造紙過程節能潛力分析與節能技術應用

孔令波 劉煥彬 李繼庚 陶勁松

(華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，華南理工大學造紙與污染控制國家工程研究中心，廣東廣州，510640)

造紙過程節能潛力分析與節能技術應用

孔令波 劉煥彬 李繼庚 陶勁松

(華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，華南理工大學造紙與污染控制國家工程研究中心，廣東廣州，510640)

介紹了造紙脫水過程的特點，對比分析了國內外造紙過程的能耗狀況，闡述了造紙過程各工段的用能狀況及節能潛力。結合生產實際探討了造紙過程的節能技術，重點介紹了干燥部相關的節能技術，并對其應用做了綜述。

造紙過程;節能潛力;節能技術

造紙過程是造紙工業能耗最大的單元之一，我國造紙過程的平均能耗水平與世界先進水平相差較大，這主要是由我國造紙工藝裝備水平不高及能量系統優化程度較低造成的［1］。低碳經濟時代，怎樣運用節能技術促進造紙過程向低能耗、低排放、低污染方向發展是我國造紙工業面臨的主要問題之一。針對此問題，本文首先對我國造紙過程的能耗現狀和節能潛力進行了分析，然后結合生產實際探討造紙過程各工段的節能技術及其應用。

1 造紙過程的能耗狀況與節能潛力

1.1 造紙脫水過程的特點

紙張的抄造過程是一個不斷脫水的過程，該過程由網部、壓榨部和干燥部組成。網部是通過重力、脈沖或真空的作用將上網低濃漿料 (0．1% ～1．0%)脫水至15%～25%的干度;然后借助壓榨部機械力的作用進一步脫水至33%～55%;最后在干燥部多組烘缸的蒸發作用下逐漸脫除紙幅內殘留的水分，出干燥部紙幅干度一般為90% ～95%［2］。干燥過程蒸發出來的水分在空氣系統上升氣流的作用下向氣罩上方運動，經抽風機排出干燥部;排出的濕熱空氣先經過換熱系統回收余熱，再由引風機送入煙囪排至大氣［3］。

造紙過程以干燥部脫水量為最少，以圖1所示的某新聞紙機脫水過程為例，99%的水分是在網部和壓榨部脫除的，干燥部脫除的水分僅占上網紙料含水量的 0．96%。

1.2 我國造紙過程能耗狀況

我國造紙過程的單位產品綜合能耗為:噸漿紙比國際先進水平高0．18～0．48 t標煤［4］;噸紙和紙板比

圖1 某新聞紙機脫水過程

國際先進水平高120%［5］;就不同紙種來看，由表1所示的國際先進能耗水平［6］和2008年廣東相關紙廠實際能耗［7］的比較可知其差距亦較大。通過以上對比，發現當前我國造紙過程的節能空間較大。

表1 造紙過程綜合能耗對比［6-7］kg標煤/t(風干)

表2 造紙過程各工段用能狀況及節能潛力［8-9］

1.3 造紙過程用能狀況及節能潛力

表2給出了造紙過程各工序的用能狀況及節能措施，并對各工段的節能潛力進行了初步分析評估。

盡管干燥部脫水量不到上網漿料含水量的1%，但卻是造紙過程能耗最大的工段，約占造紙總能耗的65%以上［10］。由表2可知，干燥部節能潛力最大，為0．4～2．1 GJ/t(風干)(包括熱和電);其次是網部節能潛力，為60～190 kWh/t(風干);壓榨部和壓光/卷紙的自身節能潛力均較低。

2 網部節能潛力與節能技術

網部脫水量雖然最多，但脫除等量水分所需的成本卻最低。網部、壓榨部和干燥部脫除等量水分的成本約為 1∶70∶330［11］，網部主要消耗電能，存在60～190 kWh/t(風干)的節電潛力，因此應確保網部具備良好的脫水性能。常見的網部節能措施有高濃成形、夾網成形及真空系統優化等技術。

