文 陳雨新

造紙工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)工業(yè)，也是其它行業(yè)原材料的重要來源。據(jù)中國造紙協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2005年我國紙和紙板的生產(chǎn)量為5600萬噸，時(shí)至2014年此數(shù)據(jù)已高達(dá)到10470萬噸，這十年中紙和紙板的生產(chǎn)量年均增長率高達(dá)7.2%。面對如此迅猛的增長勢頭，造紙工業(yè)的高速發(fā)展所帶來的能源和環(huán)境問題也日益凸顯。在此背景之下，探討造紙企業(yè)使用清潔能源、提高能源利用率有著十分現(xiàn)實(shí)的意義。

造紙行業(yè)作為高能耗行業(yè)，對電力及熱能（熱風(fēng)、蒸汽）的需求兼而有之，其中紙機(jī)的干燥是造紙廠熱能消耗的最主要部分。以往為了節(jié)能降耗，造紙企業(yè)往往選擇小型燃煤電站作為自備電站，這樣既可以提供企業(yè)所需的電力，又可以提供烘干工藝所需要的蒸汽。但面對今時(shí)今日的國家能源政策，小型燃煤電站無論是在生產(chǎn)效率上，還是在環(huán)保排放上，都難以達(dá)到國標(biāo)要求。而以天然氣為燃料的燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)，具有更高供能效率、清潔排放的特點(diǎn)，且這種能源站除供給電力和蒸汽外，還能提供紙機(jī)干燥環(huán)節(jié)所需要的高溫?zé)犸L(fēng)，豐富的供能形式也從工藝上更匹配造紙企業(yè)。

基于上述優(yōu)點(diǎn)，本文將重點(diǎn)介紹燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)與造紙干燥工藝的結(jié)合應(yīng)用。首先，我們將簡述紙機(jī)干燥的設(shè)備及其工作原理；然后介紹燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)的供能方式；再將兩者流程相結(jié)合起來，使能源需求與能源供應(yīng)匹配起來；最后通過計(jì)算各干燥環(huán)節(jié)中的供能數(shù)據(jù)，與能源站總輸入相比較，來驗(yàn)算出燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)的綜合能源利用效率到底如何。

紙機(jī)干燥工藝

熱量的傳遞方式有三種，傳導(dǎo)、對流和輻射。紙機(jī)干燥部的設(shè)計(jì)，都是根據(jù)上述傳熱理論，結(jié)合所要生產(chǎn)紙張的性質(zhì)而設(shè)計(jì)的。在這種思想指導(dǎo)下，人們設(shè)計(jì)出來很多種干燥方式和組合，這些干燥方式大體上可以認(rèn)為分為接觸式干燥和非接觸式干燥兩種。前者指以熱傳導(dǎo)為主的烘缸干燥，后者分為以對流傳熱為主的熱風(fēng)干燥和以輻射傳熱為主的紅外干燥兩種。

熱風(fēng)干燥，引流至氣罩的高溫?zé)犸L(fēng)，經(jīng)特制的噴嘴吹到紙頁表面，溫度一般控制在300℃～450℃之間，熱風(fēng)干燥器中噴嘴到紙頁距離一般為10～100mm，噴嘴的出風(fēng)速度一般為40～85m/s。它的特點(diǎn)是傳熱效率高、紙頁干燥速率很快，對保持一些紙品的特性有特別的效果，如衛(wèi)生紙。在涂布紙工藝中一般用在蒸汽烘缸干燥之前。

圖1 熱風(fēng)沖擊干燥原理

烘缸干燥以低壓蒸汽作為熱源，是紙張干燥的最常用方式。出壓榨后的紙張水分仍然很高，干度一般在50%以下，強(qiáng)度低，但由于干網(wǎng)的托舉作用，烘缸干燥能滿足紙機(jī)在很高的車速下運(yùn)行。此外，烘缸干燥還可改善紙張的性質(zhì)，它可使MD、CD紙張水分均勻分布、避免紙頁彎曲、改善紙張強(qiáng)度和印刷性能。但是蒸汽烘缸有其應(yīng)有的局限性，一般用在涂布紙頁干燥的最后階段。

