園區集中供汽衛生紙機的節能分析與實踐

張 弛 雷文軍 譚 熾

(1.天津科技大學,天津,300222；2.廣西橫縣江南紙業有限公司,廣西南寧,530313)

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·集中供汽·

園區集中供汽衛生紙機的節能分析與實踐

張 弛1雷文軍2譚 熾2

(1.天津科技大學,天津,300222；2.廣西橫縣江南紙業有限公司,廣西南寧,530313)

對造紙工業園區集中供汽情況下衛生紙機用汽用能存在的問題進行分析,結合3個工程實例，針對性地對蒸汽冷凝水系統、烘缸干燥系統和氣罩及其熱風系統等提出節能方案,介紹了工程實施的節能效果。

集中供汽；衛生紙機；節能；氣罩

近年來,在各地政府的要求下,越來越多的造紙工業園區推行了關停紙廠自備燃煤鍋爐、實施由園區電廠熱電聯產集中供汽的舉措,如廣西六景工業園于2015年12月份進行了集中供汽試運行,保定滿城紙廠區集中供汽進入倒計時等。本課題通過對集中供汽的衛生紙機節能進行分析,探討和實踐生產企業適應新形勢的應對方案。

1 問題分析

一般來說,園區集中供汽對于沒有自備電廠的中小型生活用紙生產企業或衛生紙廠影響較大,主要體現在幾個方面。

(1)衛生紙企業大多以低速圓網紙機為主,由于加熱介質為低價的煤,因此,雖然噸紙汽耗本來就高,但抄紙成本尚能平衡,一旦集中供汽,用汽成本提高的壓力將凸顯出來,甚至沒有利潤可言,這就要求衛生紙廠對造紙機進行節能降耗的升級改造。

(2)集中供汽大多采用的是電廠的過熱蒸汽,到達紙機的蒸汽壓力一般不大于0.8 MPa,這對于高速衛生紙機中需要較高汽壓的熱交換器、熱泵、高壓烘缸等將有較大影響,從而導致衛生紙廠需要對衛生紙機的工藝流程重新設計,并對所需設備重新選型。

(3)目前加熱設備產生的冷凝水均采用重新返回鍋爐的處理方法,而采用集中供汽后電廠只供蒸汽不回收冷凝水[1],因此冷凝水的回收,需要重新思考。

(4)鑒于園區內各造紙廠的產品及生產設備具有較高的一致性,距離電廠較遠的造紙廠可能會出現供汽不穩定的情況。有條件的園區可以采取分布式集中供汽建設模式,供汽半徑控制在3～5 km[2]；另一方面,是否可以像電價一樣實施峰谷階梯汽價,值得探討。

2 節能措施

采用園區集中供汽后,對于使用圓網紙機的衛生紙廠需重點考慮降低噸紙汽耗,在紙機干燥環節可采取一些節能措施。

圖1 四種噴嘴類型

(1)新建紙機可以考慮選擇高速寬幅紙機,對現有紙機可以進行技術改造，提高車速。

(2)對于很難提高車速的圓網機,則使用高速熱風氣罩、熱泵、高效烘缸、聚氨酯托輥等技術,以降低汽耗，實現節能。

高速熱風氣罩通過高速熱風噴吹在紙幅表面,實現沖擊干燥,其干燥速率與熱風噴吹風速成正比,如果風速達到60 m/s以上,干燥速率可達40 kg/(m2·h)以上,甚至可以承擔比烘缸更高的干燥比率,對于圓網衛生紙機,高速熱風氣罩可以明顯降低烘缸耗汽量及用汽壓力,特別是在集中供汽下，降低紙機對高品質蒸汽的需求,而熱風的熱量來源可以利用烘缸尾汽和冷凝水加熱空氣實現。氣罩噴嘴風速要靠中壓風機實現,會產生一定電耗,為盡可能降低電耗,既要考慮氣罩及熱風系統與烘缸干燥的匹配,又要考慮采用合適的配置來降低熱風系統內的風阻,比如熱風噴嘴應采用流線形結構,噴嘴結構如圖1所示,其中圖1(c)采用數控沖壓成型,不僅風阻較小,而且傳熱效率較高,是比較節能的選擇。

