制漿造紙項目中壓縮空氣系統的設計

安 寧

（中國中輕國際工程有限公司，北京，100026）

壓縮空氣作為一種重要的動力能源，在我國輕工行業中的制漿造紙項目中廣泛應用。但由于壓縮空氣前期資料收集、設計及設備配置、現場用氣使用及管理等因素，造成壓縮空氣系統的能耗在整個制漿造紙項目能耗中占很大的比例。筆者根據近年來所做的制漿造紙項目，其中壓縮空氣系統能耗約占制漿造紙項目總能耗的10%（以2014 年我國制漿造紙工業能源消費總量4040.56 萬t 標準煤[1]為基準）。在國家積極提倡節能減排的大環境下，壓縮空氣系統的節能要求也日趨緊迫。本文主要從制漿造紙項目壓縮空氣系統設計方面進行分析，以確定合理的流程及設備選型方案，進而降低制漿造紙項目壓縮空氣系統的能耗。

1 制漿造紙行業壓縮空氣的特點

在造紙項目中，按照壓縮空氣使用部位來分，可以分為紙機設備系統和造紙生產車間及其他車間。對于紙機本體，壓縮空氣主要作用于網部、壓榨部、前干燥部、后干燥部、施膠部、換輥、壓光機、輥子等部位，用以實現自動調節、自動控制、自動張緊及斷紙的自動接頭等[2]。對于造紙生產車間等，主要用于吹掃、清洗紙機成形網、引紙等[3]。造紙項目壓縮空氣按照用途可分為兩種：①工藝用氣：主要用于吹掃、引紙；其用氣量及用氣時間和間隔需要根據實際生產情況確定，具有不確定性；工藝用氣的用氣品質要求不高。②儀表用氣：主要用于需氣動控制的閥門、儀表等；其用氣壓力、用氣量及用氣時間持續穩定。整體來說，造紙項目壓縮空氣用氣點較為分散，且每個點的用氣量和用氣持續時間均不同。制漿造紙項目的壓縮空氣系統，要優先保證紙機的安全穩定運行，特別是在斷紙情況下，為縮短引紙時間，在其他車間使用壓縮空氣時，如出現特殊情況要立即停機讓峰，待紙機恢復正常運行后再使用。

為增加產能，現代紙機逐步向高車速和大幅寬方向發展，紙機長度和寬度不斷增加，壓縮空氣的用量也越來越大。年產30 萬～55 萬t 的不同紙種的壓縮空氣消耗量約為 1 68～206 m3∕min，用氣壓力約 0.6～0.8 MPa（表壓）。

在制漿項目中，壓縮空氣主要用于廠區的制漿、漿板、堿回收、化學品等車間，也分為工藝用氣和儀表用氣。年產10～100萬t的不同種類的漿料的壓縮空氣消耗量約為 144～420 m3∕min，用氣壓力約 0.6～0.8 MPa（表壓）。

制漿造紙行業壓縮空氣的用氣壓力是根據不同紙機廠家和不同儀表、閥門廠家的要求而略有不同，但總體屬于低壓范圍，用氣壓力≤1.6 MPa（表壓）。制漿造紙行業壓縮空氣的用氣品質要求根據ISO 8573-1《一般用壓縮空氣第一部分污染物和質量等級》中的規定執行。儀表用氣品質要求為：最大粒子尺寸1 μm；含塵濃度1 mg∕m3；壓力露點溫度-40℃；最大含油量0.1 mg∕m3。工藝用氣品質要求一般為：最大粒子尺寸1～5 μm；含塵濃度1 mg∕m3；壓力露點溫度3℃；最大含油量 5 mg∕m3。

2 壓縮空氣資料收集

在進行壓縮空氣系統設計的過程中發現，無論是制漿項目還是造紙項目，往往由于第一步的工藝用氣和儀表用氣的資料收集問題，造成空氣壓縮機初步選型與同類型規模產量相似且已經投入實際運行項目的壓縮空氣站設備配置差別很大。其主要原因在于在資料收集時出現了對各種工況下壓縮空氣的混淆。

對于國內制漿造紙項目，新上大項目的紙機和漿板機大多由Valmet、Voith、Andritz 公司生產，國產紙機和漿板機所占份額很小。對于使用Valmet、Voith、Andritz 公司等設備的項目，紙機和漿板機廠家均會提供詳細的壓縮空氣消耗表，其中包括紙機工藝用氣和儀表用氣的詳細數據，尤其是對于用氣量和用氣壓力波動比較大的工藝用氣，其平均用氣量、瞬時用氣量、最大用氣量和用氣持續時間，以及從壓榨部到最后卷曲所消耗的壓縮空氣隨時間的變化曲線均會被詳細提供。此部分的工藝用氣和儀表用氣消耗量均為標準工況條件，資料收集準確，沒有爭議。

