技术报告
造纸新技术
・・
美卓制浆造纸新技术
聂小荣
(江西科技师范学院, 江西南昌, 330013)
摘 要:最近10年中, 尽管中国的纸与纸板需求量快速地增长, 但世界一些发达国家的需求却有所下降。由于能源和原材料成本很高, 使得西方的生产厂家一直在关注如何降低成本以维持利润。虽然最近能源和原材料价格有所下降, 但有可能是暂时的。设备供应商已经在实验室里进行了大量的研究, 寻找帮助用户降低成本的技术和方法。中国能源成本高、水资源短缺、环境挑战严峻, 技术
作者简介:聂小荣女士, 博士, 教授; 主要研究方向:产业经济与管理。
的发展受益更大的应是中国投资者, 因最先进的制浆造纸技术使投资和生产成本都有了下降的趋势。文中概述了美卓公司研发部门以降低成本和提高收益为目标进行技改所取得的制浆造纸技术的进步, 尤其是在能源和水的消耗方面。
关键词:节能减排; 制浆造纸新技术; 模块化和标准化技术; 降低成本
中图分类号:TS7 文献标识码:B 文章编号:02542508X (2009) 1220056206
Recen t Advances i n Pulp i n g and Paper mak i n g Technology
N I E Xiao 2r (J iangxi Science &Technology N or m al U niversity, N iangxi P )
(E Abstract:The last ten P&B the world although Chinese de mand has gr own fast . The western m ills be t o maintain s ome p r ofitability . Energy and ra w materials have become expen 2sive 2although very p r te mporarily, their p rices have declined . The machinery supp liers have carried out a l ot of works in their laborat ories t o s oluti ons of cost reducti on f or their cust omers . This recent technol ogy devel opment may possibly benefit the Chinese invest ors even more, where energy cost is high, water scarcity and envir on mental challenges are severe . I n general, the invest m ent and p r o 2ducti on costs have had a declining trend due t o the ne w technol ogies .
Key words:energy saving and e m issi on reducti on; ne w paper making technol ogy; modularizati on and standardizati on technol ogy; cost reducti on
1 美卓对制浆造纸技术的研发
术的唯一拥有者。
传统上, 美卓一直是大规模生产线的供应商, 但市场的有限和原材料的缺乏使投资者面临严峻的挑战, 迫使投资者建造其他规模的造纸生产线, 而并非一味地追求规模最大化。随着中国的发展, 这种非最大化规模的项目也正在陆续增加, 以至在整个亚洲, 类似项目很可能还会继续增加。正如美卓薄页纸机生产线在Karlstad 成功采用的理念, 模块化和标准化技术正是降低成本的有效方法, 中小规模的生产线也能用领先技术。美卓坚持不懈地关注着大规模生产的瓶颈, 同时开发适合中小生产规模并最具有竞争力的技术, 这种新技术将于今年秋天引进中国。美卓在生产化学浆、机械浆、回收纤维、铜版纸、生活用纸、箱 收稿日期:2009207207
在制浆造纸工艺和设备的技术改进中, 美卓进行了5项研发, 分别为纤维、纸、卫生纸的工艺和设备技术的改进, 以及与能源和环境相关的自动化和动力技术的改进。2008年美卓用于研发的总经费高达9600万欧元, 专职技术人员620人, 主要试验机中心6个, 分别为:位于Jyv skyl 的纸机与纸板机技术工厂、位于J rvenp 的涂布压光和包卷技术工厂、位于I nker oinen 的纤维技术工厂、位于Karlstad 的卫生纸机与化学浆技术工厂、位于Sunds 2vall 的机械浆和化学浆技术工厂以及位于Turku 的
通风技术工厂。最近, 美卓还收购了日本三菱重工的造纸机械技术, 其中包括三菱重工的中试设备, 现在美卓是前贝诺公司和三菱重工公司造纸机械技
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纸板和涂布纸板等方面的基础设施相当雄厚。目前, 世界上最大的两个年产量达150万t 的制浆厂正处于交付期
。
近年来, 环境问题变得非常严峻, 这不仅是社会和造纸厂面临的问题, 也是美卓面临的问题和研发的新目标。通过开发及提供设备和技术, 参与承担制浆造纸厂的环保责任, 这种装备将以环保为基础, 生产经济的纸浆和纸产品。美卓按重要性的先后次序排列了研发目标, 它们是:节约能源、减少环境负荷、减少制浆造纸的投资费用、采用新技术支持服务业务增长、更高效地利用生物资源新工艺。2 能源成本的重要性
72%～73%的黑液在碱回收锅炉燃烧, 回收到约99%的蒸煮化学药剂。单一BHKP 制浆厂需要10G J /t
(风干, 下同) 的热和215GJ /t (017MW h /t ) 的电
能, 但它可产生3～4GJ /t 的余量蒸汽, 污水排放总
3
量达到大约30m /t 。
图1 造纸过程先进的成本结构表1 美卓最新技术所需的能源与水的消耗量
美卓2008
先进技术浆纸一体漂白硫酸盐阔叶木浆生产线浆板机
压力磨木浆生产线热磨机械浆生产线化学热磨机械浆生产线
二次纤维制浆生产线脱墨浆生产线新闻纸机超级压光纸机低定量涂布纸机不含机械浆非涂布纸机
