热泵在造纸工业节能减排中的应用

2011-01-06刘俊杰

天津造纸 2011年3期

关键词：烘缸黑液造纸工业

刘俊杰

（天津科技大学材料与化学工程学院，天津，300222中国制浆造纸研究院，北京，100020）

热泵在造纸工业节能减排中的应用

刘俊杰

（天津科技大学材料与化学工程学院，天津，300222中国制浆造纸研究院，北京，100020）

对热泵的原理及特点等进行了介绍，并详细地阐述了其在造纸行业几个能源消耗较大的节点，包括纸机干燥部、化学制浆黑液蒸发、化学机械制浆高浓废水高效预浓缩等方面应用的节能减排效果。

热泵节能减排制浆造纸

热泵蒸发装置有节能效果，且适于在较小温差下工作，因而引起国内外的广泛重视。特别是70年代西方世界能源危机以来，能源价格猛涨，而且蒸汽价格比电价增长得快，这就使得热泵蒸发节能和经济效益的重要性更为显著。热泵不仅用于核工业、食品、制药以及溶剂回收，还用于能源消耗较大的造纸工业，在造纸工业中应用的热泵主要为喷射型吸收式热泵和压缩型开路循环式热泵。

造纸工业虽然没有列入“高能耗、高污染”的六大行业中，但节能减排仍是造纸工业一项重要和紧迫的工作，能否降低造纸工业的能源消耗成为造纸工业可持续发展的关键所在。在造纸工业生产过程中，经常需要数种不同压力等级的蒸汽作为生产用汽，但是热源能提供的蒸汽压力一般比较单一，目前普遍采用的供热方式是对蒸汽进行节流减压的方式。节流减压式供热造成热能的无效贬值和浪费，蒸汽喷射泵技术能有效利用高品位蒸汽的热能，进行供热蒸汽的压力匹配，回收废蒸汽，使蒸汽热能得到充分利用，起到节能作用。另外，在制浆造纸过程中产生大量的二次低压蒸汽，难以直接应用于生产，通过压缩型热泵提高蒸汽的压力及温度重新用于生产而达到回用水平，降低新鲜蒸汽的耗量，达到显著的节能效果。

1 热泵的工作原理

根据逆向卡诺循环的理论基础，结合压缩型开路循环式热泵的特点，其基本工作原理就是使被蒸发的料液所产生的二次蒸汽，经过压缩机的绝热压缩，使其压力、温度有所上升，热焓也有所增加，然后使其作为加热蒸汽再送回蒸发器的加热室与被蒸发的料液进行热交换，使料液得到继续蒸发，而蒸发本身则被凝结成水再加以利用，从而节省了大量的热能，提高了热效率，简而言之，以少量的高值能，如机械功、电能等，通过热力循环，把大量的低温位热能转化成为有用的高温位热能加以利用。

该原理可以从蒸汽的焓－熵图来解释，见图1。

图1 水蒸汽焓（I）—熵（S）图

从蒸发器出来的二次蒸汽状态为A，此时的状态参数为，压力 P1＝1.0 大气压，温度 t1＝100℃，热焓I1＝639Kcal/kg。如果压缩机对汽体做功。经绝热压缩dq＝0，即等熵过程，S＝常数，ds＝＝0，二次蒸汽由状态A沿等熵线变化，把压力提高到P2＝1.5大气压，变为状态B，成为过热蒸汽。再经喷水，消除过热变为状态C的饱和蒸汽。其过程是汽体由状态B沿等压线下降与饱和线相交，此时水蒸气状态参数为P2＝1.5大气压，t2＝110.79℃，I2＝643kcal/kg。状态 C 的饱和蒸汽即可作为热源。促成蒸发的推动力为△t＝110.79－100＝10.79℃。

