【生产实践】大型纸机蒸汽和冷凝水系统的节能降耗措施 及其优化应用
摘要：造纸企业是能源消耗大户，能源消耗主要集中在水、电和蒸汽的消耗上，如何高效地使用好蒸汽和蒸汽冷凝水对造纸企业节能降耗起到举足轻重的作用。如今造纸企业通过多举措和多方位的高效使用蒸汽和蒸汽冷凝水，对降低蒸汽消耗起到了关键作用，对降低造纸企业的能源消耗起到了重要作用。
关键词：造纸企业；纸机；蒸汽；冷凝水；节能降耗
潘高峰 先生
硕士，高级工程师，公司总经理助理；主要从事新产品开发和新助剂应用。
造纸企业能源消耗主要集中在水、电和蒸汽消耗上，其中蒸汽能耗约占造纸生产成本的15%[1]。随着制浆造纸技术的进步和制浆造纸设备的大型化和规模化的应用，造纸企业节能技术得到了全方位发展和应用，节能降耗和减污增效日渐成效。目前，我国造纸过程中大型文化纸机的吨纸清水消耗已降低到国际领先水平，大部分都在5.0～6.0 m3/t纸之间[2，3]；吨纸电耗和汽耗也在呈下降的趋势，电耗大部分在450～550 kWh/t纸之间、蒸汽消耗较低的在1.5～1.9 t/t纸之间。单位产品能耗高低与纸产品种类和纸张定量、当地气候条件和季节等因素有关，同一类型的产品在同一纸机上生产定量稍高的纸张产量相对高些，对应单位产品单位能耗相对低些，气候寒冷的地区产品单位能耗相对高些，冬季产品单位能耗相对高些，同一纸机车速高、抄宽、性能稳定的纸机产品单位能耗相对低些，综合绩效高的纸机产品单位能耗相对低些，造纸节能技术应用广泛的纸机单位产品能耗相对低些。
大型纸机都设计有白水回收系统，并实现了白水封闭循环利用，造纸化学品的在线稀释水大部分也由清水改为上网浆料或清滤液，这些对造纸清水单耗的降低起到了关键性作用；热电联产使电和蒸汽都实现了价值最大化的综合应用，大幅降低了能源消耗和生产成本，加之蒸汽和冷凝水节能技术的多方位推广应用使蒸汽和冷凝水的价值也得到了充分体现，为节能降耗起到了关键作用。
造纸是能源消耗密集型产业，是轻工业中的能耗大户。国家要求2015年纸及纸板综合能耗降到530 kg标准煤/t，纸浆综合能耗降到370 kg标准煤/t，纸浆、纸及纸板生产平均取水量降到70 m3/t，废纸利用率达到72%。如何高效地使用好蒸汽和蒸汽冷凝水对造纸企业节能降耗有着举足轻重的作用。
1 造纸车间蒸汽使用情况
1.1造纸车间蒸汽使用类型
造纸企业纸机生产过程中使用的蒸汽根据蒸汽的用途一般分为低压蒸汽和中压蒸汽，低压蒸汽的相对压力不高于500kPa，中压蒸汽的相对压力高于500kPa。实际生产过程中，造纸车间使用低压蒸汽时一般要求进造纸车间的蒸汽压力最高不超过500kPa，使用中压蒸汽时一般要求进造纸车间的蒸汽压力保持在800kPa左右。
1.2造纸车间蒸汽使用原则
1.2.1造纸车间使用蒸汽的设备
造纸车间使用蒸汽的设备一般有浆内淀粉蒸煮器和表面施胶淀粉蒸煮器、压榨部蒸汽箱和压榨部走台、干燥部烘缸、施胶机走台和气垫转向器、纸机通风换热装置和车间通风换热装置、工艺温水换热器、机外白水槽白水换热器，使用硬压光机的纸机有调节横幅厚度控制的加热系统，另外机外涂布机还有烘缸和热风干燥箱，涂料制备还有涂布淀粉和CMC或PVA的制备设备，部分超压的热辊也有使用蒸汽加热热水的系统调节热辊温度的换热设备，等等。
