張 輝

(南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京，210037)

1 造紙工業(yè)能耗狀況與“十二五”發(fā)展規(guī)劃要求

1.1 我國(guó)造紙工業(yè)企業(yè)現(xiàn)狀

自2008 年以來(lái)，我國(guó)造紙工業(yè)紙和紙板產(chǎn)量超過(guò)美國(guó)，位居世界第一。2011 年，我國(guó)紙及紙板生產(chǎn)企業(yè)有3500 多家，生產(chǎn)量9930 萬(wàn)t;規(guī)模以上(年主營(yíng)收入≥2000 萬(wàn)元)造紙企業(yè)2620 家，其中大中型企業(yè)435 家、占16.60%，小型企業(yè)2185 家、占83.40%;在紙及紙板產(chǎn)品主營(yíng)業(yè)務(wù)收入中，大中型企業(yè)占64.25%，小型企業(yè)占35.75%。與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比，大型企業(yè)的數(shù)量和規(guī)模還存在相當(dāng)大的差距。

1.2 造紙工業(yè)能耗狀況

能源效率可定義為產(chǎn)品性能、設(shè)備保養(yǎng)、產(chǎn)品或能量的輸出與輸入能量的比值;能源效率的改善是指由于工藝技術(shù)、裝備性能和經(jīng)濟(jì)變動(dòng)所引起的最終能量使用效率的提高。在工業(yè)生產(chǎn)中，輕工業(yè)是8 個(gè)重點(diǎn)能耗行業(yè)之一，約占工業(yè)總能耗的6.75%，其中造紙行業(yè)能耗約占工業(yè)總能耗的2%。通常能源成本占制漿造紙直接生產(chǎn)成本的10% ～35% (具體數(shù)據(jù)取決于生產(chǎn)的紙種)，是纖維成本之后的第二大成本。

由于加強(qiáng)了技術(shù)進(jìn)步，近十年來(lái)造紙工業(yè)雖然總產(chǎn)量不斷上升，但產(chǎn)品單位能耗不斷下降，致使總能耗增加得不多，我國(guó)紙和紙板的綜合能耗狀況見圖1 所示。

國(guó)內(nèi)外造紙工業(yè)主要漿、紙品種能耗限額參考值見表1。

1.3 造紙工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃要求

發(fā)展綠色低碳造紙工業(yè)是今后造紙工業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略之路，其核心是通過(guò)“節(jié)能、降耗、減排”實(shí)現(xiàn)以最少的資源消耗創(chuàng)造最大產(chǎn)出和效益的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)有3 個(gè)基本要求:必須實(shí)現(xiàn)循環(huán)發(fā)展;必須實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展;必須進(jìn)一步提高環(huán)境社會(huì)責(zé)任感，大力推進(jìn)清潔生產(chǎn)。“十二五”期間，必須在加速技術(shù)進(jìn)步、節(jié)能減碳、提高能源和資源利用率上下功夫。

圖1 我國(guó)紙和紙板的綜合能耗狀況

表1 國(guó)內(nèi)外造紙業(yè)主要漿、紙品種能耗限額參考值

圖2 DDS 蒸煮系統(tǒng)節(jié)能原理

國(guó)務(wù)院印發(fā)的《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》中，要求造紙工業(yè)確定“十二五”期間節(jié)能減排約束性指標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)噸漿紙平均綜合能耗比“十一五”末降低18%、平均取水量降低18%、全行業(yè)化學(xué)需氧量排放總量下降10%、生物質(zhì)能源占全行業(yè)能源消費(fèi)比例為20%。

1.4 實(shí)現(xiàn)造紙工業(yè)“十二五”節(jié)能約束性指標(biāo)的主要路徑

我國(guó)造紙工業(yè)中小型企業(yè)多、工藝技術(shù)裝備落后是紙業(yè)低碳綠色發(fā)展過(guò)程的難題。首先要通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，即推廣適用、先進(jìn)、新的節(jié)能工藝技術(shù)和裝備技術(shù)，并不斷研發(fā)更先進(jìn)的技術(shù)。為此，以下將簡(jiǎn)明討論當(dāng)今國(guó)際上造紙工業(yè)推崇的先進(jìn)成熟適用的節(jié)能技術(shù)與裝備。