但對于除此之外的其他制漿造紙輔助設備及儀表閥門等壓縮空氣用量的資料收集時，收集人員分不清所收集的壓縮空氣的數值是標準工況的還是實際工況的。根據ISO 8573-1 的規定，壓縮空氣標準工況為：空氣溫度20℃；空氣壓力1 bar（100 kPa）絕對壓力；相對水蒸氣分壓力0，即相對濕度為0。一般標準工況下的壓縮空氣流量單位為m3∕min。實際工況即為最終使用所要求的壓縮空氣的壓力和流量。如需在0.7 MPa（表壓）下的壓縮空氣流量為30 m3∕min。在空氣壓縮機的銘牌上經常可以見到一個FAD 工況下的壓縮空氣流量，FAD 工況流量即為自由狀態下的空氣流量（free air delivery）。根據《壓縮空氣站設計手冊》[4]中的規定：壓縮空氣自由狀態指的是空氣溫度20℃、絕對壓力98066.5 Pa，用氣設備銘牌標定的用氣量均指自由狀態空氣量[4]。FAD 工況流量是將空氣壓縮機出口的流量換算到入口條件的流量，表示空氣壓縮機單位時間內吸入自由空氣的量。由此可見，無論空氣壓縮機處于何種環境，其自由吸氣量均不會改變，因此，在進行壓縮空氣系統設計的收集資料階段，需要把收集的壓縮空氣流量統一為自由狀態空氣流量。而FAD 工況和標準工況很接近，對于工程項目來說，可近似把標準工況下的壓縮空氣流量等同于自由狀態下的壓縮空氣流量。根據理想氣體狀態方程，壓縮空氣實際工作狀態下的體積流量Qg（m3∕h）與自由狀態下的體積流量Qz（m3∕h）之間的關系可簡化為式(1)[4]。

式中，T為壓縮空氣的工作溫度，一般指排氣溫度，℃；對于水冷冷卻空氣壓縮機，排氣溫度一般小于40℃；對于風冷冷卻空氣壓縮機，排氣溫度一般小于等于環境溫度8～10℃。P為壓縮空氣的工作壓力，MPa（絕對壓力）。

假設收集的資料為實際工況下的0.7 MPa（表壓）對應的壓縮空氣流量30 m3∕min，排氣溫度按40℃考慮，則換算為自由狀態下的壓縮空氣流量為224.7 m3∕min。自由狀態下的壓縮空氣流量約為實際工況下的壓縮空氣流量的7.5 倍。兩種資料情況下，壓縮空氣系統的設備選型大不相同。

造成資料收集偏差的另外一個因素是資料收集人員主觀地把各設備的最大用氣量進行疊加，沒有考慮各設備及閥門等分時使用情況和各自使用時間及持續時間。

在壓縮空氣資料收集正確的前提下，壓縮空氣系統總的設計容量還需要考慮消耗量不平衡系數、管道漏損系數、用氣設備磨損增耗系數及未預見的消耗量系數。各種系數的取值詳見《壓縮空氣站設計手冊》[4]。

3 壓縮空氣系統設計

3.1 壓縮空氣系統流程

現代制漿造紙項目中壓縮空氣系統較為成熟的流程一般為：自由空氣→過濾器→空氣壓縮機→緩沖罐→前置除油除水過濾器→冷凍式干燥機→后置除油過濾器，在此經處理后的壓縮空氣分為兩路，一路進入工藝用儲氣罐直接供工藝用氣，另一路經過吸附式干燥機、除塵過濾器后進入儀表氣儲氣罐供儀表用氣。為保護環境，壓縮空氣系統的廢油廢水經過收集后進行集中處理排放。

