我國造紙工業能耗的發展變化與現狀分析

劉秉鉞

(大連工業大學,遼寧大連,116034)

我國造紙工業能耗的發展變化與現狀分析

劉秉鉞

(大連工業大學,遼寧大連,116034)

宏觀分析了我國造紙工業的能耗發展變化情況,噸紙標準煤能耗從 1985年的 1.76 t,降低到2007年的 0.46 t;微觀分析了我國不同紙機的能耗,不同原料、不同制漿設備、不同制漿方法的化學漿能耗,以及高得率漿和廢紙漿的能耗。

能耗;造紙工業;節能減排

節能減排是我國政府“十一五”期間宏觀調控的重要內容。雖然造紙行業未被列入 “高能耗、高污染”的六大行業中,但節能減排仍是造紙行業一項重要和緊迫的工作,也是一項必須承擔的社會責任。造紙行業是耗能較大的工業,對煤炭和電力的需求較大,因此,能否降低造紙工業的能源消耗成為造紙工業可持續發展的關鍵所在。

1 我國有關能源的政策法規

1997年 11月 1日第八屆全國人民代表大會常務委員會第 28次會議通過了“中華人民共和國節約能源法”,以法律的形式確立了全社會節約能源。規定了節能管理,合理使用能源,節能技術進步和相關的法律責任。這是我國第一部對能源節約的法律。

2006年 8月 6日發布的 “國務院關于加強節能工作的決定”使社會各個行業開始認識到節能工作的重要性和緊迫性。該決定強調應該用科學發展觀的思想統領節能工作,加快構建節能型產業體系,著力抓好重點領域 (鋼鐵、有色金屬、煤炭、電力、石油化工、化工、建材)的節能,大力推進節能技術進步,主要目標是到“十一五”期末,萬元國內生產總值 (按 2005年價格計算)能耗下降到 0.98 t標準煤,比“十五”期末下降 20%左右。重點行業主要產品單位能耗總體達到或接近本世紀初國際先進水平[1]。這個決定體現了國家對國內節能工作的強調和重視。

2007年 4月 27日,溫家寶總理在全國節能減排工作電視電話會議上講話——“高度重視、狠抓落實,進一步加強節能減排工作”(以下簡稱《講話》)的發表,使全國上下進一步加強了節能減排力度。《講話》中提出遏制高耗能、高污染行業過快增長,是推進節能減排工作的當務之急,也是當前宏觀調控的緊迫任務;并要加快淘汰落后的生產能力;全面實施節能減排重點工程,大力發展循環經濟,全面推行清潔生產;強化節能減排監督管理力度等政策。這是我國走向綠色經濟、循環經濟的必由之路?？梢哉f,溫總理的《講話》使節能工作進一步深化。2007年6月 3日,國務院又發布了《節能減排綜合性工作方案》 (以下簡稱《方案》)。該 《方案》中,對有關節能減排的政策,激勵和約束機制都做出了明確的規定和要求。這也是我們實行節能減排工作的重要依據和最終目標。

從這些政策可以看出,節能是各個行業擴大發展的大趨勢,自“十一五”規劃綱要制定以來,節能工作就成了我們走可持續發展之路、大力發展循環經濟的關鍵所在。造紙行業作為耗能大戶,應該在節約能源的方向上做出更大的努力。

2 我國造紙工業能耗發展變化

為了使造紙行業能夠節能,首先應當了解我國造紙行業的能耗發展變化情況。我國造紙工業所消耗的能源以外購為主,主要包括:原煤 (約占總能耗的73%)、外購電力 (約占總能耗的 23%)、天然氣、重油及蒸汽。

根據《中國統計年鑒》和《中國能源年鑒》匯總的用于我國造紙及紙制品行業的能源消耗總量,根據《中國造紙年鑒》匯總的我國紙及紙板的產量,可以計算出我國紙和紙板的綜合能耗如表1所示,其發展變化情況見圖1。