1.2.2造纸车间使用蒸汽的原则
造纸车间使用蒸汽一般根据设备的耐压要求和干燥曲线决定进造纸车间的蒸汽压力。纸机的烘缸为纸张的主要干燥设备，材料HT250、壁厚28mm的烘缸蒸汽最高工作压力为450kPa，材料HT250、壁厚30mm的烘缸蒸汽最高工作压力500kPa，目前一般纸机的烘缸都是材料H250、壁厚30mm的烘缸，故它的工作压力决定了进造纸车间的蒸汽压力最高不超过500kPa，由车间内主蒸汽管道上的安全阀控制，当压力超过500kPa时自动打开卸压。而涂布机的热风箱为了提高它的干燥效率，故一般采用的蒸汽压力是800kPa，故进涂布机车间的蒸汽管道一般有两道：一道为低压蒸汽用于涂布机的烘缸和辅助设备加热；一道为中压蒸汽用于涂布机的热风箱换热。所以造纸车间有涂布机的一般采用两路供汽：一路低压蒸汽，一路中压蒸汽。同时，淀粉连续蒸煮器对蒸汽的压力也有要求，一般不能低于300kPa，否则可能达不到蒸煮温度和淀粉煮不熟。
2 蒸汽的节能降耗措施及其优化应用
造纸车间蒸汽使用点多、蒸汽使用设备错综复杂（详见图1）。大型纸机产品蒸汽单耗基本在1～2t，如何高效地使用好蒸汽是降低产品能耗和成品的有效措施。
2.1造纸车间与热电厂实行热电联产
热电联产关系到一个造纸企业的经济效益命脉，否则造纸企业将举步维艰。因为造纸企业也是一个能耗大户，所有设备的传动需要电能，几乎所有的加热设备都需要使用蒸汽或蒸汽冷凝水。普通大型文化纸机的吨纸蒸汽消耗1～2 t、吨纸电耗450～550 kWh，根据纸张的定量和车速变化而不同。所以热电联产也是造纸企业节能降耗的关键所在，纸机利用电厂发电后的蒸汽加热烘缸干燥纸张或加热其它相关过程设备，纸机再把蒸汽变成的蒸汽冷凝水送回电厂（电厂省去水处理成本），大幅提高了热能的利用价值和降低了生产成本。
2.2淀粉连续蒸煮器的应用
过去，淀粉采用熬胶锅蒸煮，蒸汽与淀粉的接触不均匀，淀粉熬制不是在严格的密封容器中进行，存在蒸汽热能释放不充分和热能散失的问题，而使用淀粉连续蒸煮器后让淀粉和蒸汽同时通过喷射式蒸煮器混合均匀，并通过设定蒸煮温度和背压保证蒸煮条件稳定，然后让淀粉在密闭的盘管（盘管有保温材料保温）中蒸煮和保压，保证淀粉蒸煮充分和热能充分利用，降低了蒸汽消耗。
2.3纸机前干燥部采用三段供汽、后干燥部采用两段供汽
纸机干燥部烘缸供蒸汽加热干燥纸页是造纸过程中蒸汽的主要使用点，如何高效地利用好蒸汽热能可以有效降低纸产品蒸汽单耗。三段供汽是目前最为有效的降低蒸汽单耗的方式，能让蒸汽的热能充分释放出来和合理利用[4，5]。
一般文化纸机分为前干燥部和后干燥部，三段供汽针对的是纸机的前干燥部，即前干燥部采取分为三段进行供汽的方式对前干燥的纸页进行干燥，根据干燥曲线逐渐升温，主蒸汽控制高温缸的温度，高温缸产生的蒸汽冷凝水汇集到一个冷凝水槽，因温度高产生闪蒸汽（二次蒸汽），闪蒸汽进入下一段中温缸，干燥能力不够的话则通过DCS程序自动补充一定量的主蒸汽，共同对此段的纸页加热干燥，中温缸产生的冷凝水也汇集到一个冷凝水槽，因温度也较高故也产生一定量的闪蒸汽，闪蒸汽再进入下一段低温缸，低温缸的温度一般要求较低（为了防止进干燥部的湿纸页黏缸），故用汽量相应也较小，低温缸主蒸汽补充的量也很小。
