造纸业蒸汽系统节能浅析<br/>——以永丰余造纸(扬州)有限公司为例

造纸业蒸汽系统节能浅析
——以永丰余造纸(扬州)有限公司为例

2022-06-27何东发

能源研究与利用 2022年3期

何东发

(永丰余造纸(扬州)有限公司，江苏扬州 225131)

1 造纸业的能源系统介绍

目前，我国造纸企业有六千多家，主要原料为木材、竹、秸秆和废纸等；造纸业已经发展成为全自动化模式生产，在工艺、设备和生产技术等方面已经达到了比较成熟的阶段。江苏玖龙纸业、江苏理文纸业、金东纸业、长丰纸业和无锡荣成纸业等造纸厂在资源综合利用基础上，都设有自备电厂来进行热电联产，其主要目的是保障企业内能源内部需求供给，同时将企业内废弃物无害化处置。热电联产循环目的是以热定电为原则，在机组发电的同时，适当提高抽汽温度(微过热蒸汽)，便于较长距离输送到造纸车间内，再进行减温洒水成饱和蒸汽供用汽设备使用，目的是整体来提高能源利用效率。永丰余造纸(扬州)有限公司自备电厂也是从自身的经济性、环保性考虑来筹建的，其热电联产系统(能源加工转换中心)流程如图1所示。

当前形势下，造纸业要达成“双控”、“双碳”目标，需要调整产品结构和能源消费结构的同时，更多的应该利用新技术、新设计来进行切实可行的节能改造，节约能源是实现“双碳”目标的首要方式。为此，该公司需要关注的关键能源设备有：(1)能源加工转换设备。从自备电厂锅炉的热效率、发电机组发电效率以及热能转化和分配合理性着手，来提高热能利用率。(2)末端制程消耗设备。蒸汽系统良好的设计、强化烘缸传热能力、梯级平衡利用和热回收利用等手段，可有效地降低纸机产品能耗。

图1 热电联产系统流程图

2 加工转换过程节能

造纸属传统制造业，其设备投资大、利润薄，能源成本约占生产成本的12%～20%。造纸业想要绿色化长足发展，必然要有自己的能源加工转换中心，且其能源中心(自备电厂)大多是以火电为主。造纸业火电厂的热电联产生产方式主要分为背压式汽轮机和调节抽汽式汽轮机。传统的火力发电，它的能源利用率不高，在35%左右，而热电联产能源利用率都在60%以上。2017年8月，发改委、能源局在《生物质能发展“十三五”规划》明确指出，推进生物质直燃发电全面转向热电联产。由于热电联产实现了能量梯级利用，高品位热能用于发电，低品位热能用于供热，提高了能源利用率，因而分散式热电联产迅速发展起来。据统计，1 MW热电联产机组每年可以节省3 000 tce煤，节能效果明显[1]。

2.1 热电联产系统优良的设计

以永丰余造纸(扬州)有限公司自备电厂为例：(1)该厂锅炉产出的(12.6 MPa、538 ℃)高温高压蒸汽全部进入汽轮发电机组进行膨胀做功，进行发电；(2)第一级抽出来的中压蒸汽(2.85 MPa、344 ℃)供生活用纸纸机以及高压加热器换热使用；(3)第二级抽出来的低压蒸汽(0.67 MPa、200 ℃)主要供三台纸机制程换热使用；(4)第三级抽出来的低压蒸汽(0.09 MPa、119 ℃)供低压加热器换热使用。从历年来统计数据来看，能源利用率都可以达到70%以上，已属高效能机组。

对于锅炉系统来说，工程及采购人员常常不了解，如何选择整套设备能够在安全、稳定和高效的前提下满足“纸机制程使用”所有需求。如在纸机断纸或异常情况下，蒸汽参数和负荷都发生变化时，锅炉系统能否及时和持续供应满足纸机工艺要求？锅炉本身及附属的设施、汽轮发电机组和纸机之间能不能有效匹配，相互之间能否发挥自身的最大效能？蒸汽品质是否随时都能满足工艺要求(压力、温度)等？