高濃成形可以節省漿料輸送、脫水和驅動的動能。視生產紙種不同，高濃成形尚有8%～20%的節能空間 (相對于成形的電耗而言)［12］。夾網紙機的成形器比長網紙機短，不僅能減少電耗，還能提高紙張質量。文獻 ［13］指出夾網成形可節電40 kWh/t(風干)。

真空系統是僅次于紙機傳動的第二大耗電單元，占紙機電耗的10% ～17%［9，14］。某紙廠對真空系統進行的評估表明該系統存在約25%的節能潛力［15］。真空系統管理的有效手段是實施監視能耗狀況，常見的節能措施有:真空度較低的部位用排氣扇取代真空泵，去掉不必要的真空箱，不同部位的真空泵的合理設置，真空泵之前設置汽水分離器，定期清洗真空泵，實時控制不同部位的真空度以及變頻控制等。

3 壓榨部節能潛力與節能技術

干燥部與壓榨部脫除同樣質量的水分所需的能量比，以未漂硫酸鹽漿紙板機為例，其值約為7．5∶1［9］。從節能的角度來看，改善壓榨部性能以提高出壓榨部紙幅干度是更為經濟的一種脫水方式。盡管對壓榨部而言，其自身節能潛力僅為12～28 kWh/t(風干)，但卻能給干燥部帶來巨大的節能潛力。

濕紙幅經壓榨部脫除的水分越多，干燥時能耗就越低。對于“壓榨干度每提高1%，干燥部可節省多少蒸汽量?”這一問題，文獻 ［16-19］都認為在3%～5%之間?？晒澕s蒸汽量之所以不同，是由所選取的初始壓榨干度和卷紙干度不同造成的。據調查，現行紙機的壓榨干度為33%～55%，卷紙干度為90%～95%，運用理論干燥模型預測壓榨干度每提高1%，干燥部可節省8．5% ～3%的蒸汽，如圖2所示，這一結論基本上適宜于當前所有的紙機。

圖2 壓榨干度對干燥部汽耗的影響

靴式壓榨將輥式壓榨的瞬時動態線性脫水改為了靜壓下長時間的寬壓區脫水，是一種高效的壓榨脫水方式。靴式壓榨以其優越的脫水性能在國內外得到了廣泛應用，目前可達到50% ～55%的壓榨干度［20］。國內某瓦楞原紙紙機采用Voith靴壓后，壓榨干度由46%提高至51%，噸紙汽耗降低17%［21］;國外某薄頁紙機采用X-NIP T靴壓后，干燥部汽耗可降低15%［22］。

壓榨輥面的材料和形式也是影響壓榨效率的重要因素，在設計時應給予重點關注。壓榨毛毯也是壓榨部優化的一個重要部分，因為它不僅有利于濕紙幅脫水，還可以減少紙幅回濕的可能性，從而間接提高了進入干燥部的紙幅干度［14］。另外，濕紙幅在經過壓榨部時溫度會降低，如果能維持其溫度不變或提高溫度，亦可節省干燥部汽耗。一般情況下，壓榨時若能使紙幅溫度升高10℃，則干燥部可節約4%的蒸汽［19］。文獻 ［23］對壓榨部的優化措施進行了詳細介紹，可作為紙機壓榨部優化的依據。

50%～55%的壓榨干度已是目前能達到的最高水平，但仍有進一步提高的可能性。美國林產業技術路線優先考慮的研發需要之一就是提高壓榨干度，目標是在現有基礎上再提高10% ～15%，使進干燥部紙幅干度達到65%的水平［24］。進干燥部紙幅干度提高10%意味著干燥部節能可達30%，因此通過改善紙機壓榨效率以節約干燥部能耗還有較大的空間。

4 干燥部節能潛力與節能技術

干燥部是造紙過程能耗最大的工段，電耗60～130 kWh/t(風干)，熱耗 2．85 ～4．85 GJ/t(風干);同時也是造紙過程節能潛力最大的工段，約為0．4～2．1 GJ/t(風干)。