大型文化纸机压榨部采用双靴压的方式对纸页进行脱水，进干燥部的湿纸页干度一般在50%左右，纸页定量高可能干度低点，纸页定量低可能干度高点。比如7330mm幅宽的Voith纸机生产70g/m2的高白双胶纸，车速1450m/min时进干燥部的湿纸页干度在52%左右，但在同样条件下改产80g/m2的高白双胶纸时进干燥部的湿纸页干度可能降低到49%左右。同时，纸页出前干燥部的水分一般在3.0%左右，可见大量的水分都需要在前干燥部蒸发干燥。采用三段供汽通过QCS和DCS的自动程序控制，QCS检测出前干燥部的纸页水分并将信息传输给DCS的水分控制系统，DCS根据设定的纸页水分调节主蒸汽的用量，如果QCS反馈的水分检测值高于DCS的设定值，则开大进前干燥部的主蒸汽进汽阀门开度，反之则关小进前干燥部的主蒸汽进汽阀门开度，确保出前干燥的纸页干度达到设定值。三段供汽的供汽原理主要通过干燥曲线做好的控制程序进行供汽，生产过程中前干燥部供蒸汽根据程序和出前干燥的纸页设定的干度进行自动调节或人工调节。
后干燥的供汽一般只有两段，大型文化纸机因通过施胶机施胶回湿后进后干燥部的纸页干度一般在75%左右，出后干燥部的纸页水分一般在5%～6%，所以后干燥部需要蒸发干燥的水分相对前干燥要少一半以上，故后干燥的烘缸只数也少、采用的供汽段数也只有两段。高温缸的闪蒸汽进入低温缸，若干燥能力不够则补充主蒸汽。比如，一台设计抄宽7330mm、设计车速1700m/min、生产纸种50～120g/m2的Voith大型文化纸机的前干燥部烘缸只数可能是37只，而后干燥可能只有15只。故后干燥部也是根据DCS设定好的纸页水分通过控制后干燥部高温缸的主蒸汽阀门开度来控制出后干燥部纸页的干度。
纸机前干燥部采用的三段供汽和后干燥部采用的两段供汽方式有效地利用了闪蒸汽的余热，有效地降低了主蒸汽的用量，降低了生产成本和实现了节能降耗。
2.4涂布机采用高温高压蒸汽提高干燥效率
涂布机因涂层的特殊性导致干燥方式与普通文化纸的干燥方式不一样，涂布后纸页一面湿且涂料粘性大决定不能贴缸或贴干网通过烘缸加热蒸发干燥，要么使用红外线干燥，要么使用热风干燥，要么红外线和热风两道干燥。使用热风干燥时因纸机速度快和为了降低干燥设备的投资费用，一般通过提高热风的温度来提高干燥效率，所以涂布机的热风加热蒸汽一般采用相对压力为800kPa左右的中压蒸汽。按饱和蒸汽压力对应的温度可知，绝对压力为900kPa的饱和蒸汽比绝对压力为600kPa的饱和蒸汽温度高约16.5℃（绝对压力为600kPa和900kPa的饱和蒸汽温度分别为158.863℃和175.389℃），加之热电厂一般给造纸车间供过饱和蒸汽，故温度更高，效率更高。