2 制漿及堿回收部分可采用的有效節(jié)能技術(shù)

2.1 蒸煮節(jié)能

低固形物立式連續(xù)蒸煮技術(shù)適合大型竹木漿廠的蒸煮，橫管式連續(xù)蒸煮技術(shù)適合草類漿廠的蒸煮，能保證成漿質(zhì)量均勻、耗汽量小、用汽負(fù)荷穩(wěn)定，是較好的節(jié)能蒸煮方式。新一代DDS 間歇式置換蒸煮技術(shù)特別適合年生產(chǎn)能力在20 萬(wàn)t 以下的制漿廠采用，DDS 蒸煮系統(tǒng)節(jié)能原理見圖2。節(jié)能效果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)均一液相循環(huán)蒸煮汽耗低。整個(gè)蒸煮過(guò)程是在全液相下循環(huán)升溫，原料與藥液在鍋內(nèi)各部位置換完全，反應(yīng)均勻，汽耗較常規(guī)間歇蒸煮低，成漿均一性好、質(zhì)量穩(wěn)定、卡伯值低、強(qiáng)度和得率高。

(2)蒸煮綜合效率高，有利于下游工序節(jié)能。蒸煮后的粗漿中殘余木素含量低，有利于降低漂白工段能耗;蒸煮系統(tǒng)所產(chǎn)生的黑液黏度低、濃度高，有利于堿回收系統(tǒng)的黑液蒸發(fā)和燃燒過(guò)程的節(jié)能。

(3)冷噴放、置換回收黑液熱量節(jié)能。用洗選稀黑液置換鍋內(nèi)高濃高溫黑液，降低鍋內(nèi)漿料的溫度到100℃以下，減少熱能損失。置換回收黑液貯存于熱黑液槽及溫黑液槽:熱黑液可用于換熱器加熱白液，溫黑液回用于加熱工藝水，使耗汽量由傳統(tǒng)的2.0 t/t 風(fēng)干漿下降到0.65 t/t 風(fēng)干漿左右，節(jié)能達(dá)到65%以上;黑液波美度由傳統(tǒng)蒸煮的8°Bé 提高到10 ～12°Bé，節(jié)約蒸汽耗用量50 ～60 kg/t 風(fēng)干漿。

2.2 堿回收節(jié)能

化學(xué)漿廠節(jié)能減排的首要任務(wù)是做好堿回收。做好堿回收必須做到:

(1)將漿料中的有機(jī)物和化學(xué)藥品最大限度地提取到黑液中送堿回收爐系統(tǒng)。

(2)匹配好制漿和堿回收的能力規(guī)模，保證堿回收裝置能及時(shí)有效地消化制漿黑液。

(3)在堿回收裝置中提高黑液蒸發(fā)出站濃度、提高堿回收爐熱效率，在苛化工段減少化學(xué)藥品的流失。

堿回收節(jié)能新技術(shù)主要有:①采用板式結(jié)晶蒸發(fā)技術(shù)，提高黑液出蒸發(fā)站濃度;②堿回收爐采用大型化、超高壓、超高溫的鍋爐，高濃度黑液直接入堿回收爐燃燒，提高堿回收爐的熱效率和蒸汽產(chǎn)量;③采用連續(xù)苛化器苛化，使用CD 壓力過(guò)濾機(jī)過(guò)濾白液，提高白液質(zhì)量;④白泥脫水采用盤式真空過(guò)濾機(jī)或預(yù)掛式真空過(guò)濾機(jī)，提高白泥干度、降低白泥中的殘堿含量;⑤使用石灰回轉(zhuǎn)窯將白泥煅燒成石灰循環(huán)使用，大大降低石灰回收的能耗及堿損失。