表1 我國紙和紙板的綜合能耗

由表1可以看到,我國在 1985年每噸產品的綜合能耗為 1.76 t標煤,遠高于歐洲、美國及日本的0.6～0.8 t標煤;可以說,那時我國的能源消耗水平還遠遠落后于先進國家。造成我國造紙行業綜合能耗高的原因:除管理水平外,主要包括能源結構、原料結構、企業規模、自產能源的利用、技術裝備等 5個方面。

圖1 我國紙和紙板的綜合能耗

2.1 能源結構

國外造紙工業外購燃料以重油、天然氣為主,燃燒效率高,噸產品耗能少;國內造紙企業燃料的構成中煤炭約占 70%,用煤的品種多,而且我國煤的燃燒效率低,污染嚴重,尤其是劣質煤。同時一次能源轉換成二次能源蒸汽及電力時,如自備熱電站的熱電聯產,其自身耗用能量即廠自用電率高達 15%～25%,大大高于國外燃油的用電率。另外還有大量的小造紙廠僅僅使用供熱鍋爐,沒有采用熱電聯產,不能充分發揮燃煤的梯級利用效益。

2.2 原料結構

原料結構不合理,木材纖維原料比重小,非木材纖維原料比重大。表2列出了從 1985年到 2008年我國紙漿的消費量及主要組成的相關數據,圖2示出了原料組成的變化趨勢。1985年我國的木漿和廢紙漿所占的比重低,草漿等非木材纖維紙漿比重高。

圖2 我國歷年進口木漿和廢紙漿所占比例以及國內回收廢紙漿所占比例

2.3 企業規模

1985年我國有 4551家造紙企業,平均年產紙及紙板 0.36萬 t;最大的企業規模僅為年產 15萬 t。由于大量的小企業存在,所以無法采用先進節能裝備,無法裝備熱電聯產合理使用熱能與電能;甚至裝備不了化學制漿必不可少的堿回收設備,從黑液中回收堿與熱能都達不到必要的經濟規模,在浪費能源的同時,還造成嚴重的環境污染。到 2002年我國有3500家造紙企業,平均年產紙及紙板量為 1.08萬 t左右;年產 100萬 t的企業已有 2家,最大的企業規模為年產 111萬 t。到 2007年我國的造紙企業仍為3494家,平均年產紙及紙板量為 2.10萬 t;年產 100萬 t的企業已發展到 7家,最大的企業規模為年產443萬t。

2.4 自產能源的利用

自產能源在制漿造紙工業中是絕對不可低估的。因為數量龐大的蒸煮廢液溶解了來自植物纖維原料50%左右的有機物質,樹皮及其他燃料的數量也很可觀。自給能力的高低說明了能源利用和能源節約的水平。為數眾多的中小型造紙企業對制漿廢液及其他“伴生能源”幾乎尚未利用。

2.5 技術裝備

1985年我國剛剛開始改革開放,國內造紙企業的技術裝備大部分是 20世紀 50—60年代的水平,部分是 20世紀 60—70年代的水平,個別從國外引進的設備,也是二手機,是國外淘汰更新的舊設備。例如蒸煮工藝方面,以間歇蒸煮為主,而且 90%以上是蒸球;又如紙機中圓網紙機占 60%以上,幅寬多為2 m以下,抄速多在 200 m/min以下。由于行業技術裝備整體水平低,從而造成能源利用率低下。

進入到 21世紀以后,我國的造紙行業有了很大轉變,噸產品的能源消耗漸漸降低,2000—2005年我國單位產品的能源消耗基本保持在 0.6 t標煤,近幾年通過國家狠抓節能減排,我國造紙的能耗水平又有所降低,2007年單位紙和紙板的能耗達到 0.46 t標煤。