不含机械浆涂布纸机卫生纸机瓦楞原纸纸机脱墨浆新闻纸生产线二次纤维生产挂面纸板生产线脱墨浆生产卫生纸生产线
蒸汽消耗
/GJ・t -1915(1010) 2() 11(1011(011) 013(013) 012(012) 013(013) 012(012) 018(019) 411(418) 315(512) 514(515) 513(711) 517(716) 510(615) 414(418) 419(517) 416(510)
7178) 112(112) 211(211) 514(514) 317(318)
通常能源成本占制浆造纸直接生产成本的10%～35%, 是纤维成本之后的第二大成本。由于纤维和能源价格的上涨, 机械制浆面临非常大的困难。自20世纪90年代以来, 完全自给。表, 盟2001年10月I PPC 文件中发布的造纸工业的制浆造纸技术参数进行比较, I PPC 数据反映的是10年前的先进技术。
自20世纪90年代以来, 美卓一直不断地进行技术开发。10年前的技术与现在的技术比较已有很大差别, 表格中的数据只是近来几个已交付项目中的平均值, 并不是最优值。
3 最佳化能源消耗的成果311 化学浆
20世纪90年代后期, 一个现
[1]
蒸汽生产
/GJ・t
-1
电消耗
/MWh ・t -10) 00155(0166) 116(116) 119(119) 213(215) 117(211) 011(011) 013(015) 0156(016) 0, 62(017) 0160(017) 0158(016) 0164(017) 019(111) 0142(015) 019(111) 017(017)
废水排放量
/m3・t -118～23(28) 2(212) 20～25(30)
5(5) 5(5) 5(5) 12～15(15)
4(4) 6(8) 6(8) 6(10) 6(10) 6(8) 6(8) 6(10) 4(6) 8(17) 4(8)
1717(1718)
代化的制浆厂每年能生产约70万t 漂白阔叶木浆。那时候的Kvaerner 制浆原理是在氧脱木素作用下延长蒸煮和洗涤压榨时间, 使用Cl O 2进行ECF 漂白(D (E OP ) DD ) , 6～7段并流降膜式蒸发, 将浓度
518(719) 112(115) 9(10)
注 括号内为20世纪90年代末期I PPC 公布的数据。
《中国造纸》2009年第28卷第12期
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目前最大的制浆生产线年产量已达到130万t (在中国海南和巴西Mucuri ) , 年产150万t 的生产线也正在中国和巴西安装。当前的生产技术与10多年前的基本相似, 但最大的不同是其生产规模是原来的2倍。为减小蒸煮器的体积, 美卓采用在另一个容器预浸渍再进行连续蒸煮的方法, 这样卡伯值在二段蒸煮系统有所增加。由于蒸煮和氧脱木素作用, 桉木浆最终的卡伯值是10～12, 蒸煮得率为52%～53%, 固含量高达80%～85%的黑液(通常为82%～83%) 在碱回收炉回收使用。测量数字显示, 已安装运行的商品浆生产线的总蒸汽消耗为915GJ /t, 生产量为1717GJ /t (在一体化工厂里有6GJ /t 的剩余) , 电能为015～016MW h /t, 废水排放量约为20m /t 。10年来, 一体化化学法制浆造纸耗电量已经减少20%, 耗热量减少约8%。
最近浆板机规模也加大了, 一台浆板机通常可以处理整个化学制浆生产线的生产量, 一个年产150万t 的造纸厂只需要一个年产量150万t 的热风
3
015MW h /t (019～118GJ /t ) 。在浆的质量方面, 杨
木不像云杉那么敏感。另一个发展的就是采用针叶木磨浆。313 二次纤维和脱墨浆
新的二次纤维制浆和脱墨浆技术包括高效筛框生产设备, 用于粗筛、低浓除渣和精筛, 它与之前的技术相比可节约能耗15%～20%。
美卓近期交付了多个包装纸板和印刷用纸的大型生产线, 其中包括交付给中国的产量1500t/d 脱墨浆
3
生产线。其生产每吨脱墨浆用清水约115～2m , 其余用水由造纸厂再循环水来补充。能耗已经减少到013MW h /t, 在中国大型脱墨纸浆生产线的记录可降低至0124MW h /t 。314 造纸生产线
20世纪90年代末, 造纸机的标准配置有稀释水控制流浆箱、夹网成形(辊面式叶片) 、双靴式压榨或带靴压的四辊三压区压榨、单干网烘干部配备H i 2Run 吹风箱、膜转移涂布/、中心传动的卷纸
干燥浆板机和相应产能的打包线。目前最大的浆板机
年产量为120万～130万t, 考虑到可能的风险, 在中国, 单个产量150万t 的浆厂(4900) 2台浆板机。最近, 度为10m , 用更高的浆浓, , 夹网成形技术, 以及靴式压榨获得更高的出压榨浓度。由于高浓浆料(2%) , 成形时两面脱水和靴式压榨, 能耗大大减少, 蒸汽消耗从215～216GJ /t 减少到119～210GJ /t, 电耗从0113MW h /t 减少到011MW h /t 。因此, 以桉木为原料(厂家自己去皮) 的
机如图, 其24h 的2000in 10年中, 最高200m /min, 而在20世纪90年代的10年中最高速度增加了400m /min 。再增加速度变得
更加困难, 虽然试验纸机已经可以轻松达到2500m /min
。
现代化浆纸一体化工厂, 将有大约8GJ /t 的余热可用于电力生产和浆板干燥。一个现代化的商品浆厂将可以外卖013～014MW h /t 的电能, 桉木浆的得率是52%～53%。312 机械浆
图2 新闻纸试验机速度、24h 生产速度记录及其
最佳年平均值
机械浆不但受木材昂贵价格的影响, 还受能源价格的制约。传统型的磨石磨木浆不受青睐, 因为它的工艺存在能量损失且难回收。10年前, 热磨机械浆需要电能约215MW h /t, 其中约80%～90%电耗用在磨浆上, 有60%的能量以蒸汽形式回收, 可用于纸张干燥和工艺水加热。近来, 美卓已经开发了多项技术可减少磨浆中的电耗, 新型的磨浆机能减少
[2]
