帶式壓光過程熱量傳遞與能耗分析

趙樹雷 劉桂芳

(天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457)

帶式壓光過程熱量傳遞與能耗分析

趙樹雷 劉桂芳

(天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457)

介紹了應用數值控制體積模型法對帶式壓光過程熱量傳遞與能耗分析所得到的結果。對紙張厚度方向上的溫度梯度、達到軟化溫度的紙張面層厚度、雙面加熱對壓光操作后紙張物理性能的影響等進行了分析。并由此對帶式壓光在紙幅中所產生的溫度梯度的有效性和可行的節能方法及其所能產生的效益進行了初步探討。

造紙裝備;帶式壓光;溫度梯度;能耗分析

能源短缺是當今社會面臨的一個巨大難題。造紙工業屬于能源密集型產業。在美國，造紙行業被認為是能耗最高的三個行業之一［1］。而在德國，造紙工業是第五大能源密集型產業［2］。因此，優化造紙過程中的能源利用對于解決紙廠能源短缺、提高經濟效益都尤為重要。而要實現這一優化造紙的目標，首先就必須全面了解并認真分析生產過程中的傳熱過程。

壓光是造紙過程中的一個重要工藝段。其主要目的是提高紙張的表面性能如平滑度和光澤度以及物理性能如厚度，以確保印刷等后續工藝的正常進行。壓光是通過在厚度方向上施加壓力，使紙張表面和內部纖維產生永久變形來實現的。為了節約原材料同時保持紙張原有的強度，紙張的松厚度必須保持盡可能的高。這就要求在壓光過程中要盡可能保持紙張的原有厚度。為了實現這一目標，人們采用了各種全新的壓光概念。其中最具代表性的要屬溫度梯度 (TG)和濕度梯度 (MG)壓光概念［3-8］。這兩種概念已被成功開發并應用于最先進的壓光機中。TG壓光的實現就是在壓光操作時通過對相對較冷的紙張表面進行短暫加熱，使得紙張厚度方向產生溫度梯度:面層溫度高而芯層溫度低。類似地，MG壓光就是在壓光操作時通過向紙張表面噴施水或水蒸氣，使得紙張厚度方向產生濕度梯度:面層濕度高而芯層濕度低。木質素、纖維素和半纖維素在高溫和高水分含量下呈塑性［9-10］。因此，通過控制紙張表面溫度和濕度，可以使紙張表面和附近的纖維在壓力作用下選擇性地變形。相應的壓光效果可以通過電子顯微鏡直接觀察到［11］。TG壓光和MG壓光可以使纖維變形僅限于紙張的表面，而內部則保持不變。

為了更好地了解這一過程中的傳熱機理，進而達到降低能耗的目的，必須明確紙幅散熱及溫度梯度的形成機理。過去幾十年來，為了深入了解壓光中的傳熱過程，人們做了大量的研究工作［12-20］。對于這類傳熱問題傳統處理方式都是以紙張的熱物理性能恒定為前題。根據傅里葉熱傳導定律，紙張中傳導的熱量可以用方程 (1)表示。

借助適當的初始和邊界值，可求解方程。然而作為一種具有吸濕性的多孔狀物質，紙張主要由纖維和填料組成。盡管纖維是隨機分布到紙張中的，但絕大多數紙機生產的紙張，纖維仍主要沿紙機運行方向排列。此外，由于纖維具有吸濕性，紙張會和周圍的空氣交換水分。在紙張內部，水分也會通過孔隙或是沿著纖維骨架從一處遷移到另一處。因此，在很大程度上取決于紙張結構和成分的熱物理性能，也具有極強的各向異性，而且會隨著位置的變化而變化。

鑒于此，認為紙張在壓光過程中的熱物理性能為常數的想法并不正確，尤其是當壓區較長時。此外，紙張的厚度也在進出壓區前后有所改變。一般認為，在硬壓區的中間，紙張的厚度可能只有其原始厚度的二分之一。此外，由于壓光輥和紙張表面之間存在熱阻，因此當紙張與加熱輥接觸時紙張表面溫度不會立即達到加熱輥表面的溫度，并且由于紙張相對較冷，熱輥的表面溫度反而會降低。

為了解決這一問題，筆者開發出了一種行之有效的數值控制體積模型法。該方法在此前的一篇文章［21］中已較為詳細地作了介紹。這里將應用這一方法對帶式壓光機內的熱量傳遞過程及其能量消耗情況進行分析，并基于分析結果對這一過程可行的節能方案作扼要的探討。

