Целлюлозно-бумажная промышленность

В Великобритании на долю целлюлозно-бумажной промышленности приходится около 5,7% общего промышленного энергопотребления. В последнее время наметилось некоторое увеличение потребления энергии.

. Было подсчитано [4.11, что при производстве бумаги и картона на объединенном заводе потребляется пар и электроэнергия в соотношении 3:1. Типичное потребление пара и электроэнергии на 1 т продукта составляет 12 и 4 ГДж соответственно. Эти цифры определяются из общего энергопотребления, причем потребность в технологической теплоте не менее чем в 2 раза превышает потребность в электроэнергии. На тенденции энергопотребления в отрасли за последние годы влияли следующие основные факторы:

увеличение производства высококачественных продуктов, что, естественно, ведет к повышению расхода энергии;

обезвреживание отходов, как жидких, так и газообразных, что также ведет к увеличению расхода энергии на заводе;

рост рециркуляции отходов, ведущий к снижению использования древесного сырья;

модернизация оборудования, включающая улучшение контроля за технологическим процессом и энергохозяйством завода и ведущая к снижению энергопотребления.

Процесс производства. Основным сырьем для производства бумаги является древесина. В химическом процессе варки древесины под давлением в растворе натрия йлн аммиака растворяется лигнин и отделяется древесное волокно, которое затем транспортируется на завод. (В некоторых случаях производство древесного волокна осуществляется на том же заводе, где производят готовую бумагу или картон.) Преямуществом трансформации древесины в древесное волокно является возможность использования коры и отработанного раствора как топлива.

Древесное волокно, смешанное с водой, является сырьем для получения рулонной бумаги. Типичная бумагоделательная машина приводится на рис. 4.1 [4.5]. Сырье поступает на непрерывно движущуюся сетку, где образуется лист. Большая часть воды, введенная в древесное волокно, отводится, и затем масса поступает на механически ю с4 шку, которая осуществляется специальными прессами.

После выхода б маги с последнего пресса содержание воды в листе снижается приблизительно до 60%. Затем бумага поступает на сушку, в результате которой содержание воды должно снизиться приблизительно до 7%. Это — наиболее энергоемкая стадия процесса.

Исследуются различные способы сушки, но обычно применяется испарение воды из бумаги в тот момент, когда она проходит вокруг цилиндров, обогреваемых изнутри паром. Нагрев бумаги идет очень медленно, до тех лор пока вся вода в бумаге будет иметь достаточно высокую температуру, чтобы началось испарение.

Процесс сушки должен тщательно регулироваться. Если цилиндр слишком раскален, особенно на ранних стадиях сушки, быстрое ис.

Рис, 4.1: Схематическое изображение процесса производства бумаги (а) и вертикальный разрез бумагоделательной машины (б):

/ — бай постоянного вапора; 2 — отсасывающие ящики; Я — сукносушильный цилиндр; / — сглаживающий пресс; б и 6 — сушилки; 7 — каландр; 8 — контактный башмак; 9 — цилиндр. Цифры — влажность, %

парение может вызвать отслоение бумаги от цилиндра, создавая возможность повреждения. Кроме того, для однородности качества необходим равномерный подвод теплоты к рулону, особенно на цилиндре.

Процесс сушки может быть значительно улучшен за счет качества воздуха вокруг цилиндров, и в номинальных условиях делают все, чтобы ускорить отвод влажного воздуха из этой зоны. Совсем недавно стал применяться принудительный конвективный теплообмен между воздухом и внешней стороной бумаги, когда она проходит вокруг цилиндров. Способ подачи нагретого воздуха к поверхности бумаги приводится на рис. 4.2 [4.5].

В некоторых случаях этот способ дает возможность утроить количество испаряемой влаги (обычно она составляет 15 кг/мг поверх-

Рис, 4.2. ' Вынужденный теплообмен при сушке бумаги на сушильном цилиндре:

/ — обод цилиндра; і — нодаю» щие сопла •

ности цилиндра в час). Тепловой баланс бумагоделательной машины представлен на рис. 4.3 [4.5].

