大型造紙企業(yè)生產(chǎn)過程節(jié)能實踐案例與研究

合同能源管理是節(jié)能服務公司和用能單位以契約形式約定節(jié)能目標，由節(jié)能服務公司承擔項目工程設計、設備制造供貨、安裝調試、性能考核、竣工驗收、人員培訓、設備維修、質保服務全過程，項目產(chǎn)生收益由雙方按約定比例分享，約定期限、效益核算方式由雙方共同確認。節(jié)能服務公司向用能單位提供節(jié)能設備和服務，在約定期限內收取約定比例的節(jié)能效益來收回投資并獲得收益；用能單位也從中獲得相應節(jié)能效益，并在約定期滿后獲得節(jié)能設備所有權及全部節(jié)能效益^[5]。

經(jīng)專家現(xiàn)場考察和技術研討，確認國內某大型造紙企業(yè)的雙盤磨高壓電機等有很大節(jié)能空間，決定選用高效高壓永磁同步電機代替原普通高壓電機，保守評估節(jié)能率在15%以上。

永磁同步電機由永磁體勵磁作為轉子產(chǎn)生同步旋轉磁場，三相定子繞組在旋轉磁場作用下通過電樞反應感應三相對稱電流并在空間中產(chǎn)生旋轉磁場，轉子在旋轉磁場中受到電磁力作用運動產(chǎn)生動能^[6]。永磁同步電機轉子上有高質量永磁體磁極結構，功率效率及功率因素高，允許過載電流大，轉動慣量小，允許脈沖轉矩大，可獲得較高加速度，動態(tài)性能好，且省去了容易出問題的集電環(huán)和電刷，可靠性顯著提高；優(yōu)點是發(fā)熱小、噪音小，整機體積小、質量輕；缺點是成本較高^[7]。

該造紙企業(yè)采取合同能源管理模式，將10臺原普通高壓電機（總裝機功率17000 kW，單臺裝機功率1700 kW）改造為高效高壓永磁同步電機（見圖1，總裝機功率16000 kW，單臺裝機功率1600 kW），并對控制軟件進行優(yōu)化，提高功率因素，減少拖動系數(shù)，甚至可向電網(wǎng)提供無功支持，提高電網(wǎng)質量，省去無功補償設備及維護費用，極大提高電機利用率。改造完成后輸出有功功率滿足生產(chǎn)要求，實測功率因數(shù)大幅提高到0.997，電流降低13.65%，無功功率降低82.89%；據(jù)第三方檢測報告，永磁同步電機節(jié)電率在23%~28%，平均節(jié)電率為26.57%，實測小時節(jié)電量2325.56 kWh，如表1所示。每年按8000 h運行時間計算，可節(jié)電1860.45萬kWh，折合標煤2286.49 tce（當量值，折標系數(shù)1.229 tce/(10⁴ kWh)），實現(xiàn)合同能源管理模式下的互利共贏。

圖1  高效高壓永磁同步電機

Fig. 1  High-efficiency high-voltage permanent magnet synchronous motor

真空系統(tǒng)是紙機重要耗能部位之一^[8]，紙機吸水箱、伏輥、吸移輥等都需要不同真空度，且需根據(jù)生產(chǎn)工藝變化進行調整，維持真空系統(tǒng)高效運行、有效降低真空系統(tǒng)能耗是現(xiàn)代造紙管理者和技術人員需關注的問題^[9]。現(xiàn)代造紙真空系統(tǒng)主流設備為水環(huán)式真空泵，透平風機近年來在部分造紙企業(yè)得到推廣和應用，綜合比較各有優(yōu)缺：水環(huán)式真空泵需配置真空工作液循環(huán)系統(tǒng)及處理配套，能效低、功耗高；透平風機在設備能耗、熱回收和節(jié)約水方面相比水環(huán)式真空泵更具優(yōu)勢，但通常需使用多級組合才獲得最終所需壓力，具有結構復雜、占地空間大、投產(chǎn)成本大、故障率高、荷載高、噪音大等缺陷^[10-11]。

針對水環(huán)式真空泵、透平風機缺點局限，以蘭泰克為代表的Eco-pump變速透平機（見圖2），結合先進高速電機和高效風機，通過變頻器驅動可實現(xiàn)從零到最大速度之間的無極調速控制，電機通過速度控制有效調節(jié)生產(chǎn)率，真空容量即便很小也能產(chǎn)生顯著節(jié)能效果；葉輪使用碳纖維或鑄鈦材料，具備良好的機械穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，直接安裝在電機軸一側（單級）或雙側（雙級）上，提高系統(tǒng)結構緊湊性和機械可靠性，無需齒輪箱及耦合器，無共振頻率；相比水環(huán)式真空泵節(jié)能30％~70％，相比定速透平機可節(jié)能20％~30％，速度可控、功率可調，對基礎要求低、尺寸緊湊、質量輕、維護快速簡單^[12-14]。