15%～30%的磨浆电耗。云杉热磨机械浆的电耗已经减少了012MW h /t (017GJ /t ) , 但是制浆纤维质量有一定的限制。杨木CT MP 可减少电耗0125～
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1995年, 一台交付给英国Aylesford 的最高速度
新闻纸机宽度为10m , 速度1700m /min, 年生产能力2815万t 。2006年, 一台交付给中国晨鸣的新闻
纸机宽度为11115m , 设计速度2000m /min, 年生产能力40万t 。2台机器在开机以后不久都达到并且超过了设计产能。从1995年到2006年这11年间, 最快的新闻纸机年产量增加了40%, 其运行速度增加了20%, 即300m /min, 机宽增加了12%, 同时, 新闻纸的生产越来越多地以脱墨浆为主, 而不是用一
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次纤维热磨机械浆。
通过增加速度或宽度来增加生产能力是否持续可行? 进一步增加速度显然是很大的挑战, 在高速度运行上, 几个因素会让收益的边际效益减少或是负值, 但是总收益的边际效益仍然是正的。能源消耗在速度增加时的边际收益仍然是正的或中性的, 虽然有部分是负值, 如电器传动所需能量。看来进一步加速还有潜能, 而且机宽也可以增加。315 纸和纸板生产线的耗能点
表2和表3列出了纸与纸板生产中最耗电的工序。压榨和干燥耗热量占总耗热量的80%, 从成形到压光过程, 真空、辊子传动和压区耗电量占总耗电量的80%。其中真空耗电约占35%, 压榨约占20%。
表2 新闻纸生产线的电力消耗结构
电力消耗所占比例/%热能
短循环流浆箱成形部压榨部烘干部压光机卷纸机复卷机
通风(包括车间)
[***********]
为20%～22%。在Op tiFor mer 成形部的成形辊后
(2%) , 反面加靴压对着双室的真空箱, 进行对称脱水。
在成形部还有一些最新的实用方案来提高能效。将成形辊的吸气孔改为直孔(成形过程大约耗费50%的真空) 而不是用锥形孔, 可明显提高纸幅干度(015%～4%) , 并减少真空气流(10%) 。传统上, 高真空吸水箱的面板为槽式面板, 目的是最大化地将纸幅与真空接触。更好的解决方案是采用圆孔式面板, 以减少所需真空, 减少纸幅变形, 减少摩擦和用电量。另一个类似的装置是用一个曲面的吸水箱代替最末端的真空吸水箱, 通过位置调整改善吸移辊包角, 这样可减少吸水箱的摩擦, 从而降低传动能耗, 并且通过成形网和吸移辊间的挤压, 提高了脱水, 从而减少网子磨耗, 增加了成形网的寿命。
维持良好运行性和降低电耗的另一个方法是保持喷水管正常工作和成形网清洁
电能
[***********]418412116
表3 成形部和压榨部的电力消耗结构
电力消耗所占比例/%
成形压榨
电器传动真空系统喷淋水通风系统液压系统气动系统损纸系统
[***********]110610
[***********]0
图3 自1995年以来成形过程中清水消耗量的变化
412 压榨部解决方案
靴压可使纸幅获得50%以上的干度进入烘干部。
在压榨部, 干度提高1%, 烘干部需蒸发的水分将减少4%。生产新闻纸时, 出靴压的干度能达到52%～53%, 生产超级压光纸时, 干度甚至可高达56%～57%。
美卓有3种基本压榨理念:独立倾斜式双靴压(不适用于超级压光纸) 、带单靴压的三压区压榨(超级压光纸配第四道压区) 、和单靴压(主要用于文化纸、特种纸和低定量包装纸种) 。
从能耗方面考虑, 单靴压技术无疑是最好的。干度能达到50%以上, 纸张质量在随后的施胶(或涂布) 和压光部进一步整饰。单靴压能耗比双靴压少1/3。美卓在文化纸生产线上有多个配置单靴压的案例。显然, 这种类型的压榨是一种低成本投资
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4 如何减少电耗411 成形部的解决方案
纸张出压榨后的干度会影响造纸生产线能量的消耗。从流浆箱中浆的浓度说起, 用先进的Op tiFor mer 成形部生产绘图纸, 上浆浓度为017%～115%, 但在20世纪90年代后期, 上浆浓度要比这低50%。目前出网部的干度, 新闻纸为17%～19%, 文化纸 《中国造纸》2009年第28卷第12期
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方案。
改善现有压榨操作的途径有以下几种:
将现有的流体动力型靴结构改成复合型结构, 这样可以降低能耗。另外, 降低靴套润滑油的温度可以延长靴套的使用寿命。
不用毛布真空吸水箱, 而是配置靴辊刮刀, 把靴套上的水刮除到靴辊接水盘中, 这样可降低真空消耗, 提高靴套的洁净度和纸幅出压榨部的干度, 延长靴套和毛布的使用寿命。
压榨部有多种降耗节能的技术, 但需要慎重规划找出最佳方案。
在传统压榨部, 如果纸机幅宽适度, 安装“微型靴压”是一种提高出压榨干度的方案。在技术性能方面, 微型靴压介于辊子压榨和标准靴压压榨之间; 在成本方面, 它更接近辊子压榨。例如, 微型靴压可以使出压榨干度提高2%～3%, 这样需蒸发的水分降低8%～12%。由于压区较短, 其电耗比一道靴压的更少。微型靴压的长期运行成本比一道靴压低很多, 只有一道标准靴压寿命成本的20%。其原因是使用了实心对辊, 与采用可控中高辊的中心辊相比, 投资成本和运行成本都较低。通常, 有的压榨部上。
表4 线压力/kN・m -1压区长度/mm压力/MPa
压榨辊/靴辊直径/mm背辊
120～13040～506～9700～900
天然气代替煤。另外在涂布纸生产线中使用高效的气流干燥也是改善干燥策略的一个方面, 高效气流干燥
箱的能耗比传统气流或红外干燥箱的更低。
在烘缸干燥中, 运行系统和通风至关重要, 它们的电耗约占整个造纸生产线的6%～12%。优化的Vac 辊和吹风箱内的真空与气流可降低能量消耗, 这两者是运行速度和定量的函数, 通过控制电机的频率实现节能目的。通过以上方法, 这些系统通常可节约电耗10%～15%, 美卓的优化方案能使节能水平提高达30%～40%。正常的车间管理中, 要求烘缸冷凝水排出顺畅, 所有设备正常有效运行, 断纸次数要处在可接受的水平。414 纸板生产线