1 帶式壓光過程及其原理

壓光操作就是讓紙張通過由至少兩個嚙合旋轉的輥子所形成的壓區，使紙張厚度方向受到壓縮產生變形，從而達到紙張表面平滑、具有光澤的效果。為了盡可能保持紙張的原有厚度，必須設法讓紙張厚度方向上的變形只發生于紙張表面，因此產生了前文所述的TG和MG壓光技術。本文將重點討論TG壓光技術。當然，由于紙張有吸濕性的特點，當紙張內部存在溫度梯度時，就會伴隨產生濕度梯度。但本文對此現象將不作討論。

一方面，要想在紙張厚度方向產生有效的溫度梯度，就必須讓相對較冷的紙張與加熱輥有足夠長的接觸時間。另一方面，隨著造紙機車速的不斷提高，壓光機的車速也在不斷提高，尤其是對在線壓光機而言，它的速度必須與紙機車速保持一致，這就意味著在其他條件相同的情況下，紙張在壓區內駐留的時間被大大縮短了。為了解決這一問題，就必須延長壓區的長度。基于此，靴式壓光、帶式壓光相繼問世。靴式壓光因受輥的直徑、靴的長度以及靴套材料的限制，其壓區通常不超過400 mm，而常用的僅200 mm左右。相比之下，帶式壓光機的壓區要長得多，可長達1000 mm以上。

帶式壓光機由1個可加熱的大壓輥 (加熱輥)，1條將紙幅包覆于壓輥上的金屬帶，3個用以引導和加熱金屬帶的導輥，以及將金屬帶壓緊于大壓輥以達到紙幅壓光目的的小壓輥 (撓度補償輥)組成。紙幅進入金屬帶與大壓輥形成的包覆區內時，在金屬帶張力所提供的壓力擠壓下被單側或雙側加熱。當紙幅經包覆區近一半時進入由大小壓輥形成的壓區，經受高線壓，完成壓光操作。在其后的另一半包覆區內，紙幅繼續被輕微擠壓加熱直至離開包覆區。帶式壓光機的構造及主要部件見圖1。

圖1 金屬帶式壓光機

在實際操作中，大壓輥 (加熱輥)通常并不加熱或只加熱到較低的溫度。而金屬帶則通常會被包覆區前后的導輥加熱到較高的溫度。小壓輥帶撓度補償，可使被壓紙幅在紙機橫向受到均勻一致的壓力，以降低壓光后紙張的物理性能，如松厚度、平滑度、光澤度等在橫向上的差異。

2 帶式壓光過程的熱量傳遞與能耗

帶式壓光最初應用于紙板的熱壓光并取得了很好的效果。其在提升紙板表面性能的同時，能夠很大程度地減少紙板松厚度損失。這樣可以在保持紙板厚度不變的情況下，減少纖維用量，從而相應地降低整個造紙過程的能量消耗和對木材資源的需求。

筆者此前開發的基于數值控制體積模型法的壓光過程傳熱模型在靴式壓光機上進行了嚴格的模型驗證，結果顯示該模型輸出與在線測量能很好地吻合［22-23］。但在將該數值控制體積模型法應用于帶式壓光機進行分析前，仍有必要進行模型驗證。從紙廠收集到的帶式壓光機生產過程數據如表1所列。加熱系統通過電加熱油，再由油加熱壓輥或金屬帶來實現。表1中所給出的加熱功率為總電功率。

表1 帶式壓光機生產過程數據

以表1所列的過程參數作為數學模型的輸入參數，在假定加熱系統的熱效率為0.90的情況下，則可以計算獲得加熱系統的電功率如表2所列。對比表1和表2的加熱功率可以發現，模型計算結果與測量值非常接近，相對誤差分別為－2.6%和3.5%。因此，可以認為該基于數值控制體積模型法所建立起來的帶式壓光機傳熱模型是有效的。接下來，將運用此模型對帶式壓光機傳熱過程進行分析，考察紙張厚度方向上的溫度梯度、達到軟化溫度的紙張面層厚度、雙面加熱對壓光操作后紙張物理性能的影響等。

表2 假定加熱系統的熱效率為0.90時的模型計算結果

TG壓光理念創建于對木材纖維各個組分軟化溫度深入理解的基礎上。早在20世紀中葉，加拿大制漿造紙研究所的Goring［9］就對木質素、纖維素、半纖維素的軟化溫度進行了較系統的研究。之后，瑞典林產品研究室的Salmén等人［24］也對這一課題作了深入的研究，除了木材各個組分的玻璃化 (軟化)溫度外，他們還對水分對各個組分的玻璃化溫度的影響作了系列研究［10，25-26］。結果表明，水分對木材各個組分的玻璃化溫度的影響非常顯著，這就是為何在其他條件不變的情況下增加紙張進壓區時的濕度可顯著提高紙張壓光效果的原因。木材各個組分軟化溫度與其水分含量的關系可以直觀地用圖2表示。

