現(xiàn)代造紙機的節(jié)能與降耗

陳克復(fù)，楊 旭，2

(1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室，廣州 510640;2.輕工業(yè)杭州機電設(shè)計研究院，杭州 310004)

1 前言

我國造紙工業(yè)在最近10年得到極大發(fā)展，總產(chǎn)量已是世界排名第一。然而，我國造紙工業(yè)的效益并不高，能源消耗及對環(huán)境的壓力也是越來越大。高速造紙機在節(jié)能降耗方面具有極大的優(yōu)勢，因此文章主要討論高速造紙機(也稱現(xiàn)代造紙機)的節(jié)能降耗問題。

對于造紙機，在目前技術(shù)條件下，根據(jù)車速的高低可對造紙機的類型重新定位。如對現(xiàn)代文化造紙機可分別定位如下。

1)車速≤400 m/min:低速造紙機。

2)400 m/min＜車速≤800 m/min:中速造紙機。

3)800 m/min＜車速≤1 200 m/min:準(zhǔn)高速造紙機。

4)1 200 m/min＜車速≤1 800 m/min:高速造紙機。

5)車速＞1 800 m/min:超高速造紙機。

同樣，對紙板造紙機、衛(wèi)生紙造紙機也應(yīng)相應(yīng)地重新定位。對于文章所提到的現(xiàn)代造紙機，應(yīng)該是裝備控制先進、車速在準(zhǔn)高速以上的造紙機。目前我國對高速造紙機和超高速造紙機主要是依靠引進，但價格昂貴，很多造紙企業(yè)都難以承受。由于現(xiàn)代造紙機在節(jié)能降耗方面的優(yōu)勢，從“十一五”科技規(guī)劃開始，已定位為我國今后的研制和開發(fā)重點。經(jīng)過近些年的努力，已取得了重大進展，如對文化造紙機，我國已生產(chǎn)出車速為1 000 m/min和1 200 m/min的準(zhǔn)高速造紙機，車速達1 500 m/min的國產(chǎn)高速造紙機也將在2012年投入運行。

文章主要討論下列兩個問題:

1)現(xiàn)代造紙機在節(jié)能降耗方面有什么優(yōu)勢?

2)現(xiàn)代造紙機如何通過關(guān)鍵技術(shù)裝備的發(fā)展，逐步實現(xiàn)節(jié)能降耗?

2 現(xiàn)代造紙機節(jié)能降耗的優(yōu)勢

2.1 現(xiàn)代造紙機實現(xiàn)節(jié)能降耗的途徑

1)通過改進各操作單元的結(jié)構(gòu)，即實施先進的關(guān)鍵技術(shù)與裝備，實現(xiàn)節(jié)能降耗。目的是:a.提高成形部、壓榨部的紙頁干度;b.盡量回用白水和節(jié)水;c.盡量降低蒸汽用量;d.盡量減少電耗。

2)通過提高現(xiàn)代造紙機的整機效率，即提高其抄造率及產(chǎn)品成品率來實現(xiàn)節(jié)能減排，目的是在全自動控制的條件下實現(xiàn)穩(wěn)定運行。

2.2 現(xiàn)代造紙機節(jié)能降耗的優(yōu)勢

這里的現(xiàn)代造紙機主要指文化紙機，從表1所列出的國內(nèi)外現(xiàn)代造紙機(個案)實際運行時的節(jié)能降耗相關(guān)數(shù)值以及表2列出的接受調(diào)查的、正運行的現(xiàn)代造紙機節(jié)能降耗的總體情況，可以了解到現(xiàn)代造紙機節(jié)能降耗的先進性。

拿表1和表2的相關(guān)數(shù)據(jù)與我國正運行的常規(guī)造紙機的節(jié)能降耗情況相比，現(xiàn)代造紙機具有明顯的先進性。我國正運行的多數(shù)常規(guī)造紙機，在能耗與物耗(如水耗、原料消耗)方面，與先進的現(xiàn)代造紙機相比要大得多，如能耗要超出0.5～1.0倍，水耗要超出1～2倍?？梢哉J(rèn)為現(xiàn)代造紙機是節(jié)能降耗的優(yōu)選裝備。

表1 國內(nèi)外現(xiàn)代造紙機(個案)實際運行時的節(jié)能降耗相關(guān)數(shù)值Table 1 Energy conservation data in the practical running of modern paper machine at home and abroad(case)

表2 接受調(diào)查的、正運行的現(xiàn)代造紙機節(jié)能降耗總體情況［1］Table 2 Total energy conservation in the practical running of modern paper machine surveyed［1］