綜上，造紙廠選擇何種干燥策略，都要兼顧考慮運(yùn)行性能和紙張質(zhì)量，且干燥方式不同應(yīng)用的領(lǐng)域也不同，一般而言紙廠不會(huì)選擇單一的干燥方式，而是采用干燥方式的組合。如紙頁經(jīng)涂布后，在涂料未完全穩(wěn)定前，若和設(shè)備表面有接觸，會(huì)發(fā)生粘結(jié)，污染設(shè)備同時(shí)也影響紙張表面質(zhì)量。因此涂布后的紙頁不能首先使用接觸式的蒸汽烘缸干燥，非接觸的熱風(fēng)干燥是涂布后的紙頁的首選干燥方式。之后再安排蒸汽烘缸干燥工藝，這時(shí)涂料表面已經(jīng)固化，可以和烘缸表面直接接觸。

燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)

燃機(jī)天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程由燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)組以及余熱回收系統(tǒng)共同組成熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

圖2 熱風(fēng)干燥與蒸汽烘缸干燥的組合應(yīng)用

燃機(jī)壓氣機(jī)從外界大氣環(huán)境吸入空氣，并經(jīng)過軸流式壓氣機(jī)逐級壓縮使之增壓，同時(shí)空氣溫度也相應(yīng)提高；壓縮空氣被壓送到燃燒室與經(jīng)壓縮機(jī)增壓的燃料混合燃燒生成高溫高壓的燃?xì)猓蝗缓笤龠M(jìn)入到透平中膨脹做功，推動(dòng)透平帶動(dòng)壓氣機(jī)和外負(fù)荷轉(zhuǎn)子一起高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了氣體或液體燃料的化學(xué)能部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，并輸出電功。從透平中排出的高溫?zé)煔馀胖劣酂峄厥障到y(tǒng)，進(jìn)行余熱回收利用。燃機(jī)天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程典型流程圖見下：

圖3 燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)典型流程圖

燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)與造紙干燥工藝的結(jié)合應(yīng)用

基于上文對紙機(jī)干燥工藝簡介，我們可知采用熱風(fēng)干燥，就需要高溫?zé)煔庾鳛闊嵩?，采用蒸汽烘缸干燥，則需要低壓蒸汽作為熱源。而燃?xì)廨啓C(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)，其輸出的電能供應(yīng)紙廠生產(chǎn)用電，透平排出的高溫?zé)煔鈩t可先引至氣罩用于熱風(fēng)干燥工藝，從氣罩中排出的煙氣再引至余熱回收系統(tǒng)，進(jìn)行余熱回收，產(chǎn)生的低壓蒸汽供給蒸汽烘缸工藝，熱水供給暖通系統(tǒng)。

如上所述，兩者工藝結(jié)合形成的工藝流程圖如下：

如上圖所示，燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)與紙機(jī)干燥工藝相結(jié)合后，我們可將這其中的供能環(huán)節(jié)拆解為三個(gè)環(huán)節(jié)。第一個(gè)環(huán)節(jié)為燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，輸出電能，供應(yīng)造紙廠用電部門；第二個(gè)環(huán)節(jié)為高溫?zé)煔庖霘庹?，進(jìn)行熱風(fēng)干燥，提供熱能；第三個(gè)環(huán)節(jié)為煙氣引入余熱回收系統(tǒng)，產(chǎn)生中低壓蒸汽，及提供暖通用熱水。

綜合能源利用率

進(jìn)行了這樣的分拆后，我們就可進(jìn)步一考察每個(gè)環(huán)節(jié)供能情況如何，總體能源利用效率幾何，是不是能達(dá)到高水準(zhǔn)的能源利用效果。對此我們聯(lián)系到了知名造紙企業(yè)金紅葉紙業(yè)下屬的四川遂寧工廠，從企業(yè)生產(chǎn)部門收集到了相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合上文對供能環(huán)節(jié)的劃分，每個(gè)環(huán)節(jié)具體數(shù)據(jù)見附表