3 造紙部分可采用的有效節(jié)能技術(shù)

造紙過(guò)程的節(jié)能多數(shù)與改善干燥過(guò)程能效和回收余熱利用有關(guān)。

3.1 紙機(jī)濕部的能耗

一般情況下，制漿造紙能量成本大約占生產(chǎn)成本的10% ～35%;真空所消耗的電量約占紙機(jī)電能消耗的15% ～18%，大部分真空能量提供給了真空輥、吸水箱和真空吸水箱;干燥部是紙張生產(chǎn)中能耗最高的環(huán)節(jié)。提高壓榨后的紙幅干度是降低能耗的關(guān)鍵因素之一。現(xiàn)代化新聞紙機(jī)各部分的電和蒸汽消耗見圖3。

3.2 改善造紙過(guò)程的能效測(cè)量與優(yōu)化

3.2.1 成形部、壓榨部和干燥部脫水的優(yōu)化

通常壓榨部脫除1 kg 水的能耗為成形部脫除1 kg 水的5 倍;干燥部脫除1 kg 水的能耗為成形部脫除1 kg 水的25 倍。因此，從節(jié)能的角度，應(yīng)加強(qiáng)在成形部、壓榨部和干燥部脫水的優(yōu)化分配。

3.2.2 干燥露點(diǎn)的控制

圖3 現(xiàn)代化新聞紙機(jī)的電和蒸汽消耗

氣罩中水氣露點(diǎn)決定了熱交換效率，熱效率也受通風(fēng)機(jī)影響。加強(qiáng)紙機(jī)氣罩內(nèi)露點(diǎn)狀態(tài)測(cè)量與控制，優(yōu)化干燥過(guò)程的熱交換效率，有利于節(jié)能。同時(shí)，優(yōu)化氣罩控制，可提供更好的干燥質(zhì)量、更均勻的產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2.3 紙機(jī)真空系統(tǒng)的優(yōu)化

每臺(tái)紙機(jī)均有真空泵和真空系統(tǒng)，紙機(jī)真空系統(tǒng)消耗的動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)紙機(jī)消耗的動(dòng)力相當(dāng)。因此，通過(guò)加強(qiáng)紙機(jī)各部分的真空抽氣需量及其真空度等優(yōu)化配置，可以在相同脫水總量下，節(jié)約較多的能源。

3.3 濕部化學(xué)品混合過(guò)程的節(jié)能技術(shù)

在最接近流漿箱處閃急混合濕部化學(xué)品，混合效率高、能耗少。閃急混合站見圖4，采用模塊化的噴射流以及混合流分配管。傳統(tǒng)混合與閃急混合的對(duì)比見圖5。傳統(tǒng)混合系統(tǒng)，在流漿箱喂料管加入化學(xué)品，延遲時(shí)間長(zhǎng)。而借助于流漿箱總管進(jìn)漿噴射流的閃急混合時(shí)間明顯縮短，路程近，節(jié)能效果好，混合均勻。

圖4 濕部化學(xué)品閃急混合站

3.4 成形部能耗與節(jié)能技術(shù)

在成形部，電能主要消耗于傳動(dòng)過(guò)程和產(chǎn)生真空，傳動(dòng)節(jié)能技術(shù)前面已述及，本部分主要討論真空部分的節(jié)能技術(shù)。影響紙幅干度的因素包括真空元件的真空度、停留時(shí)間、回濕以及漿料和纖維情況，成形部真空元件主要有吸水箱和真空輥。

圖5 傳統(tǒng)混合與閃急混合的對(duì)比

3.4.1 吸水箱

吸水箱真空度比真空輥低，但需要通過(guò)傳動(dòng)來(lái)克服產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力而消耗傳動(dòng)能。