2.3 現(xiàn)代造紙機各操作單元關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)代造紙機主要由下列各部件組成［2］:紙漿流送與流漿箱裝備、紙頁成形與脫水裝備、壓榨脫水與壓榨裝備、紙頁干燥裝備、分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)、質(zhì)量控制系統(tǒng)(quality control system，QCS)、真空系統(tǒng)、傳動控制系統(tǒng)等。

2.3.1 流漿箱技術(shù)與裝備的發(fā)展

現(xiàn)代造紙機的流漿箱技術(shù)發(fā)展的目的是為了提高車速與紙頁質(zhì)量，如勻度等品質(zhì)，其發(fā)展過程為。

1)水力式流漿箱(滿流式流漿箱):可滿足車速1 200 m/min以內(nèi)的文化紙造紙機。

2)稀釋水調(diào)濃水力式流漿箱:可滿足車速1 200 m/min以內(nèi)的文化紙造紙機。

3)智能型白水稀釋調(diào)濃水力式流漿箱:可滿足車速達1 200～1 800 m/min的文化紙造紙機。

特別是智能型白水稀釋調(diào)濃水力式流漿箱(見圖1)，可以認(rèn)為這是目前最先進、最節(jié)能的流漿箱。它具備了稀釋水調(diào)濃水力流漿箱的所有優(yōu)點和特點，并使用白水作為稀釋水，具有完備的稀釋水系統(tǒng)，即具有稀釋水總管、稀釋水閥、水閥執(zhí)行器、稀釋水混合模塊、稀釋水橫幅定量控制系統(tǒng)。通過計算機軟件實現(xiàn)了稀釋水橫幅定量的全自動性控制，成為智能型水力式流漿箱。

圖1 智能型白水稀釋調(diào)濃水力式流漿箱Fig.1 Intelligent hydraulic headbox with dilution water adjustment

2.3.2 脫水成形技術(shù)與裝備的發(fā)展

脫水成形的目的是以最低的動力消耗獲取較高的紙幅干度，并提高紙頁質(zhì)量。其發(fā)展過程為:

1)長網(wǎng)加頂網(wǎng)的脫水技術(shù):可用于中速的現(xiàn)代造紙機。

2)頂網(wǎng)增設(shè)真空脫水箱的脫水技術(shù):可用于中速及準(zhǔn)高速的現(xiàn)代造紙機，見圖2。

3)夾網(wǎng)雙面脫水技術(shù):可用于高速甚至超高速的現(xiàn)代造紙機，見圖3和圖4。

特別是夾網(wǎng)雙面脫水技術(shù)——夾網(wǎng)成形器，雖然已發(fā)展多年，但仍是目前最先進的脫水成形器。根據(jù)脫水元件配置的不同，分為夾網(wǎng)刮板、夾網(wǎng)輥筒(見圖3)、夾網(wǎng)輥筒－刮板(見圖4)共3種形式的成形器，從結(jié)構(gòu)上分直立式(內(nèi)外網(wǎng))和水平式(上下網(wǎng))兩種。

2.3.3 真空系統(tǒng)節(jié)能的重要性

真空系統(tǒng)是紙機除動力外的第二耗電系統(tǒng)，對于現(xiàn)代造紙機，應(yīng)該使用優(yōu)良的真空系統(tǒng)，關(guān)閉可不用的或替換舊的真空裝置，這樣可大幅度地節(jié)能。真空系統(tǒng)節(jié)能措施包括:

1)選擇省電真空裝置，如透平真空泵比水環(huán)真空泵省電。

2)定期檢查。

3)內(nèi)部清潔及性能監(jiān)視，低于設(shè)計能力80%以下的真空泵應(yīng)進行改造或替換［3］。

圖2 頂網(wǎng)增設(shè)真空脫水箱長網(wǎng)成形器Fig.2 Fourdrinier with hybrid former

圖3 輥式夾網(wǎng)成形器Fig.3 Roll former

圖4 輥式/刮板混合式夾網(wǎng)成型器Fig.4 Blade/roll gap former

2.3.4 壓榨技術(shù)與裝備的發(fā)展

壓榨技術(shù)的目的是以盡可能少的能耗來提高紙幅出壓榨部的紙頁干度。實踐證明:出壓榨部的紙頁干度每增加1%，干燥部的能耗將降低3%。其發(fā)展過程如下。

1)多輥多壓區(qū)復(fù)式壓榨技術(shù)與裝備(見圖5):可用于中速及準(zhǔn)高速文化紙機。例如，河南江河紙業(yè)公司采用這一壓榨部配置應(yīng)用于1 000 m/min和1 200 m/min的文化紙機。

2)以一組靴式壓榨為中心的多輥多壓區(qū)復(fù)式壓榨技術(shù)與裝備(見圖6):可用于準(zhǔn)高速和高速文化造紙機，如1 500 m/min車速。