一般而言，采用小型燃煤火電站作為自備電廠的造紙企業(yè)，其煤炭利用效率可達(dá)60%～70%。而那些涂布烘干基本依賴電紅外（高品位電能轉(zhuǎn)化為低品位熱能），蒸汽依靠外購，極少采用能源優(yōu)化措施的造紙企業(yè)其能效水平更低。將燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)與這兩者相比，顯然燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)勢十分明顯，高達(dá)85%的綜合能源利用率，在全球范圍內(nèi)也是非常先進(jìn)的水平了。

結(jié)語

作為高耗能的行業(yè)，造紙業(yè)在當(dāng)前形勢下，無論是從降低企業(yè)生產(chǎn)成本的角度考慮，還是從滿足環(huán)保要求的角度考慮，企業(yè)都迫切期望能尋求到更合理、更節(jié)能、更環(huán)保的供能手段。而燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)的供能模式，可以很好的與造紙企業(yè)的生產(chǎn)特性相契合，從而達(dá)到一個(gè)很高的能源利用水平。

但是當(dāng)前這種模式尚未被多數(shù)造紙企業(yè)所知悉，其原因在于燃?xì)廨啓C(jī)作為一個(gè)小眾工業(yè)產(chǎn)品，它的生產(chǎn)、制造、維修技術(shù)僅掌握在寥寥幾家外資公司手上。同時(shí)，適合造紙企業(yè)的燃機(jī)機(jī)型又需要為輕型燃機(jī)，專業(yè)做輕型燃機(jī)的公司范圍更小了。目前，國內(nèi)無論是針對重型燃機(jī)還是輕型燃機(jī)，均尚未有企業(yè)完全具備自主研發(fā)的能力。當(dāng)前我國境內(nèi)的燃機(jī)基本依賴進(jìn)口，少數(shù)由中外合資企業(yè)生產(chǎn)制造，即使是后者其核心技術(shù)仍掌握在外資公司手中。

撰寫此文，一則可以提供一種參考給正在探索節(jié)能模式的造紙企業(yè)，二則更寄予了中國制造一份殷切的期望，希望國內(nèi)企業(yè)早日突破技術(shù)難關(guān)，盡早地實(shí)現(xiàn)燃機(jī)輪機(jī)國產(chǎn)化。

環(huán)節(jié)一，燃機(jī)發(fā)電機(jī)組

總的能源輸入計(jì)算公式如下：Q =Wt×LHV

Q — 天然氣蘊(yùn)含的能量總輸入，GJ/h。

Wt — 單位小時(shí)天然氣流量，2359Nm3/h

LHV — 標(biāo)立方天然氣低位熱值，33387kJ/ Nm3

將數(shù)據(jù)代入，計(jì)算得能量總輸入Q=78.72GJ/h

發(fā)電效率計(jì)算公式如下：

E — 發(fā)電機(jī)電力輸出，7128kW

代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得發(fā)電效率ηe=32.58%

環(huán)節(jié)二，氣罩熱風(fēng)干燥

Q1 — 排放的熱能

W1 — 高溫?zé)煔饬髁浚?6.2kg/s

Cp — 煙氣比熱，1.1095kJ/kg

T1 — 進(jìn)口煙氣溫度，486℃

T2 — 出口煙氣溫度，327℃

η0 — 有效換熱效率97.5%

將數(shù)據(jù)代入，計(jì)算得熱風(fēng)干燥環(huán)節(jié)，煙氣釋放熱量Q1=4506kW

環(huán)節(jié)三，余熱回收系統(tǒng)

Q2 — 排放的熱能

W1 — 高溫?zé)煔饬髁浚?6.2kg/s

Cp — 煙氣比熱，1.1095kJ/kg

T2 — 進(jìn)口煙氣溫度，327℃

T3 — 排煙溫度，80℃

η0 — 有效換熱效率97.5%

將數(shù)據(jù)代入，計(jì)算得余熱回收環(huán)節(jié)，煙氣釋放熱量Q2=7001kW

綜合能源利用效率

η— 綜合能源利用率

代入上文數(shù)據(jù)后，計(jì)算得η=85.17%