(1)采用新型特殊開孔蓋板的高真空度真空箱

與傳統(tǒng)的縫隙蓋板相比，新型特殊開孔蓋板真空箱可顯著改善相應(yīng)位置上的脫水性能，降低單位能耗。效率較高的原因在于其開孔面積大，及在整個(gè)蓋板上真空度更加穩(wěn)定;另外，這種開孔特殊的表面形態(tài)能明顯改善從成形網(wǎng)內(nèi)表面所刮除的水膜厚度，因此紙幅回濕最小，真空脫水與回濕示意圖見圖6。

以上因素減少了真空脫水所需的真空度、摩擦力和傳動(dòng)能量。與傳統(tǒng)高真空度吸水箱(60 ～80 kPa)相比，使用較低的真空度(30 ～40 kPa)就可以達(dá)到比較高的干度(19% ～20%);能給網(wǎng)部穩(wěn)定的支撐，防止成形網(wǎng)在傳統(tǒng)真空箱條縫隙處出現(xiàn)“俯沖”的現(xiàn)象;在紙機(jī)上，開孔蓋板可將漿料干度提高約2.0% ～3.5%，而縫隙蓋板僅能提高1.0% ～1.5%;減少網(wǎng)部和真空箱之間的摩擦，所需傳動(dòng)能量減少5% ～20%。

圖7 顯示了使用傳統(tǒng)縫隙蓋板和節(jié)能開孔蓋板時(shí)，在通過(guò)最后一個(gè)真空箱后，紙幅干度增加量之間的差異。

(2)帶有弧形蓋板的高真空度真空箱

在成形部的末端，通過(guò)改變高真空度吸水箱的位置，將其直接安裝在引紙輥下(見圖8)，采用弧形真空區(qū)，可以減少網(wǎng)部因?yàn)槌檎婵斩斐傻幕瑒?dòng)摩擦力，可以將紙?jiān)诰W(wǎng)部最后端消耗的過(guò)多能量和回濕控制在最低限度。與傳統(tǒng)真空箱相比，弧形蓋板真空箱能顯著降低成形部的能耗(見圖8)。

圖8 帶有弧形真空區(qū)的高真空度吸水箱

從圖8 可以看出，采用弧形蓋板真空箱后效果十分明顯，與傳統(tǒng)真空箱相比，出伏輥紙幅干度增加約3.5%，可去掉真空伏輥和第三個(gè)真空箱，變?yōu)閴簠^(qū)脫水，節(jié)能約135 kWh，紙機(jī)車速增加了50 m/min。

3.4.2 真空輥

真空輥能耗大部分都與真空消耗有關(guān)，真空輥使用的真空量占成形部所需全部真空量的1/2 左右，真空的能量消耗會(huì)隨著紙機(jī)運(yùn)行速度和真空度的增加而增加。主要由于真空輥旋轉(zhuǎn)時(shí)，其外殼的空隙需要被連續(xù)抽空的緣故，需要抽空大約2/3 的空氣。真空輥殼上的直線形鉆孔使回濕最小化，不用錐形孔時(shí)，通過(guò)伏輥后紙幅的干度提高1% ～2%;在相同的真空度下，直線形孔外殼的空氣體積更少，真空流量降低大約10%。錐形孔真空開口的表面積大，會(huì)增加真空輥的能耗，通常情況下約60%的開孔區(qū)域是錐形擴(kuò)孔，主要是為了提高脫水過(guò)程的排水能力。

3.5 壓榨部的能耗與節(jié)能技術(shù)

3.5.1 微型靴式壓榨

一般紙幅出壓榨部干度每增加1%，紙機(jī)車速就可提高約50 m/min。靴式壓榨通常能提高干度約6%，即靴式壓榨可使車速最大增加約300 m/min。但是，在更換為靴式壓榨、紙機(jī)提速之前，必須要更新傳動(dòng)設(shè)備，提高成形部的脫水能力，改善干燥部的運(yùn)行性能等。