如何合理设计系统：根据负荷(最大、最小、平均负荷和负荷变化率等)要求确定锅炉蒸发量和台数；设计完整的燃料、给水和蒸汽供应流程用来保证安全和高效。如系统的设计应包含可靠的水源、超纯水处理、炉水参数，有哪些设施可以来保障稳定和变工况条件下依然稳定地产出高品质的蒸汽(如排污系统)和锅炉高效运行配置(低压加热器、高压加热器、过热器、再热器、ECO、空气预热器、排污热回收、烟气热回收、除氧热回收、冷凝水热回收)等。

整个锅炉岛能否采用封闭式厂房，锅炉送风机入风口安装在锅炉岛内部上方，利用室内平均温度比室外环境温度要高得多的原理，可以降低送风空气加热器的蒸汽消耗量；另外，锅炉系统节能措施[2]见表1。

在整个设备生命周期中，锅炉及辅助系统的核心成本在于燃料的消耗费用及运行费用，而非初始投资费用。

DCS系统节能思路是随着“数字智能化制造”

表1 锅炉系统节能措施

的开展，利用设备自动化、数据智能化的手段来构建绿色化制造愿景，系统需要具有相应功能如下：(1)通过Modbus或其它通讯的方式在服务器上对各计量仪表的蒸汽耗用情况进行实时采集与监测，同时对燃烧装置、供汽品质(一次能源供给、给水参数、炉膛温度、风压、烟气温度、蒸汽压力与温度等)进行实时监视和传输到DCS系统，并用数据密集显示和历史曲线予以显示。(2)对现场仪表的状况进行实时监视(有故障发生即用异常色代码显示，提醒操作人员注意与判断)。(3)对现场运行数据进行监视，一旦燃料量、给水量、蒸汽流量或温度和压力等参数出现异常情况，立即报警。(4)进行各种计算与报表自动统计，并可打印输出。(5)上位机服务器所采集到的数据和运转的画面，在局域网上资源共享；便于创建数据模型，来优化系统操作、技术改造和节能减排。

2.2 高能效的热电联产系统节能量说明

国家已制定常规燃煤抽凝式热电联产单位产品能源消耗限额标准(GB 35574-2017)，单位产品能耗限额等级见表2。

表2 单位产品能耗限额等级表

永丰余造纸(扬州)有限公司自备电厂主要节能措施有：(1)采用高效率的2套200 t/h流化床锅炉、2套36.6 MW汽轮发电机组(抽凝式)。(2)具有先进节能理念能源公司共同来组成系统，比如说选择芬兰FOSTER WHEELER公司和德国SIEMENS公司等生产的高效设备以及高效节能设计方案。(3)采用整套DCS系统集成控制，全自动化控制。(4)根据末端消耗来设定梯级蒸汽和电力系统。

该公司年产纸(包装纸、生活用纸)100 万t左右，热电联产年供电量为42 611万kW·h，年供热量为4 087 761 GJ，根据表2提供的数据计算，1级能效的热电联产系统与3级能效的系统比，其节能量计算如下：

△E1=年供电量×(3级供电煤耗-1级供电煤耗)+年供热量×(3级供热煤耗-1级供热煤耗) =42 611万kW·h×(305-270)gce/(kW·h)×10-6+4 087 761 GJ×(42.5-40.5)kgce/GJ×10-3= 23 089 tce

从以上分析来看，造纸业的能源加工转换过程优化措施是：进行热电联产、选择1级能效的燃煤抽凝式或背压式机组、设定合理的梯级蒸汽和电力系统等。以上措施不但可以有效地达到节能减排的目的，而且通过碳交易使该公司2021年获得了五百多万元以上的碳汇收益。

3 末端消耗过程节能

3.1 蒸汽冷凝水系统优良设计以及影响因素

随着造纸业的高速发展，纸机车速的快速提升，意味着对压榨部脱水效果有着更高的要求。与传统压榨相比，靴式压榨的压区为传统压区的数倍。靴形压榨可以获得较高线压力，提高纸页脱水效率，纸幅中含水量减少，节省了后段烘缸系统的蒸汽消耗。很多纸厂有意识地将传统压榨辊改为靴式压榨，提高了纸页进入烘缸部的干度(纸页由原46%的干度提高至52%以上)；网压部的纸匹每降低1%的水分，后段烘缸部会节省4%～5%的蒸汽量，综合可节省20%以上蒸汽消耗。

