熱泵在造紙工業節能減排中的應用

劉俊杰

（天津科技大學材料與化學工程學院，天津，300222中國制漿造紙研究院，北京，100020）

熱泵在造紙工業節能減排中的應用

劉俊杰

（天津科技大學材料與化學工程學院，天津，300222中國制漿造紙研究院，北京，100020）

對熱泵的原理及特點等進行了介紹，并詳細地闡述了其在造紙行業幾個能源消耗較大的節點，包括紙機干燥部、化學制漿黑液蒸發、化學機械制漿高濃廢水高效預濃縮等方面應用的節能減排效果。

熱泵 節能減排 制漿 造紙

熱泵蒸發裝置有節能效果，且適于在較小溫差下工作，因而引起國內外的廣泛重視。特別是70年代西方世界能源危機以來，能源價格猛漲，而且蒸汽價格比電價增長得快，這就使得熱泵蒸發節能和經濟效益的重要性更為顯著。熱泵不僅用于核工業、食品、制藥以及溶劑回收，還用于能源消耗較大的造紙工業，在造紙工業中應用的熱泵主要為噴射型吸收式熱泵和壓縮型開路循環式熱泵。

造紙工業雖然沒有列入“高能耗、高污染”的六大行業中，但節能減排仍是造紙工業一項重要和緊迫的工作，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。在造紙工業生產過程中，經常需要數種不同壓力等級的蒸汽作為生產用汽，但是熱源能提供的蒸汽壓力一般比較單一，目前普遍采用的供熱方式是對蒸汽進行節流減壓的方式。節流減壓式供熱造成熱能的無效貶值和浪費，蒸汽噴射泵技術能有效利用高品位蒸汽的熱能，進行供熱蒸汽的壓力匹配，回收廢蒸汽，使蒸汽熱能得到充分利用，起到節能作用。另外，在制漿造紙過程中產生大量的二次低壓蒸汽，難以直接應用于生產，通過壓縮型熱泵提高蒸汽的壓力及溫度重新用于生產而達到回用水平，降低新鮮蒸汽的耗量，達到顯著的節能效果。

1 熱泵的工作原理

根據逆向卡諾循環的理論基礎，結合壓縮型開路循環式熱泵的特點，其基本工作原理就是使被蒸發的料液所產生的二次蒸汽，經過壓縮機的絕熱壓縮，使其壓力、溫度有所上升，熱焓也有所增加，然后使其作為加熱蒸汽再送回蒸發器的加熱室與被蒸發的料液進行熱交換，使料液得到繼續蒸發，而蒸發本身則被凝結成水再加以利用，從而節省了大量的熱能，提高了熱效率，簡而言之，以少量的高值能，如機械功、電能等，通過熱力循環，把大量的低溫位熱能轉化成為有用的高溫位熱能加以利用。

該原理可以從蒸汽的焓－熵圖來解釋，見圖1。

圖1 水蒸汽焓（I）—熵（S）圖

從蒸發器出來的二次蒸汽狀態為A，此時的狀態參數為，壓力 P1＝1.0 大氣壓，溫度 t1＝100℃，熱焓I1＝639Kcal/kg。如果壓縮機對汽體做功。經絕熱壓縮dq＝0，即等熵過程，S＝常數，ds＝＝0，二次蒸汽由狀態A沿等熵線變化，把壓力提高到P2＝1.5大氣壓，變為狀態B，成為過熱蒸汽。再經噴水，消除過熱變為狀態C的飽和蒸汽。其過程是汽體由狀態B沿等壓線下降與飽和線相交，此時水蒸氣狀態參數為P2＝1.5大氣壓，t2＝110.79℃，I2＝643kcal/kg。狀態 C 的飽和蒸汽即可作為熱源。促成蒸發的推動力為△t＝110.79－100＝10.79℃。

由圖1可知，將具有大量潛熱的二次蒸汽通過壓縮機做功，熱焓由639kcal/kg提高到643kcal/kg，只需提高4kcal/kg的熱，就使二次蒸汽提高品位（提高約10℃）達到它的潛熱可以再利用的程度。普通多效蒸發器的二次蒸汽的潛熱均降級使用，而第一效蒸發器所需的熱能又要完全由新鮮蒸汽來補充。所以熱泵蒸發是一個高效節能的方法。

2 熱泵蒸發裝置的特點

1）熱泵最突出優點就是熱效率高，節能效果顯著，只需消耗少量的高值能即可獲得大量的滿足工作要求的高溫位熱量，從而回收了大量的低溫位余熱，提高了能源利用率，收到良好的經濟效益。