對(duì)整條生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，限制壓榨部紙幅干度的增加量為2.5%時(shí)會(huì)更經(jīng)濟(jì)，即車速增加約為125 m/min時(shí)可使需要改進(jìn)的工作量最小，還能減少干燥部的蒸汽消耗量。為此，對(duì)于現(xiàn)有中小型紙機(jī)壓榨部改造采用微型靴式壓榨，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能等方面綜合考慮更科學(xué)。微型靴式壓榨兼有普通壓榨中間實(shí)心輥簡(jiǎn)單和靴式壓輥脫水性能好的優(yōu)點(diǎn)。表2 為輥式、微型靴式和標(biāo)準(zhǔn)靴式壓榨的技術(shù)參數(shù)對(duì)比。實(shí)心輥的使用成本僅為中高補(bǔ)償輥的1/6。以標(biāo)準(zhǔn)靴式壓榨、車速600 m/min 時(shí)耗能為基準(zhǔn)(0)，與輥式壓榨相比，標(biāo)準(zhǔn)靴式壓榨耗能較高，微型靴式壓榨所需要的電能沒有變化，但是所需的干燥能量較低(見圖9)。

表2 輥式、微型靴式和標(biāo)準(zhǔn)靴式壓榨的技術(shù)參數(shù)

圖9 微型靴式壓榨與傳統(tǒng)壓榨所需能量比較

微型靴式壓榨的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)有壓榨結(jié)構(gòu)改動(dòng)較小，能減少改造工作量和停工期，無(wú)需更新吊車。

3.5.2 噴汽壓榨

在壓榨部配有全幅噴汽裝置的紙機(jī)上，橫向水分差一般可減少80%以上，壓榨后紙幅干度增加2.5%～3.0%，見圖10。壓榨后紙幅干度較高，減少了干燥部的蒸汽消耗;且由于減少了斷紙次數(shù)，使運(yùn)行性能得以提高，節(jié)省了能源。

3.6 干燥部能耗與節(jié)能技術(shù)

3.6.1 干燥部能耗

圖10 全幅噴汽裝置對(duì)壓榨后紙幅干度及溫度的影響

紙機(jī)能耗的70%左右消耗在干燥部，主要為蒸汽熱能。以一臺(tái)典型的衛(wèi)生紙機(jī)為例來(lái)分析造紙部分的能耗情況。紙機(jī)幅寬5.5 m，定量17 ～23 g/m2，產(chǎn)能6 萬(wàn)t/a，能耗為2700 kWh/t。其中1/3 消耗的是電能(紙機(jī)生產(chǎn)線主要設(shè)備的電耗占比見圖11)，2/3 消耗的是熱能;熱能的消耗中1/2 是氣罩用汽，1/2 是揚(yáng)克缸干燥用蒸汽。

圖11 衛(wèi)生紙機(jī)主設(shè)備的電能消耗

3.6.2 節(jié)能干燥技術(shù)

(1)多通道烘缸

由美國(guó)Argonne 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的多通道烘缸，相對(duì)于傳統(tǒng)烘缸產(chǎn)能可提高約50%，而相對(duì)于裝有擾流棒的烘缸產(chǎn)能可提高約20%。傳統(tǒng)烘缸內(nèi)有冷凝水，成為傳熱障礙。新式多通道烘缸在和烘缸內(nèi)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(shù)技改時(shí)，所需費(fèi)用僅是新裝烘缸的20%。

(2)不銹鋼揚(yáng)克烘缸

不銹鋼揚(yáng)克烘缸與同等尺寸同等蒸汽壓力的傳統(tǒng)鑄鐵揚(yáng)克烘缸相比，所具備的熱傳遞系數(shù)與蒸發(fā)能力提高25% ～30%。在整個(gè)干燥過(guò)程中可使干燥能力平均提高10% ～15%;由于不銹鋼材質(zhì)使烘缸總質(zhì)量下降，并且降低了熱慣性以及熱傳遞阻力，因此烘缸的效率大幅提升。此外，所需的傳動(dòng)能量更低，且易于安裝。同時(shí)，由于不銹鋼材質(zhì)可吸收導(dǎo)致鑄鐵烘缸一系列問(wèn)題的熱量以及壓力沖擊，因而安全性更高。目前使用鋼制揚(yáng)克烘缸的企業(yè)越來(lái)越多，特別是小直徑的烘缸。鋼制揚(yáng)克烘缸本身的熱效率要高于傳統(tǒng)的鑄鐵揚(yáng)克烘缸，但是由于其硬度不夠，如要進(jìn)行表面噴涂，會(huì)降低表面的熱傳導(dǎo)和蒸發(fā)效率。表3 為其性能的比較。