纸和纸板生产线的能耗最小化方案大同小异, 基本思路是流浆箱浓度尽量最高化(110%～115%) , 提高出成形部的干度(21%～24%) 和出压榨干度(50%以上) , 控制真空和通风气流。具体的改善方案与文化纸生产线的类似。
, , 成形部的, 这2家工厂采用两。
在以废纸浆为主要原料的箱纸板生产线上, 吨纸
3
的清水用量为4～5m 。超滤机非常适用于用来澄清工艺用水, 使之再回用到系统内, 部分纸机水可回用到废纸制浆车间。
另外一个重要的因素是设备的优化选型, 防止工艺中出现瓶颈或超量设计。对操作员培训, 防止不当控制是另外一种节约途径。415 卫生纸机
卫生纸产品种类多样, 具有不同的定量和性能。下面介绍的是低定量高品质的卫生纸产品的生产技术。
长期以来, 卫生纸机的产能大致保持相同。一般217～218m 幅宽的卫生纸机年产能为3万～4万t, 或513～516m 幅宽的卫生纸机年产能为6万～7万t, 纸机最高车速都为2000m /min 。2009年3月美卓卫生纸机创立了24h 的最新车速记录2160m /min, 这意味着6年内提高了4%。在这10年内, 纸机设计的标准化是降低投资成本的一种途[3]
径。另外一个主要发展领域是压榨部, 其目标是提高出压榨的干度。
卫生纸生产的能源成本和纤维成本分别约占总直接成本的15%和64%。先进纸机的典型能耗结构如
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微型靴压
250～40090～1204～61100
标准靴压
600～1000180～2904～61250～1595Sy mZ LC
实心辊实心辊
413 干燥部
干燥能量的消耗根据出压榨的纸幅干度而定, 出压榨干度是干燥能量降低和运行性能提高的一个重要变量。
在新技术方面, 美卓已经开发了燃气冲击干燥技术, 并已市场化地应用于文化纸机和箱纸板机上。该技术和设备配备在压榨部之后以改善运行性能, 降低总投资成本(干燥部更短) , 可使翘曲降到最低(安装在纸机后段时, 可不使用控制翘曲的再湿装置) , 节约总能源成本。安装冲击式干燥箱并未降低干燥能量的需求, 问题在于蒸汽和天然气之间的成本差异。冲击式干燥箱外形上较紧凑, 有利于缩短现有干燥部, 提高干燥部的产能。干燥策略中一个重要的方面是通过采用冲击式干燥单元取代传统烘缸群组及使用
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下:扬克烘缸的蒸汽20%(570k W h /t ) , 高速汽罩的天然气43%(1230k W h /t ) , 电1050k W h /t 。电耗分配比例为:分部传动4310%, 流送1910%, 汽罩风机915%, 真空及其他2815%。
在造纸工业中, 当前卫生纸产品所面临的环保压力可能比其他的都大, 这是由于产品的高消费类型所致。评估卫生纸生产对气候变化的影响, 设立“生态标签”是当前的一大热门话题, 执行“认证”产品可能会使电耗和水耗, 尤其是矿物燃料用量降至最低。
美卓已开发出了新技术来应对这一挑战, 目标是使总能耗降低到2MW h /t, 其中电能018MW h /t, 热能413MJ /t (112MW h /t ) 。2000年初的先进水平约为2185～219MW h /t, 现已降低到213MW h /t, 美卓已开发出新技术可达到2MW h /t 的水平。
卫生纸生产中使用一道靴压可将出压榨的干度从39%(两道辊子压榨) 提高到46%, 使需蒸发的水量降低了25%, 减少干燥能量0144MW h /t 。在降低电耗方面(见表1) , 工艺系统革新(工艺重新设计, 提高浆浓, 取消混合浆池和二段筛) 已将其减少了0112MW h /t, 新型打浆机盘片节电01MW h /t, t, 1/t 增大扬克烘缸的直径也能节约能源成本(扬克烘缸直径从381mm (15英寸) 改为457mm (18英寸) 可以使干燥能量减少7%) 。可以慎重地说, 卫生纸生产技术的发展, 已经使10年前的7MJ /t (119MW h /t ) 降低到了目前的5MJ /t (114MW h /t ) 水平, 电耗从10年前的111MW h /t 降低到了目前019MW h /t, 顶级制浆线的热
为1～2年, 工艺水的质量得到提高并保持稳定, 清水加热和泵送成本得以降低。5 总 结
纸和纸板生产线最新的节能技术发展及其特点概括如下:
(1) 短循环:低水量系统, 管内混合, 打浆和筛选的低能耗技术。
(2) 流浆箱+成形器:更高上浆浓度, 脱水元件采用可加载刮刀, 新的真空设备, 通过控制电机来控制真空水平; 纸板生产线采用夹网成形器和多层流浆箱配置, 使层数最小化。
(3) 压榨部:出压榨干度最大化, 封闭引纸, 用刮刀和接水盘替代毛布真空吸水箱; 流体动力型的靴改为复合型靴, 微型靴压, 适用于文化纸生产的单靴压。
(4) 干燥部和运行性系统:干燥介质(如在涂布纸生产线) 的有效混合, , :, 提高效率; (双能效) 干燥箱; 使用机内涂布。
(6) 压光:机内压光, 更长寿命的聚酯辊, 在非涂布纸种生产中使用金属带压光机, 机内超级压光。
(7) 卷取:采用中心辅助卷取设备的大直径卷纸机使损纸降到最低。
(8) 水澄清的超滤技术:通过超滤膜净化技术
3
使工艺水循环使用, 吨成品纸水耗6～8m 。
总之, 高效的热回收系统和良好封闭的汽罩, 尽量将能耗操作集中在低价时区, 提高网子、毛布洁净度, 在厂房和其他加热需求处充分利用“废”热, 水的消耗最小化等是节能的关键。
参 考 文 献
[1] EU. I PPC 2001Reference Document on Best Available Techniques in
the Pul p and Paper I ndustry[R ].2001.
[2] Kai V ikman, Markku Leskel , Marko Pekkola, et al . New Refiner
Seg ments Technol ogy To Op ti m ize The A s pen BCT MP Pul p ing Pr ocess [C ].I M PC, 2003.
