现代纸机能耗构成特点及节能途径初探

杨 旭 陈克复 王 蓓

(1.轻工业杭州机电设计研究院,浙江杭州,310004;2.华南理工大学,广东广州,510640)

现代纸机能耗构成特点及节能途径初探

杨 旭1,2陈克复2王 蓓1

(1.轻工业杭州机电设计研究院,浙江杭州,310004;2.华南理工大学,广东广州,510640)

主要分析了现代纸机能耗的组成、分布及其特点,并在此基础上探讨了相关的节能措施,尤其是能耗最大的干燥部分通风系统的节能方法。

现代纸机;能耗;节能途径

我国造纸工业在最近 10年得到极大发展,纸和纸板总产量已是世界排名第一。然而,我国造纸工业的效益并不高,能源消耗及对环境的压力越来越大。就能耗来讲,虽然我国造纸工业综合能耗水平已从每吨纸消秏 1.55 t标煤降到了 1.38 t标煤[1-3],但与国际先进水平相比仍有较大差距。要达到国际先进水平,降低能源消耗,则需：①提高能源的利用率,如热电联产,废弃物 (如污泥和资源杂质等)的燃烧利用;②降低无用功,回收有用能源。就目前造纸技术来讲,暂时还看不到在工艺和技术上有重大性改变或进步,因此所有节能工作都必须在整个造纸流程上下功夫,把工作做细做好,做到尽量多利用少浪费,积少成多,才能较好地把能耗降下来。本文仅论述造纸机械方面的能耗情况。

1 造纸机械能耗的构成

造纸机械及其密切相关的真空系统和干燥通风系统是整个造纸工艺中能耗最大的部分,根据原料和纸张产品的不同,这部分能耗约占整个纸机能耗的40%～70%,应分析和重点关注这部分能耗。造纸机械的能耗主要表现在 3个方面：传动动力能耗、真空动力能耗及干燥能耗。根据笔者的初步调查统计,文化用纸和纸板 (纸板主要包括箱纸板,白纸板原纸部分和瓦楞纸)的传动动力能耗分别为 220～320 kWh/t和 170～280 kWh/t;文化用纸和纸板的真空动力能耗分别为 100～180 kWh/t和 100～200 kWh/t;而文化用纸和纸板的干燥能耗分别为 1.8～2.6 t蒸汽/t纸和 1.6～2.2 t蒸汽 /t纸,换算成电功率分别约为 1130～1632 kWh/t和 1005～1382 kWh/t。从以上数据可以看出,在整个纸机能耗中,干燥能耗最大,传动动力能耗和真空动力能耗加起来约占干燥能耗的1/3。

纸张干燥过程中能耗的构成主要有纸张和纸张中的水分升温到汽化温度所需的热能,水分蒸发所需的热量,蒸汽输送和烘干部消耗的能量,气罩等设备散发的热量等。蒸发出的蒸汽被空气带走并排到机外,然后进行回收或排空,冷凝水也被排到机外并用于回收二次蒸汽后送入锅炉。纸张和水分的比热为 1kcal/(kg·℃) (1 cal=4.18 J),而水分的汽化潜热约为538 kcal/kg,因此与汽化潜热相比,纸张升温到80℃的能耗约只有汽化的 1/7左右,故干燥的能量绝大部分用于水分的蒸发,也就是说随空气排到机外的温热空气中含有大量的热能。

干燥每吨成品纸所需要的热能与进出干燥部纸张的干度有关,根据物料平衡原理,可用下列公式计算：

式 (1)中,S表示干燥每吨纸需要蒸发的水量,t/t纸;T1、T2分别表示进出干燥部纸张的干度,%。

根据此公式计算的在纸张进干燥部常用干度范围内单位产量需蒸发的水量见表 1。

表1 纸张进干燥部的干度对蒸发水量的影响

纸机网部、压榨部和干燥部的动力消耗比率约为3∶3∶4,纸板机稍有不同但相差不大。动力消耗主要用于主传动和辅助传动,其中主传动的动力消耗约占99%以上。主传动消耗于这几个方面：滑动磨擦(如脱水元件等),各种辊子的滚动磨擦,刮刀引起的阻力,机械和安装误差引起的消耗等。但是这些动力消耗基本上与纸机运行速度成正比,故对单位产量动力消耗影响不大。