3.2 空氣壓縮機及后處理設備

3.2.1 空氣壓縮機

制漿造紙項目中空氣壓縮機的使用與空氣壓縮機的發展歷程相一致。經歷了從早期的活塞式空氣壓縮機到螺桿式空氣壓縮機再到離心式空氣壓縮機。早期制漿造紙項目中多使用活塞式空氣壓縮機，活塞式空氣壓縮機體積大且笨重、結構復雜、易損件多且維修工作量較大，機器本體和進、排氣管道的振動和噪聲都比較大[5]。且經過活塞式空氣壓縮機處理后的壓縮空氣溫度較高，約100～150℃，需要先通過后冷卻器來降低進入儲氣罐前壓縮空氣的溫度，使之析出油和水，溫度降低到50℃以下，再經過油水分離器分離出壓縮空氣中的油分和水分，使壓縮空氣得到初步的凈化。經過加熱再生空氣干燥法吸附壓縮空氣中的水分，達到干燥壓縮空氣的目的，使壓縮空氣最終凈化。隨著科技的不斷發展進步，活塞式空氣壓縮機由于其龐大的體積和總質量、較大的噪聲及維修工作量，已經慢慢退出了制漿造紙行業；螺桿式空氣壓縮機逐漸走進人們的視野，螺桿式空氣壓縮機憑借其高集約化程度、緊湊結構、基礎簡單、良好的減震效果及較低的噪聲、高自動化程度等，適用范圍越來越廣，逐漸成為當前制漿造紙項目中的主流空氣壓縮機。離心式空氣壓縮機易損件少、工作可靠、使用壽命長[6]，且其結構緊湊、排氣量范圍大，一般為20～10000 m3∕min，但離心式空氣壓縮機在啟動和停車的過程中容易出現喘振現象。離心式空氣壓縮機一般用于超大型漿廠項目，如百萬噸級別的漿廠，且由于《壓縮空氣站設計規范》[7]的規定，螺桿式空氣壓縮機的臺數宜為3～6臺；離心式空氣壓縮機的臺數宜為2～5臺[7]。如果空氣壓縮機臺數過多，維護管理不便，且相應的建筑面積也增加，因此，當供氣量大時，應采用大型機組。在制漿項目中，離心式空氣壓縮機作為穩定供氣源多用來配合調峰用的螺桿式空氣壓縮機使用。這種結合方式，保證了離心式空氣壓縮機的高效率運行，降低了喘振的可能。

空氣經過空氣壓縮機后，僅有一少部分進入后處理設備經處理后供使用，剩余90%的電能轉換為熱能[8]，散發在壓縮空氣站內，導致壓縮空氣站內環境溫度升高，即空氣壓縮機的吸氣溫度升高。環境溫度越高，空氣壓縮機的產氣能力就越低。因此空氣壓縮機的這部分熱能需要通過其他介質冷卻帶走。其常見的冷卻方式有水冷和風冷。風冷即通過空氣壓縮機自帶的排氣扇直接排在空氣壓縮站內或者接風管排至室外。空氣壓縮站另設通風系統以排除此部分熱量。風冷式空氣壓縮機使用靈活，基本不受地域和環境的影響。水冷式空氣壓縮機一般采用循環冷卻水帶走熱量，但其對冷卻水水質有一定的要求，可參考GB∕T 50050—2017《工業循環冷卻水處理設計規范》中的規定，有條件時也可采用軟化水，且其使用受項目所在地水資源的限制。在制漿造紙項目中，風冷式空氣壓縮機和水冷式空氣壓縮機的使用比例不相上下，主要取決于項目所在地的環境及水資源情況。采用風冷式的空氣壓縮機，在嚴寒和寒冷地區冬季使用時，空氣壓縮機的排風可接風管，用于回收此部分排風的熱量，提高空氣壓縮站內的溫度或者根據空氣壓縮站設備布置位置，將此部分熱風送至車間內用于提高車間內的環境溫度。

螺桿式空氣壓縮機又分為噴油式螺桿空氣壓縮機和干式無油螺桿空氣壓縮機。噴油螺桿通過對氣缸噴入一定壓力的潤滑油，一方面吸收并帶走壓縮過程中產生的熱量，從而改善壓縮過程的熱交換，降低排氣溫度；另一方面起潤滑、密封和消聲的作用[9]。干式無油螺桿空氣壓縮機主要用來壓縮與油接觸后不穩定的介質，以及要求提供潔凈氣體的場合。干式無油螺桿空氣壓縮機由于其提供的壓縮空氣品質高，與噴油式螺桿空氣壓縮機相比，其造價也高出許多，幾乎是噴油式螺桿空氣壓縮機價格的2倍。高品質的壓縮空氣雖然可大大提高系統和設備運行的穩定性，但由于造價原因，國內的制漿造紙項目多采用噴油式螺桿空氣壓縮機。