[3] B rje Sandgren . Energy Efficient Tissue Making L ine [R ].Tissue
Making Days, 2008. 能消耗甚至更低一些。
416 污水和清水
如表1所示, 美卓的污水处理技术与其他的技术不同, 为工业提供了显著的革新机会。
在20世纪80～90年代期间, 维美德的Jylh raisi o 部门开发出了回收涂料的超滤膜技术, 该技术在刮刀涂布中经济效益显著。开发的技术随后被成功用于工艺水的净化, 现在, 美卓有全范围采用超滤的工艺水净化技术, 适用于不同的纸种。在新闻纸、超级压光纸、L WC 纸、文化纸和箱纸板生产中都有在运行的生产线。超滤膜清洁方案的研发成果使系统运行得顺利, 并能保证超滤膜的使用寿命(根据工况10～12个月) 。表1列出的纸厂废水数据是基于超滤膜技术得出的。典型的超滤系统投资回报期约 《中国造纸》2009年第28卷第12期
(责任编辑:马 忻)
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摘 要:最近10年中, 尽管中国的纸与纸板需求量快速地增长, 但世界一些发达国家的需求却有所下降。由于能源和原材料成本很高, 使得西方的生产厂家一直在关注如何降低成本以维持利润。虽然最近能源和原材料价格有所下降, 但有可能是暂时的。设备供应商已经在实验室里进行了大量的研究, 寻找帮助用户降低成本的技术和方法。中国能源成本高、水资源短缺、环境挑战严峻, 技术
作者简介:聂小荣女士, 博士, 教授; 主要研究方向:产业经济与管理。
的发展受益更大的应是中国投资者, 因最先进的制浆造纸技术使投资和生产成本都有了下降的趋势。文中概述了美卓公司研发部门以降低成本和提高收益为目标进行技改所取得的制浆造纸技术的进步, 尤其是在能源和水的消耗方面。
关键词:节能减排; 制浆造纸新技术; 模块化和标准化技术; 降低成本
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N I E Xiao 2r (J iangxi Science &Technology N or m al U niversity, N iangxi P )
(E Abstract:The last ten P&B the world although Chinese de mand has gr own fast . The western m ills be t o maintain s ome p r ofitability . Energy and ra w materials have become expen 2sive 2although very p r te mporarily, their p rices have declined . The machinery supp liers have carried out a l ot of works in their laborat ories t o s oluti ons of cost reducti on f or their cust omers . This recent technol ogy devel opment may possibly benefit the Chinese invest ors even more, where energy cost is high, water scarcity and envir on mental challenges are severe . I n general, the invest m ent and p r o 2ducti on costs have had a declining trend due t o the ne w technol ogies .
Key words:energy saving and e m issi on reducti on; ne w paper making technol ogy; modularizati on and standardizati on technol ogy; cost reducti on
1 美卓对制浆造纸技术的研发
术的唯一拥有者。
传统上, 美卓一直是大规模生产线的供应商, 但市场的有限和原材料的缺乏使投资者面临严峻的挑战, 迫使投资者建造其他规模的造纸生产线, 而并非一味地追求规模最大化。随着中国的发展, 这种非最大化规模的项目也正在陆续增加, 以至在整个亚洲, 类似项目很可能还会继续增加。正如美卓薄页纸机生产线在Karlstad 成功采用的理念, 模块化和标准化技术正是降低成本的有效方法, 中小规模的生产线也能用领先技术。美卓坚持不懈地关注着大规模生产的瓶颈, 同时开发适合中小生产规模并最具有竞争力的技术, 这种新技术将于今年秋天引进中国。美卓在生产化学浆、机械浆、回收纤维、铜版纸、生活用纸、箱 收稿日期:2009207207
在制浆造纸工艺和设备的技术改进中, 美卓进行了5项研发, 分别为纤维、纸、卫生纸的工艺和设备技术的改进, 以及与能源和环境相关的自动化和动力技术的改进。2008年美卓用于研发的总经费高达9600万欧元, 专职技术人员620人, 主要试验机中心6个, 分别为:位于Jyv skyl 的纸机与纸板机技术工厂、位于J rvenp 的涂布压光和包卷技术工厂、位于I nker oinen 的纤维技术工厂、位于Karlstad 的卫生纸机与化学浆技术工厂、位于Sunds 2vall 的机械浆和化学浆技术工厂以及位于Turku 的
通风技术工厂。最近, 美卓还收购了日本三菱重工的造纸机械技术, 其中包括三菱重工的中试设备, 现在美卓是前贝诺公司和三菱重工公司造纸机械技
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纸板和涂布纸板等方面的基础设施相当雄厚。目前, 世界上最大的两个年产量达150万t 的制浆厂正处于交付期
。
近年来, 环境问题变得非常严峻, 这不仅是社会和造纸厂面临的问题, 也是美卓面临的问题和研发的新目标。通过开发及提供设备和技术, 参与承担制浆造纸厂的环保责任, 这种装备将以环保为基础, 生产经济的纸浆和纸产品。美卓按重要性的先后次序排列了研发目标, 它们是:节约能源、减少环境负荷、减少制浆造纸的投资费用、采用新技术支持服务业务增长、更高效地利用生物资源新工艺。2 能源成本的重要性
72%～73%的黑液在碱回收锅炉燃烧, 回收到约99%的蒸煮化学药剂。单一BHKP 制浆厂需要10G J /t
