热泵技术在纸机蒸汽冷凝水系统改造中的应用

2013-07-10张明岳阳林纸股份公司技术中心湖南岳阳414002

湖南造纸 2013年1期

关键词：烘缸纸机冷凝水

张明岳阳林纸股份公司技术中心湖南岳阳（414002）

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为落实国家节能减排政策以及依靠技术进步节能降耗，某公司采用造纸行业成熟可靠的重点节能推广技术——热泵技术，对纸机蒸汽冷凝水系统进行改造，使冷凝水顺畅外排、尾汽得到充分回用，明显降低了吨纸蒸汽消耗。

热泵；尾汽回用；冷凝水；节能

1 前言

随着国民经济的快速增长，我国的造纸工业得到了高速发展，能源短缺的矛盾也越来越突出，造纸行业纸机烘干部的能源消耗量占整个造纸过程中的能源消耗量的45%～55%[1]，国内很多造纸企业越来越重视以降低纸机烘干部的能源消耗量来降低生产成本。

2 纸机蒸汽冷凝水系统现状

某公司纸机为国外引进，净纸幅宽3940mm，设计车速为700m/min，产品为文化纸。

干燥部蒸汽冷凝水系统是上世纪80年代末改造的，不同于典型的三段通气，分别由控制段、主段、中间段、回送段四段组成，另设3个冷缸。主段、控制段分别通入3～4bar新鲜蒸汽，控制段的尾汽送回送段。主段的尾汽送中间段，若中间段气供量不足，适当补充新鲜蒸汽，系统设置有压力控制与各段压差控制。经过20多年的运行，车间技术、操作人员积累丰富的操作、维护经验，做了不少的技术改进工作,汽头已更换为不带波纹管的机械密封接头，但也暴露了系统不少问题。主段24个烘缸排出未冷凝的蒸汽和冷凝水在汽水分离器闪蒸的二次蒸汽即称为尾汽，烘缸多尾汽量大，但尾汽在中间段无法充分利用，中间段如果充分回用主段的尾汽，会导致中间段烘缸排水压差小，排水不畅，导致烘缸传动负荷高，操作控制非常困难，目前尾汽基本上没有回用，主要通过表面冷凝器换热冷却，致使表面冷凝器的工作负荷超高，消耗清水量大，吨纸的蒸汽消耗也高，统计数据显示，2011年吨纸汽耗最低为6.27×109焦耳（10月份），最高为8.84×109焦耳（2月份），全年吨纸平均消耗7.3×109焦耳，显然吨纸蒸汽消耗很高。

为更好地落实国家节能减排政策以及依靠技术进步节能降耗，公司决定采用造纸行业成熟可靠的重点节能技术——热泵技术，对纸机蒸汽冷凝水系统进行改造。热泵技术能很好地解决干燥部冷凝水排放与干燥部尾汽的回用等问题，明显降低吨纸耗汽量。

3 纸机干燥部热泵供汽系统

蒸汽喷射式热泵是一种没有运转部件的蒸汽压缩机，不直接消耗机械能或电能而提高低压蒸汽参数的设备，高压蒸汽与吸入的蒸汽混合后同时输出用于生产工艺，在动力、冶金、纺织、轻工、供热、制冷等领域得到广泛应用。

20 世纪50年代，国外成功地在纸机干燥部多段通汽系统中应用了热泵技术，解决了常规多段通汽烘缸积水、干燥部蒸汽消耗高等问题，时至今日，欧美的大多数纸厂在纸机干燥部的蒸汽冷凝水系统中都采用热泵技术。国内已有部分新纸机项目使用热泵技术，也有不少老的纸机选用先进的热泵技术替代老式的多段通汽技术。

20 世纪90年代初，国内多家公司开始研发热泵系统，南京环科所、西安交大能源所等单位对热泵技术的工作原理及实际应用进行了研究，浙大双元、成都海天测控、四川高达、上海费奥多等公司进行了控制系统的开发，并在纸厂大力推广应用。

