現代造紙機的節能與降耗

陳克復，楊 旭，2

(1.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣州 510640;2.輕工業杭州機電設計研究院，杭州 310004)

1 前言

我國造紙工業在最近10年得到極大發展，總產量已是世界排名第一。然而，我國造紙工業的效益并不高，能源消耗及對環境的壓力也是越來越大。高速造紙機在節能降耗方面具有極大的優勢，因此文章主要討論高速造紙機(也稱現代造紙機)的節能降耗問題。

對于造紙機，在目前技術條件下，根據車速的高低可對造紙機的類型重新定位。如對現代文化造紙機可分別定位如下。

1)車速≤400 m/min:低速造紙機。

2)400 m/min＜車速≤800 m/min:中速造紙機。

3)800 m/min＜車速≤1 200 m/min:準高速造紙機。

4)1 200 m/min＜車速≤1 800 m/min:高速造紙機。

5)車速＞1 800 m/min:超高速造紙機。

同樣，對紙板造紙機、衛生紙造紙機也應相應地重新定位。對于文章所提到的現代造紙機，應該是裝備控制先進、車速在準高速以上的造紙機。目前我國對高速造紙機和超高速造紙機主要是依靠引進，但價格昂貴，很多造紙企業都難以承受。由于現代造紙機在節能降耗方面的優勢，從“十一五”科技規劃開始，已定位為我國今后的研制和開發重點。經過近些年的努力，已取得了重大進展，如對文化造紙機，我國已生產出車速為1 000 m/min和1 200 m/min的準高速造紙機，車速達1 500 m/min的國產高速造紙機也將在2012年投入運行。

文章主要討論下列兩個問題:

1)現代造紙機在節能降耗方面有什么優勢?

2)現代造紙機如何通過關鍵技術裝備的發展，逐步實現節能降耗?

2 現代造紙機節能降耗的優勢

2.1 現代造紙機實現節能降耗的途徑

1)通過改進各操作單元的結構，即實施先進的關鍵技術與裝備，實現節能降耗。目的是:a.提高成形部、壓榨部的紙頁干度;b.盡量回用白水和節水;c.盡量降低蒸汽用量;d.盡量減少電耗。

2)通過提高現代造紙機的整機效率，即提高其抄造率及產品成品率來實現節能減排，目的是在全自動控制的條件下實現穩定運行。

2.2 現代造紙機節能降耗的優勢

這里的現代造紙機主要指文化紙機，從表1所列出的國內外現代造紙機(個案)實際運行時的節能降耗相關數值以及表2列出的接受調查的、正運行的現代造紙機節能降耗的總體情況，可以了解到現代造紙機節能降耗的先進性。

拿表1和表2的相關數據與我國正運行的常規造紙機的節能降耗情況相比，現代造紙機具有明顯的先進性。我國正運行的多數常規造紙機，在能耗與物耗(如水耗、原料消耗)方面，與先進的現代造紙機相比要大得多，如能耗要超出0.5～1.0倍，水耗要超出1～2倍。可以認為現代造紙機是節能降耗的優選裝備。

表1 國內外現代造紙機(個案)實際運行時的節能降耗相關數值Table 1 Energy conservation data in the practical running of modern paper machine at home and abroad(case)

表2 接受調查的、正運行的現代造紙機節能降耗總體情況［1］Table 2 Total energy conservation in the practical running of modern paper machine surveyed［1］

2.3 現代造紙機各操作單元關鍵技術

現代造紙機主要由下列各部件組成［2］:紙漿流送與流漿箱裝備、紙頁成形與脫水裝備、壓榨脫水與壓榨裝備、紙頁干燥裝備、分散控制系統(distributed control system，DCS)、質量控制系統(quality control system，QCS)、真空系統、傳動控制系統等。

2.3.1 流漿箱技術與裝備的發展

現代造紙機的流漿箱技術發展的目的是為了提高車速與紙頁質量，如勻度等品質，其發展過程為。

1)水力式流漿箱(滿流式流漿箱):可滿足車速1 200 m/min以內的文化紙造紙機。

2)稀釋水調濃水力式流漿箱:可滿足車速1 200 m/min以內的文化紙造紙機。

3)智能型白水稀釋調濃水力式流漿箱:可滿足車速達1 200～1 800 m/min的文化紙造紙機。

特別是智能型白水稀釋調濃水力式流漿箱(見圖1)，可以認為這是目前最先進、最節能的流漿箱。它具備了稀釋水調濃水力流漿箱的所有優點和特點，并使用白水作為稀釋水，具有完備的稀釋水系統，即具有稀釋水總管、稀釋水閥、水閥執行器、稀釋水混合模塊、稀釋水橫幅定量控制系統。通過計算機軟件實現了稀釋水橫幅定量的全自動性控制，成為智能型水力式流漿箱。

圖1 智能型白水稀釋調濃水力式流漿箱Fig.1 Intelligent hydraulic headbox with dilution water adjustment