Имеются значительные потенциальные возможности использовать теплоутилизационное оборудование Для утилизации теплоты влажного воздуха сушилки до его выброса в атмосферу. С помощью одной такой установки утилизируется 3 МВт; теплота идет ка нагрев приточного воздуха для обогрева крыши (для предотвращения конденсации), на обогрев фундамента и другие пели. На заводе, где применяется принудительный конвективный теплообмен, рекомендуется также использовать теплоту влажного воздуха для предварительного нагрева воздуха, поступающего в воздухоподогреватель.

Комбинированная выработка электроэнергии и пара. Бумагоделательная машина производительностью 10 т/ч имеет тепловую мощность приблизительно 30 МВт и электрическую 3,5 МВт. Несмотря на то что большая часть пара, необходимого для нагрева, имеет низкое давление, пар вырабатывается относительно высокого давления для выработки электроэнергии в противодавленческой турбине.

Рис. 4.3. Тепловой баланс бумагоделательной машины 54

Рис. 4.4. Структура расхода энергии в целлюлозно-бумажной промышленности на примере машины по изготовлению тонкой бумаги фирмы Escher Wyss: а — зависимости расхода пара на 1 кг бумаги та от скорости машины о; б — зависимость удельного расхода алекгрганергяу от скорости машинк; в - зависимость удельного расхода газа тт от скорости машины; г — зависимость температуры t от скорости машины

мажном заводе, где одновременно производят целлюлозу и бумагу, на установке твердого картона и в варочном котле Используется пар с давлением 2400 кПа, на установке бумажной упаковки — с давлением 760 кПа, в то время как для сушильных цилиндров машины по изготовлению газетной бумаги идет пар с давлением только 172,5 кПа. К основным потребителям электроэнергии относятся дефибреры, варочный котел и приводы для цилиндров на всех сушильных установках.

Вследствие того что бумага производится разного качества и для каждого сорта бумаги используется свой способ производства, это соотношение может быть различным. На энергопотребление влияет также состав сырья, необходимое количество продукта и производительность машины. Цифры, приведенные на рис. 4.4 [4.6], относятся к машине (фирмы Escher Wyss) по изготовлению тонкой бумаги, которая находится в эксплуатации с 1974 г. (газ сжигается для нагрева воздуха, используемого в процессе сушки). Расход пара на 1 кг продукта снижается с увеличением скорости машины, тогда как расход электроэнергии в основном постоянен. В связи с этим необходима такая энергетическая установка, которая позволяла бы при необходимости увеличивать выработку пара, а электрическую нагрузку поддерживать постоянной.

На расход теплоты и электроэнергии влияет еще один фактор, ко- I торый ранее не упоминался,— число остановов машины.

Рис. 4.5. Схема промышленной парогазовой ТЭЦ (о) и тепловой баланс (б):

/-^Компрессор; ^—камера сгорания; «3 —газовая турбина; 4 котсл-утилизауор; 5 — тур* , бцна с противодавлением; 6 — потребители-papa; 7 — питательный насос,              ,              ...

кВт-ч/ГДж. Такой большой диапазон изменения выработки электроэнергии на 1 ГДж отпущенной теплоты (Эт. п) очень трудно-обеспечить с помощью существующих паровых турбин с противодавлением.

На рис. 4.5, а приводится схема промышленной парогазовой ТЭЦ, состоящей из газовой турбины 3, сбросная теплота которой используется в котле-утилизаторе 4 для выработки пара, направляемого в турбину с противодавлением 5. Пар из турбины с давлением около 0,3 МПа используется в технологических процессах.

Ниже приводятся основные технико-экономические характеристики этой установки:

Теплота топлива, подводимого к камере сгорания ГТУ, ГДж/ч              ,              .              146,5

Электрическая мощность ГТУ, кВт                            9600'

Производительность котла-утилизатора, т/ч                21,6

Электрическая мощность утилизационной турбоустановки, кВт              .              .              3120

Начальные парметры пара перед трубнной:

давление, МПа              4

температура, °С              ’              430

Количество теплоты, отпускаемой потребителю, ГДж/ч .              .              .              .              50,2

Удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении,

кВт-ч/ГДж                255

Удельный расход топлива на выработку электроэнергии, г[*]/(кВт-ч) .              238

Из теплового баланса установки видно (рио.

lt; Нагрев от инфракрасного излучения. В настоящее время в бумажной промышленности исследуются и другие виды сушки. Ведутся опыты по использованию инфракрасных газовых нагревательных элементов, проходящих по всей ширине бумажной машины [4.5]. Установленные между механическими прессами и первым сушильным цилиндром, эти агрегаты имеют мощность 90 кВт.