(风干, 下同) 的热和215GJ /t (017MW h /t ) 的电
能, 但它可产生3～4GJ /t 的余量蒸汽, 污水排放总
3
量达到大约30m /t 。
图1 造纸过程先进的成本结构表1 美卓最新技术所需的能源与水的消耗量
美卓2008
先进技术浆纸一体漂白硫酸盐阔叶木浆生产线浆板机
压力磨木浆生产线热磨机械浆生产线化学热磨机械浆生产线
二次纤维制浆生产线脱墨浆生产线新闻纸机超级压光纸机低定量涂布纸机不含机械浆非涂布纸机
不含机械浆涂布纸机卫生纸机瓦楞原纸纸机脱墨浆新闻纸生产线二次纤维生产挂面纸板生产线脱墨浆生产卫生纸生产线
蒸汽消耗
/GJ・t -1915(1010) 2() 11(1011(011) 013(013) 012(012) 013(013) 012(012) 018(019) 411(418) 315(512) 514(515) 513(711) 517(716) 510(615) 414(418) 419(517) 416(510)
7178) 112(112) 211(211) 514(514) 317(318)
通常能源成本占制浆造纸直接生产成本的10%～35%, 是纤维成本之后的第二大成本。由于纤维和能源价格的上涨, 机械制浆面临非常大的困难。自20世纪90年代以来, 完全自给。表, 盟2001年10月I PPC 文件中发布的造纸工业的制浆造纸技术参数进行比较, I PPC 数据反映的是10年前的先进技术。
自20世纪90年代以来, 美卓一直不断地进行技术开发。10年前的技术与现在的技术比较已有很大差别, 表格中的数据只是近来几个已交付项目中的平均值, 并不是最优值。
3 最佳化能源消耗的成果311 化学浆
20世纪90年代后期, 一个现
[1]
蒸汽生产
/GJ・t
-1
电消耗
/MWh ・t -10) 00155(0166) 116(116) 119(119) 213(215) 117(211) 011(011) 013(015) 0156(016) 0, 62(017) 0160(017) 0158(016) 0164(017) 019(111) 0142(015) 019(111) 017(017)
废水排放量
/m3・t -118～23(28) 2(212) 20～25(30)
5(5) 5(5) 5(5) 12～15(15)
4(4) 6(8) 6(8) 6(10) 6(10) 6(8) 6(8) 6(10) 4(6) 8(17) 4(8)
1717(1718)
代化的制浆厂每年能生产约70万t 漂白阔叶木浆。那时候的Kvaerner 制浆原理是在氧脱木素作用下延长蒸煮和洗涤压榨时间, 使用Cl O 2进行ECF 漂白(D (E OP ) DD ) , 6～7段并流降膜式蒸发, 将浓度
518(719) 112(115) 9(10)
注 括号内为20世纪90年代末期I PPC 公布的数据。
《中国造纸》2009年第28卷第12期
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技术报告
目前最大的制浆生产线年产量已达到130万t (在中国海南和巴西Mucuri ) , 年产150万t 的生产线也正在中国和巴西安装。当前的生产技术与10多年前的基本相似, 但最大的不同是其生产规模是原来的2倍。为减小蒸煮器的体积, 美卓采用在另一个容器预浸渍再进行连续蒸煮的方法, 这样卡伯值在二段蒸煮系统有所增加。由于蒸煮和氧脱木素作用, 桉木浆最终的卡伯值是10～12, 蒸煮得率为52%～53%, 固含量高达80%～85%的黑液(通常为82%～83%) 在碱回收炉回收使用。测量数字显示, 已安装运行的商品浆生产线的总蒸汽消耗为915GJ /t, 生产量为1717GJ /t (在一体化工厂里有6GJ /t 的剩余) , 电能为015～016MW h /t, 废水排放量约为20m /t 。10年来, 一体化化学法制浆造纸耗电量已经减少20%, 耗热量减少约8%。
最近浆板机规模也加大了, 一台浆板机通常可以处理整个化学制浆生产线的生产量, 一个年产150万t 的造纸厂只需要一个年产量150万t 的热风
3
015MW h /t (019～118GJ /t ) 。在浆的质量方面, 杨
木不像云杉那么敏感。另一个发展的就是采用针叶木磨浆。313 二次纤维和脱墨浆
新的二次纤维制浆和脱墨浆技术包括高效筛框生产设备, 用于粗筛、低浓除渣和精筛, 它与之前的技术相比可节约能耗15%～20%。
美卓近期交付了多个包装纸板和印刷用纸的大型生产线, 其中包括交付给中国的产量1500t/d 脱墨浆
3
生产线。其生产每吨脱墨浆用清水约115～2m , 其余用水由造纸厂再循环水来补充。能耗已经减少到013MW h /t, 在中国大型脱墨纸浆生产线的记录可降低至0124MW h /t 。314 造纸生产线
20世纪90年代末, 造纸机的标准配置有稀释水控制流浆箱、夹网成形(辊面式叶片) 、双靴式压榨或带靴压的四辊三压区压榨、单干网烘干部配备H i 2Run 吹风箱、膜转移涂布/、中心传动的卷纸
干燥浆板机和相应产能的打包线。目前最大的浆板机
年产量为120万～130万t, 考虑到可能的风险, 在中国, 单个产量150万t 的浆厂(4900) 2台浆板机。最近, 度为10m , 用更高的浆浓, , 夹网成形技术, 以及靴式压榨获得更高的出压榨浓度。由于高浓浆料(2%) , 成形时两面脱水和靴式压榨, 能耗大大减少, 蒸汽消耗从215～216GJ /t 减少到119～210GJ /t, 电耗从0113MW h /t 减少到011MW h /t 。因此, 以桉木为原料(厂家自己去皮) 的
机如图, 其24h 的2000in 10年中, 最高200m /min, 而在20世纪90年代的10年中最高速度增加了400m /min 。再增加速度变得
更加困难, 虽然试验纸机已经可以轻松达到2500m /min
。
现代化浆纸一体化工厂, 将有大约8GJ /t 的余热可用于电力生产和浆板干燥。一个现代化的商品浆厂将可以外卖013～014MW h /t 的电能, 桉木浆的得率是52%～53%。312 机械浆
图2 新闻纸试验机速度、24h 生产速度记录及其
最佳年平均值
机械浆不但受木材昂贵价格的影响, 还受能源价格的制约。传统型的磨石磨木浆不受青睐, 因为它的工艺存在能量损失且难回收。10年前, 热磨机械浆需要电能约215MW h /t, 其中约80%～90%电耗用在磨浆上, 有60%的能量以蒸汽形式回收, 可用于纸张干燥和工艺水加热。近来, 美卓已经开发了多项技术可减少磨浆中的电耗, 新型的磨浆机能减少
[2]