干燥部傳熱速率q(kJ/(m2·s))和水分蒸發速率w(kg/(m2·s))是衡量紙幅干燥效率的重要指標，分別如式 (1)和式 (2)所示［25-26］。

式中，U為總傳熱系數，由冷凝水傳熱系數、烘缸壁厚、烘缸壁導熱系數、烘缸與紙幅的傳熱系數、通風溫度和流量等因素決定;K為總傳質系數，由干網透氣度、干網張力、通風濕度和流量、氣罩空氣露點等因素決定;(Ts-Tp)為烘缸內蒸汽與紙幅溫度差;(Pp-Pa)為紙幅表面與周圍空氣的水氣分壓差。

由式 (1)和式 (2)可知，U和K是決定干燥部能效的關鍵因素。對某臺紙機而言，U和K主要受冷凝水層厚度、干網透氣度和張力、通風溫濕度和流量以及氣罩空氣露點等變量影響。所以，干燥部節能應首先從提高傳熱傳質方面入手，以下分別從強化烘缸傳熱、蒸汽梯級利用、通風系統、熱回收等方面論述了提高熱、質傳遞的相關技術。

4.1 強化烘缸傳熱節能

烘缸作為干燥部的主體，其傳熱性能的好壞對紙機的能耗影響最大。常見的強化傳熱措施有:增加烘缸內壁冷凝水湍動、及時排除冷凝水、端蓋保溫、合理選用干網和調節干網張力等。

4.1.1 增加烘缸內壁冷凝水湍動

對傳統烘缸內壁進行適當改造，如樹脂掛里、加裝擾流棒以增加冷凝水的湍動程度，可有效提高烘缸的傳熱性能。樹脂掛里既可防止內壁腐蝕，又能提高傳熱系數，文獻［27］指出采用樹脂掛里可使傳熱系數提高38%，節約蒸汽約6．9%。加裝擾流棒對傳熱效率的改善因紙機車速不同而不同［28］，車速越高越有利于傳熱，見表3。文獻 ［29］指出，車速為1000～1400 m/min的紙機烘缸加裝擾流棒可使烘缸傳熱系數提高40%～50%。

4.1.2 及時排除冷凝水

冷凝水通常是借助固定式或旋轉式虹吸管排除烘缸外的，固定式虹吸管普遍應用于車速較高的紙機，可使傳熱效率提高5% ～10%［9］;旋轉式虹吸管不僅適于低車速時冷凝水聚集在烘缸下部的情況，也適于高車速時冷凝水在烘缸內形成水環的情況，還可減少干燥部傳動的電耗，是排除烘缸內冷凝水的有效裝置［25］。除虹吸管類型及尺寸外，決定冷凝水排除的因素還有:壓差大小、冷凝水管道的尺寸等，在設計和操作時應給予全面考慮。

表3 擾流棒對傳熱的影響［28］

圖3 烘缸端蓋散熱情況

4.1.3 烘缸端蓋保溫

許多紙機的烘缸端蓋保溫效果不佳，由此造成了較大的熱損失。筆者對烘缸端蓋進行的測試結果見圖3。圖3(a)所示烘缸端蓋表面溫度高達121．5℃，而圖3(b)的表面溫度只有67．7℃。烘缸端蓋溫度過高，將會導致大量的熱量會從端蓋散失掉。一個直徑為1．5 m的烘缸每年因端蓋散熱造成的損失約相當于86 t蒸汽的熱量［30］。由此可見，烘缸端蓋保溫的節能效果顯著。

有研究表明，烘缸端蓋90%的散熱損失是可以通過加強保溫而避免的，可降低1．7% ～3．0%的能耗，且投資回收期不到1年［30］。文獻 ［31-32］對端蓋保溫的具體措施進行了詳細介紹，可作為企業實施端蓋保溫措施的技術支持。