圖2  Eco-pump變速透平機

Fig. 2  Eco-pump variable speed turbine

該造紙企業(yè)原有39臺水環(huán)式真空泵，配備Y2系列電機，裝機功率14842 kW，負載均高于95%，運行功率約14321 kW；為保證水環(huán)式真空泵正常運行，需循環(huán)水泵提供水環(huán)水，其裝機功率237 kW，運行功率167 kW；故總裝機功率15079 kW，總運行功率14488 kW。另外，水環(huán)水在運行過程中溫度會逐漸升高，為降低水環(huán)水溫度保證真空泵正常運行，必須配備冷卻水塔；由于真空泵運行噪音大，需配備消音池和消音囪；水環(huán)水、消音池用水均密閉循環(huán)，水質較臟會產(chǎn)生臭氣，一方面增加冷卻水塔維護費用，另一方面產(chǎn)生大量帶有異味的白霧，影響廠區(qū)環(huán)境。

該造紙企業(yè)對原有真空系統(tǒng)進行節(jié)能改造，將39臺水環(huán)式真空泵替換為22臺Eco-pump變速透平機，淘汰Y2系列電機；改善刮刀和接水盤的脫排水效果，借助Eco-flow在線脫水測量系統(tǒng)對網(wǎng)部、壓榨部脫水進行控制，合理配置網(wǎng)部及壓榨部真空度，從而實現(xiàn)真空系統(tǒng)節(jié)能穩(wěn)定運行。改造后的真空系統(tǒng)無需配置循環(huán)水泵、冷卻水塔、消音池和消音囪，總裝機功率從15079 kW降低至12110 kW，實測運行負荷平均58.96%，保有良好的富余量。

根據(jù)改造前后真空系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)分析（見表2），真空系統(tǒng)運行功率節(jié)約7348 kW，總節(jié)降率50.72%。每年按照運行8000 h計算，則年節(jié)約電量約5878.40萬kWh，折合標煤7224.55 tce（當量值，折標系數(shù)1.229 tce/(10⁴ kWh)），節(jié)降效果明顯；設備運行穩(wěn)定，改善了網(wǎng)部及壓榨部脫水效果，提高出壓榨部紙幅干度，降低后段蒸汽用量，為紙機提產(chǎn)創(chuàng)造條件；無需使用水環(huán)水，節(jié)水率100%，且消除對環(huán)境的不利影響。

紙機干燥部是在烘缸通入高溫蒸汽對濕紙幅干燥脫水，約35%~40%的水分需通過干燥部脫出^[15]，能耗量占整個造紙過程能耗總量的45%~55%，廢紙造紙企業(yè)干燥部汽耗更是占全部汽耗的90%以上^[16]。從某種程度上說，汽耗量成為影響造紙企業(yè)成本和利潤的關鍵因素，更是造紙產(chǎn)業(yè)節(jié)能降耗的重要環(huán)節(jié)。為降低干燥部能耗，有對其溫濕參數(shù)動態(tài)特征及熱能節(jié)約原理進行研究^[17]，也有研究提出能耗協(xié)同控制概念，即同時考慮烘缸內部蒸汽冷凝水熱力系統(tǒng)與氣罩通風熱力系統(tǒng)的能耗，實現(xiàn)二次熱能循環(huán)綜合利用^[18]。

干燥部蒸汽冷凝水系統(tǒng)的優(yōu)劣決定了蒸汽消耗量，可調式熱泵蒸汽冷凝水系統(tǒng)通過尾氣流量控制，能明顯改善烘缸排水性能，提高排水動力，并充分回收低壓蒸汽以減少消耗，滿足各種類型紙機和不同生產(chǎn)規(guī)模需求^[19]。圖3為可調式熱泵結構及烘缸組尾汽流量控制示意圖。如圖3所示，可調式熱泵主要包括執(zhí)行器、主軸、管口、擴壓室等，動力高壓蒸汽通過噴管（拉法爾噴管或漸縮噴管）使蒸汽速度升高，壓力下降，該流動過程屬于絕熱膨脹過程；經(jīng)混合室使高速的動力蒸汽與二次汽均勻混合達到喉口處使混合氣體達到音速，經(jīng)擴壓段斷面由小變大，速度變小，壓力則由低升高，該過程屬于絕熱壓縮過程；即完成了絕熱膨脹、混合以及絕熱壓縮3個過程^[20]。

圖3  可調式熱泵結構及烘缸組尾汽流量控制示意圖

Fig. 3  Schematic diagram of adjustable heat pump structure and tail steam flow control of drying cylinder group