圖2 水分對木材各個組分軟化溫度的影響

從圖2中可以看出，當水分在0～15%時，木材各個組分軟化溫度對所含水分相當敏感;隨著所含水分的增加，木質素和半纖維素的軟化溫度從200℃以上迅速下降到100℃左右 (纖維素稍高，約140℃)。而在常規的壓光操作中，紙張水分通常在7%～10%，在此水分下，木質素和半纖維素的軟化溫度在100～120℃之間，纖維素的軟化溫度仍高達170～180℃。為不失一般性，在以下的討論中，取常用造紙纖維的軟化溫度為120℃，即當紙張受到較低壓力的擠壓作用時，其內部溫度超過120℃的地方纖維將發生塑性變形;而低于此溫度的地方纖維將發生彈性變形。

先來考察在紙板壓光時，只對金屬帶進行加熱的情況。計算所用的過程參數與表1第2行同。即用表面高達170℃的金屬帶對紙板進行熱壓光。而對加熱輥而言，僅對其進行低量供熱，以維持其表面溫度與進紙溫度 (80℃)相同。在該條件下，壓區內只有少量熱能會從紙板傳到加熱輥。紙板在壓區內不同位置時厚度方向上的溫度曲線見圖3所示。從圖3可以看出，當紙板進入由撓度補償輥擠壓加熱輥所形成的整形區時，其內部厚度方向上靠近高溫金屬帶側溫度超過纖維軟化溫度的已深達75 μm。這就意味著在加熱側面有將近三層以上纖維會在整形區內發生塑性變形。這顯然會造成紙板厚度的過多損失。其實，在實際紙板壓光操作時，很少使用如此高的金屬帶溫度，一方面是為了減少紙板厚度損失，另一方面也是為了降低壓光過程的能量消耗。

圖3 單面加熱時紙板在帶式壓光機內厚度方向上的溫度曲線 (左側紙板面接觸加熱的金屬帶)

此外，從圖3中還可以發現，盡管在與紙板接觸前金屬帶被加熱到170℃，但紙板與金屬帶接觸后，其表面溫度只可達到約160℃，這是因為紙板與金屬帶之間存在接觸熱阻的緣故。紙板因受到金屬帶的張力和壓光輥施加的壓力，在進入金屬帶包覆區后，其厚度是隨所處的位置不同而變化的。相應的在計算過程中紙板厚度也是隨所處壓區內的位置而變化的。但是為了方便比較，將紙板內在不同位置厚度方向上的溫度曲線都映射到紙板進入壓光區前的厚度。

接下來，考察在紙板壓光時，對金屬帶和加熱輥進行加熱的情況。除了加熱輥被加熱至表面溫度達170℃之外，其他過程參數與金屬帶單側加熱時相同。紙板在壓區內不同位置時厚度方向上的溫度曲線見圖4。從圖4可以看出，當紙板進入由撓度補償輥擠壓加熱輥所形成的整形區時，其內部溫度超過纖維軟化溫度的雙面都已深達近100 μm。即僅紙板芯層占總厚度約1/2的區域內溫度仍處于纖維軟化溫度以下。顯然，若在此條件下對紙板進行壓光操作，無疑會造成紙板松厚度的嚴重損失。在實際紙板壓光操作時，通常采用對金屬帶單面加熱，并且金屬帶的溫度僅被提高至130～140℃。相對于單面加熱，紙板在雙面加熱的情況下被壓光后，其表面性能的兩面差會得到極大的改善。如若使用雙面加熱以獲得較小的兩面差，既可以使用較低的金屬帶和加熱輥的溫度，也可以降低紙板進入壓光機時的溫度，以保持芯層溫度處于纖維軟化溫度以下。

圖4 雙面加熱時紙板在帶式壓光機內厚度方向上的溫度曲線 (左側紙板面接觸加熱的金屬帶)

由圖4還發現，當續處理結束時，紙板面接觸加熱輥面的溫度要略高于接觸金屬帶面的。這是因為在與紙板接觸期間，加熱輥由熱源不斷供熱，而金屬帶無供熱源，其溫度會隨著熱量被傳遞到紙板而逐漸下降。當然，因金屬帶的原材料鋼材具有很大的熱容，所以金屬帶的溫度下降較緩慢。