2.3.2 脫水成形技術與裝備的發展

脫水成形的目的是以最低的動力消耗獲取較高的紙幅干度，并提高紙頁質量。其發展過程為:

1)長網加頂網的脫水技術:可用于中速的現代造紙機。

2)頂網增設真空脫水箱的脫水技術:可用于中速及準高速的現代造紙機，見圖2。

3)夾網雙面脫水技術:可用于高速甚至超高速的現代造紙機，見圖3和圖4。

特別是夾網雙面脫水技術——夾網成形器，雖然已發展多年，但仍是目前最先進的脫水成形器。根據脫水元件配置的不同，分為夾網刮板、夾網輥筒(見圖3)、夾網輥筒－刮板(見圖4)共3種形式的成形器，從結構上分直立式(內外網)和水平式(上下網)兩種。

2.3.3 真空系統節能的重要性

真空系統是紙機除動力外的第二耗電系統，對于現代造紙機，應該使用優良的真空系統，關閉可不用的或替換舊的真空裝置，這樣可大幅度地節能。真空系統節能措施包括:

1)選擇省電真空裝置，如透平真空泵比水環真空泵省電。

2)定期檢查。

3)內部清潔及性能監視，低于設計能力80%以下的真空泵應進行改造或替換［3］。

圖2 頂網增設真空脫水箱長網成形器Fig.2 Fourdrinier with hybrid former

圖3 輥式夾網成形器Fig.3 Roll former

圖4 輥式/刮板混合式夾網成型器Fig.4 Blade/roll gap former

2.3.4 壓榨技術與裝備的發展

壓榨技術的目的是以盡可能少的能耗來提高紙幅出壓榨部的紙頁干度。實踐證明:出壓榨部的紙頁干度每增加1%，干燥部的能耗將降低3%。其發展過程如下。

1)多輥多壓區復式壓榨技術與裝備(見圖5):可用于中速及準高速文化紙機。例如，河南江河紙業公司采用這一壓榨部配置應用于1 000 m/min和1 200 m/min的文化紙機。

2)以一組靴式壓榨為中心的多輥多壓區復式壓榨技術與裝備(見圖6):可用于準高速和高速文化造紙機，如1 500 m/min車速。

3)兩組靴式壓榨組成的封閉直通式壓榨技術與裝備(見圖7):可用于高速和超高速文化造紙機。

圖5 多輥多壓區復式壓榨Fig.5 Multi nip composite press with additional press

圖6 一組靴式壓榨為中心的多輥多壓區復式壓榨Fig.6 Multi nip composite press with one shoe-type press

目前已有2 000 m/min車速的應用實例。一組靴式壓榨為中心的多輥多壓區復式壓榨技術:在上述多輥多壓區基礎上，由一組靴式壓榨替代其中一組壓榨。由于靴壓壓區可達到200～300 mm，相當于常規壓榨的6倍以上，因此可提高紙頁出壓榨部干度50% ～52%，節能效果明顯，適用于車速為1 200～1 500 m/min的高速造紙機。

兩組靴式壓榨組成的封閉直通式壓榨技術:兩組壓榨均為雙毯壓榨，紙幅以直行的運行路線通過整個壓榨部，避開了離心力的影響，實現壓榨部的全封閉引紙。可用于高速造紙機及超高速造紙機，如1 500～1 800 m/min或1 800～2 000 m/min的造紙機，紙頁出壓榨部干度可達到53%或更高，節能效果更加明顯。

圖7 兩組靴式壓榨組成的封閉直通式壓榨Fig.7 The closed direct through press with two shoe-type press

2.3.5 紙幅干燥技術與裝備的發展

紙幅干燥的目的是以最小的能耗取得最好的干燥效果，并盡量回收熱能。一臺正常運行的造紙機能耗主要表現為傳動動力能耗、真空動力能耗及干燥能耗，這3種能耗的總和約占單位紙頁產品所有能耗的2/3［3］。而這三種能耗中，干燥能耗所占比例最大，是動力和真空能耗總和的3倍。也就是說，干燥能耗要占單位產品總能耗的一半［3］。干燥技術的發展重點為下列3個方面:干燥系統結構的改造、設置密閉汽罩并回收熱能、實施提高烘缸傳熱速率及節能措施。

1)干燥系統結構的改造。采用單排烘缸干燥裝置，紙頁在全部承托狀態下通過整個干燥部。增設預干燥裝置，使紙頁在進入干燥部前就具有較高溫度和干度。增設紙頁穩定器，保證紙頁處于無擾動狀態下干燥進行。實現全封閉真空引紙，消除無承托的開式紙頁運行區，實現紙頁由壓榨部向干燥部的安全過渡。

2)設置密閉汽罩并回收熱能。如不設置密閉汽罩且不回收熱能，將消耗大量能量。必須使用密閉汽罩，采用熱交換回收外排濕熱空氣潛熱，采用干燥過程分段處理外排濕熱空氣。對于恒速干燥段，可經2～3道熱回收后排空。對于降速干燥段，大氣補充濕含量很低的熱空氣，以保持正常繼續干燥，排出空氣經降溫調態后可回用。