真空系统的动力消耗主要用于湿纸幅脱水 (包括压榨)和毛毯的洗涤调态。纸张或毛毯通过真空挤压脱水,脱出的水被通过的气流带走,故真空系统的动力主要消耗于气体的状态变化和流动,能耗的大小与抽气速率的平方和真空度成比例,故与生产的纸种有关,与纸机工作车速无正比关系。但在实际工作中,真空能耗除了用于有用功外,消耗于管路损失、真空度调节及脱水元件漏气的功率也不小。有的系统管路设计不当,使真空度在真空泵处为 0.06 MPa,但在用气点处则只有 0.03 MPa,能量损失很大。

2 节能途径及措施探讨

从以上论述可以看出,纸机的大部分能耗在干燥部,因此,干燥部应是节能所关注的重点,当然一直以来,许多企业也是这样在做的。要降低干燥部能耗,第一要尽量减少干燥纸张所需的蒸发水量,换句话说,就是要尽量提高纸张进干燥部的干度。纸张进干燥部的干度对蒸发水量的影响见表 1,纸张进干燥部的干度每提高 1个百分点,蒸发的水量可减少约3.8%～4.8%。而要提高纸张进干燥部的干度,只能依靠高效压榨装置。最近 10多年来,国际造纸界在高速高效压榨技术的应用上进步很大,高效压榨辊——靴式压榨辊的成熟应用,使得现代纸机的压榨布置有了很大变化 (见图 1),其特点也十分突出,主要有：①结构简化,减少压榨道数,最多两道压榨;②文化用纸纸机和纸板机的压榨形式趋于一致;③靴式压榨技术普遍采用,包括配套的可控中高辊;④蒸汽箱技术成熟应用;⑤压榨后的纸张干度显著提高。

图1 现代纸机压榨部——两道直通压榨

纸张顺利通过压榨部,不发生断头,不产生纸病等是纸机车速能否提高的关键因素。因此,压榨技术的发展方向一贯就是：提高单一压区的有效脱水率,减少压榨道数,压榨后纸张干度显著提高,而且结构要简化,能耗要降低。目前,国内常用的复合压榨形式可以减少操作问题的发生,但不能根本解决操作问题的发生,对纸幅干度的提高有限,因此复合压榨不可能是理想的压榨技术。如果一道压榨就可以达到纸张脱水的全部要求,这将是理想状态。目前,Voith公司已经在向市场推出单一压榨布置的压榨部 (见图 2),这说明高效压榨脱水技术又上了一个大台阶,也肯定了压榨技术发展的方向就是向单一压区的高效压榨脱水方向发展。

理论和实践都已证明[3],在纸张水分含量为45%～82%之间时,进行压榨脱水,在设备投资和使用成本上都是最经济的,约只占总成本的 12% (见图3)。

通过压榨,纸张能够达到的干度决定于许多因素(见图 4),如压力、压区长度或停留时间、滤水性、毛毯性能、温度等。对现代纸机,尤其是靴式压榨技术成熟应用后,纸张压榨后的干度可达到：文化用纸等约为 41%～44%,纸板类约为 46%～51%,提高了 3～6个百分点。如果靴式压榨技术能基本实现国产化,售价大幅下降,纸厂大量使用,则纸厂压榨后纸张的平均干度可提高 2～4个百分点,蒸汽消耗量可减少 10%以上,这对节能降耗意义显著。

有研究证明[4],通过压榨,纸张干度完全可达到 60%～65%。可见,压榨技术还有很大的发展空间,即使压榨后纸张干度可提高 1个百分点,其效益都是特别显著的。

干燥部的能耗主要是纸张中水分的蒸发过程：加热蒸汽释放潜热,将纸张中水分蒸发,加热蒸汽凝结成的冷凝水排出机外,含有纸张蒸发出的水分的湿空气也排出机外。而冷凝水和湿空气都含有大量热量,因此干燥部的主要节能途径之一就是如何利用或回收这些热量。对于如何尽量利用冷凝水中的热量,已经有很多人做了大量的工作,也取得了显著的效果,包括利用热泵技术和多段通汽技术,这些技术的应用比较成熟,在此就不论述。但湿空气中含有的大量热量 (或热能),其利用率还不够。现在普遍采用的密封气罩加热回收装置也仅能回收到 26%左右的湿空气热量,湿空气的其余大部分热量被排掉了,如果按干燥吨纸消秏 1.8 t蒸汽来计算,除去回收的热量,仍然有 866 kWh/t纸的能量彻底消耗掉,这是十分可观的,也是节能工作应努力的方向。