3 節能措施及效果預測

對于金屬帶式壓光機而言，系統的熱能由電加熱的油供給。總電能部分被用來加熱紙板，部分從壓光機上傳遞到周圍環境中而損失掉，還有一部分消耗在加熱系統上。這三部分的能量分配見圖5所示。對于熱壓光來說，希望盡可能多的能量被有效地用來加熱紙或紙板，盡量減少能量損失。對于加熱系統的能量損失，可通過提高加熱系統的熱效率來實現。對于壓光機的熱量損失，需采取相應的防護措施。

圖5 帶式壓光機能耗分析

帶式壓光機與壓區長度為120 mm的靴式壓光機的能耗對比見圖6所示。

圖6 帶式壓光機與靴式壓光機能量消耗對比

從圖6中可以看出，帶式壓光機的能量需求比靴式壓光機要大得多，盡管靴式壓光機的加熱輥表面溫度高達220℃。這是因為帶式壓光機上向周圍環境散熱的面積要比靴式壓光機大得多，并且帶式壓光機并未作熱損失防護處理。運用筆者開發的數值控制體積模型法可以對壓光過程節能技術進行分析研究，例如，此處對帶式壓光機進行隔熱處理，可以使從壓光機散失至周圍環境中的熱量顯著減少，而壓光機內部空氣溫度則會相應上升，依據過程和環境參數便可計算出該過程的能量消耗情況。初步計算的結果表明，若能對帶式壓光機采取隔熱處理，可使壓光機的熱量損失減少50%，對于一個年產20萬t的紙板廠而言，壓光機每年節約的電能費用將高達100萬元以上。具體的節能情況以及計算結果驗證將在后續的文章中予以闡述。

4 總結

鄺仕均先生［27］對可用于制漿造紙工業的節能技術作了較為全面的介紹，本文應用數值控制體積模型法對帶式壓光過程的熱量傳遞與能耗進行了初步分析與探討。結果表明，對于金屬帶式壓光機而言，加熱溫度不宜太高，因為高的加熱溫度不但消耗大量熱能，而且使得紙張厚度方向上過多的纖維處于軟化溫度以上，從而造成壓光后過多的松厚度損失。對于紙板壓光而言，單面加熱配置要優于雙面加熱。但是單面加熱會造成壓光后紙板表面出現嚴重的兩面差，如果為了減少兩面差而采用雙面加熱配置，此時應降低壓光機進紙溫度以達到最佳壓光效果，這樣可以使紙板芯層溫度在帶壓區內保持低于纖維的軟化溫度，從而可以在提升紙板兩面的表面性能的同時極大地保護其松厚度。

在節能方面，因帶式壓光機的散熱面積非常大，為了節約能源、減少熱量損失，需對帶式壓光機配置熱損失保護裝置。這在創造節能環保的社會效益的同時，也為造紙企業帶來良好的經濟效益，節約了生產成本，提升了產品的市場競爭力。

事實上，紙張熱壓光是一個相當復雜的過程。在這個過程中，伴隨著溫度梯度 (TG)的建立，水分將在紙張內遷移，從而產生濕度梯度 (MG)。因植物纖維各個組分軟化溫度對所含水分相當敏感，如需更為精確地了解熱壓光機理和熱量傳遞過程，就必須同時考察熱量和水分傳遞。但這無疑將增大建模和計算工作量，這將在其他論文中予以闡述。

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Analysis of Heat Transfer and Energy Consumption in a Belt Calender

ZHAO Shu-lei*LIU Gui-fang
(Tianjin Key Lab of Pulp and Paper，Tianjin University of Science＆ Technology，Tianjin，300457)

In this work，a numerical control volume method was applied to study the heat transfer and energy consumption of a belt calendar．The temperature gradient in paper Z-direction during calendering process，and the surface layer thickness of the paper which reached to the softening temperature，and the effect of heating both sides on the property of the calendered paper were analyzed．Furthermore，the effectiveness of the temperature gradient in the paper generated during calendering process，and the economic potential of energy-saving on a belt calendar was discussed．

paper machinery;calender;energy consumption;energy saving

TS755.9

A

0254-508X(2011)05-0001-05

趙樹雷先生，博士;主要從事造紙過程節能和造紙裝備的研究工作。

(*E-mail:zhao@tusu．edu．cn)

2011-01-05(修改稿)

本課題獲天津市應用基礎及前沿技術研究計劃 (10JCYBJC26000)及天津科技大學引進人才項目 (20100402)資助。

(責任編輯:馬 忻)