造紙工業(yè)能耗與先進(jìn)節(jié)能技術(shù)裝備

張 輝

(南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，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 我國造紙工業(yè)企業(yè)現(xiàn)狀

自2008 年以來，我國造紙工業(yè)紙和紙板產(chǎn)量超過美國，位居世界第一。2011 年，我國紙及紙板生產(chǎn)企業(yè)有3500 多家，生產(chǎn)量9930 萬t;規(guī)模以上(年主營收入≥2000 萬元)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 個重點能耗行業(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，我國紙和紙板的綜合能耗狀況見圖1 所示。

國內(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“節(jié)能、降耗、減排”實現(xiàn)以最少的資源消耗創(chuàng)造最大產(chǎn)出和效益的目標(biāo)。實現(xiàn)這個目標(biāo)有3 個基本要求:必須實現(xiàn)循環(huán)發(fā)展;必須實現(xiàn)低碳發(fā)展;必須進(jìn)一步提高環(huán)境社會責(zé)任感，大力推進(jìn)清潔生產(chǎn)?！笆濉逼陂g，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 我國紙和紙板的綜合能耗狀況

表1 國內(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)能源消費比例為20%。

1.4 實現(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)展過程的難題。首先要通過技術(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，以下將簡明討論當(dāng)今國際上造紙工業(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)在以下幾個方面。

(1)均一液相循環(huán)蒸煮汽耗低。整個蒸煮過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 壓力過濾機(jī)過濾白液，提高白液質(zhì)量;④白泥脫水采用盤式真空過濾機(jī)或預(yù)掛式真空過濾機(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)

造紙過程的節(jié)能多數(shù)與改善干燥過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?，F(xiàn)代化新聞紙機(jī)各部分的電和蒸汽消耗見圖3。

3.2 改善造紙過程的能效測量與優(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)露點狀態(tài)測量與控制，優(yōu)化干燥過程的熱交換效率，有利于節(jié)能。同時，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)消耗的動力與驅(qū)動紙機(jī)消耗的動力相當(dāng)。因此，通過加強(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，延遲時間長。而借助于流漿箱總管進(jìn)漿噴射流的閃急混合時間明顯縮短，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過程和產(chǎn)生真空，傳動節(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比

3.4.1 吸水箱

吸水箱真空度比真空輥低，但需要通過傳動來克服產(chǎn)生的滑動摩擦力而消耗傳動能。

(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，在通過最后一個真空箱后，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)部因為抽真空而造成的滑動摩擦力，可以將紙在網(wǎng)部最后端消耗的過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，真空的能量消耗會隨著紙機(jī)運行速度和真空度的增加而增加。主要由于真空輥旋轉(zhuǎn)時，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，通過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，必須要更新傳動設(shè)備，提高成形部的脫水能力，改善干燥部的運行性能等。

對整條生產(chǎn)線來說，限制壓榨部紙幅干度的增加量為2.5%時會更經(jīng)濟(jì)，即車速增加約為125 m/min時可使需要改進(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心輥簡單和靴式壓輥脫水性能好的優(yōu)點。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)對比。實心輥的使用成本僅為中高補償輥的1/6。以標(biāo)準(zhǔn)靴式壓榨、車速600 m/min 時耗能為基準(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主要優(yōu)點是對現(xiàn)有壓榨結(jié)構(gòu)改動較小，能減少改造工作量和停工期，無需更新吊車。

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。以一臺典型的衛(wèi)生紙機(jī)為例來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Argonne 國家實驗室開發(fā)的多通道烘缸，相對于傳統(tǒng)烘缸產(chǎn)能可提高約50%，而相對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，所需費用僅是新裝烘缸的20%。

(2)不銹鋼揚克烘缸

不銹鋼揚克烘缸與同等尺寸同等蒸汽壓力的傳統(tǒng)鑄鐵揚克烘缸相比，所具備的熱傳遞系數(shù)與蒸發(fā)能力提高25% ～30%。在整個干燥過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，所需的傳動能量更低，且易于安裝。同時，由于不銹鋼材質(zhì)可吸收導(dǎo)致鑄鐵烘缸一系列問題的熱量以及壓力沖擊，因而安全性更高。目前使用鋼制揚克烘缸的企業(yè)越來越多，特別是小直徑的烘缸。鋼制揚克烘缸本身的熱效率要高于傳統(tǒng)的鑄鐵揚克烘缸，但是由于其硬度不夠，如要進(jìn)行表面噴涂，會降低表面的熱傳導(dǎo)和蒸發(fā)效率。表3 為其性能的比較。

表3 鑄鐵烘缸與鋼制揚克烘缸的對比

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)通過電機(jī)變頻改造后，采用基本一致的工藝流程、運行時間，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)計冗余和用量變化而浪費的電能全部節(jié)省下來。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)工藝要求來自動調(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，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)注的一個重要問題。

以水環(huán)真空泵為例，它是一種容積式泵，其特點為抽氣量與轉(zhuǎn)速成正比，工作點軸功率與其轉(zhuǎn)速的1.7次冪成正比。即當(dāng)水環(huán)真空泵確定后，可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來調(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、壓縮空氣的浪費損失、空壓機(jī)空負(fù)荷運轉(zhuǎn)損失、壓縮空氣的流動損失及其他損失。當(dāng)空壓機(jī)輸出壓力大于一定值時，某些造紙企業(yè)或者自動打開卸載閥，使異步電機(jī)空轉(zhuǎn)，嚴(yán)重浪費能源，或者停機(jī)。電機(jī)頻繁啟動、停止，影響電機(jī)的使用壽命，且空壓機(jī)工頻啟動電流大，對電網(wǎng)沖擊大，電機(jī)軸承磨損大，設(shè)備維護(hù)量大?？赏ㄟ^變頻技術(shù)解決上述問題。 (未完待續(xù)，下轉(zhuǎn)2013 年第4 期)

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