2）熱泵蒸發裝置結構緊湊、占地面積小，可以省去龐大的供汽鍋爐和復雜的冷卻系統設備，同時也節省了大量的冷卻用水，這就等于節省了許多燃料，并且減少了大氣的污染，保護環境，提高了經濟效益。

3）熱泵裝置的啟動和壓縮機的驅動方式可以因地制宜。比較靈活，如選用電動、汽輪機、柴油機均可滿足需求。

4）這種裝置操作方便，運行安全可靠，易于實現系統的自動化。

3 熱泵的種類及用途

熱泵包括噴射型吸收式熱泵、壓縮型閉路循環式熱泵及壓縮型開路循環式熱泵等。

噴射型吸收式熱泵的最大特點就是沒有轉動部件，比壓縮型熱泵構造簡單。但是，使用這種熱泵必須具有較高壓力的蒸汽作為推動熱源。一般利用低于150℃的蒸汽作為動力時，其能量利用上并不合算，而且在操作條件方面也不易控制，由于從中所獲的能量和經濟收益有限，所以使用場合不多，在造紙工業中用于紙機干燥部。

壓縮型閉路循環式熱泵，多用于建筑采暖、冷凍、干燥等空調系統。它的實際制熱系數一般在2.5～4.5左右。系統中必須選用適當的載熱劑（制冷劑）如氟利昂12等。

壓縮型開路循環式熱泵適于工業預熱的回收，如石油、化工、輕紡、食品、核能等工業領域里的某些沸點升高不大，熱敏性較強的要求有效溫差較少的水溶性料液的蒸發、蒸餾操作單元均可選用它作為濃縮凈化、提純和溶劑回收的手段。這種裝置的實際致熱系數一般為5.5～10左右，若設計的換熱設備較好，系統匹配得當其實際制熱系數還可以大大提高。

4 熱泵在制漿造紙工業中的應用

4.1 在紙機干燥部的應用

國內老式紙機普遍采用單段、二段或三段通氣方式的常規供熱干燥系統。單段通氣供熱系統中，紙機干燥部全部耗用新蒸汽，在每段缸前采用閥門來調節進入烘缸的蒸汽壓力和蒸汽量，從烘缸排到大氣中的蒸汽凝結水中夾帶大量的廢熱蒸汽，浪費熱能，還造成環境污染。在二段或三段通汽供熱系統是多段串聯逆向蒸汽供熱，在各段烘缸間依靠汽水分離的閃蒸蒸汽與凝結水系統的壓差推動蒸汽進行熱力循環。高溫段烘缸排出的蒸汽凝結水通過汽水分離，產生的二次蒸汽供給低溫段烘缸。存在以下缺點：①無法單獨調節紙機各段烘缸溫度，不利于建立適合各種紙張要求的最佳烘缸溫度曲線。低溫段烘缸利用二次蒸發汽為熱源，不利于單獨調節各段烘缸所需要的蒸汽壓力和流量。②烘缸中的凝結水難以通暢排出，烘缸內積水造成表面傳熱強度降低，影響成紙質量和產量。③浪費能源污染環境，用蒸汽吹出烘缸中的凝結水，破壞了烘缸各段用汽的平衡，同時熱力系統排出的凝結水中帶走大量的蒸汽。

熱泵技術是解決以上問題的有效途徑，某造紙廠對傳統干燥部進行改造，采用兩次閃蒸雙級閉式熱泵供熱代替兩段通汽供熱系統，經系統改造，紙機烘缸排水不暢等不利因素得到改善，噸紙汽耗由4.02t降低到 2.65t，電耗由 537.84kWh降低到500.26kWh，單位產品汽耗平均汽耗下降34.07%，平均電耗下降6.98%，由于改造應用熱泵供熱系統，使紙機烘缸連續排水通暢，解決了烘缸表面傳熱強度低，紙機傳動系統晃動等不利因素，紙機達到穩定生產，改造后月平均產量比改造前增加9.1%，經濟效益顯著。

近年來，還有研究人員研制了可調節式熱泵供熱系統替代不可調節式熱泵供熱系統用于紙機干燥部，增大了紙機干燥部熱泵供熱系統調節范圍，保證烘缸供汽壓力和烘缸排水壓差，回收了二次蒸汽，降低了冷凝水排放溫度，提高了烘缸表面溫度和紙幅表面水蒸汽分壓力，在紙幅干燥過程中起到了強化干燥傳熱、傳質的作用。克服了不可調節式熱泵供熱系統在紙機工況變化時，只能采用調節新蒸汽壓力的方法來滿足紙幅干燥工藝的要求，熱泵進口新鮮蒸汽調節閥開度會減小，造成熱泵做功能力降低，而造成蒸汽有效能損失降低熱泵工作效率的問題。