該造紙企業(yè)生產(chǎn)線紙機干燥部為多段進汽的控制方式，蒸汽耗用量較大。實施節(jié)能技術改造后，引入可調式蒸汽冷凝水系統(tǒng)熱泵技術，根據(jù)紙機各段蒸汽耗用情況及對蒸汽溫度、壓力的總體要求進行合理設計，同時優(yōu)化供氣管道布局；根據(jù)干燥前后段紙幅含水率差別，以及逐級提高蒸汽壓力與溫度的要求，使用可調式蒸汽冷凝水系統(tǒng)熱泵技術將后段蒸汽尾汽供向前段，充分利用尾段蒸汽；通過多段供汽、尾段蒸汽梯級利用以節(jié)約蒸汽消耗，降低熱交換清水用量，有效實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能降耗。改造實施情況如下。

（1）濕端烘缸（包括壓榨后第一組烘缸，施膠后第一組烘缸）原設計不變，利用后段汽水分離器二次閃蒸的蒸汽加熱，不夠時再由新鮮蒸汽補充。

（2）其他烘缸組均為標準熱泵系統(tǒng)，采用尾汽流量控制來調節(jié)烘缸排水，操作壓力在0.05~0.6 MPa之間，并根據(jù)各工段需求調節(jié)操作壓力范圍，熱泵的引射蒸汽和烘缸組主干燥蒸汽則使用1.2 MPa中壓蒸汽，進入烘缸組的蒸汽全部在該組循環(huán)利用，干燥過程中保證蒸汽不變成冷凝水；各烘缸蒸汽組可在給定壓力范圍內工作，在紙機正常運行過程中或生產(chǎn)斷紙時均實現(xiàn)蒸汽的穩(wěn)定利用，不造成浪費^[21]。

（3）冷凝水余熱回用：前烘、后烘第三組后烘缸的總冷凝水分別收集到汽水分離器，一次閃蒸后分別回用到前烘、后烘第二組烘缸使用，前烘、后烘第二組烘缸的冷凝水分別匯合進入汽水分離器二次閃蒸供給低溫段使用；紙機的總冷凝水（102~105℃）進入熱風系統(tǒng)，汽-汽回收后為新風預熱再回到電廠。

（4）氣罩換熱器加熱：熱風系統(tǒng)的空氣在汽-汽回收后的加熱分為兩個部分：第一部分為冷凝水預熱器，優(yōu)先使用整條紙機的總冷凝水給新風做預熱，充分提高新風溫度；第二部分為新鮮蒸汽加熱，熱風溫度不足部分由新鮮蒸汽補充。

改造實施后，蒸汽單耗平均下降0.1643 t/t紙，節(jié)降率9.43%，詳見表3。每年可節(jié)約蒸汽18.73萬t，折合標煤18040.88 tce（當量值，折標系數(shù)0.03412 tce/GJ），并節(jié)約了熱交換清水用量。

大型造紙企業(yè)通常配置完備的廢水處理系統(tǒng)，厭氧發(fā)酵過程能產(chǎn)生大量沼氣^[22]，沼氣主要成分甲烷是一種理想的氣體燃料，無色無味，與適量空氣混合即可燃燒^[23]，充分燃燒產(chǎn)物為二氧化碳和水，并具有良好的抗爆性能，是一種安全清潔的燃料。如果直接排放不僅浪費沼氣中能量，還會增加大氣溫室效應（甲烷吸收紅外線的能力是二氧化碳的26倍左右，其溫室效應要比二氧化碳高出22倍），且所含揮發(fā)物異味氣體會造成環(huán)境污染^[24]。

該造紙企業(yè)廢水處理系統(tǒng)經(jīng)改造后，將IC塔厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)生的沼氣通過管道收集、暫存，脫硫洗滌后通過穩(wěn)壓柜及羅茨風機輸送至熱電廠，在循環(huán)流化床鍋爐中完成摻燒發(fā)電，以代替部分原煤消耗，如圖4所示。

圖4  沼氣回收發(fā)電應用

Fig. 4  Application of biogas recovery for power generation

改造投用后每年沼氣產(chǎn)生量約1602.73萬m3，折合標煤11443.49 tce（當量值，折標系數(shù)7.14 tce/(10⁴ m3)），全部送熱電廠鍋爐摻燒發(fā)電實現(xiàn)熱值利用，替代了部分原煤消耗，避免沼氣直接排放及大氣溫室效應，并通過脫硫洗滌處理去除二氧化硫、減排煙塵。沼氣回收量如表4所示。同時為實現(xiàn)廢水處理過程清潔化，將過程池等加蓋負壓收集氣體，增加洗滌塔、生物箱去除H₂S等氣體后送熱電廠焚燒，再經(jīng)配套的脫硫脫硝工藝處理后超清排放，減少環(huán)境污染。