图4 影响纸张脱水及性能的主要因素

干燥部气罩有普遍罩和密封罩之分,普遍罩热量基本不回收,能耗很高,现代纸机已经不采用了。一般密封罩排风的温度约 82℃,露点温度 60℃,湿含量 0.14 kg水 /kg干空气,相对湿度约 36.3%。目前,常用的密封罩热回收是将汇风道里的热空气抽到机外,进行第一道气-气交换,以加热新鲜空气,然后再进行第二道热交换,加热工艺用水 (如网毯洗涤用水等),排风温度降到 45～50℃,相对湿度达到饱和,湿含量约为 0.065 kg水 /kg干空气[5-7]。饱和湿空气在低温部分的热量及湿含量较大的高温段的热量分别见表 2和表 3。

表2 饱和湿空气在低温部分的热量

表3 湿含量较大的高温段热量

由表 2和表 3可知,湿空气的热含量绝大部分是潜热,而不是显热,有利用价值。比较容易回收的也是潜热,回收潜热的多少,主要决定于空气的露点温度,露点温度越高,湿含量越多,潜热越高。

在实际工作中,尤其是在现有技术基础上,回收潜热的主要经济方法还是采用热交换,将湿空气中的水蒸气冷却到露点温度以下,主要回收湿空气中的潜热。但目前热回收系统有两个地方严重影响了回收热量：一是湿空气湿含量不高或露点温度不高;二是经二次热交换后的热风绝大部分排入空气中,而其中仍含有大量的热量。露点温度不高,主要是因为干燥部和气罩内部的结构较复杂,使湿空气在排出机外时的湿度、温度场、流场分布较为复杂,稍掌握不好,一旦出现滞流、漏气等就会产生结露、滴水,甚至破坏纸张等问题。受气罩保温及操作的限制,只能按照最有可能结露的情况来处理或降低湿含量。但仔细分析干燥部和气罩内温度和湿含量的分布可以发现,其实它们的分布是不均匀的,甚至是很不均匀的,在纸张大量蒸发区域的袋区,其局部湿含量可以达到 0.3 kg水 /kg干空气,温度也可达 92℃;但在干燥部的后端,即使是在袋区,其湿含量也只有 0.02～0.04 kg水 /kg干空气。

对于经两次热回收后排空的气体,其虽仍有大量热量,但由于温度较低,回收热量极其困难。因温度低,需要大量的换热载体和换热面积,成本很高。比较经济合理的方法应是尽量回用,然而排空的气体的湿含量较高,如简单回用将会影响到干燥效率。

纸张干燥有 3个阶段,即升速干燥,恒速干燥和降速干燥,干燥速率可由下列公式表达：

式 (2)中,K为传质系数;A为传质面积;Pw为干燥温度下的饱和蒸汽压;Pa为周围空气中水气分压。

根据干燥理论,被干燥水分可分为结合水和非结合水。在干燥初期,被干燥的水分为非结合水,其Pw等于相同温度下的饱和蒸汽压,这时纸张经过短暂升速干燥后,处于恒速干燥阶段,干燥速率大小主要取决于蒸汽压力,周围湿空气分压的影响很小,故进入该区域的热风湿含量可适当提高;但当进结合水分干燥阶段后 (大约在纸张干度 60%～65%),Pw是逐渐下降的,直至达到平衡水分的压力 (取决于周围空气的性质),干燥结束。由式 (2)可知,在这过程中,干燥速率是逐渐下降的,直至为 0,与此同时,周围空气或进入该区域的空气的水气分压对干燥速率的影响就越来越大,为了维持一定的干燥速率,进入该区域的空气湿含量应尽量低。因此,对进出这两个不同干燥阶段的湿热空气可以采用不同的处理方法,在恒速干燥阶段,可以在袋区直接抽取干燥纸张的湿空气,不必通过汇风道,以提高空气湿含量,降低空气用量,同时补充湿含量较高的热空气也不会对干燥速率产生影响或影响较小,这就意味着可以大量使用回收后的热空气,高湿含量的热空气可经2～3道热回收后排空。在降速干燥阶段,要大量补充湿含量很低的热空气,以保持正常的干燥,但此时排出的湿空气湿含量也低,可回收的热含量也低,可经简单的一次降温调态后回用。这样有两个优点：一是排空的气体减少了,热损失降低了;二是换热面积减少了,节省动力。初步估算节能效果在 15%以上。