15%～30%的磨浆电耗。云杉热磨机械浆的电耗已经减少了012MW h /t (017GJ /t ) , 但是制浆纤维质量有一定的限制。杨木CT MP 可减少电耗0125～
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1995年, 一台交付给英国Aylesford 的最高速度
新闻纸机宽度为10m , 速度1700m /min, 年生产能力2815万t 。2006年, 一台交付给中国晨鸣的新闻
纸机宽度为11115m , 设计速度2000m /min, 年生产能力40万t 。2台机器在开机以后不久都达到并且超过了设计产能。从1995年到2006年这11年间, 最快的新闻纸机年产量增加了40%, 其运行速度增加了20%, 即300m /min, 机宽增加了12%, 同时, 新闻纸的生产越来越多地以脱墨浆为主, 而不是用一
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次纤维热磨机械浆。
通过增加速度或宽度来增加生产能力是否持续可行? 进一步增加速度显然是很大的挑战, 在高速度运行上, 几个因素会让收益的边际效益减少或是负值, 但是总收益的边际效益仍然是正的。能源消耗在速度增加时的边际收益仍然是正的或中性的, 虽然有部分是负值, 如电器传动所需能量。看来进一步加速还有潜能, 而且机宽也可以增加。315 纸和纸板生产线的耗能点
表2和表3列出了纸与纸板生产中最耗电的工序。压榨和干燥耗热量占总耗热量的80%, 从成形到压光过程, 真空、辊子传动和压区耗电量占总耗电量的80%。其中真空耗电约占35%, 压榨约占20%。
表2 新闻纸生产线的电力消耗结构
电力消耗所占比例/%热能
短循环流浆箱成形部压榨部烘干部压光机卷纸机复卷机
通风(包括车间)
[***********]
为20%～22%。在Op tiFor mer 成形部的成形辊后
(2%) , 反面加靴压对着双室的真空箱, 进行对称脱水。
在成形部还有一些最新的实用方案来提高能效。将成形辊的吸气孔改为直孔(成形过程大约耗费50%的真空) 而不是用锥形孔, 可明显提高纸幅干度(015%～4%) , 并减少真空气流(10%) 。传统上, 高真空吸水箱的面板为槽式面板, 目的是最大化地将纸幅与真空接触。更好的解决方案是采用圆孔式面板, 以减少所需真空, 减少纸幅变形, 减少摩擦和用电量。另一个类似的装置是用一个曲面的吸水箱代替最末端的真空吸水箱, 通过位置调整改善吸移辊包角, 这样可减少吸水箱的摩擦, 从而降低传动能耗, 并且通过成形网和吸移辊间的挤压, 提高了脱水, 从而减少网子磨耗, 增加了成形网的寿命。
维持良好运行性和降低电耗的另一个方法是保持喷水管正常工作和成形网清洁
电能
[***********]418412116
表3 成形部和压榨部的电力消耗结构
电力消耗所占比例/%
成形压榨
电器传动真空系统喷淋水通风系统液压系统气动系统损纸系统
[***********]110610
[***********]0
图3 自1995年以来成形过程中清水消耗量的变化
412 压榨部解决方案
靴压可使纸幅获得50%以上的干度进入烘干部。
在压榨部, 干度提高1%, 烘干部需蒸发的水分将减少4%。生产新闻纸时, 出靴压的干度能达到52%～53%, 生产超级压光纸时, 干度甚至可高达56%～57%。
美卓有3种基本压榨理念:独立倾斜式双靴压(不适用于超级压光纸) 、带单靴压的三压区压榨(超级压光纸配第四道压区) 、和单靴压(主要用于文化纸、特种纸和低定量包装纸种) 。
从能耗方面考虑, 单靴压技术无疑是最好的。干度能达到50%以上, 纸张质量在随后的施胶(或涂布) 和压光部进一步整饰。单靴压能耗比双靴压少1/3。美卓在文化纸生产线上有多个配置单靴压的案例。显然, 这种类型的压榨是一种低成本投资
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4 如何减少电耗411 成形部的解决方案
纸张出压榨后的干度会影响造纸生产线能量的消耗。从流浆箱中浆的浓度说起, 用先进的Op tiFor mer 成形部生产绘图纸, 上浆浓度为017%～115%, 但在20世纪90年代后期, 上浆浓度要比这低50%。目前出网部的干度, 新闻纸为17%～19%, 文化纸 《中国造纸》2009年第28卷第12期
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方案。
改善现有压榨操作的途径有以下几种:
将现有的流体动力型靴结构改成复合型结构, 这样可以降低能耗。另外, 降低靴套润滑油的温度可以延长靴套的使用寿命。
不用毛布真空吸水箱, 而是配置靴辊刮刀, 把靴套上的水刮除到靴辊接水盘中, 这样可降低真空消耗, 提高靴套的洁净度和纸幅出压榨部的干度, 延长靴套和毛布的使用寿命。
压榨部有多种降耗节能的技术, 但需要慎重规划找出最佳方案。
在传统压榨部, 如果纸机幅宽适度, 安装“微型靴压”是一种提高出压榨干度的方案。在技术性能方面, 微型靴压介于辊子压榨和标准靴压压榨之间; 在成本方面, 它更接近辊子压榨。例如, 微型靴压可以使出压榨干度提高2%～3%, 这样需蒸发的水分降低8%～12%。由于压区较短, 其电耗比一道靴压的更少。微型靴压的长期运行成本比一道靴压低很多, 只有一道标准靴压寿命成本的20%。其原因是使用了实心对辊, 与采用可控中高辊的中心辊相比, 投资成本和运行成本都较低。通常, 有的压榨部上。
表4 线压力/kN・m -1压区长度/mm压力/MPa
压榨辊/靴辊直径/mm背辊
120～13040～506～9700～900
天然气代替煤。另外在涂布纸生产线中使用高效的气流干燥也是改善干燥策略的一个方面, 高效气流干燥
箱的能耗比传统气流或红外干燥箱的更低。
在烘缸干燥中, 运行系统和通风至关重要, 它们的电耗约占整个造纸生产线的6%～12%。优化的Vac 辊和吹风箱内的真空与气流可降低能量消耗, 这两者是运行速度和定量的函数, 通过控制电机的频率实现节能目的。通过以上方法, 这些系统通常可节约电耗10%～15%, 美卓的优化方案能使节能水平提高达30%～40%。正常的车间管理中, 要求烘缸冷凝水排出顺畅, 所有设备正常有效运行, 断纸次数要处在可接受的水平。414 纸板生产线
纸和纸板生产线的能耗最小化方案大同小异, 基本思路是流浆箱浓度尽量最高化(110%～115%) , 提高出成形部的干度(21%～24%) 和出压榨干度(50%以上) , 控制真空和通风气流。具体的改善方案与文化纸生产线的类似。
, , 成形部的, 这2家工厂采用两。
