大型造纸企业生产过程节能实践案例与研究
造纸行业是国民经济的重要支柱产业,纸和纸板不仅是生活材料,更是重要的生产资
本文主要介绍了国内某大型造纸企业通过实施永磁同步电机合同能源管理、真空系统Eco-pump变速透平机节能改造、干燥部热泵系统节能改造、沼气回收发电、厂房屋顶光伏发电等项目的节能实践案例,以期对国内造纸企业节能改造及相关科学研究提供参考,为推动现代造纸产业实现节能降耗、绿色发展提供指导。
1 合同能源管理模式
合同能源管理是节能服务公司和用能单位以契约形式约定节能目标,由节能服务公司承担项目工程设计、设备制造供货、安装调试、性能考核、竣工验收、人员培训、设备维修、质保服务全过程,项目产生收益由双方按约定比例分享,约定期限、效益核算方式由双方共同确认。节能服务公司向用能单位提供节能设备和服务,在约定期限内收取约定比例的节能效益来收回投资并获得收益;用能单位也从中获得相应节能效益,并在约定期满后获得节能设备所有权及全部节能效
经专家现场考察和技术研讨,确认国内某大型造纸企业的双盘磨高压电机等有很大节能空间,决定选用高效高压永磁同步电机代替原普通高压电机,保守评估节能率在15%以上。
永磁同步电机由永磁体励磁作为转子产生同步旋转磁场,三相定子绕组在旋转磁场作用下通过电枢反应感应三相对称电流并在空间中产生旋转磁场,转子在旋转磁场中受到电磁力作用运动产生动
该造纸企业采取合同能源管理模式,将10台原普通高压电机(总装机功率17000 kW,单台装机功率1700 kW)改造为高效高压永磁同步电机(见
图1 高效高压永磁同步电机
Fig. 1 High-efficiency high-voltage permanent magnet synchronous motor
2 真空系统节能改造
真空系统是纸机重要耗能部位之
针对水环式真空泵、透平风机缺点局限,以兰泰克为代表的Eco-pump变速透平机(见
图2 Eco-pump变速透平机
Fig. 2 Eco-pump variable speed turbine
该造纸企业原有39台水环式真空泵,配备Y2系列电机,装机功率14842 kW,负载均高于95%,运行功率约14321 kW;为保证水环式真空泵正常运行,需循环水泵提供水环水,其装机功率237 kW,运行功率167 kW;故总装机功率15079 kW,总运行功率14488 kW。另外,水环水在运行过程中温度会逐渐升高,为降低水环水温度保证真空泵正常运行,必须配备冷却水塔;由于真空泵运行噪音大,需配备消音池和消音囱;水环水、消音池用水均密闭循环,水质较脏会产生臭气,一方面增加冷却水塔维护费用,另一方面产生大量带有异味的白雾,影响厂区环境。
该造纸企业对原有真空系统进行节能改造,将39台水环式真空泵替换为22台Eco-pump变速透平机,淘汰Y2系列电机;改善刮刀和接水盘的脱排水效果,借助Eco-flow在线脱水测量系统对网部、压榨部脱水进行控制,合理配置网部及压榨部真空度,从而实现真空系统节能稳定运行。改造后的真空系统无需配置循环水泵、冷却水塔、消音池和消音囱,总装机功率从15079 kW降低至12110 kW,实测运行负荷平均58.96%,保有良好的富余量。
根据改造前后真空系统运行数据分析(见
3 干燥部节能改造
纸机干燥部是在烘缸通入高温蒸汽对湿纸幅干燥脱水,约35%~40%的水分需通过干燥部脱
干燥部蒸汽冷凝水系统的优劣决定了蒸汽消耗量,可调式热泵蒸汽冷凝水系统通过尾气流量控制,能明显改善烘缸排水性能,提高排水动力,并充分回收低压蒸汽以减少消耗,满足各种类型纸机和不同生产规模需
图3 可调式热泵结构及烘缸组尾汽流量控制示意图
Fig. 3 Schematic diagram of adjustable heat pump structure and tail steam flow control of drying cylinder group
该造纸企业生产线纸机干燥部为多段进汽的控制方式,蒸汽耗用量较大。实施节能技术改造后,引入可调式蒸汽冷凝水系统热泵技术,根据纸机各段蒸汽耗用情况及对蒸汽温度、压力的总体要求进行合理设计,同时优化供气管道布局;根据干燥前后段纸幅含水率差别,以及逐级提高蒸汽压力与温度的要求,使用可调式蒸汽冷凝水系统热泵技术将后段蒸汽尾汽供向前段,充分利用尾段蒸汽;通过多段供汽、尾段蒸汽梯级利用以节约蒸汽消耗,降低热交换清水用量,有效实现系统节能降耗。改造实施情况如下。