3.1 热泵结构及工作原理

工作原理：用高压蒸汽抽吸低压蒸汽，高压蒸汽在喷嘴中高速喷射而造成真空，从而不断抽吸低压蒸汽。在喷射器喉部中，低压蒸汽与高压蒸汽两股共轴流体进行速度均衡，使低压蒸汽的压力和温度提高，高压蒸汽的压力和温度降低。在扩散部中，流体的动能转换为势能，压力提高到设备工艺流程所需的压力进入烘缸。纸机干燥部使用热泵，提高汽水分离器产生的二次蒸汽的能量参数，达到节能的目的[2-3]（见图1）。

图1 热泵结构

3.2 尾汽流量热泵控制系统

纸机的蒸汽冷凝水系统的好坏关键在于纸机干燥部冷凝水排放与干燥部尾汽的回用的好坏，如果干燥部冷凝水排放与干燥部尾汽的回用不能很好的解决，纸机的吨纸耗汽量会明显提高，而且操作非常不方便，给整个造纸生产过程带来很多麻烦。而纸机干燥部的蒸汽冷凝水系统排水性能的好与坏取决于排水工具（烘缸的旋转接头）与排水动力（排水动力实际上就是烘缸的进出口压差）两者缺一不可。

尾气流量热泵控制系统原理是把烘缸组排出的汽水混合物通入高效汽水分离器，分离出的烘缸组尾气经过一个流量检测装置后，再通过可调式热泵压缩后回到本烘缸组继续使用[4]。在正常操作状况之下，维持烘缸组尾气对烘缸组冷凝速率的比例在一个固定的数值即可实现稳定可靠的排水。该系统可以使蒸汽系统能在非常高或非常低的压力下操作，而不会产生过量的尾气，更对负荷变化提供快速的反馈，维持最佳的烘缸排水能力。在断纸时，控制系统能自动调整尾气流量，使之相当于正常操作时的尾气流量（比率），从而避免了大量的蒸汽损失。在传统压差控制中，浪费现象非常少见。尾气流量热泵控制系统，烘缸组的压差不参与控制，仅在控制屏幕上显示，以用于检查及解决操作上的问题。

当烘缸组内冷凝速率发生变化时，尾气流量检测装置会同步并且及时进行调整。当烘缸组内冷凝速率增加时，冷凝水变多，则尾气流量检测到的数值会下降，尾气流量控制器会给出信号使热泵开大，热泵开大可以提供更大的排水压差和更大的压缩能力，加速尾气的回用，使烘缸内增多的冷凝水及时排出。当烘缸组内冷凝速率降低时，冷凝水变小，则尾气流量检测到的数值会上升，尾气流量控制器会给出信号使热泵关小，热泵关小可以降低排水压差和减少尾气的回用，使烘缸组分离出来的尾气不至于过量而造成浪费。

3.3 热泵系统方案

尾汽流量热泵控制系统打破原有烘缸分组情况，重新分为五个烘缸蒸汽组，增加四台热泵、高压蒸汽管网及控制系统，更换汽水分离器、真空表面冷凝器、冷凝水泵、真空泵等设备。

系统应用DCS的各种控制功能，对纸机蒸汽系统进行有效控制，保证纸机在任何情况下都能正常可靠地运行，以获得最高的纸机效率及较低的维修量。烘缸冷凝水的排放是完全由烘缸组尾汽流量来控制的，设定烘缸组尾汽流量控制参数，在任何操作情况下，例如正常运转、断纸和停机等，不需要操作人员重新设定。

烘缸分组情况如下：

第一组烘缸为湿端烘缸（低温段），包括了7个烘缸（即烘缸1#～7#，其中1～6#为单挂）。当纸页离开压榨部进入烘缸后，导入烘缸能够提供必要的条件以至不会造成纸页的起毛、粘缸现象，并且不会产生其它影响成纸质量问题。这个蒸汽烘缸组分割为四个压力控制单元，即：单挂1#、3#、5#为一个单元，烘干背面的2#、4#烘缸均为单独调节单元，同时第一次接触纸页正面的7#烘缸与6#烘缸分成一组来完成纸页的预热。第一烘缸组全部能够在压力-0.5bar～0.5 bar之间操作。第一烘缸组的所有烘缸共享一个相同的冷凝水排放总管，直接排放至真空表面冷凝器，以保证在非常低的操作压力下具有适当的冷凝水排放能力。第一烘缸组同时利用了由其它蒸汽组热泵系统所吹泄出的少量含有热量的不凝气体和6#总冷凝水收集罐产生的闪蒸蒸汽，蒸汽不足部分由新鲜蒸汽补充。

