～50℃,相對濕度達到飽和,濕含量約為 0.065 kg水 /kg干空氣[5-7]。飽和濕空氣在低溫部分的熱量及濕含量較大的高溫段的熱量分別見表 2和表 3。

表2 飽和濕空氣在低溫部分的熱量

表3 濕含量較大的高溫段熱量

由表 2和表 3可知,濕空氣的熱含量絕大部分是潛熱,而不是顯熱,有利用價值。比較容易回收的也是潛熱,回收潛熱的多少,主要決定于空氣的露點溫度,露點溫度越高,濕含量越多,潛熱越高。

在實際工作中,尤其是在現有技術基礎上,回收潛熱的主要經濟方法還是采用熱交換,將濕空氣中的水蒸氣冷卻到露點溫度以下,主要回收濕空氣中的潛熱。但目前熱回收系統有兩個地方嚴重影響了回收熱量：一是濕空氣濕含量不高或露點溫度不高;二是經二次熱交換后的熱風絕大部分排入空氣中,而其中仍含有大量的熱量。露點溫度不高,主要是因為干燥部和氣罩內部的結構較復雜,使濕空氣在排出機外時的濕度、溫度場、流場分布較為復雜,稍掌握不好,一旦出現滯流、漏氣等就會產生結露、滴水,甚至破壞紙張等問題。受氣罩保溫及操作的限制,只能按照最有可能結露的情況來處理或降低濕含量。但仔細分析干燥部和氣罩內溫度和濕含量的分布可以發現,其實它們的分布是不均勻的,甚至是很不均勻的,在紙張大量蒸發區域的袋區,其局部濕含量可以達到 0.3 kg水 /kg干空氣,溫度也可達 92℃;但在干燥部的后端,即使是在袋區,其濕含量也只有 0.02～0.04 kg水 /kg干空氣。

對于經兩次熱回收后排空的氣體,其雖仍有大量熱量,但由于溫度較低,回收熱量極其困難。因溫度低,需要大量的換熱載體和換熱面積,成本很高。比較經濟合理的方法應是盡量回用,然而排空的氣體的濕含量較高,如簡單回用將會影響到干燥效率。

紙張干燥有 3個階段,即升速干燥,恒速干燥和降速干燥,干燥速率可由下列公式表達：

式 (2)中,K為傳質系數;A為傳質面積;Pw為干燥溫度下的飽和蒸汽壓;Pa為周圍空氣中水氣分壓。

根據干燥理論,被干燥水分可分為結合水和非結合水。在干燥初期,被干燥的水分為非結合水,其Pw等于相同溫度下的飽和蒸汽壓,這時紙張經過短暫升速干燥后,處于恒速干燥階段,干燥速率大小主要取決于蒸汽壓力,周圍濕空氣分壓的影響很小,故進入該區域的熱風濕含量可適當提高;但當進結合水分干燥階段后 (大約在紙張干度 60%～65%),Pw是逐漸下降的,直至達到平衡水分的壓力 (取決于周圍空氣的性質),干燥結束。由式 (2)可知,在這過程中,干燥速率是逐漸下降的,直至為 0,與此同時,周圍空氣或進入該區域的空氣的水氣分壓對干燥速率的影響就越來越大,為了維持一定的干燥速率,進入該區域的空氣濕含量應盡量低。因此,對進出這兩個不同干燥階段的濕熱空氣可以采用不同的處理方法,在恒速干燥階段,可以在袋區直接抽取干燥紙張的濕空氣,不必通過匯風道,以提高空氣濕含量,降低空氣用量,同時補充濕含量較高的熱空氣也不會對干燥速率產生影響或影響較小,這就意味著可以大量使用回收后的熱空氣,高濕含量的熱空氣可經2～3道熱回收后排空。在降速干燥階段,要大量補充濕含量很低的熱空氣,以保持正常的干燥,但此時排出的濕空氣濕含量也低,可回收的熱含量也低,可經簡單的一次降溫調態后回用。這樣有兩個優點：一是排空的氣體減少了,熱損失降低了;二是換熱面積減少了,節省動力。初步估算節能效果在 15%以上。

真空系統方面,最應該注意的是真空系統的設計和真空度的調節。真空泵盡量靠近用氣點,要按不同真空度要求配置真空泵,盡量不使用放氣的方法調節真空度,真空度調節盡量采用變頻技術來節能。對真空輥類,如真空伏輥,壓榨輥等,要盡量采用新型的傳動側抽氣的真空輥類,這樣可節約能耗 8%～10%;有條件的企業還可采用透平式真空泵,目前國內已有廠家在開發透平式真空泵,如成功應用,對降低真空泵能耗會產生良好的效果。

對于動力消耗,節能的主要措施是從結構和潤滑兩個方面著手。結構方面主要是盡量減少輥子的數量,針對不同紙種的生產,合理使用刮刀,并加強噴水潤滑 (濕部),調節好刮刀的線壓力,不能過大,網、毯張力控制適度,在滿足正常生產前提下,張力盡量小一些;對烘干部來講,傳動系統可以采用導輥傳動與烘缸單點傳動系統相結合的傳動系統代替傳統的多齒輪傳動,據估計,這樣可減少至少 15%的傳動功率消耗。潤滑方面主要是要針對不同工作條件的軸承選好潤滑劑,并加強維護和觀察工作,使軸承保持良好的工作狀態。國產紙機在動力消耗方面的節能估計有 8%～12%的空間。

3 結 語

3.1 在造紙工段中,能耗最大的還是干燥部,濕空氣排出的熱量是最大的能量損失。

3.2 提高紙張進干燥部的干度,可顯著減少蒸發的水分,故應大力研發和推廣高效的靴式壓榨技術。

3.3 干燥部通風應積極探索采用局部高露點溫度,高濕含量通風技術,為排空的熱風回用創造條件,從而降低能耗。

[1] 國家發改委.我國造紙工業現狀及主要問題 [J/OL].http：//www.chinapaper.net.2007-11-05.

[2] 張 揚,劉秉鉞.中國造紙工業能耗現狀與分析[J].中華紙業,2008,29(10)：14.

[3] Peter Seifert.Pulp and Paper Manufacture[M].3th.The Water Removal Committee of the TAPPI Engineering Division,1991.

[4] Thorp A B,et al.The paper machine wet press manual[M].3th.The Joint Textbook Committee of The Paper Industry,1991.

[5] 吳震波.密閉式氣罩在中幅紙機上的應用[J].中國造紙,2003,22(1)：59.

[6] 張小云.紙機工藝通風設計簡介 [J].中國造紙,2010,29(2)：39.

[7] 周樂才.紙機密閉式氣罩及其設計要點[J].中華紙業,2006,27(10)：54.

[8] 孫 平,王吉忠,刑明康.山東造紙行業能耗狀況和對節能降耗的幾點看法[J].中華紙業,2007,28(10)：17.

(責任編輯：陳麗卿)

Energy Consumption and Energy Saving ofModern PaperMachine

YANG Xu1,2,＊CHEN Ke-fu2WANGBei1
(1.Hangzhou Project&Research Institute of Electro-mechanic in Light Industry,Hangzhou,Zhejiang Province,310004;2.South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)
(＊ E-mail：bypyxy@163.com)

Based on the analysis of the constituent,distribution and characteristic of energy consumption of the modern paper machine,corresponding energy saving measurements are discussed,the ways of energy saving in dryer section and ventilation system in particular.

modern paper machine;energy consumption;energy saving

TS7

A

0254-508X(2011)02-0058-05

楊 旭先生,教授級高級工程師;主要研究方向：高速造紙機及特種造紙機。

2010-10-31