由图1可知，将具有大量潜热的二次蒸汽通过压缩机做功，热焓由639kcal/kg提高到643kcal/kg，只需提高4kcal/kg的热，就使二次蒸汽提高品位（提高约10℃）达到它的潜热可以再利用的程度。普通多效蒸发器的二次蒸汽的潜热均降级使用，而第一效蒸发器所需的热能又要完全由新鲜蒸汽来补充。所以热泵蒸发是一个高效节能的方法。

2 热泵蒸发装置的特点

1）热泵最突出优点就是热效率高，节能效果显著，只需消耗少量的高值能即可获得大量的满足工作要求的高温位热量，从而回收了大量的低温位余热，提高了能源利用率，收到良好的经济效益。

2）热泵蒸发装置结构紧凑、占地面积小，可以省去庞大的供汽锅炉和复杂的冷却系统设备，同时也节省了大量的冷却用水，这就等于节省了许多燃料，并且减少了大气的污染，保护环境，提高了经济效益。

3）热泵装置的启动和压缩机的驱动方式可以因地制宜。比较灵活，如选用电动、汽轮机、柴油机均可满足需求。

4）这种装置操作方便，运行安全可靠，易于实现系统的自动化。

3 热泵的种类及用途

热泵包括喷射型吸收式热泵、压缩型闭路循环式热泵及压缩型开路循环式热泵等。

喷射型吸收式热泵的最大特点就是没有转动部件，比压缩型热泵构造简单。但是，使用这种热泵必须具有较高压力的蒸汽作为推动热源。一般利用低于150℃的蒸汽作为动力时，其能量利用上并不合算，而且在操作条件方面也不易控制，由于从中所获的能量和经济收益有限，所以使用场合不多，在造纸工业中用于纸机干燥部。

压缩型闭路循环式热泵，多用于建筑采暖、冷冻、干燥等空调系统。它的实际制热系数一般在2.5～4.5左右。系统中必须选用适当的载热剂（制冷剂）如氟利昂12等。

压缩型开路循环式热泵适于工业预热的回收，如石油、化工、轻纺、食品、核能等工业领域里的某些沸点升高不大，热敏性较强的要求有效温差较少的水溶性料液的蒸发、蒸馏操作单元均可选用它作为浓缩净化、提纯和溶剂回收的手段。这种装置的实际致热系数一般为5.5～10左右，若设计的换热设备较好，系统匹配得当其实际制热系数还可以大大提高。

4 热泵在制浆造纸工业中的应用

4.1 在纸机干燥部的应用

国内老式纸机普遍采用单段、二段或三段通气方式的常规供热干燥系统。单段通气供热系统中，纸机干燥部全部耗用新蒸汽，在每段缸前采用阀门来调节进入烘缸的蒸汽压力和蒸汽量，从烘缸排到大气中的蒸汽凝结水中夹带大量的废热蒸汽，浪费热能，还造成环境污染。在二段或三段通汽供热系统是多段串联逆向蒸汽供热，在各段烘缸间依靠汽水分离的闪蒸蒸汽与凝结水系统的压差推动蒸汽进行热力循环。高温段烘缸排出的蒸汽凝结水通过汽水分离，产生的二次蒸汽供给低温段烘缸。存在以下缺点：①无法单独调节纸机各段烘缸温度，不利于建立适合各种纸张要求的最佳烘缸温度曲线。低温段烘缸利用二次蒸发汽为热源，不利于单独调节各段烘缸所需要的蒸汽压力和流量。②烘缸中的凝结水难以通畅排出，烘缸内积水造成表面传热强度降低，影响成纸质量和产量。③浪费能源污染环境，用蒸汽吹出烘缸中的凝结水，破坏了烘缸各段用汽的平衡，同时热力系统排出的凝结水中带走大量的蒸汽。