换热后的冷凝水产生的闪蒸汽送到涂布机的烘缸供汽系统，烘缸用于涂布纸的补充干燥，如果闪蒸汽干燥能力不够则补充低压主蒸汽。一般机外涂布机的中压蒸汽吨纸单耗0.1～0.3t、低压蒸汽0.05～0.2t，含有红外干燥设备的和不含有红外干燥设备的机外涂布机中压蒸汽差别较大。比如一台设计抄宽4750mm、设计车速1300m/min、一涂到四涂的都有红外干燥设备的机外涂布机生产105～250g/m2的涂布纸，每面各涂布两次，涂布量45～60g/m2，生产过程中吨纸低压蒸汽单耗平均0.07t左右、中压蒸汽单耗平均0.27t左右；而一台设计抄宽3600mm、设计车速1000m/min的机外涂布机无红外干燥设备，生产150～250g/m2的涂布纸，每面各涂布两次，涂布量55～65g/m2，生产过程中吨纸低压蒸汽单耗平均0.30t左右、中压蒸汽单耗平均0.09t左右。
涂布机热风箱采用高温高压蒸汽能有效提高涂布纸的干燥效率，同时闪蒸汽用于烘缸加热纸页有效降低了蒸汽用量，降低了生产成本和实现了节能降耗。
2.5残余蒸汽加热工艺清水
前干燥部、后干燥部低温缸和涂布机烘缸产生的蒸汽冷凝水虽然闪蒸汽量不大、温度不很高，但外排也会造成热量损失。节能措施就是各使用一台小真空泵抽吸最终的残余蒸汽通过换热器加热工艺清水用于纸机温水槽补水（见图2），做到既节能又环保。如有机外涂布机，热回收流程一样。
2.6密闭气罩的应用
大型纸机都使用密闭气罩，它把整个干燥部的前干燥部和后干燥部分别封闭起来，防止热量散失出去，提高热能的利用效率，做到既环保又节能降耗。
2.7纸机通风排气热回收的应用
大型纸机都设计通风排气和热回收系统，把纸机密闭气罩内加热纸页蒸发的湿热气体排出去，然后把外界新鲜的空气与排出的湿热气体进行热交换，加热后的新鲜空气再送到纸机的气罩，保持气罩里面压力平衡和保持稳定的零点和露点，使纸页快速和稳定干燥。湿热气体进行气气热交换之后温度还在50℃以上，然后再进行气水热交换（见图2），加热工艺用清水作为纸机温水槽的补水（见图3），进一步回收热能和降低蒸汽消耗。
3 蒸汽冷凝水节能降耗措施及其优化应用
造纸车间使用蒸汽过程中几乎每使用1t蒸汽就产生1t冷凝水。大型纸机产量普遍在600t/d以上，每天需要的蒸汽量平均在900t以上，故一台大型纸机每天几乎能产生900t以上的蒸汽冷凝水。造纸车间所有能回收利用的蒸汽冷凝水都收集到总冷凝水槽，冷凝水槽的冷凝水温度一般在80℃以上，故蒸汽冷凝水不但量比较大而且含热量高和杂质少，如何有效地利用好蒸汽冷凝水对降低清水用量和降低单位产品能耗能起到较大的作用。
3.1蒸汽冷凝水冬季用于加热厂房通风的冷风，夏季用于加热工艺清水
3.1.1蒸汽冷凝水冬季用于加热厂房通风的新风
大型纸机都有厂房通风设计。厂房通风主要是为了改善各造纸车间的工作环境，起到冬季供暖风（北方地区）、夏季供凉风的作用，实行人性化管理，让工人能在一个相对舒适的环境中工作，充分提高工人的工作积极性。因建设一台新纸机将包括制浆或打浆工段、纸机工段、复卷工段、完成工段、成品贮存工段及其它辅助工段，所以建设一台大型纸机可能包括数个车间，占地面积较大，需要供风的面积相应较大，这些决定需要供风的风量也较大，故冬季单位产品蒸汽消耗增加明显。比如，一台7330mm大型文化纸机冬季车间供风消耗的蒸汽量可能达到吨纸汽耗的10%～20%，按每吨蒸汽130元计算，则吨纸成本需要增加13～26元，故成本额外增加数量不小。