在生产纸页或纸板的过程中，耗用蒸汽最多的是纸机干燥部：烘缸蒸汽冷凝水系统和气罩通风系统蒸汽消耗量占80%以上，因此，为了降低蒸汽消耗，提高烘干效率，越来越多的纸厂非常重视干燥部的经济运行。蒸汽冷凝水系统的作用及要求：控制纸页或纸板的水分含量满足最终客户对于其产品水分含量的要求(8%～10%)，在此基础上，系统对水、电和汽的消耗越低越好，操作要简单可靠，尽量降低对操作者能力的要求，追求几乎完全的自动化操作，多段通汽与热泵系统优缺点比较见表3。

表3 多段通汽与热泵系统优缺点比较

通常而言，蒸汽冷凝水系统的类型有多段通汽和热泵系统[3]。目前市场应用情况：(1)在欧洲几乎全部使用多段通汽系统；北美使用热泵系统和多段通汽系统各占一半；(2)国内进口的大型纸机生产线大都使用多段通汽系统。近年来热泵系统的使用有逐步推广之势，根据纸厂的具体情况，有的把热泵系统改为多段通汽系统，有的把多段通汽系统改为热泵系统，根据需要进行改变，量体裁衣。

有些设备商说，只要使用热泵就能降低蒸汽消耗10%～20%是毫无道理的。实际上，两种系统的蒸汽耗量是差不多的，因为系统中需蒸发水的总量是相同的；蒸发等量的水需要蒸汽量是相同的；热泵系统的吹通蒸汽在本段中循环，多段通汽系统的吹通蒸汽在下一段使用；热泵在中低温段的使用会有利于蒸汽使用平衡；操作起来更方便。

蒸汽冷凝水系统设计时还要考虑以下几点：纸种(如板纸、文化用纸、生活用纸等) 及基重范围；干燥能力和产量；所需工作压力范围；压力梯度要求；可提供的蒸汽汽源压力、温度(高压蒸汽和低压蒸汽)；高压蒸汽和低压蒸汽运行成本；干网透气度和张力、铸铁烘缸的导热性、虹吸器额选型及尺寸；现有可利用的设备和管道(对新建和改造而言)；系统初期投资成本和热回收水平等。

烘缸冷凝水排水越顺畅，烘干的热传导效率就高；良好的热传导就需要吹通蒸汽来协同处理，吹通蒸汽的作用是与冷凝水混合后降低冷凝水的密度，把冷凝水吹出并带出烘缸；控制吹通蒸汽适当的比例通常12%～15%左右，既能达到其帮助烘缸排水的效果，又不会排出过量的蒸汽，造成浪费或冷凝水流速过快造成管道、阀门的损坏。烘缸系统的吹通蒸汽量和烘缸排水方式主要有压差控制或流量控制2种不同形式。

简单的压差控制缺点是相互影响太大，断纸后系统恢复时间长；吹通蒸汽控制利用流量控制可以有效避免以上问题。要想采用孔板流量计来控制烘缸的吹通蒸汽与冷凝水固定的比率，其实只要控制固定的压差就可以了。

试验发现，压差控制与流量控制的关系：1)压差大，吹通蒸汽流量也大。2)压差小，吹通蒸汽流量也小。3)压差控制在断纸的时候，热泵开度增大，排空阀有打开排汽的可能。4)流量控制在断纸的时候，热泵开度变小，排空阀不会打开，汽水分离器压力高，烘缸的温度难以降低，且有烘缸积水的风险。压差控制与流量控制见表4。

表4 压差控制与流量控制

综上所述，良好的蒸汽冷凝水系统应该有：

1)有效可靠控制烘缸的进汽压力，保证得到最适当的烘缸缸面温度。2)保证烘缸排水通畅，任何时候烘缸内不积水、不淹缸，获得烘缸最大的干燥效率。3)非正常状态下尽量减少烘缸组的排汽，尽可能地做到整个系统热平衡。4)控制方式选择与应用合理。5)操作稳定、灵活、简单和可靠。6)投资少，效益好，设备使用寿命长，纸机运行率高。

