燃機熱電聯產與造紙干燥工藝的結合應用

2015-02-21 11:18:52陳雨新

華東科技 2015年11期

文陳雨新

造紙工業是國民經濟和社會發展的重要基礎工業，也是其它行業原材料的重要來源。據中國造紙協會統計，2005年我國紙和紙板的生產量為5600萬噸，時至2014年此數據已高達到10470萬噸，這十年中紙和紙板的生產量年均增長率高達7.2%。面對如此迅猛的增長勢頭，造紙工業的高速發展所帶來的能源和環境問題也日益凸顯。在此背景之下，探討造紙企業使用清潔能源、提高能源利用率有著十分現實的意義。

造紙行業作為高能耗行業，對電力及熱能（熱風、蒸汽）的需求兼而有之，其中紙機的干燥是造紙廠熱能消耗的最主要部分。以往為了節能降耗，造紙企業往往選擇小型燃煤電站作為自備電站，這樣既可以提供企業所需的電力，又可以提供烘干工藝所需要的蒸汽。但面對今時今日的國家能源政策，小型燃煤電站無論是在生產效率上，還是在環保排放上，都難以達到國標要求。而以天然氣為燃料的燃氣輪機熱電聯產，具有更高供能效率、清潔排放的特點，且這種能源站除供給電力和蒸汽外，還能提供紙機干燥環節所需要的高溫熱風，豐富的供能形式也從工藝上更匹配造紙企業。

基于上述優點，本文將重點介紹燃機熱電聯產與造紙干燥工藝的結合應用。首先，我們將簡述紙機干燥的設備及其工作原理；然后介紹燃氣輪機熱電聯產的供能方式；再將兩者流程相結合起來，使能源需求與能源供應匹配起來；最后通過計算各干燥環節中的供能數據，與能源站總輸入相比較，來驗算出燃機熱電聯產的綜合能源利用效率到底如何。

紙機干燥工藝

熱量的傳遞方式有三種，傳導、對流和輻射。紙機干燥部的設計，都是根據上述傳熱理論，結合所要生產紙張的性質而設計的。在這種思想指導下，人們設計出來很多種干燥方式和組合，這些干燥方式大體上可以認為分為接觸式干燥和非接觸式干燥兩種。前者指以熱傳導為主的烘缸干燥，后者分為以對流傳熱為主的熱風干燥和以輻射傳熱為主的紅外干燥兩種。

熱風干燥，引流至氣罩的高溫熱風，經特制的噴嘴吹到紙頁表面，溫度一般控制在300℃～450℃之間，熱風干燥器中噴嘴到紙頁距離一般為10～100mm，噴嘴的出風速度一般為40～85m/s。它的特點是傳熱效率高、紙頁干燥速率很快，對保持一些紙品的特性有特別的效果，如衛生紙。在涂布紙工藝中一般用在蒸汽烘缸干燥之前。

圖1 熱風沖擊干燥原理

烘缸干燥以低壓蒸汽作為熱源，是紙張干燥的最常用方式。出壓榨后的紙張水分仍然很高，干度一般在50%以下，強度低，但由于干網的托舉作用，烘缸干燥能滿足紙機在很高的車速下運行。此外，烘缸干燥還可改善紙張的性質，它可使MD、CD紙張水分均勻分布、避免紙頁彎曲、改善紙張強度和印刷性能。但是蒸汽烘缸有其應有的局限性，一般用在涂布紙頁干燥的最后階段。

綜上，造紙廠選擇何種干燥策略，都要兼顧考慮運行性能和紙張質量，且干燥方式不同應用的領域也不同，一般而言紙廠不會選擇單一的干燥方式，而是采用干燥方式的組合。如紙頁經涂布后，在涂料未完全穩定前，若和設備表面有接觸，會發生粘結，污染設備同時也影響紙張表面質量。因此涂布后的紙頁不能首先使用接觸式的蒸汽烘缸干燥，非接觸的熱風干燥是涂布后的紙頁的首選干燥方式。之后再安排蒸汽烘缸干燥工藝，這時涂料表面已經固化，可以和烘缸表面直接接觸。