使用蒸汽冷凝水对厂房供风的新风进行一级水水热交换，如果加热能力不够新风达不到设定温度则再使用主蒸汽进行二级汽水热交换进行补偿加热，这样能降低单位产品蒸汽消耗约0.1t，对应降低蒸汽成本约13元，效果较明显。
具体方案：将造纸车间能收集利用的蒸汽冷凝水都收集到总冷凝水槽（见图1），通过泵送到换热器，进行水水热交换加热车间通风循环清水，然后送到厂房通风各风机和加热新风，然后送厂房各供风点（见图4）。
3.1.2蒸汽冷凝水夏季用于加热工艺清水给温水槽补水
然而，北方地区在厂房通风不供暖风的其它时间或在南方不需要供暖风的地区，这个时候可以使用冷凝水加热车间的工艺清水作为工艺温水槽的补水，降低加热工艺温水的主蒸汽用量（见图5）。
3.2冷凝水用于纸机水针补水
大型纸机水针系统包括网部切边水针、前干燥引纸水针、施胶机引纸水针和压光机引纸水针等，这些水针一般有一个专门的水站，使用换热后的蒸汽冷凝水作为水源。因水针所处环境温度都在40℃以上，一旦水的硬度高，存在结垢堵塞水针孔眼的风险，可能造成网部纸边带边或压榨部出吸移辊位置掉边形成裂口或断纸，降低纸机效率，尤其是北方地区的地下水，硬度基本在200mg/kg以上（以CaCO3计），使用设备极容易结垢，所以水针水使用冷凝水代替清水解决了结垢问题，提高了纸机效率。
3.3冷凝水用于空压机的冷却水补水
空压机使用过程中需要使用冷却水降温，普通空压机一般使用清水作为冷却水，通过在冷却水里加阻垢抑垢剂防止换热器结垢；而离心式空压机对冷却水的水质要求较高，要求使用软化水作为冷却水的水源，避免换热器内部结垢、提高换热效率，保证离心式空压机稳定运行。空压机使用的冷却水因换热后温度升高，需要使用冷却塔冷却和循环利用，冷却塔有一定量的蒸发率[Q=K（Tw1-Tw2）L，其中Q为蒸发损失量，Tw1为进水温度，Tw2为出水温度，L为循环水流量，K为蒸发系数]，需要根据冷却水池的液位补水。软化水设备需要投资和维护费用高，故使用冷却后的蒸汽冷凝水代替软化水作为离心式空压机的补水，能省去软化水设备的投资及其维护费用，也降低清水用量（软化水设备需要排污）。
3.4冷凝水用于染料制备稀释水
造纸染料使用过程中因用量小、添加不均匀，故大部分都稀释到一定浓度后再使用，制备浓度基本在0.5%～1.5%，稀释水要求硬度低，否则容易出现絮状沉淀导致纸面出现色斑。尤其是北方地区的造纸企业，大部分都使用高硬度的地下水作为水源，如果使用这样的清水作为染料稀释水，极容易形成絮状沉淀，纸面色斑问题几乎每个造纸企业都遇到过，后来几乎都改用冷凝水制备，解决了染料稀释产生絮状沉淀的问题，纸面色斑的问题也基本解决。但冷凝水一般都是通过换热器降温后使用。简单的方式解决了以往难题，可见冷凝水在北方造纸企业生产过程中的作用不小。
3.5冷凝水回用到电厂锅炉，降低水处理成本