3.2 影响传热效果分析

通常而言，干燥部有传热速率和水分蒸发速率2个重要指标，其中影响传热系数U因子的主要因素有虹吸管选型与使用的影响；扰流棒和冷凝水环的影响；压差设定大小的影响；不凝性气体排除及纸张控制系统的影响等[4]。

1)虹吸管选型与使用的影响。固定式或旋转式的虹吸管，将冷凝水从烘缸内部带走。重型固定式虹吸管，建议使用在高速纸机的烘缸部，其优点在车速为1 000 m/min时，压差可操作在0.03 MPa以下顺利排水，且性价比高；但是烘缸内的冷凝水却容易受离心力影响，而降低排水效率。为了避免这一问题，除配有具有斗型吸水口的固定式虹吸管外，同时在排水管出口配备一个窥视镜，以确认是否随时有吹通蒸汽流动，如此可以与烘缸壁保持较小的间隙下操作，排出更多的水，降低冷凝水的水环厚度。

正确安装虹吸管也同样重要。虹吸管与烘缸壁间存在间隙值，当这间隙值小于临界值时，会造成蒸汽的阻塞，即烘缸内外的压差会随着间隙变小而急剧增加，虹吸管与烘缸壁间的间隙值见表5。

表5 虹吸管与烘缸壁间的间隙值

根据实验显示，虹吸管与烘缸壁间的距离维持在2.0 mm左右为最佳。烘缸系统在选择虹吸管尺寸大小时，靠近湿端之烘缸使用较大型的虹吸管，其余的烘缸段可以使用同一尺寸的虹吸管，以避免维修和备品的困扰，虹吸管在工作负担较大的烘缸段，其尺寸必需大到足以应付大量或突然增多的水分，但是也不能过大致使负担较低的烘缸段吹通蒸汽量变得太大。

2)扰流棒和冷凝水环的影响。一种更佳设计是在烘缸内部增设扰流棒，如此就不需要凹槽设计，也能增加烘缸内部冷凝水揣流，减少缸体的驱动力和扭矩，而做到传热均一且高传热效率的目的；在车速大于600 m/min的情况下，有扰流棒比没有扰流棒的烘缸系统，烘缸表面温度会提高6～10 ℃，烘缸传递效果比较分析如图2所示。

图2 烘缸传递效果比较分析

3)压差设定大小的影响。吹通蒸汽流量应在冷凝水率的12%～15%左右(质量比)，而虹吸管与烘缸壁的间隙要适当。实践证明：使压差值维持于比最小值多30%的压差值，如此烘缸才能顺利的排水。

4)不凝性气体排除。事实上空气的热阻是铁和钢的1 500倍以上，当烘缸内部累计空气比例达到25%时，蒸汽的温度将发生明显下降，从而降低传热效率。旧系统设计是在表面冷凝器出口管上安装真空泵，通过真空泵不停地运转，直接抽吸并排除空气，系统运行时最大的问题是真空泵容易汽蚀而损坏；新系统设计是在表面冷凝器出口管上安装真空发生器，可有效解决问题。

5)纸张控制系统的影响。QCS系统设置了多种控制参数，浓度前馈控制参数、解耦控制参数和PID控制参数等，以保证纸张质量和蒸汽系统控制稳定；在生产过程中我们将水分控制设定为自动控制状态，这样纸张干燥出口水分可稳定控制在上限；正常成品纸水分提高1%，相当于1 t纸少蒸发10 kg的水，直接节省1.2 kgce。

3.3 干燥部蒸汽系统节能思路

干燥部节能应先从改善传热入手。强化烘缸传热、蒸汽梯级利用、通风系统热平衡和余热闭式回收。主要节能思路有：1)合理计算吹通蒸汽的比例并循环利用。2)多次循环利用闪蒸蒸汽。低温烘缸组吹通蒸汽的利用。3)平衡利用蒸汽。4)尽量使用冷凝水的热量。

3.3.1 合理利用吹通蒸汽

根据凯登约翰逊公司的计算和实验数据，在吹通蒸汽比例达到12%～15%的情况下(指吹通蒸汽与进入烘缸蒸汽的比例)，烘缸就可以获得良好的排水；排出的吹通蒸汽如果不能循环利用，就会造成排空浪费，这在早期的蒸汽系统中是非常常见的，因此在进行蒸汽系统平衡核算时就要精准计算，保证吹通蒸汽能够被循环利用而不会排到大气造成浪费。