4.2 化學漿黑液蒸發

熱泵蒸發裝置用于蒸發廢液（黑液）可以以單效形式作為稀黑液預濃縮器，稀黑液濃度低、粘度小、沸點升高小，器蒸發強度和傳熱系數將會顯示出更高的水平，適用于蒸發面積不足的工廠，作為補充蒸發器以擴大生產能力，也可以多效并聯串聯代替部分蒸發器。

熱泵蒸發與普通蒸發相比，可引用能量使用比例EUR及熱泵蒸汽節汽指數SSI這兩個概念來評價。EUR表示以普通蒸發法應消耗的能量與包括電補償及壓縮功耗在內的熱泵蒸發使用的能量之間的比例。中國造紙研究院試驗得出熱泵的EUR為5～6，（其理論EUR為10以上），說明一臺熱泵蒸發器相當于普通蒸發5～6效，或者其使用的能量相當于普通蒸發的1/5～1/6?？梢钥闯鰺岜帽绕胀ㄕ舭l大大節能。熱泵蒸發的熱經濟性較好，蒸發效率較高。節汽指數SSI為14.5～72。即每公斤蒸汽蒸發14.5～72公斤的水，而相同規模的六效蒸發站蒸發效率只有4.8。這樣，由于使用電能就大大節約了蒸汽，在電能供應充足、價格低廉，而蒸汽供應緊張，成本又高的地方可以因地制宜的選用熱泵蒸發來替代多效蒸發站。

中國制漿造紙研究院采用熱泵技術對木漿黑液進行蒸發實驗發現：固形物從15.5%濃縮到46%時，能耗比四效蒸發器的綜合能耗低約30%，污冷凝水BOD5去除率56%。對造紙草漿黑液蒸發實驗發現：固形物含量從10.7%濃縮到40%時，能耗比四效蒸發器綜合能耗低40%，污冷凝水BOD5去除56%。

4.3 化機漿廢液的濃縮

高得率制漿是由于其節約木材資源及環境污染相對較小等優點在近年來快速發展，但其帶來的環境污染也不容忽視?；瘜W機械漿P-RC APMP制漿廢水中，CODCr含量為13000mg/L，溶解性CODCr含量為11600mg/L，BOD5為 5300mg/L，SS 含量為 1250mg/L。成分比例與化學漿接近，但濃度較低，僅為1%～2%，屬高濃廢水，采用傳統水處理措施進行處理，達標排放難度較大。而直接進行堿回收難以實現能量自給。國內某大型造紙企業，經技術攻關采用熱泵技術對廢水進行預濃縮，使其濃度從1.65%濃縮到15%，使其中90%的水分蒸發出來，經預濃縮的廢液進傳統蒸發堿回收系統，消減有機污染物的同時，實現化學品及能量的回收。其運行成本較多效蒸發系統低（見表1），不過前期投資較多效蒸發系統高。

圖1MVR與MEE的運行成本比較

結語

利用熱泵供熱系統（部分）回收造紙工業過程余熱是造紙行業節能減排潛力挖掘的一種有效手段，熱泵技術在造紙工業節水、節能、降耗、減少污染等方面均具有較大的應用前景，隨著熱泵技術的發展及節能減排工作的推動，其應用將越來越廣泛，將在改善環境，穩定生產，節能減排方面發揮重要的作用。

[1]Sun D W，Eames I W，Recent developments in the design theories and application of ejectors-a review[J].Journal of the Institute of Energy，1995，68:65

[2]隋國忠，李善臣，呂延平.蒸汽噴射式供熱系統在紙機干燥紙頁工藝中的應用 [J].應用能源技術，1995（3）：35

[3]閻爾平，張曉弟，羅正芳等.熱泵供熱及烘缸干燥強度的研究[J].中國造紙 2006，25（11）：39

[4]趙云松.APMP及CTMP廢水的零排放[P].全國非木材纖維原料連蒸及堿回收經驗交流推廣會

[5]湯偉，呂定云，王孟效.造紙機熱泵供汽系統的應用[J].中國造紙 2007，26（10）：49

[6]Gerald Hough.Chenical Recovery in the alkaline pulping processes[M]TAPPI PRESS

[7]王長慶.用高溫吸收式熱泵回收工業余熱[J].能源工程 1988（8）：13

2011－6－28

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劉俊杰

天津科技大學材料與化學工程學院2008級在讀碩士，主要從事制漿、環保技術研究，

電話：010-65817476

草類原料清潔制漿專欄