Целью их установки является такой нагрев внешней поверхности рулона бумаги, чтобы теплоты, поступающей на внутреннюю поверхность первого цилиндра, было достаточно для немедленного испарения воды из рулона. Производительность системы при этом увеличивается. Предварительные эксперименты показали, что при таком способе рулон не повреждается, несмотря на то что в сушилках этого типа создаются более высокие скорости сушки. Единственный и основной недостаток нагрева от инфракрасного излучения связан о широким радиусом действия длины волны. Только относительно узкая часть спектра адсорбируется водой, в результате чего происходит испарение или повышение энтальпии.              .

Высокочастотный и микроволновый нагрев. Высокочастотный и микроволновый нагрев может эффективно использоваться для сушки бумаги (и для других процессов сушки), поскольку передает теплоту непосредственно туда,, где она требуется, например воде,, без- потерь, связанных с теплопередачей, т. е. количество израсходованной энергии соответствует получению необходимой степени сухости [4.8].

С применением этого метода на последних стадия производства бумаги, где содержание влаги особенно велико, расход первичной энергии может снизиться приблизительно до 50%, потери также снижаются с 8 до 4%. Затраты на эту систему нагрева окупаются через 2 года в результате экономии энергии.

Применение нетрадиционных технологических методов. Высказано предположение [4.3], что большее внимание следует уделять развитию нетрадиционных методов. Использование тепловых насосов (гл. 7) для сушки целлюлозы и электростатическая укладка сухого древесного волокна дают большую экономию энергии. Однако это — задача будущего, поскольку для внедрения этих методов необходимы значительные капиталовложения.

Мероприятия по экономии энергии. Большинство вышеуказанных методов способны дать существенную экономию энергии, но их внедрение требует значительных расходов, и поэтому было бы лучше использовать их на новых заводах или при замене старого оборудования.

В обзоре по вопросам энергопотребления в целлюлозно-бумажной промышленности [4.10] были показаны пути, которые могут привести к снижению расхода энергии в короткие сроки й без больших капиталовложений. Обзор был всесторонним и включал результаты бесед с руководством и инженерно-тежническим персоналом фабрик и заводов, посещения предприятий, рассмотрения новых технологий в отрасли, а также анализ ответов на вопросник, который был разослан 50 предприятиям.

В результате были предложены мероприятия по экономии электроэнергии и пара. Экономия электроэнергии может быть получена за счет:

увеличения начального давления пара перед турбинами для выработки электроэнергии;

максимального использования энергии в непиковые периоды графика нагрузки;

установки конденсаторов для увеличения коэффициента мощности; замены резервных и непроизводительных насосов и электродвигателей;

проведения профилактического ремонта вращающихся деталей машины;

установки более производительного оборудования для варки; заМены древесного волокна бумажными отходами; ограничения потребления электроэнергии до установленного максимума.

Экономия пара может быть получена за счет; работы котлов с максимальной производительностью, своевременного ремонта, контроля с помощью вычислительной техники; исключения утечек пара; контроля за потребностью в паре;

исключения выработки пара в количествах, превышающих потребность процесса;

теплоизоляции паропроводов, арматуры и емкостей; ограничения потребления пара до установленного максимума; использования технологического пара из отборов турбин установок общего назначения;

снижения давления пара в котлах.

‘Экономия теплоты в технологическом процессе может быть достигнута за счет:

установки механических экстракторов воды до сушилок (прессов, вакуумных сушилок);

сбора и возврата конденсата для нагрева питательной воды котла; вторичного использования горячей промывочной воды; снижения качества используемой воды; исключение пересушки;

утилизации сбросной теплоты уходящих газов котлов; утилизации сбросной теплоты воздуха над бумажными машинами; расширения использования холодной промывочной воды; очистки сушилок для повышения коэффициента теплопередачи. В общем было установлено, что наибольшее внимание уделялось мерам по экономии энергии, связанным с утилизацией теплоты и воды и вторичным использованием ресурсов. Гораздо меньший интерес был 58

проявлен к методам, требующим капитальных затрат. Приведенные меры давали экономию энергии от 0,1 до 20%, а большинство индивидуальных мер Привело к экономии от 0,5 до 2% потребляемой энергий.