燃機熱電聯產

燃機天然氣熱電聯產工程由燃氣輪機、發電機組以及余熱回收系統共同組成熱電聯產系統。

圖2 熱風干燥與蒸汽烘缸干燥的組合應用

燃機壓氣機從外界大氣環境吸入空氣，并經過軸流式壓氣機逐級壓縮使之增壓，同時空氣溫度也相應提高；壓縮空氣被壓送到燃燒室與經壓縮機增壓的燃料混合燃燒生成高溫高壓的燃氣；然后再進入到透平中膨脹做功，推動透平帶動壓氣機和外負荷轉子一起高速旋轉，實現了氣體或液體燃料的化學能部分轉化為機械功，并輸出電功。從透平中排出的高溫煙氣排至余熱回收系統，進行余熱回收利用。燃機天然氣熱電聯產工程典型流程圖見下：

圖3 燃氣輪機熱電聯產典型流程圖

燃機熱電聯產與造紙干燥工藝的結合應用

基于上文對紙機干燥工藝簡介，我們可知采用熱風干燥，就需要高溫煙氣作為熱源，采用蒸汽烘缸干燥，則需要低壓蒸汽作為熱源。而燃氣輪機熱電聯產，其輸出的電能供應紙廠生產用電，透平排出的高溫煙氣則可先引至氣罩用于熱風干燥工藝，從氣罩中排出的煙氣再引至余熱回收系統，進行余熱回收，產生的低壓蒸汽供給蒸汽烘缸工藝，熱水供給暖通系統。

如上所述，兩者工藝結合形成的工藝流程圖如下：

如上圖所示，燃機熱電聯產與紙機干燥工藝相結合后，我們可將這其中的供能環節拆解為三個環節。第一個環節為燃機發電機組，輸出電能，供應造紙廠用電部門；第二個環節為高溫煙氣引入氣罩，進行熱風干燥，提供熱能；第三個環節為煙氣引入余熱回收系統，產生中低壓蒸汽，及提供暖通用熱水。

綜合能源利用率

進行了這樣的分拆后，我們就可進步一考察每個環節供能情況如何，總體能源利用效率幾何，是不是能達到高水準的能源利用效果。對此我們聯系到了知名造紙企業金紅葉紙業下屬的四川遂寧工廠，從企業生產部門收集到了相關數據，結合上文對供能環節的劃分，每個環節具體數據見附表

一般而言，采用小型燃煤火電站作為自備電廠的造紙企業，其煤炭利用效率可達60%～70%。而那些涂布烘干基本依賴電紅外（高品位電能轉化為低品位熱能），蒸汽依靠外購，極少采用能源優化措施的造紙企業其能效水平更低。將燃機熱電聯產與這兩者相比，顯然燃機熱電聯產的優勢十分明顯，高達85%的綜合能源利用率，在全球范圍內也是非常先進的水平了。

結語

作為高耗能的行業，造紙業在當前形勢下，無論是從降低企業生產成本的角度考慮，還是從滿足環保要求的角度考慮，企業都迫切期望能尋求到更合理、更節能、更環保的供能手段。而燃機熱電聯產的供能模式，可以很好的與造紙企業的生產特性相契合，從而達到一個很高的能源利用水平。

但是當前這種模式尚未被多數造紙企業所知悉，其原因在于燃氣輪機作為一個小眾工業產品，它的生產、制造、維修技術僅掌握在寥寥幾家外資公司手上。同時，適合造紙企業的燃機機型又需要為輕型燃機，專業做輕型燃機的公司范圍更小了。目前，國內無論是針對重型燃機還是輕型燃機，均尚未有企業完全具備自主研發的能力。當前我國境內的燃機基本依賴進口，少數由中外合資企業生產制造，即使是后者其核心技術仍掌握在外資公司手中。

撰寫此文，一則可以提供一種參考給正在探索節能模式的造紙企業，二則更寄予了中國制造一份殷切的期望，希望國內企業早日突破技術難關，盡早地實現燃機輪機國產化。

環節一，燃機發電機組

總的能源輸入計算公式如下：Q =Wt×LHV

Q — 天然氣蘊含的能量總輸入，GJ/h。

Wt — 單位小時天然氣流量，2359Nm3/h

LHV — 標立方天然氣低位熱值，33387kJ/ Nm3

將數據代入，計算得能量總輸入Q=78.72GJ/h

發電效率計算公式如下：

E — 發電機電力輸出，7128kW

代入數據，計算得發電效率ηe=32.58%