3)兩組靴式壓榨組成的封閉直通式壓榨技術(shù)與裝備(見圖7):可用于高速和超高速文化造紙機。

圖5 多輥多壓區(qū)復(fù)式壓榨Fig.5 Multi nip composite press with additional press

圖6 一組靴式壓榨為中心的多輥多壓區(qū)復(fù)式壓榨Fig.6 Multi nip composite press with one shoe-type press

目前已有2 000 m/min車速的應(yīng)用實例。一組靴式壓榨為中心的多輥多壓區(qū)復(fù)式壓榨技術(shù):在上述多輥多壓區(qū)基礎(chǔ)上，由一組靴式壓榨替代其中一組壓榨。由于靴壓壓區(qū)可達到200～300 mm，相當(dāng)于常規(guī)壓榨的6倍以上，因此可提高紙頁出壓榨部干度50% ～52%，節(jié)能效果明顯，適用于車速為1 200～1 500 m/min的高速造紙機。

兩組靴式壓榨組成的封閉直通式壓榨技術(shù):兩組壓榨均為雙毯壓榨，紙幅以直行的運行路線通過整個壓榨部，避開了離心力的影響，實現(xiàn)壓榨部的全封閉引紙?？捎糜诟咚僭旒垯C及超高速造紙機，如1 500～1 800 m/min或1 800～2 000 m/min的造紙機，紙頁出壓榨部干度可達到53%或更高，節(jié)能效果更加明顯。

圖7 兩組靴式壓榨組成的封閉直通式壓榨Fig.7 The closed direct through press with two shoe-type press

2.3.5 紙幅干燥技術(shù)與裝備的發(fā)展

紙幅干燥的目的是以最小的能耗取得最好的干燥效果，并盡量回收熱能。一臺正常運行的造紙機能耗主要表現(xiàn)為傳動動力能耗、真空動力能耗及干燥能耗，這3種能耗的總和約占單位紙頁產(chǎn)品所有能耗的2/3［3］。而這三種能耗中，干燥能耗所占比例最大，是動力和真空能耗總和的3倍。也就是說，干燥能耗要占單位產(chǎn)品總能耗的一半［3］。干燥技術(shù)的發(fā)展重點為下列3個方面:干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改造、設(shè)置密閉汽罩并回收熱能、實施提高烘缸傳熱速率及節(jié)能措施。

1)干燥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改造。采用單排烘缸干燥裝置，紙頁在全部承托狀態(tài)下通過整個干燥部。增設(shè)預(yù)干燥裝置，使紙頁在進入干燥部前就具有較高溫度和干度。增設(shè)紙頁穩(wěn)定器，保證紙頁處于無擾動狀態(tài)下干燥進行。實現(xiàn)全封閉真空引紙，消除無承托的開式紙頁運行區(qū)，實現(xiàn)紙頁由壓榨部向干燥部的安全過渡。

2)設(shè)置密閉汽罩并回收熱能。如不設(shè)置密閉汽罩且不回收熱能，將消耗大量能量。必須使用密閉汽罩，采用熱交換回收外排濕熱空氣潛熱，采用干燥過程分段處理外排濕熱空氣。對于恒速干燥段，可經(jīng)2～3道熱回收后排空。對于降速干燥段，大氣補充濕含量很低的熱空氣，以保持正常繼續(xù)干燥，排出空氣經(jīng)降溫調(diào)態(tài)后可回用。

3)實施提高烘缸傳熱速率及節(jié)能措施。提出提高烘缸傳熱速率及節(jié)能措施，盡量減少蒸汽的損失，如防止蒸汽泄漏、冷凝水外排等;優(yōu)化烘缸冷凝水系統(tǒng)的性能;盡量使用低壓蒸汽;盡量回收冷凝水。

3 研發(fā)國產(chǎn)現(xiàn)代造紙機的車速及幅寬的定位

3.1 現(xiàn)代造紙機特別是超高速造紙機在技術(shù)上仍然存在的科技難題

1)紙幅牽引問題。主要是紙頁的剝離、牽引，這是高速造紙機目前存在斷紙現(xiàn)象的最危險的部位。根據(jù)前人的研究，當(dāng)車速提高時，紙幅慣性產(chǎn)生的張力迅速增加。在一定紙漿配比和濕紙幅干度的條件下，過大的張力超過濕紙幅的強度而斷紙。車速越高，在這一部位存在斷紙的危險性就越大。在技術(shù)上，為避免斷紙，應(yīng)盡量減少紙幅無依托狀態(tài)的“裸紙”牽引，高速造紙機多采用真空吸移技術(shù)，但不管采用哪種技術(shù)，紙幅在一個操作區(qū)域剝離進入下一個操作區(qū)域時，或長或短仍存在“裸紙”牽引的問題。因此，由于速度太快，張力增大，使得高速造紙機調(diào)試周期比較長。