第二烘缸蒸汽组包括了9个烘缸（8#～16#烘缸），操作压力在0.5bar～4bar之间。第二烘缸组具有标准的热泵系统，采用标准的尾汽流量控制的方法来调节烘缸的排水。第二烘缸蒸汽组可在全程压力范围内工作，并在正常运行或断纸时不浪费任何蒸汽。热泵的引射蒸汽使用8～10bar的高压蒸汽，而主蒸汽则使用4bar的低压蒸汽。

第三烘缸蒸汽组包括了11个烘缸（即17#～27#烘缸），操作压力在0.5bar～4bar之间。第三烘缸组具有标准的热泵系统，采用标准的尾汽流量控制的方法来调节烘缸的排水。第三烘缸蒸汽组可在全程压力范围内工作，并在正常运行或断纸时不浪费任何蒸汽。热泵使用8～10bar的高压蒸汽，而主蒸汽则使用4bar的低压蒸汽。

第四烘缸蒸汽组包括了10个烘缸（即28#～37#烘缸），操作压力在0.5bar～4 bar之间。第四烘缸组具有标准的热泵系统，采用标准的尾汽流量控制的方法来调节烘缸的排水。第四烘缸蒸汽组可在全程压力范围内工作，并在正常运行或断纸时不浪费任何蒸汽。热泵使用8～10bar的高压蒸汽，而主蒸汽则使用4bar的低压蒸汽。

第五烘缸蒸汽组包括了10个烘缸（即38#～47#烘缸），操作压力在0.5bar～4 bar之间。第五烘缸组具有标准的热泵系统，采用标准的尾汽流量控制的方法来调节烘缸的排水。第五烘缸蒸汽组可在全程压力范围内工作，并在正常运行或断纸时不浪费任何蒸汽。热泵使用8～10bar的高压蒸汽，而主蒸汽则使用4bar的低压蒸汽。48#～50#烘缸为冷缸。

3.4 尾汽流量控制系统的特点

可使湿端烘缸能够在非常低的压力下操作，低温段操作压力范围在-0.5 bar～0.5 bar，可以极大限度的降低湿端纸页掉毛、掉粉、频繁断纸和干燥不均等缺陷。

尾汽流量控制技术与一般压差控制不同，是由尾汽通过孔板两侧维持一个固定的压力降所获得，系统能在非常高或非常低的压力下操作（0.5 bar～5 bar），而不会产生过量的尾汽，更对负荷变化提供快速的反馈，维持最佳的烘缸排水能力。在正常运行或断纸时，不向外界排放任何蒸汽，因而节省大量的蒸汽。

高效的汽水分离技术，分离效率达98%，使得尾汽中冷凝水含量非常低，是实现尾汽流量控制的重要条件。

蒸汽消耗为所有蒸汽系统中最低，1.20～1.25 kg蒸汽蒸发1 kg水，系统性能好。

可以使干燥部的维修大大降低，特别是在虹吸管和蒸汽接头方面。

4 节能效果分析

4.1 节能效果

造纸车间年产6.8万t文化纸，根据纸机参数计算吨纸理论耗热量，纸页进干燥部干度为38%，出干燥干度为94%，抄造损失率为3%，完成损失率为5%，热泵系统单位能耗为1.25kg蒸汽蒸发1kg水。低压过热蒸汽热量为2.752GJ/t汽，高压过热蒸汽热量为2.776GJ/t，热泵系统消耗低压与高压蒸汽比例为3：1，则吨成品纸需蒸发水量、耗热量计算可得：

吨成品纸需蒸发水量＝(94%÷38%-1)×(1+3%)÷(1-5%)=1.598t

吨成品纸耗汽量＝1.598×1.25=1.998 t

吨成品纸耗热量=1.998×(0.75×2.752+0.25×2.776)=5.51 GJ

根据以上计算得出：改造后单位产品在干燥部平均蒸汽能耗为5.51×109焦耳，考虑通风、辅料制备等消耗蒸汽等，估算蒸汽能耗为0.79×109焦耳，即改造后单位成品平均能耗为6.3×109焦耳。2011年单位产品平均综合能耗7.3×109焦耳。项目改造前后对比，吨成品纸节约热能1.0×109焦耳（见表1）。