真空系统方面,最应该注意的是真空系统的设计和真空度的调节。真空泵尽量靠近用气点,要按不同真空度要求配置真空泵,尽量不使用放气的方法调节真空度,真空度调节尽量采用变频技术来节能。对真空辊类,如真空伏辊,压榨辊等,要尽量采用新型的传动侧抽气的真空辊类,这样可节约能耗 8%～10%;有条件的企业还可采用透平式真空泵,目前国内已有厂家在开发透平式真空泵,如成功应用,对降低真空泵能耗会产生良好的效果。

对于动力消耗,节能的主要措施是从结构和润滑两个方面着手。结构方面主要是尽量减少辊子的数量,针对不同纸种的生产,合理使用刮刀,并加强喷水润滑 (湿部),调节好刮刀的线压力,不能过大,网、毯张力控制适度,在满足正常生产前提下,张力尽量小一些;对烘干部来讲,传动系统可以采用导辊传动与烘缸单点传动系统相结合的传动系统代替传统的多齿轮传动,据估计,这样可减少至少 15%的传动功率消耗。润滑方面主要是要针对不同工作条件的轴承选好润滑剂,并加强维护和观察工作,使轴承保持良好的工作状态。国产纸机在动力消耗方面的节能估计有 8%～12%的空间。

3 结 语

3.1 在造纸工段中,能耗最大的还是干燥部,湿空气排出的热量是最大的能量损失。

3.2 提高纸张进干燥部的干度,可显著减少蒸发的水分,故应大力研发和推广高效的靴式压榨技术。

3.3 干燥部通风应积极探索采用局部高露点温度,高湿含量通风技术,为排空的热风回用创造条件,从而降低能耗。

[1] 国家发改委.我国造纸工业现状及主要问题 [J/OL].http：//www.chinapaper.net.2007-11-05.

[2] 张 扬,刘秉钺.中国造纸工业能耗现状与分析[J].中华纸业,2008,29(10)：14.

[3] Peter Seifert.Pulp and Paper Manufacture[M].3th.The Water Removal Committee of the TAPPI Engineering Division,1991.

[4] Thorp A B,et al.The paper machine wet press manual[M].3th.The Joint Textbook Committee of The Paper Industry,1991.

[5] 吴震波.密闭式气罩在中幅纸机上的应用[J].中国造纸,2003,22(1)：59.

[6] 张小云.纸机工艺通风设计简介 [J].中国造纸,2010,29(2)：39.

[7] 周乐才.纸机密闭式气罩及其设计要点[J].中华纸业,2006,27(10)：54.

[8] 孙 平,王吉忠,刑明康.山东造纸行业能耗状况和对节能降耗的几点看法[J].中华纸业,2007,28(10)：17.

(责任编辑：陈丽卿)

Energy Consumption and Energy Saving ofModern PaperMachine

YANG Xu1,2,＊CHEN Ke-fu2WANGBei1
(1.Hangzhou Project&Research Institute of Electro-mechanic in Light Industry,Hangzhou,Zhejiang Province,310004;2.South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)
(＊ E-mail：bypyxy@163.com)

Based on the analysis of the constituent,distribution and characteristic of energy consumption of the modern paper machine,corresponding energy saving measurements are discussed,the ways of energy saving in dryer section and ventilation system in particular.

modern paper machine;energy consumption;energy saving

TS7

A

0254-508X(2011)02-0058-05

杨 旭先生,教授级高级工程师;主要研究方向：高速造纸机及特种造纸机。

2010-10-31