3.2.2 后處理設備

壓縮空氣系統的后處理設備主要指干燥和凈化設備，即各種過濾器和冷凍式干燥機、吸附式干燥機。冷凍式干燥機通過降低空氣的溫度，使空氣中的水蒸氣在低溫下被冷凝下來，空氣得到干燥。通過冷凍干燥獲得的壓縮空氣露點溫度一般為2～10℃，根據制漿造紙項目工藝用氣壓力露點溫度的要求，采用冷凍式干燥機即可滿足。冷凍式干燥機的壓縮空氣處理量需考慮機器入口壓縮空氣壓力、溫度以及環境溫度和要求的壓力露點溫度等因素。根據項目所在地的環境條件并結合產品說明書進行參數修正。吸附式干燥機是利用吸附劑吸附空氣中的水分，達到干燥壓縮空氣的目的[10]。此法可使壓縮空氣的露點溫度達到-70～-20℃。根據制漿造紙項目儀表用氣壓力露點溫度的要求，需采用吸附式干燥機。制漿造紙項目中吸附式干燥機常用的吸附劑是分子篩。吸附干燥法又分為3種：加熱再生空氣干燥法、無熱再生空氣干燥法、微熱再生空氣干燥法[10]。無熱再生空氣干燥法對被要求干燥的壓縮空氣品質要求較高，需要被干燥的壓縮空氣是無油的。與加熱再生吸附式干燥機相比，微熱再生吸附式干燥機雖然消耗一定量的壓縮空氣，但加熱再生吸附式干燥機需消耗較多的電能或蒸汽，考慮到制漿造紙項目中空氣壓縮系統一般位于廠區的偏遠位置，且設計壓縮空氣量一般比實際運行需要的壓縮空氣量富裕，因此制漿造紙項目多采用微熱再生吸附式干燥機。無論是哪種再生方式，都需要消耗再生能量即氣耗或熱耗。微熱再生吸附式干燥機的耗氣量約為3%～11%。在制漿造紙項目中，冷凍式干燥機作為前級主要用來去除壓縮空氣中的大量水分，一般和吸附式干燥機聯合使用，減輕后級吸附式干燥機的負荷[10]。

目前，國內的制漿造紙項目廣泛采用的壓縮空氣處理系統為：噴油式螺桿空氣壓縮機+冷凍式干燥機+微熱再生吸附式干燥機。對于百萬噸級別以上的超大型漿廠多采用：離心式空氣壓縮機+噴油式螺桿空氣壓縮機+冷凍式干燥機+微熱再生吸附式干燥機。其中離心式空氣壓縮機作為穩定供氣源，噴油式螺桿空氣壓縮機作為調峰輔助使用。

3.3 儲氣罐的設計選型

制漿造紙項目壓縮空氣系統一般設有兩種用途的儲氣罐，第一種是接在空氣壓縮機排氣后的儲氣罐，稱為緩沖罐。可多臺空氣壓縮機共用1個緩沖罐，也可1 臺空氣壓縮機對應1 個小緩沖罐。緩沖罐主要用于平衡壓縮空氣的壓力波動，分離壓縮空氣中的水和油。第二種是調節用氣負荷的儲氣罐，分工藝儲氣罐和儀表儲氣罐。此兩種類型的儲氣罐多選用立式，節省占地面積。且大多布置在室外。當儲氣罐布置在室內時，需滿足《壓縮空氣站設計規范》[7]中對儲氣罐室內布置的要求。調節用氣負荷儲氣罐的設計選型計算舉例如下：某項目空氣壓縮機的額定排氣壓力為0.8 MPa（表壓），使用點的用氣壓力要求為0.6 MPa（表壓），紙機引紙單位時間用氣流量為80 m3∕min，用氣持續時間為1.5 min；現需要確定所需儲氣罐的臺數和容積。查《壓縮空氣站設計手冊》[4]可知，0.8 MPa壓縮空氣容重r1=10.204 kg∕m3；0.6 MPa 壓縮空氣容重r2=7.653 kg∕m3；根據質量守恒定律，引紙所需的壓縮空氣質量G1=1.2×80×1.5=144(kg)，為儲存G1壓縮空氣量，相應儲氣罐體積V1=G1∕r1=144∕10.204=14.1(m3)。當儲氣罐儲存壓縮空氣壓力降至0.6 MPa時 ， 儲 氣 罐 調 節 容 積V2=G1（∕r1-r2）=144（∕10.204-7.653）=56.4(m3)。考慮運輸及現場檢修等情況，可選3 臺單臺容積20 m3的儲氣罐，或者2 臺單臺容積30 m3的儲氣罐。對于緩沖罐，原則上其容積越大越好，但根據實際情況一般選用與工藝儲氣罐一致的規格。

3.4 壓縮空氣系統管道設計

壓縮空氣系統的管道設計依據《壓縮空氣站設計規范》[7]和《壓縮空氣站設計手冊》[4]中的規定進行設計即可。整體來說管路系統比較簡單。制漿造紙項目的壓縮空氣用氣范圍較為集中，用氣壓力要求基本一致，且廠區一般都設有貫穿全廠主車間的管廊，因此一般設集中壓縮空氣系統供氣。對于制漿造紙項目中的廢水處理廠，由于其位置較多位于廠區邊緣，且用氣量小，一般選用小型空氣壓縮機就地供氣。

4 結 語

根據多個制漿造紙項目現場實際運行反饋，制漿造紙項目壓縮空氣用量和壓力波動范圍較大，實際生產使用中，壓縮空氣系統往往在偏離設計工況負荷下運行，導致能耗增加。當然這與現場壓縮空氣系統的使用管理情況也密不可分，但從設計方面來說在壓縮空氣系統設計時不僅要對收集的資料進行詳細分析，更要借鑒已經投入運行項目空壓站的實際使用運行情況進行合理設計。