电力、热力行业的大中型锅炉，为了防止锅炉爆管等原因停机造成的巨大经济损失和社会影响，对锅炉补水的水质要求特别高(热电厂锅炉要求水质：电阻率＞5MΩ.CM、SiO2＜20μg/L)。一般的电厂、热力中心均设立软化水车间，对锅炉补给水进行处理，处理成本较高。软化水成本包括六个方面：水费、热费、设备折旧费、电耗、盐耗、人工费，综合导致每吨软化水的处理成本在10元以上。所以造纸车间的蒸汽冷凝水在利用完余热和给相关用水点补水后，再将剩余的冷凝水全部回用到热电厂作为锅炉补水或锅炉冷却水，能大幅降低热电厂软化水处理成本。
因热电厂的锅炉补水或锅炉冷却水的水质要求特别高，造纸车间与蒸汽冷凝水相关的流程设备不得有清水及其它水掺入到里面，否则会污染热电厂的软化水，造成锅炉结垢、锅炉冷却水设备结垢等问题，故蒸汽冷凝水送给热电厂之前需要严格检测硬度等指标，不达标的冷凝水杜绝送给热电厂锅炉或冷却设备回用。造纸车间针对蒸汽冷凝水回用采取了相应措施，比如为了防止密封水（清水）混入蒸汽冷凝水系统造成冷凝水硬度高，造纸车间纸机的冷凝水泵都改成了单机封泵，不再需要使用密封水，从源头上切断了密封水混入冷凝水的可能；其次纸机刷车开机或异常停机时间稍长再重新开机过程中产生的蒸汽冷凝水可能含铁锈等杂质较多，需要跟踪排放，直到达标才能输送给热电厂回收循环利用。
3.6用于温水槽的补水
如果没有自备热电厂的造纸企业或者出现冷凝水硬度高热电厂不能使用的时候，这时冷凝水只能给造纸车间自己使用，这种情况可以将蒸汽冷凝水送到造纸车间温水槽加热工艺温水并代替部分温水使用，既降低清水用量又节省加热工艺温水的蒸汽，同时也避免了冷凝水排放造成浪费；其次可以送到纸机的机外白水槽，加热白水，降低机外白水槽白水加热的换热器蒸汽用量。白水温度高（一般50℃左右）有利于纸机网部的脱水，降低纸机蒸汽单耗和减小纸页黏缸的几率。
4 蒸汽和蒸汽冷凝水节能应用的效益
4.1社会效益
造纸企业大型纸机生产过程中蒸汽和蒸汽冷凝水的节能应用能有效地提高蒸汽或蒸汽冷凝水的综合利用价值，做到了物尽其用，降低了蒸汽单耗，进而减少发电过程中煤的用量，相应减少了温室气体的排放，这些都与人们的生活息息相关，对人类的延续大有益处。
4.2环境效益
地球是人类赖以生存的共同家园，大气和水资源的清洁与否直接关系到人们的生存环境。造纸企业大型纸机生产过程中蒸汽和蒸汽冷凝水的节能应用能有效提高热能的利用价值和减少热能的损失，故既做到了节能降耗又保护了环境，值得推广应用。
4.3经济效益
造纸企业大型纸机生产过程中单位产品蒸汽消耗降低0.1t则能降低生产成本13元左右，单位产品给热电厂回用1.0t蒸汽冷凝水则能降低热电厂水处理成本10元以上。通过采取上述措施综合能降低单位纸产品蒸汽消耗0.2～0.3t、回收利用1.0～1.5t冷凝水，故能降低单位纸产品生产成本36～54元，同时造纸生产过程中蒸汽冷凝水用于水针补水、空压机冷却水补水和染料稀释水等，解决了造纸过程中遇到的难题和省去了软化水设备的投资及维护费用，经济效益显著，值得推广应用。
参考文献
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[5]魏新尧.蒸汽节能在造纸干燥部的梯级利用和余热回收[J].宁波节能,2011(06):32-37.
潘高峰 牡丹江恒丰纸业股份有限公司
来源:《中华纸业》2021年2月