(1)湿端烘缸(包括压榨后第一组烘缸,施胶后第一组烘缸)原设计不变,利用后段汽水分离器二次闪蒸的蒸汽加热,不够时再由新鲜蒸汽补充。
(2)其他烘缸组均为标准热泵系统,采用尾汽流量控制来调节烘缸排水,操作压力在0.05~0.6 MPa之间,并根据各工段需求调节操作压力范围,热泵的引射蒸汽和烘缸组主干燥蒸汽则使用1.2 MPa中压蒸汽,进入烘缸组的蒸汽全部在该组循环利用,干燥过程中保证蒸汽不变成冷凝水;各烘缸蒸汽组可在给定压力范围内工作,在纸机正常运行过程中或生产断纸时均实现蒸汽的稳定利用,不造成浪
(3)冷凝水余热回用:前烘、后烘第三组后烘缸的总冷凝水分别收集到汽水分离器,一次闪蒸后分别回用到前烘、后烘第二组烘缸使用,前烘、后烘第二组烘缸的冷凝水分别汇合进入汽水分离器二次闪蒸供给低温段使用;纸机的总冷凝水(102~105℃)进入热风系统,汽-汽回收后为新风预热再回到电厂。
(4)气罩换热器加热:热风系统的空气在汽-汽回收后的加热分为两个部分:第一部分为冷凝水预热器,优先使用整条纸机的总冷凝水给新风做预热,充分提高新风温度;第二部分为新鲜蒸汽加热,热风温度不足部分由新鲜蒸汽补充。
改造实施后,蒸汽单耗平均下降0.1643 t/t纸,节降率9.43%,详见
4 沼气回收发电
大型造纸企业通常配置完备的废水处理系统,厌氧发酵过程能产生大量沼
该造纸企业废水处理系统经改造后,将IC塔厌氧发酵过程产生的沼气通过管道收集、暂存,脱硫洗涤后通过稳压柜及罗茨风机输送至热电厂,在循环流化床锅炉中完成掺烧发电,以代替部分原煤消耗,如
图4 沼气回收发电应用
Fig. 4 Application of biogas recovery for power generation
改造投用后每年沼气产生量约1602.73万m³,折合标煤11443.49 tce(当量值,折标系数7.14 tce/(1
5 厂房屋顶光伏发电
太阳能光伏发电作为清洁能源日益受到青睐,多国已将光伏产业纳入国家新能源战
该造纸企业与专业的光伏发电机构合作实施了屋顶光伏发电项目。光伏发电机构作为项目合作投资方,负责全部投资(包括光伏组件、并网逆变器、支架、配电设备、通讯控制调度设备等),在造纸厂区内厂房、仓库、原料大棚等屋顶安装分布式光伏设备,如
图5 屋顶光伏发电实施应用
Fig. 5 Implementation and application of roof photovoltaic power generation
注 净发电量为总发电量扣除光伏组件设备及配套设施本身所耗电量。
项目光伏组件年均衰减预计不超1%,使用年限在25~30年以上,前3年年均净发电量1525.51万kWh,折合标煤1874.85 tce(当量值,折标系数1.229 tce/(1
图6 屋顶光伏发电项目净发电量
Fig. 6 Net power generation of roof photovoltaic power generation project
6 结语
采用合同能源管理模式开展的节能项目,节能服务公司可在约定效益期内通过节能收益来收回投资并获得收益;用能单位实现零投入获得节能效益并降低能耗,在约定效益期满后获得节能设备所有权及全部节能效益,双方互利共赢。合同能源管理模式下实施永磁同步电机改造案例,代替原普通高压电机,平均节电率为26.57%,节电效果显著。
在纸机关键能耗部位实施节能改造,其中真空系统实施Eco-pump变速透平机节能改造案例,真空系统功耗节降率达到50.72%,节能效果显著,但一次性改造投入也较大,改造前应做好评估;干燥部实施可调式热泵节能改造案例,蒸汽单耗平均下降0.1643 t/t纸,节降率9.43%,每年可节约蒸汽18.73万t,折合标煤18040.88 tce(当量值)。因此,节能更应关注重点能耗部位。
挖掘新能源潜力,发挥资源能源协同效应,实施了废水处理系统沼气回收发电案例,每年可回收沼气约1602.73万m³,折合标煤11443.49 tce(当量值),既实现热值有效利用并可替代部分燃煤消耗,又有效减少大气温室效应及环境污染;厂房屋顶光伏发电应用案例,单位面积年净发电量约84.75 kWh/
通过以上大型造纸企业生产过程节能实践案例,取得良好的节能效果,每年综合节能量40870.26 tce(当量值),可为同行提供参考。节能降耗并非一蹴而就,需长期持续推进、探索改进与管理创新,并综合考虑技术可行性、投资回报率、风险可控性等多重因素。
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