4.1.4 合理選用干網和調節干網張力

干網的使用大大提高了紙幅的水分蒸發速率。Clontz W．R．的測試顯示［33］，干網與干毯相比可使水分蒸發速率提高7%，同時可節約干燥部10%的汽耗。如今干網以其優越的性能已取代了干毯的歷史地位，幾乎應用于所有的紙機烘缸組，但隨著干網的普及，干網透氣度和張力已成為影響干燥效率的重要因素，對此在優化干燥部能量系統時應給予關注。

干網透氣性能對傳熱、傳質都有影響，是決定水分蒸發速率的關鍵因素。一般透氣度越大越有利于傳質，但對于與紙幅有接觸的那部分干網，則不利于傳熱。從節能的角度來講，透氣度的選取并不是越大越好，而是存在一個對應于能耗最小的最佳值。各機臺應結合各段烘缸組的蒸發速率和能耗情況合理選用，以使熱、質傳遞處于最佳狀態。另外，在紙機運行一段時間后，干網表面會變臟，這會對它的透氣性能產生影響，所以應不定期清洗干網，也可以安裝在線清洗裝置避免類似情況的發生。對某安裝在線清洗裝置的紙機進行的節能量審核表明，可以達到年節能2%的效果［34］。

干網張力的作用是使紙幅緊貼在烘缸表面，以改善烘缸與紙幅的傳熱。一般張力越大又有利于傳熱。據統計，干網張力每增加175 N/m，可使干燥效率提高0．7%［9］。對于舊紙機，TAPPI推薦的干網張力為1．4～1．7 kN/m，而對于現代化紙機可以高達 2．6 kN/m［35］。生產中應根據實際工況的不同，合理調節干網張力，以保持干燥效率的最大化和干燥能耗的最小化。

4.2 蒸汽梯級利用節能

4.2.1 多段通汽節能

多段通汽的干燥效率較直接通汽有了較大提高，可減少新鮮蒸汽用量。多段通汽由之前的蒸汽直接利用改為了梯級利用，符合逐級用能的原則，有利于充分利用蒸汽的潛熱，并能有效排除冷凝水。由于各段烘缸之間的蒸汽壓力是逐級遞減的，還可以有效地調節干燥曲線、改善紙張質量。

目前，以三段通汽系統在紙機上的應用為多。圖4為某新聞紙機三段通汽結構圖，其中III段由1#～5#烘缸組成，GRP3為II段，GRP4和GRP5為I段。各段烘缸間的壓差隨操作條件的不同而異，可按干燥曲線實時自動調節。調研發現，大多數紙機的壓差并不是系統自動調節的，而是根據操作經驗調節的。為了保證烘缸內冷凝水的順暢排出，壓差往往設置的偏大，這就造成了蒸汽的浪費。通過完善蒸汽冷凝水的控制系統，合理調節各段壓差和二次蒸汽用量，不僅可以節約蒸汽用量，還能提高紙機的生產效率。烘缸管理系統控制軟件 (DMSTM)可用來實時優化蒸汽冷凝水系統，在Stora Enso Biron PM26的應用表明，可以節約能源費用26．3萬美元/年，投資回收期僅為7個月［36］。

圖4 某新聞紙機三段通汽結構圖

多段通汽系統自身也存在缺陷［37］，如:不利于調節紙機干燥部各段烘缸的供汽壓力和用汽量、烘缸中冷凝水難以順暢排出、烘缸的傳熱效率低、熱能得不到充分利用等。

4.2.2 熱泵通汽節能

針對多段通汽的不足，20世紀50年代出現了熱泵通汽技術。熱泵通汽可以解決多段通汽存在的問題，由于可增加抽吸不凝氣體的能力，并能使烘缸內冷凝水順暢排出，從而能提高蒸汽的放熱系數和烘缸的傳熱效率。熱泵不直接消耗機械能或電能，而是利用工作蒸汽減壓前后的能量差為動力，來提高二次蒸汽和廢熱蒸汽的品位供生產使用，因此可以降低新鮮蒸汽的消耗量［38］。某紙機由三段通汽改為熱泵通汽后可節約 4．94%的蒸汽［39］。