太陽能光伏發(fā)電作為清潔能源日益受到青睞，多國已將光伏產(chǎn)業(yè)納入國家新能源戰(zhàn)略^[25]。我國2/3以上國土面積年日照時數(shù)大于2000 h，各地太陽能年輻射總量約在334~836 kJ/cm²之間，具有重大發(fā)展?jié)?/span>力^[26]。隨著造紙企業(yè)規(guī)模化、集約化發(fā)展，集中的廠房、倉儲庫房等建筑擁有大面積閑置屋頂，可用于布置太陽能光伏實現(xiàn)清潔能源利用，對改善企業(yè)能源結構、促進清潔生產(chǎn)具有重要意義。

該造紙企業(yè)與專業(yè)的光伏發(fā)電機構合作實施了屋頂光伏發(fā)電項目。光伏發(fā)電機構作為項目合作投資方，負責全部投資（包括光伏組件、并網(wǎng)逆變器、支架、配電設備、通訊控制調度設備等），在造紙廠區(qū)內廠房、倉庫、原料大棚等屋頂安裝分布式光伏設備，如圖5所示，并負責運維管理，在約定合作期內發(fā)電量全額上網(wǎng)實現(xiàn)利益共享，期滿后所有光伏設備產(chǎn)權無償歸造紙廠方所有。項目建設安裝晶硅發(fā)電系統(tǒng)分布式光伏組件設備，面積約18萬㎡，安裝容量約18.5 MW，所需太陽能電池組件、逆變器等均不需做特別處理，實現(xiàn)光伏發(fā)電分散逆變、區(qū)塊獨立單元、分區(qū)并網(wǎng)，組件設備及配套設施用電由外網(wǎng)供給，同時配置遠程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)。投用后運行穩(wěn)定，自身耗電比例約占發(fā)電量的4.39‰，發(fā)電效果良好，第一年發(fā)電情況見表5。

圖5  屋頂光伏發(fā)電實施應用

Fig. 5  Implementation and application of roof photovoltaic power generation

項目光伏組件年均衰減預計不超1%，使用年限在25~30年以上，前3年年均凈發(fā)電量1525.51萬kWh，折合標煤1874.85 tce（當量值，折標系數(shù)1.229 tce/(10⁴ kWh)），凈發(fā)電量隨季節(jié)氣候的光照輻射差異而變化，詳見圖6。單位面積年凈發(fā)電量約84.75 kWh/m²。

圖6  屋頂光伏發(fā)電項目凈發(fā)電量

Fig. 6  Net power generation of roof photovoltaic power generation project

采用合同能源管理模式開展的節(jié)能項目，節(jié)能服務公司可在約定效益期內通過節(jié)能收益來收回投資并獲得收益；用能單位實現(xiàn)零投入獲得節(jié)能效益并降低能耗，在約定效益期滿后獲得節(jié)能設備所有權及全部節(jié)能效益，雙方互利共贏。合同能源管理模式下實施永磁同步電機改造案例，代替原普通高壓電機，平均節(jié)電率為26.57%，節(jié)電效果顯著。

在紙機關鍵能耗部位實施節(jié)能改造，其中真空系統(tǒng)實施Eco-pump變速透平機節(jié)能改造案例，真空系統(tǒng)功耗節(jié)降率達到50.72%，節(jié)能效果顯著，但一次性改造投入也較大，改造前應做好評估；干燥部實施可調式熱泵節(jié)能改造案例，蒸汽單耗平均下降0.1643 t/t紙，節(jié)降率9.43%，每年可節(jié)約蒸汽18.73萬t，折合標煤18040.88 tce（當量值）。因此，節(jié)能更應關注重點能耗部位。

挖掘新能源潛力，發(fā)揮資源能源協(xié)同效應，實施了廢水處理系統(tǒng)沼氣回收發(fā)電案例，每年可回收沼氣約1602.73萬m3，折合標煤11443.49 tce（當量值），既實現(xiàn)熱值有效利用并可替代部分燃煤消耗，又有效減少大氣溫室效應及環(huán)境污染；廠房屋頂光伏發(fā)電應用案例，單位面積年凈發(fā)電量約84.75 kWh/m²，也為造紙行業(yè)規(guī)?；?、集約化發(fā)展趨勢下，造紙廠區(qū)集中空置的廠房、倉庫等頂部發(fā)展光伏清潔能源提供借鑒，同時建設過程應充分考慮光伏發(fā)電的專業(yè)性、安全性，兼顧資源優(yōu)化利用與安全生產(chǎn)。

通過以上大型造紙企業(yè)生產(chǎn)過程節(jié)能實踐案例，取得良好的節(jié)能效果，每年綜合節(jié)能量40870.26 tce（當量值），可為同行提供參考。節(jié)能降耗并非一蹴而就，需長期持續(xù)推進、探索改進與管理創(chuàng)新，并綜合考慮技術可行性、投資回報率、風險可控性等多重因素。