3)實施提高烘缸傳熱速率及節能措施。提出提高烘缸傳熱速率及節能措施，盡量減少蒸汽的損失，如防止蒸汽泄漏、冷凝水外排等;優化烘缸冷凝水系統的性能;盡量使用低壓蒸汽;盡量回收冷凝水。

3 研發國產現代造紙機的車速及幅寬的定位

3.1 現代造紙機特別是超高速造紙機在技術上仍然存在的科技難題

1)紙幅牽引問題。主要是紙頁的剝離、牽引，這是高速造紙機目前存在斷紙現象的最危險的部位。根據前人的研究，當車速提高時，紙幅慣性產生的張力迅速增加。在一定紙漿配比和濕紙幅干度的條件下，過大的張力超過濕紙幅的強度而斷紙。車速越高，在這一部位存在斷紙的危險性就越大。在技術上，為避免斷紙，應盡量減少紙幅無依托狀態的“裸紙”牽引，高速造紙機多采用真空吸移技術，但不管采用哪種技術，紙幅在一個操作區域剝離進入下一個操作區域時，或長或短仍存在“裸紙”牽引的問題。因此，由于速度太快，張力增大，使得高速造紙機調試周期比較長。

2)QCS問題。由于造紙機車速過快，掃描元件在掃描架上的移動速度遠低于紙頁穿過掃描架的運行速度。因此，掃描元件捕獲每一周期的信息即所提供的數據遠不是紙頁同一條橫坐標上所反映出的實際數據，這就對高速造紙機生產的紙頁縱向質量提出很高要求，縱向質量稍有差異，將產生檢測數據不真實性，甚至出現偏差。高速造紙機的車速越高，這種偏差就越大，并且存在不可鑒別性。

3)事故預警系統問題。高速造紙機的事故預警系統是自動控制系統的關鍵，特別是質量事故，如不及時糾正處理，將浪費大量的能量及人力、物力。但是高速造紙機不可能完全準確地預報事故的發生，也就不可能準確及時地進行糾正和處理。假如紙頁在運行過程中出現一個小裂縫，這一小裂縫將在瞬時內形成大裂縫而產生斷紙。人們都希望在紙頁出現小裂縫時造紙機能準確預報并及時處理，但生產實際中都是在產生斷紙后才知道。

3.2 從高速造紙機裝備加工技術的角度考慮

加工實踐證明，幅寬5 m是造紙機加工技術的分界線，國內可加工幅寬大于5 m造紙機的機加工裝備較少，如國內要生產幅寬5 m以上的造紙機，就要更新換代機加工裝備，這將使造紙機制造公司投入過大，從目前情況看，我國造紙機制造公司也不可能有這樣的經濟實力。

3.3 從目前已引進的大型造紙機運行情況考慮

國內已有多家造紙公司高價引進設計車速達1 800～2 000 m/min、幅寬10 m以上、年產能40萬t新聞紙和文化用紙的大型造紙機，但據了解，存在抄造率及產品成本率達不到預期目標的現象。由于上述所討論的大型高速造紙機實際存在的難題，這些難題有的現代科學還解決不了，因此要經過很長時間的運行實踐，才能達到運行穩定期。由于過于大型，一旦抄造率及產品成本率上不去，不但達不到節能降耗，反而花費大量電力、人力、物力，最終浪費財力。高速造紙機如花費巨資引進，用來生產低附加值的紙張，性價比低，很難盈利。

3.4 從運行操作技術的需要及人才培養角度考慮

高速造紙機特別是超高速造紙機是一臺具有現代科學技術的全自動化的大型裝備，需要經過嚴格培訓及全面培養的管理、維護、操作人才，加上高速造紙機特別是超高速造紙機存在如上述分析的難題，對相關人才的要求就更為高遠和嚴格。但事實上，造紙機行業非常缺少這方面的培訓或培養，單靠引進時供應公司幾個星期的交流是遠遠不夠的。

3.5 對我國研發及生產高速造紙機方面的建議

對我國低附加值的造紙業，建議盡量不要高價引進超高速(1 800 m/min以上)的大型造紙機。國產高速造紙機研制及生產的定位建議為:對文化紙機，車速在1 500 m/min以下，幅寬為5 m或5 m以下范圍的高速造紙機性價比要高得多。建議國家主管部門關心支持我國造紙機制造公司，為產品升級、技術升級做出努力;建議設立現代造紙機技術培訓基地，為我國造紙業應用現代造紙機培養所需要的人才。

［1］Richard A Reese.Paper Machine Energy Considerations［M］.USA:Dick Reese and Associates，Inc.，2011.

［2］陳克復.制漿造紙機械與裝備(下冊)［M］.3版.北京:中國輕工業出版社，2011.

［3］楊 旭，陳克復，王 蓓.現代紙機能耗構成特點及節能途徑初探［J］.中國造紙，2011(1):5.