具體分析不同紙機、不同漿種的能耗,并與歐洲 20世紀末的能耗水平進行比較。

3 我國抄紙能耗的分析

3.1 不同紙機能耗的比較

筆者對我國國內 5種不同紙機的能耗進行了調查,考察范圍均是從紙料及各種助劑進入抄紙車間開始,經過打漿、調料、篩選、凈化,然后上網脫水、壓榨、干燥,直至完成整理為止。圓網紙機雖然設備比較落后,但生產管理比較嚴格,做到了全封閉零排放,噸紙耗水主要是干燥部蒸發和各類污泥廢渣帶水;其干燥部的烘缸罩屬于敞開式的。普通長網紙機,屬于國產紙機,大約是20世紀 80年代水平,生產的膠版紙需要進行表面施膠,其干燥部的烘缸罩屬于半封閉式的。水平夾網紙機,2007年安裝,是目前世界上最先進的新概念紙機之一,其壓榨部采用蒸汽箱,干燥部的烘缸罩屬全封閉式的。疊網紙板機是國產的比較先進的紙板機,其網部由四層長網組成,干燥部的烘缸罩屬全封閉式的。涂布白紙板機是進口的,采用機內涂布方式,涂布后采用熱風干燥,干燥部的烘缸罩屬全封閉式的。這 5種紙機的主要參數見表3。

表3中:

折標煤 1(按當量值):1 kWh=3596 kJ=0.123 kg標煤

折標煤 2(按等價值):1 kWh=0.334 kg標煤(中國 2007年火電發電,以下相同)

紙機的熱效率η (%)按下式計算:

式中:Q供給——由動力鍋爐供給的新鮮蒸汽送入的熱量,MJ;

Q有效——有效利用的熱量,MJ;Q有效按式 (1)計算:

式中:C水、C纖——分別為水和纖維的比熱容,kJ/(kg·℃);

m水、m纖——分別為進入紙機干燥部的水和纖維的質量,kg;

表3 我國不同紙機能耗對比

t1、t2——分別為紙料進入和離開紙機干燥部的溫度,℃;

t3——烘缸罩內排出的濕熱空氣的溫度,℃;

W—干燥 1 t紙所蒸發的水量,kg;

i″3—烘缸罩濕熱空氣中的水蒸氣在 t3時的熱焓值;kJ/kg;

i′1—濕紙頁中的水分在 t1時的熱焓值;

由表3可以看出,抄紙機的熱效率與烘缸罩的型式密切相關,采用全封閉式烘缸罩,提高進干燥部的新鮮空氣的溫度,減少進干燥部的新鮮空氣量,對于降低散熱損失,提高紙機的熱效率是非常有利的。圓網紙機雖然管理比較嚴格,達到了白水的全封閉零排放,但由于紙機的結構所限,干燥部基本屬于敞開式,所以熱耗很高,為 7.29 GJ/t紙,熱效率僅為 53%,相當大的一部分熱能損失掉了。對于半封閉的普通長網紙機,通風換氣的熱能得到了一定程度的利用,所需要的熱能為9.21 GJ/t紙,比起圓網紙機,其熱耗高的原因是由于產品的品種是膠版紙,增加了表面施膠,不僅需要熬制淀粉膠,而且在干燥部,當紙頁干度達到 85%左右時進行表面施膠;盡管增加了對熱能的需求,但熱效率也得到了一定程度的提高,達到了55%。而世界上最先進的水平夾網紙機,采用了一系列的節能措施:烘缸罩全封閉,壓榨部采用蒸汽箱,通過利用烘缸回水的余熱,把壓榨部的紙料溫度提高到 40℃,進而有利于壓榨脫水,使出壓榨部的紙頁干度提高到 48%,所以對熱能的需求很低,僅為 3.88 GJ/t紙,是圓網紙機對熱能需求的 1/2。其熱效率高達 64%。

紙板機的熱效率都比較高,進干燥部的干度都達到 45%,疊網紙板機和涂布紙板機對熱能的需求分別為 5.18和 4.38 GJ/t紙;由于烘缸罩全封閉,紙板干燥所需用的新鮮空氣的量可以達到盡量地少,而且其中的熱量可以得到充分利用,所以其熱效率分別達到了 74%和 70%。