盡管熱泵通汽較多段通汽有眾多優勢，但在現代化紙機上的應用卻并不多見，這可能是由于熱泵通汽的能耗成本比多段通汽高，因為熱泵通汽需要額外的高壓蒸汽作為驅動蒸汽 (約為總通汽量的25%～30%)［37］，而在很多紙廠并沒有現成的高壓蒸汽可利用，況且高壓蒸汽比低壓蒸汽的成本要高。

4.3 通風系統節能

通風系統對紙幅干燥速率的影響僅次于蒸汽冷凝水系統。通風優越的干燥部與無通風的相比，可使干燥速率提高25%［26］。另外，有效的通風不僅能使干燥速率提高1% ～12%，還可節省電能和熱能［40］。據估計，優化通風系統可降低熱耗0．76 GJ/t(風干)，減少電耗 6．3 kWh/t(風干)［41］。

通風溫度和濕度是影響干燥效率的重要變量，溫度過高會增加蒸汽消耗，濕度過大則會降低水分蒸發速率。通風溫度以82～93℃為宜，某通風量為3400 m3/min的紙機的送風溫度由113℃降為93℃之后，不但干燥效率沒有降低，還節約蒸汽2180 kg/h［19］。排風濕度則因氣罩類型而異，敞開式氣罩一般為40～70 g H2O/kg干空氣，密閉氣罩為120～140 g H2O/kg干空氣，高濕度密閉氣罩則可達180 g H2O/kg干空氣。

根據筆者的調查，大多數企業并沒有認識到要對其通風系統進行調節，這就造成了大量的能源浪費。實際生產中應根據環境、車速和蒸發速率的變化實時調節通風系統，以使能耗最小。通風系統的自動控制包括:調節通風量，使露點、零位恒定;調節循環風量，使送風濕度恒定;調節空氣加熱器蒸汽流量，使送風溫度恒定。

4.4 熱回收節能

紙機干燥部排出的濕熱空氣 (即氣罩排風)帶走了蒸汽傳給烘缸的大部分熱量［42］。以某年產30萬t的紙機為例，約有40 MW的熱量是由氣罩排風帶走的，其熱回收系統就可回收20 MW的余熱［43-44］。目前我國半封閉氣罩紙機排風幾乎均無熱回收，即使某配備有密閉氣罩的現代化紙機也僅回收了30%的余熱。而性能優良的熱回收系統這一比例可達60% ～70%［45］。由此可見，在余熱回收方面存在的節能潛力還較大。

據報道，通過安裝熱回收系統可節約蒸汽0．5 GJ/t紙［46］。另外，通過熱回收系統的優化集成亦可以有效降低干燥部的蒸汽消耗，Kilponen L．對某紙機熱回收系統的優化研究表明，可以節約10%～15%的汽耗［47］;Nordman R．利用夾點技術對瑞典某制漿造紙企業進行過研究［48］，對于冷、熱物流較復雜的熱回收系統建議采用夾點技術來優化其換熱網絡。基于夾點技術的原理，筆者就造紙機干燥部換熱系統提出了一種優化分析方法，并對某在線涂布紙機的熱回收系統進行了優化研究，結果表明，可節約2．3% 的蒸汽［49］。

5 能量系統診斷與優化技術

5.1 能量系統診斷技術

能量系統診斷技術是挖掘節能潛力的有力工具，文獻［50］介紹了干燥部的診斷方法，并給出了關鍵指標的推薦值，可作為我國造紙企業干燥部能量系統診斷和優化的指南。在此基礎上，國外多家機構曾對紙機能量系統進行過診斷與優化分析，如Albany、Voith、Feltri等公司曾分別對廣州造紙集團的1#紙機和9#紙機，岳陽泰格林紙集團的1#紙機，廣東東莞理文紙業的3#紙機和4#紙機進行過分析。華南理工大學劉煥彬團隊擁有先進的能量系統診斷儀器，已對國內多臺紙機進行過系統的分析，如金東紙業的1#紙機、2#紙機和3#紙機、廣東東莞理文紙業的1#紙機和2#紙機、永發紙業的11#紙機和12#紙機，為企業進一步挖掘了節能空間，并提供了相應的技改措施。以永發紙業的11#紙機為例，診斷結果表明，存在約22%的節能潛力。