氣罩的進風通道為分段進風,其中濕端和干端每個分區設百葉式調節風門,方便調節橫向送風風量,構成橫幅水分調節裝置,成紙的橫幅水分越均勻,紙機消耗的蒸汽就越少,這也是實現節能的重要手段。

氣罩的熱風系統設置熱回收裝置,該裝置為氣-氣熱交換器,利用氣罩排出的濕熱尾氣預熱進入氣罩系統的新鮮空氣,回收部分熱能,節約蒸汽。氣-氣熱交換器一般為列管式,換熱管有圓形和橢圓形,有不銹鋼管板焊接的,也有鋁合金脹管的。

熱泵是一種蒸汽噴射器,其工作原理為：高壓蒸汽將低壓噴吹蒸汽重新壓縮,使之成為中壓(即干燥壓力)蒸汽[3], 熱泵應用在衛生紙機的蒸汽冷凝水系統能夠降低噸紙汽耗,有較明顯的節能效果[4], 熱泵系統可以和熱風氣罩配合使用,其冷凝水可以用來加熱空氣,進一步節能。值得注意的是,熱泵系統的投資較大,特別是新型的自控可調式熱泵[5]。當圓網衛生紙機產品相對穩定,從而蒸汽冷凝水的工況較穩定時,可以考慮使用固定式熱泵,固定式熱泵比可調式熱泵便宜很多,為進一步降低投資額,可以多臺烘缸共用一臺熱泵,或多臺衛生紙機綜合設計熱泵系統。

高效烘缸可以大幅節約蒸汽,其內壁有環形溝槽,也叫加肋缸,該肋相當于翅片,起到加強傳熱的作用[6],合理的肋型可以使高效烘缸的傳熱效率達到普通烘缸的1.15～1.3倍。圖2所示是一種典型的高效烘缸肋型。

圖2 一種高效烘缸肋型

聚氨酯托輥指的是包覆層為聚氨酯的烘缸托輥。相比橡膠托輥它更加耐磨,包覆層壽命更久、使用周期更長,而且表面可以開溝紋,表面開孔率更大,脫水能力更強,利于干燥環節節約蒸汽[7],同時,毛布更干凈,毛布使用壽命更長,清洗毛布所需要的水耗、電耗更低。

(3)集中供汽后,對衛生紙機產生冷凝水的排放、回用有如下一些建議：①冷凝水的溫度一般為80～125℃,其熱能可以用來預熱氣罩空氣或車間濕部防滴水吊頂空氣等；②經冷卻后可用于沖洗網毯,也可送入碎漿機或漿池；③若電廠送來的蒸汽是過熱蒸汽,冷凝水也可用于減溫減壓。

(4)園區集中供汽到紙機的蒸汽壓力一般不大于0.8 MPa,這對于低速圓網衛生紙機影響不大,但對于高速衛生紙機將有較大影響。如集中供汽后某紙廠的高速紙機車速平均降低20 m/min,產量減少6%,汽耗也有所增加。針對這種情況,應當重新選擇適合新工況的流程和設備,如熱泵應當選用噴射系數更高的,氣罩用空氣加熱器應當采用熱泵或增加熱交換器片數,同時氣罩熱風風速適當提高以加強氣罩的干燥能力。另外,提升自動化控制水平,如熱泵自動控制系統,以適應各種工況的變化,減少斷紙和蒸汽排空,降低汽耗。

3 工程實例

圖3 實例一的熱泵系統圖

3.1 實例一

河北某衛生紙廠對其低速圓網衛生紙機的改造。該紙廠有4臺1880 mm小紙機和6臺2800 mm及3500 mm紙機,迫于成本壓力,小紙機停產,而寬幅紙機實施節能改造,以應對集中供汽等。改造方案為氣罩由原有的排氣罩更換為高速熱風氣罩,同時增設固定式熱泵,這兩部分靠蒸汽冷凝水系統整合在一起,構成了集中供汽下的低速圓網衛生機的節能方案。改造方案實施后，生產14.5～16.5 g/m2高檔衛生紙,烘缸汽壓降至0.28～0.30 MPa,綜合噸紙汽耗由原來的4.3 t降至3.4 t,節汽20%,其熱泵系統圖見圖3。