3.2 與歐洲造紙發達國家的抄紙能耗比較

表4為歐洲造紙發達國家在 20世紀末的抄紙能耗,原文獻中只給出了熱耗和電耗[5],為了便于與我國抄紙的能耗進行對比,將其能耗分別折算為標準煤。熱能折算為標準煤是根據:1 kg標煤 =29308 kJ來折算的。電能折算為標準煤,按照兩種方法:

表4 歐洲造紙發達國家不同紙種的能耗

(1)折標煤 1,按當量值,即按照物理學電熱當量,1 kWh=3596 kJ=0.123 kg標煤來折算;

(2)折標煤 2,按等價值,即按照中國 2007年火電發電,1 kWh=0.334 kg標煤來折算。

由表4可以看出,水平夾網紙機生產新聞紙的能耗為 0.26 t標煤/t紙,比起歐洲造紙發達國家的(以下簡稱 “歐洲”)能耗 0.338 t標煤 /t紙還要低,確實是世界最先進的紙機。設備比較落后的圓網紙機,只要管理嚴格,其能耗 0.368 t標煤 /t紙也與歐洲的瓦楞原紙的能耗 0.361 t標煤 /t紙相當。普通長網紙機生產需要表面施膠的膠版紙時,其能耗 0.523 t標煤 /t紙,也在歐洲的未涂布非木纖維紙的 0.428～0.550 t標煤 /t紙的范圍內。

疊網紙板機屬于比較先進的紙板機,其能耗為0.320 t標煤/t紙,比歐洲的硫酸鹽漿掛面紙板機的能耗 0.375 t標煤 /t紙還要低;涂布白紙板機是我國新引進的非常先進的紙板機,其能耗為 0.285 t標煤/t紙,比歐洲的涂布木漿紙機的能耗 0.391 t標煤 /t紙還要低很多。

4 我國制漿能耗的分析

4.1 化學法制漿

化學法制漿就是在一定的壓力和溫度下,通過加入一定的化學藥劑,將纖維原料中的木質素溶出,使料片達到纖維分離點的制漿方法。根據使用化學藥劑的不同可以分為堿法制漿 (包括硫酸鹽法)、酸法制漿;根據生產是否連續,可以分為連續蒸煮和間歇蒸煮;根據使用的蒸煮設備不同,可以分為蒸球、立鍋、橫管連續蒸煮器、立式連續蒸煮器 (卡米爾)等。筆者對我國采用不同原料,不同蒸煮方法,不同蒸煮設備的不同廠家制漿能耗進行了調查。調查的范圍是從原料送入蒸煮工段開始 (不包括備料),至噴放后制得的含水粗漿 (稱為液體漿),包括蒸汽的熱回收。如果是漂白漿,后面還有漿料的洗滌、篩選和多段漂白。幾種不同制漿方法和不同制漿設備的能耗見表5。

由表5可以看出,同樣制得達到纖維分離點的粗漿,不同蒸煮設備的能耗差別較大,按照能耗由小到大的順序排列依次為:立式連蒸 <堿法立鍋 <酸法立鍋 <蒸球。

蒸球是 20世紀六七十年代的蒸煮設備,容積較小,蒸煮采用直接加熱,漿料噴放雖有熱回收,但能耗依然是最高的,達到 0.224 t標煤 /t漿。酸法立鍋的蒸煮能耗為 0.203 t標煤 /t漿,比堿法立鍋的蒸煮能耗 0.196 t標煤 /t漿略高一點,主要是由于蒸煮的周期比較長;但其漿的白度比較高,在后續的漂白工段可以把能耗降下來,所以可以認為酸法和堿法的間歇立式蒸煮設備的能耗相當。蒸煮采用直接加熱和間接加熱兩種方式,漿料噴放雖然有熱回收,但能耗依然較高?？谞栠B續蒸煮器是我國新引進的最新的連續蒸煮設備,蒸煮結束后在器內進行黑液的提取和藥液的預熱,實現了“冷噴放”,熱能得到了充分的利用,其能耗僅為 0.092 t標煤 /t漿;能耗比間歇蒸煮設備的低 50%。