3.3.2 闪蒸蒸汽的充分利用

闪蒸蒸汽简称闪蒸汽，是高温高压冷凝水送到低温低压汽水分离器后，冷凝水由于压力和温度降低引起的闪蒸产生的二次蒸汽，闪蒸蒸汽如能重复利用，就可以节约等量的新鲜蒸汽，达到降低吨纸耗汽量的效果。同一台纸机的闪蒸汽的汽量，在不同生产工况下都是变化的，因此在系统设计的时候，需要进行准确的计算，以便在不同生产条件和工况下，闪蒸汽都能得到完全回用，而不至于发生排空等浪费问题的出现。

一般而言，低温烘缸组排出的吹通蒸汽压力低温度低，再回到烘缸循环利用比较困难，可以送到气罩预加热器加热空气，以便充分利用其热量，降低纸机的吨纸耗汽量。最近几年对于生产基重比较高的瓦楞纸或箱板纸，为了追求高产，低温烘缸组的进汽压力也越来越高。针对这个新情况，可以考虑将这部分吹通蒸汽通过热泵加压后再回用到低温烘缸组或者对网部清洗水加热来进行循环利用，收到了良好的再利用效果。

3.3.3 平衡利用蒸汽

正常而言，在烘缸部分有时难以做到二次蒸汽的平衡利用，也就是烘缸部分不能完全消耗冷凝水产生的闪蒸蒸汽，此时就需要系统烘缸罩和暖通供应商，提供给他们准确的二次蒸汽和冷凝水的流量和温度，在烘缸罩系统进行热能的回收使用，同样能收到很好的降低吨纸耗汽量的效果：1)将低温烘缸群的闪蒸蒸汽热能与网部的清洗水进行换热回收利用。2)将烘缸群多余的闪蒸蒸汽热能与烘缸罩的热风换热回收利用。3)将烘缸群的总冷凝水热能与烘缸罩的热风换热回收利用。

在同样生产条件下，返回的冷凝水温度越低，说明蒸汽系统的热量使用的越充分，尤其是生产高克重的纸机，总冷凝水罐里的冷凝水温度还是比较高的，有的纸机的冷凝水温度甚至达到120 ℃。如果能够把冷凝水的温度降低到80 ℃，那么回收的热量是相当可观的。

3.3.4 密闭式烘缸罩热平衡

全封闭式汽罩，利用废热回收装置，将收集烘缸群内纸匹、干网蒸发出来大量湿气体的热，进行热回收，提高系统热效率10%～15%；良好地设计，不仅可以有效调节罩内气流，而且可以使纸匹横向水分均匀分布，提高纸机生产效率，烘缸罩热平衡通风示意如图3所示。

图3 烘缸罩平衡通风示意图

从图3可以看出，25 ℃的冷空气与气罩排气进行气-气交换，将送风提高到62 ℃左右；把低温烘缸组排出的闪蒸蒸汽送到气罩1级加热器汽-气回收的热量，送风被提高到82 ℃左右；把总冷凝水罐的冷凝水送到气罩2级加热器水-气回收的热量，送风被提高到95～110 ℃左右。在中国的中部及南部的大部分季节，烘缸罩的新鲜蒸汽加热器阀门可以关闭，基本可以不用新鲜蒸汽来加热空气。加上目前比较流行的透平机热能回用，甚至在北方寒冷地区的冬季，在充分利用闪蒸蒸汽、冷凝水的热能前提下，不足部分利用饱和蒸汽的热能来补充，烘缸罩新鲜蒸汽加热器的阀门开度都可以很小，有效降低了纸机的吨纸耗汽量。

3.3.5 冷凝水热量的末级利用

选用全封闭式冷凝水回收系统，将末端不能利用的冷凝水(约160 t/h)回收到自备电厂的冷凝水罐，余热和水都全部回收到锅炉给水系统利用；不仅减少锅炉补给水水处理费用，而且将冷凝水的显热全部回收利用(此热量占纸机所耗蒸汽热量的15%左右)，可以将400 t/h锅炉给水由20 ℃提高到65～70 ℃左右；进一步降低了锅炉的煤炭消耗量，如此循环节能。