2)QCS問題。由于造紙機車速過快，掃描元件在掃描架上的移動速度遠(yuǎn)低于紙頁穿過掃描架的運行速度。因此，掃描元件捕獲每一周期的信息即所提供的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)不是紙頁同一條橫坐標(biāo)上所反映出的實際數(shù)據(jù)，這就對高速造紙機生產(chǎn)的紙頁縱向質(zhì)量提出很高要求，縱向質(zhì)量稍有差異，將產(chǎn)生檢測數(shù)據(jù)不真實性，甚至出現(xiàn)偏差。高速造紙機的車速越高，這種偏差就越大，并且存在不可鑒別性。

3)事故預(yù)警系統(tǒng)問題。高速造紙機的事故預(yù)警系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，特別是質(zhì)量事故，如不及時糾正處理，將浪費大量的能量及人力、物力。但是高速造紙機不可能完全準(zhǔn)確地預(yù)報事故的發(fā)生，也就不可能準(zhǔn)確及時地進行糾正和處理。假如紙頁在運行過程中出現(xiàn)一個小裂縫，這一小裂縫將在瞬時內(nèi)形成大裂縫而產(chǎn)生斷紙。人們都希望在紙頁出現(xiàn)小裂縫時造紙機能準(zhǔn)確預(yù)報并及時處理，但生產(chǎn)實際中都是在產(chǎn)生斷紙后才知道。

3.2 從高速造紙機裝備加工技術(shù)的角度考慮

加工實踐證明，幅寬5 m是造紙機加工技術(shù)的分界線，國內(nèi)可加工幅寬大于5 m造紙機的機加工裝備較少，如國內(nèi)要生產(chǎn)幅寬5 m以上的造紙機，就要更新?lián)Q代機加工裝備，這將使造紙機制造公司投入過大，從目前情況看，我國造紙機制造公司也不可能有這樣的經(jīng)濟實力。

3.3 從目前已引進的大型造紙機運行情況考慮

國內(nèi)已有多家造紙公司高價引進設(shè)計車速達1 800～2 000 m/min、幅寬10 m以上、年產(chǎn)能40萬t新聞紙和文化用紙的大型造紙機，但據(jù)了解，存在抄造率及產(chǎn)品成本率達不到預(yù)期目標(biāo)的現(xiàn)象。由于上述所討論的大型高速造紙機實際存在的難題，這些難題有的現(xiàn)代科學(xué)還解決不了，因此要經(jīng)過很長時間的運行實踐，才能達到運行穩(wěn)定期。由于過于大型，一旦抄造率及產(chǎn)品成本率上不去，不但達不到節(jié)能降耗，反而花費大量電力、人力、物力，最終浪費財力。高速造紙機如花費巨資引進，用來生產(chǎn)低附加值的紙張，性價比低，很難盈利。

3.4 從運行操作技術(shù)的需要及人才培養(yǎng)角度考慮

高速造紙機特別是超高速造紙機是一臺具有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的全自動化的大型裝備，需要經(jīng)過嚴(yán)格培訓(xùn)及全面培養(yǎng)的管理、維護、操作人才，加上高速造紙機特別是超高速造紙機存在如上述分析的難題，對相關(guān)人才的要求就更為高遠(yuǎn)和嚴(yán)格。但事實上，造紙機行業(yè)非常缺少這方面的培訓(xùn)或培養(yǎng)，單靠引進時供應(yīng)公司幾個星期的交流是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

3.5 對我國研發(fā)及生產(chǎn)高速造紙機方面的建議

對我國低附加值的造紙業(yè)，建議盡量不要高價引進超高速(1 800 m/min以上)的大型造紙機。國產(chǎn)高速造紙機研制及生產(chǎn)的定位建議為:對文化紙機，車速在1 500 m/min以下，幅寬為5 m或5 m以下范圍的高速造紙機性價比要高得多。建議國家主管部門關(guān)心支持我國造紙機制造公司，為產(chǎn)品升級、技術(shù)升級做出努力;建議設(shè)立現(xiàn)代造紙機技術(shù)培訓(xùn)基地，為我國造紙業(yè)應(yīng)用現(xiàn)代造紙機培養(yǎng)所需要的人才。

［1］Richard A Reese.Paper Machine Energy Considerations［M］.USA:Dick Reese and Associates，Inc.，2011.

［2］陳克復(fù).制漿造紙機械與裝備(下冊)［M］.3版.北京:中國輕工業(yè)出版社，2011.

［3］楊 旭，陳克復(fù)，王 蓓.現(xiàn)代紙機能耗構(gòu)成特點及節(jié)能途徑初探［J］.中國造紙，2011(1):5.