表5 我國不同制漿設備、不同制漿方法制漿能耗的對比

表6 歐洲造紙發達國家 KP液體漿的熱耗與電耗[5]

傳統的洗選設備和 CEHP四段漂白,不僅避免不了可吸附有機鹵化物 AOX的產生,而且其能耗也比較高,達到 0.179 t標煤 /t漿。氧脫木素-DD洗漿機-CDE0D1D2漂白是我國近年新引進的比較先進的洗選漂設備和工藝,不僅可以使污染負荷 (AOX的含量)大大降低,而且能耗也很低,僅為 0.102 t標煤/t漿,相當于傳統洗、選、漂的 57%。連續蒸煮配以新式的洗選漂工藝流程所制得的漂白漿的能耗為0.194 t標煤/t漿,而間歇蒸煮和傳統洗選漂工藝流程配伍所制得的漂白漿的能耗為 0.375 t標煤/t漿,降低了近 50%。

把我國的制漿能耗與歐洲制漿能耗進行比較(見表6)。我國的馬尾松 KP漿的粗漿能耗為 0.375 t標煤 /t漿,處在 “歐洲”的 KP液體漿 0.368～0.526 t標準煤/t漿區間下線,即便再加上黑液提取和備料的能耗,應當也在其區間內。即我國的木漿制漿的一般能耗與歐洲造紙發達國家的能耗相當。而我國新近建立的連續蒸煮,其粗漿能耗為 0.092 t標煤/t漿,漂白漿能耗為 0.194 t標煤 /t漿,在世界上也屬于先進的水平,比起歐洲的闊葉木 KP液體漿能耗下降一半左右。

4.2 高得率漿

筆者調查了我國的 3種高得率漿:磨石磨木漿(SG W)、盤磨化學預處理堿性過氧化氫機械漿(P-RC APMP)、漂白化學預熱機械漿 (BCT MP),調查的范圍是從原料開始,到成漿為止,包括對漿的漂白。有關數據見表7。

第一種是磨石磨木漿 (SG W)。這種漿在國際上已有 100多年的歷史,在我國也有 50多年的生產歷史,是一個比較成熟的制漿工藝過程,在工藝和設備上沒有太大的改進,隨著紙漿強度性質更好的化機漿的出現,它處于停滯狀態,并有逐漸被淘汰的趨勢。這種漿在夏季不需要熱能,在冬季只需要少量的熱能,表7的數據是冬季的熱耗,僅需要 0.024 kg標煤/t漿,而對電能的需求非常高,需要 1485.49 kWh/t漿,按照等價值折合成標煤為 0.520 kg標煤 /t漿。與歐洲的 SG W(76°SR)的能耗 0.551～0.592 kg標煤 /t漿比較,要略低一些,應當還是比較先進的。

表7 高得率漿能耗對比

堿性過氧化氫機械漿 (APMP),漂白化學預熱木片機械漿 (BCT MP),由于具有得率高、印刷適性好、亮度與松厚度及光散射性組合理想等優點,可以改善紙頁成形,減少紙頁表面的微孔,加強纖維內部的結合,提高紙張的松厚度,改善紙張的壓縮性能,穩定紙張的尺寸等,是近 20年發展較快的化機漿,我國的這些化機漿也是近 10年從國外引進的新漿種。制備這兩種漿的特點都是需要大功率的高濃盤磨機和木片擠壓疏解機,這都是消耗電能很高的設備,而且在磨漿的過程,有很多的電能會轉化為熱能,所以如果做好熱能的回收利用,可以基本不使用,或者僅使用少量的熱能。我國的 P-RC APMP使用 1.324 GJ/t漿的熱能和 1830.02 kWh/t漿的電能,按照等價值折合為 0.656 t標煤 /t漿;BCT MP使用 0.283 GJ/t漿的熱能和 2180.92 kWh/t漿的電能,按照等價值折合為0.738 t標煤 /t漿;與表8歐洲的 CT MP相比,P-RC APMP的能耗與之相當,BCT MP的能耗高一些,可能是增加漂白所致。這兩種高得率漿的能耗有進一步降低的可能,一個是通過熱能回收,把高濃磨漿的熱能收回,用于木片的預熱,達到少用、甚至不用新鮮蒸汽的效果。另一個是降低磨漿的能耗,可以考慮第二段磨漿降低磨漿的濃度,可望大大降低能耗。