5.2 能量系統綜合優化技術

能量系統綜合優化技術用于過程行業可大幅降低企業能耗，并能顯著提高企業經濟效益，屬國家發改委重點推廣的關鍵技術，也是國家十大節能工程實施方案之一。劉煥彬團隊運用“三環節”方法對造紙過程能量系統進行過研究，開發了適于造紙企業的“三環節能量系統綜合優化技術”［51-57］。針對造紙企業的復雜流程，還開發了集造紙企業能量流、物料流、信息流于一體的“造紙企業能量系統優化信息平臺 (MEOP 1．0版本)”，該平臺將系統、準確、實時地調度生產能量配給，優化熱電廠運行，減少人為調度的局限性，使企業能量調度達到全局優化的目的，在廣州造紙集團的應用表明可達到5%的節能效果［58］，現階段正在廣東東莞理文紙業開發完善其MEOP 2．0 版本。

6 結語

造紙過程是一個不斷脫水的過程，從節能的角度來看，改善網部和壓榨部的脫水性能是更為經濟的一種脫水方式。常見的網部節能技術有:高濃成形、夾網成形及真空系統優化等。常見的壓榨部節能技術有:大輥壓榨、靴式壓榨及升溫壓榨等。通過強化烘缸傳熱、蒸汽梯級利用、通風系統以及熱回收系統優化等技術提高熱質傳遞效率，可有效節約烘缸蒸汽用量。

雖然干燥部脫水量不及上網漿料含水量的1%，但卻是造紙過程能耗最大的工段，電耗60～130 kWh/t(風干)、熱耗 2．85 ～4．85 GJ/t(風干)，約占造紙過程總能耗的65%以上。當前我國造紙過程干燥部的節能潛力最大，為0．4～2．1 GJ/t(風干);網部次之，為60～190 kWh/t(風干);壓榨部最小，僅為12～28 kWh/t(風干)。盡管壓榨部的自身節能潛力小，但卻能給干燥部帶來巨大的節能潛力。一般情況下，壓榨干度每提高1%，干燥部可節省3%～8．5%的蒸汽。目前壓榨干度已達到了50% ～55%，今后仍有進一步提高的潛力，預計可達到65%的水平，相當于存在約30%的節能空間。

能量系統診斷與優化技術是提高紙機運行效率、減少紙機干燥部能耗的有效手段，可為企業挖掘更大的節能空間;能量系統綜合優化技術則是從系統優化的角度研究企業級的能量系統，不僅包括了上述單項節能優化技術，而且還提出了過程系統用能效率的改進措施和工程實施方案，是目前我國造紙過程節能技術發展的主要方向之一。

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Potential Analysis and Application Techniques of Energy Efficiency in Papermaking Process

KONG Ling-bo LIU Huan-bin*LI Ji-geng TAO Jin-song
(State Kay Lab of Pulp and Paper Engineering，National Engineering Research Center of Papermaking and Pollution Control，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong Province，510640)
(*E-mail:hbliu@scut．edu．cn)

This paper firstly introduced the characteristics of dewatering process in a paper machine，then the energy consumption status of papermaking process both at home and abroad were compared，and the energy consumption status and energy efficiency potential of each papermaking units were discussed．Finally，the energy efficiency techniques and its applications in papermaking process were reviewed．

papermaking process;energy efficiency potential;energy efficiency techniques

TK01+8;TS7

A

0254-508X(2011)08-0055-08

孔令波先生，在讀博士研究生;主要研究方向:制漿造紙節能與過程優化技術。

2011-03-01(修改稿)

本課題由廣東省科技廳節能減排重大專項 (2010A080801002)資助。

(責任編輯:常 青)