热泵技术是解决以上问题的有效途径，某造纸厂对传统干燥部进行改造，采用两次闪蒸双级闭式热泵供热代替两段通汽供热系统，经系统改造，纸机烘缸排水不畅等不利因素得到改善，吨纸汽耗由4.02t降低到 2.65t，电耗由 537.84kWh降低到500.26kWh，单位产品汽耗平均汽耗下降34.07%，平均电耗下降6.98%，由于改造应用热泵供热系统，使纸机烘缸连续排水通畅，解决了烘缸表面传热强度低，纸机传动系统晃动等不利因素，纸机达到稳定生产，改造后月平均产量比改造前增加9.1%，经济效益显著。

近年来，还有研究人员研制了可调节式热泵供热系统替代不可调节式热泵供热系统用于纸机干燥部，增大了纸机干燥部热泵供热系统调节范围，保证烘缸供汽压力和烘缸排水压差，回收了二次蒸汽，降低了冷凝水排放温度，提高了烘缸表面温度和纸幅表面水蒸汽分压力，在纸幅干燥过程中起到了强化干燥传热、传质的作用。克服了不可调节式热泵供热系统在纸机工况变化时，只能采用调节新蒸汽压力的方法来满足纸幅干燥工艺的要求，热泵进口新鲜蒸汽调节阀开度会减小，造成热泵做功能力降低，而造成蒸汽有效能损失降低热泵工作效率的问题。

4.2 化学浆黑液蒸发

热泵蒸发装置用于蒸发废液（黑液）可以以单效形式作为稀黑液预浓缩器，稀黑液浓度低、粘度小、沸点升高小，器蒸发强度和传热系数将会显示出更高的水平，适用于蒸发面积不足的工厂，作为补充蒸发器以扩大生产能力，也可以多效并联串联代替部分蒸发器。

热泵蒸发与普通蒸发相比，可引用能量使用比例EUR及热泵蒸汽节汽指数SSI这两个概念来评价。EUR表示以普通蒸发法应消耗的能量与包括电补偿及压缩功耗在内的热泵蒸发使用的能量之间的比例。中国造纸研究院试验得出热泵的EUR为5～6，（其理论EUR为10以上），说明一台热泵蒸发器相当于普通蒸发5～6效，或者其使用的能量相当于普通蒸发的1/5～1/6。可以看出热泵比普通蒸发大大节能。热泵蒸发的热经济性较好，蒸发效率较高。节汽指数SSI为14.5～72。即每公斤蒸汽蒸发14.5～72公斤的水，而相同规模的六效蒸发站蒸发效率只有4.8。这样，由于使用电能就大大节约了蒸汽，在电能供应充足、价格低廉，而蒸汽供应紧张，成本又高的地方可以因地制宜的选用热泵蒸发来替代多效蒸发站。

中国制浆造纸研究院采用热泵技术对木浆黑液进行蒸发实验发现：固形物从15.5%浓缩到46%时，能耗比四效蒸发器的综合能耗低约30%，污冷凝水BOD5去除率56%。对造纸草浆黑液蒸发实验发现：固形物含量从10.7%浓缩到40%时，能耗比四效蒸发器综合能耗低40%，污冷凝水BOD5去除56%。

4.3 化机浆废液的浓缩

高得率制浆是由于其节约木材资源及环境污染相对较小等优点在近年来快速发展，但其带来的环境污染也不容忽视。化学机械浆P-RC APMP制浆废水中，CODCr含量为13000mg/L，溶解性CODCr含量为11600mg/L，BOD5为 5300mg/L，SS 含量为 1250mg/L。成分比例与化学浆接近，但浓度较低，仅为1%～2%，属高浓废水，采用传统水处理措施进行处理，达标排放难度较大。而直接进行碱回收难以实现能量自给。国内某大型造纸企业，经技术攻关采用热泵技术对废水进行预浓缩，使其浓度从1.65%浓缩到15%，使其中90%的水分蒸发出来，经预浓缩的废液进传统蒸发碱回收系统，消减有机污染物的同时，实现化学品及能量的回收。其运行成本较多效蒸发系统低（见表1），不过前期投资较多效蒸发系统高。