表8 歐洲造紙發達國家高得率漿的熱耗與電耗[5]

表10 歐洲造紙發達國家廢紙漿的熱與動力需求[5]

4.3 廢紙漿

表9示出了兩種廢紙漿,D IP未漂漿是目前國內大量小廠采用的,大多與圓網紙機相匹配,通過簡單地洗滌法脫墨,也許簡單地漂白一下,也可能不進行漂白;這種廢紙漿的能耗僅為 0.132 t標煤 /t漿;由于對樹脂障礙沒有采取有效合適的措施,所以在抄紙時常常受到膠黏物的困擾。D IP漂白漿和新型高速紙機相匹配,不僅采用氣浮法脫墨,而且還采用熱分散機,往往還要通過過氧化氫的氧化性漂白和甲脒亞磺酸 (或連二亞硫酸鈉)的還原性漂白。其能耗達到0.243 t標煤 /t漿 。

表9 廢紙漿能耗對比

與表10中所列的歐洲的廢紙漿比較,小廠的D IP未漂漿的能耗 0.132 t標煤 /t漿與歐洲廢紙脫墨漿的 0.138 t標煤 /t漿相當,而 D IP漂白漿的 0.243 t標煤 /t漿能耗,有相當大的能耗是花費在熱分散和漂白上,無論是過氧化氫漂白還是甲脒亞磺酸(或連二亞硫酸鈉)漂白都需要在 80℃左右的溫度進行。

5 結 語

宏觀分析了我國造紙的能耗,從 1985年的 1.76 t標煤 /t紙,經過 15年的努力到本世紀初的 2000年達到 0.60 t標煤 /t紙;再經過近 10年的努力,尤其是2006年以來,國家把節能減排作為我國可持續發展,保證我國走向綠色經濟、循環經濟的必由之路后,2007年,造紙的能耗進一步降低到 0.46 t標煤 /t紙。微觀分析了我國不同紙機的能耗,不同原料、不同制漿設備、不同制漿方法的化學漿能耗,以及高得率漿和廢紙漿的能耗。

[1] 國務院文件.國發[2006]28號.國務院關于加強節能工作的決定[J].寧波節能,2006(5):3.

[2] 中國統計年鑒.分行業能源消費總量和主要能源品種消費量.中華人民共和國國家統計局官方網站(http://www.stats.gov.cn/).統計數據.年度數據.

[3] 2006中國造紙年鑒[M].北京:中國輕工業出版社,2007.

[4] 顧民達.中國廢紙回收利用的現狀與展望[J].紙和造紙,2006(25):13.

[5] Johan Gullichsen,Carl-Johan Fogelholm.Chemical Pulping(6B)[M].Finland:FapetOy.

The Development and Current Status of Energy Consumption of China's Pulp and Paper I ndustry

L IU Bing-yue
(Dalian Polytechnic University,Dalian,Liaoning Province,116034)

The macro analysis of the energy consumption development of china's pulp and paper industry indicated that it was reduced from 1.76 tce/t paper product in 1985 to 0.46 tce/t paper product in 2007.At the same t ime,the micro analysis on the energy consumption of different papermachines,different raw materials,different pulping equipment,different chemical pulpswith different processes,as well as high yield pulp and waste paper pulp was carried out.

energy consumption;pulp and paper industry;energy saving and emission reduction

TS7

A

0254-508X(2010)10-0064-07

劉秉鉞先生,教授;研究方向:清潔生產和制漿造紙節能。

(E-mail:liubingyue1948@yahoo.com.cn)

2010-04-15(修改稿)

(責任編輯:趙旸宇)