表3 鑄鐵烘缸與鋼制揚(yáng)克烘缸的對(duì)比

3.7 造紙部分應(yīng)用變頻技術(shù)的節(jié)能效果

3.7.1 間歇式碎漿機(jī)變頻節(jié)能

間歇式碎漿機(jī)通過(guò)電機(jī)變頻改造后，采用基本一致的工藝流程、運(yùn)行時(shí)間，綜合節(jié)電率在25%左右。

3.7.2 沖漿泵變頻節(jié)能

沖漿泵的變頻調(diào)速是一項(xiàng)有效的節(jié)能降耗技術(shù)，其節(jié)電效率很高，幾乎能將因設(shè)計(jì)冗余和用量變化而浪費(fèi)的電能全部節(jié)省下來(lái)。在常規(guī)的閥門控制中，如電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，則多余的電能以流量控制閥擋板的能量損耗掉;而變頻控制，它根據(jù)工藝要求來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)沖漿泵轉(zhuǎn)速，基本沒有多余損耗的能量，見圖12。圖12 中的陰影部分就是變頻控制所節(jié)省的能量。

圖12 沖漿泵應(yīng)用變頻技術(shù)的節(jié)能效果圖

3.7.3 真空脫水系統(tǒng)變頻恒真空節(jié)能控制

據(jù)統(tǒng)計(jì)，造紙耗電中大約15% ～18%用于真空系統(tǒng)，其中1/3 用于網(wǎng)部，2/3 用于壓榨部。而網(wǎng)部吸水箱占11%、伏輥占23%、真空吸移輥占11%、真空壓榨輥占23%、毛毯吸水箱占32%。因此，如何降低真空系統(tǒng)的耗電量成為企業(yè)所要關(guān)注的一個(gè)重要問(wèn)題。

以水環(huán)真空泵為例，它是一種容積式泵，其特點(diǎn)為抽氣量與轉(zhuǎn)速成正比，工作點(diǎn)軸功率與其轉(zhuǎn)速的1.7次冪成正比。即當(dāng)水環(huán)真空泵確定后，可通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)抽氣量。如果利用變頻器在0.5 ～100 Hz 內(nèi)可以調(diào)節(jié)連續(xù)轉(zhuǎn)速的特性，就可以在2 倍的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)抽氣量。相應(yīng)的節(jié)能效果見圖13。

圖13 真空泵變頻節(jié)能示意圖

3.7.4 空壓機(jī)變頻節(jié)能

空壓機(jī)能量損失主要有空壓機(jī)本身的機(jī)械損失、壓縮空氣的浪費(fèi)損失、空壓機(jī)空負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)損失、壓縮空氣的流動(dòng)損失及其他損失。當(dāng)空壓機(jī)輸出壓力大于一定值時(shí)，某些造紙企業(yè)或者自動(dòng)打開卸載閥，使異步電機(jī)空轉(zhuǎn)，嚴(yán)重浪費(fèi)能源，或者停機(jī)。電機(jī)頻繁啟動(dòng)、停止，影響電機(jī)的使用壽命，且空壓機(jī)工頻啟動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)沖擊大，電機(jī)軸承磨損大，設(shè)備維護(hù)量大?？赏ㄟ^(guò)變頻技術(shù)解決上述問(wèn)題。 (未完待續(xù)，下轉(zhuǎn)2013 年第4 期)

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