3.2 實例二

河北某衛生紙廠新建一臺高速新月形衛生紙機。該紙廠原有的圓網紙機已停產,鍋爐正在拆除。為緩解集中供汽等成本和環保壓力,同時適應未來市場對噴漿紙需求增長的需要,該紙廠新建一臺高速新月形噴漿紙機,車速750 m/min,出紙幅寬3500 mm,生產14～25 g/m2的高檔生活用紙,計算噸紙汽耗2.2～2.5 t。在紙機系統中,托輥采用包聚氨酯的大直徑真空托輥,烘缸采用高效烘缸,氣罩采用高速熱風沖擊式氣罩,熱風系統設有熱回收裝置,蒸汽冷凝水系統采用可調式熱泵,冷凝水分三級熱回收,其熱泵系統圖見圖4。

圖4 實例二的熱泵系統圖

3.3 實例三

廣西某生活用紙原紙廠對其一臺雙缸3500 mm紙機(生產擦手紙)的改造。該紙廠原有的2臺1575 mm圓網紙機和2臺1880 mm紙機因環保要求已停產。為了應對園區集中供汽,也為了節能提速,該紙廠于2015年9月對其3500 mm紙機實施改造,將原有呼吸氣罩更換為高速熱風氣罩,熱風系統增加了不銹鋼管板焊接式熱回收裝置,并配置在線清洗和過濾裝置,風機裝機容量由150 kW增至200 kW；增設熱泵系統,采用2臺可調式熱泵和2臺固定式熱泵,冷凝水5級熱回收,同時完善了自動化儀表和DCS控制系統,各種變送器配置齊備,風機、泵類采用變頻控制,與DCS及紙機聯動。此次節能改造總投資額150多萬元,預算動態投資回收期為1.76年,2015年10月完成改造,當年12月份園區集中供汽試運行。節能提速效果明顯,車速由300 m/min提升至360 m/min,集中供汽試運行時,車速為340 m/min；噸紙汽耗由3.1 t降至2.4 t,節汽22.5%,而電耗并未增加,且成紙品質特別是橫幅性能指標有所提升,斷紙率有所下降,其熱泵系統流程及DCS實際運行界面見圖5。

4 結 語

園區采用集中供汽后,雖然衛生紙機的節能方案復雜,但是節能效果明顯。

紙廠應采取技術、管理等措施積極應對,并順勢而為,抓住機會,完成升級轉型,而節能改造、升級提速、高速大紙機更新換代將是集中供汽下的衛生紙機節能的主要發展趨勢。

圖5 實例三的熱泵系統DCS界面

為企業實施節能改造,具有極好的社會效益,相信政府會出臺園區補貼、節能獎勵等越來越多的鼓勵政策,節能量測量、有效熱能計量、峰谷階梯汽價、區域梯級用能等創新性量化技術也會有越來越多的人重視、研究,從而為節能審計、能量精細化管理和節能項目的精準扶持提供依據。

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(責任編輯：馬 忻)

Energy Saving of Tissue Machine with Centralized Steam Supply in Industrial Zone

ZHANG Chi1,*LEI Wen-jun2TAN Chi2

(1. Tianjin University of Science and Technology, Tianjin, 300222;2.GuangxiHengxianJiangnanPaperCo.,Ltd.,Nanning,GuangxiZhuangAutonomousRegion, 530313)(*E-mail: abcd7291@qq.com)

Steam supply problem of tissue machine based on centralized steam supply in industrial zone was discussed. Some energy saving methods were correspondingly provided mainly relating to steam condensate system, Yankee drying system, Yankee hood and its hot air system and so on. Based on engineering practice, the energy saving schemes were designed and their system diagrams were drawn, and the energy saving effect of the implementation of the projects was introduced.

concentrated steam supply; tissue machine; energy saving; Yankee hood

張 弛先生,在讀工程碩士研究生；主要從事紙機及其節能設計研究工作。

2016- 04-13(修改稿)

TS755

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.10.011