在以废纸浆为主要原料的箱纸板生产线上, 吨纸
3
的清水用量为4～5m 。超滤机非常适用于用来澄清工艺用水, 使之再回用到系统内, 部分纸机水可回用到废纸制浆车间。
另外一个重要的因素是设备的优化选型, 防止工艺中出现瓶颈或超量设计。对操作员培训, 防止不当控制是另外一种节约途径。415 卫生纸机
卫生纸产品种类多样, 具有不同的定量和性能。下面介绍的是低定量高品质的卫生纸产品的生产技术。
长期以来, 卫生纸机的产能大致保持相同。一般217～218m 幅宽的卫生纸机年产能为3万～4万t, 或513～516m 幅宽的卫生纸机年产能为6万～7万t, 纸机最高车速都为2000m /min 。2009年3月美卓卫生纸机创立了24h 的最新车速记录2160m /min, 这意味着6年内提高了4%。在这10年内, 纸机设计的标准化是降低投资成本的一种途[3]
径。另外一个主要发展领域是压榨部, 其目标是提高出压榨的干度。
卫生纸生产的能源成本和纤维成本分别约占总直接成本的15%和64%。先进纸机的典型能耗结构如
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微型靴压
250～40090～1204～61100
标准靴压
600～1000180～2904～61250～1595Sy mZ LC
实心辊实心辊
413 干燥部
干燥能量的消耗根据出压榨的纸幅干度而定, 出压榨干度是干燥能量降低和运行性能提高的一个重要变量。
在新技术方面, 美卓已经开发了燃气冲击干燥技术, 并已市场化地应用于文化纸机和箱纸板机上。该技术和设备配备在压榨部之后以改善运行性能, 降低总投资成本(干燥部更短) , 可使翘曲降到最低(安装在纸机后段时, 可不使用控制翘曲的再湿装置) , 节约总能源成本。安装冲击式干燥箱并未降低干燥能量的需求, 问题在于蒸汽和天然气之间的成本差异。冲击式干燥箱外形上较紧凑, 有利于缩短现有干燥部, 提高干燥部的产能。干燥策略中一个重要的方面是通过采用冲击式干燥单元取代传统烘缸群组及使用
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技术报告
下:扬克烘缸的蒸汽20%(570k W h /t ) , 高速汽罩的天然气43%(1230k W h /t ) , 电1050k W h /t 。电耗分配比例为:分部传动4310%, 流送1910%, 汽罩风机915%, 真空及其他2815%。
在造纸工业中, 当前卫生纸产品所面临的环保压力可能比其他的都大, 这是由于产品的高消费类型所致。评估卫生纸生产对气候变化的影响, 设立“生态标签”是当前的一大热门话题, 执行“认证”产品可能会使电耗和水耗, 尤其是矿物燃料用量降至最低。
美卓已开发出了新技术来应对这一挑战, 目标是使总能耗降低到2MW h /t, 其中电能018MW h /t, 热能413MJ /t (112MW h /t ) 。2000年初的先进水平约为2185～219MW h /t, 现已降低到213MW h /t, 美卓已开发出新技术可达到2MW h /t 的水平。
卫生纸生产中使用一道靴压可将出压榨的干度从39%(两道辊子压榨) 提高到46%, 使需蒸发的水量降低了25%, 减少干燥能量0144MW h /t 。在降低电耗方面(见表1) , 工艺系统革新(工艺重新设计, 提高浆浓, 取消混合浆池和二段筛) 已将其减少了0112MW h /t, 新型打浆机盘片节电01MW h /t, t, 1/t 增大扬克烘缸的直径也能节约能源成本(扬克烘缸直径从381mm (15英寸) 改为457mm (18英寸) 可以使干燥能量减少7%) 。可以慎重地说, 卫生纸生产技术的发展, 已经使10年前的7MJ /t (119MW h /t ) 降低到了目前的5MJ /t (114MW h /t ) 水平, 电耗从10年前的111MW h /t 降低到了目前019MW h /t, 顶级制浆线的热
为1～2年, 工艺水的质量得到提高并保持稳定, 清水加热和泵送成本得以降低。5 总 结
纸和纸板生产线最新的节能技术发展及其特点概括如下:
(1) 短循环:低水量系统, 管内混合, 打浆和筛选的低能耗技术。
(2) 流浆箱+成形器:更高上浆浓度, 脱水元件采用可加载刮刀, 新的真空设备, 通过控制电机来控制真空水平; 纸板生产线采用夹网成形器和多层流浆箱配置, 使层数最小化。
(3) 压榨部:出压榨干度最大化, 封闭引纸, 用刮刀和接水盘替代毛布真空吸水箱; 流体动力型的靴改为复合型靴, 微型靴压, 适用于文化纸生产的单靴压。
(4) 干燥部和运行性系统:干燥介质(如在涂布纸生产线) 的有效混合, , :, 提高效率; (双能效) 干燥箱; 使用机内涂布。
(6) 压光:机内压光, 更长寿命的聚酯辊, 在非涂布纸种生产中使用金属带压光机, 机内超级压光。
(7) 卷取:采用中心辅助卷取设备的大直径卷纸机使损纸降到最低。
(8) 水澄清的超滤技术:通过超滤膜净化技术
3
使工艺水循环使用, 吨成品纸水耗6～8m 。
总之, 高效的热回收系统和良好封闭的汽罩, 尽量将能耗操作集中在低价时区, 提高网子、毛布洁净度, 在厂房和其他加热需求处充分利用“废”热, 水的消耗最小化等是节能的关键。
参 考 文 献
[1] EU. I PPC 2001Reference Document on Best Available Techniques in
the Pul p and Paper I ndustry[R ].2001.
[2] Kai V ikman, Markku Leskel , Marko Pekkola, et al . New Refiner
Seg ments Technol ogy To Op ti m ize The A s pen BCT MP Pul p ing Pr ocess [C ].I M PC, 2003.
[3] B rje Sandgren . Energy Efficient Tissue Making L ine [R ].Tissue
Making Days, 2008. 能消耗甚至更低一些。
416 污水和清水
如表1所示, 美卓的污水处理技术与其他的技术不同, 为工业提供了显著的革新机会。
在20世纪80～90年代期间, 维美德的Jylh raisi o 部门开发出了回收涂料的超滤膜技术, 该技术在刮刀涂布中经济效益显著。开发的技术随后被成功用于工艺水的净化, 现在, 美卓有全范围采用超滤的工艺水净化技术, 适用于不同的纸种。在新闻纸、超级压光纸、L WC 纸、文化纸和箱纸板生产中都有在运行的生产线。超滤膜清洁方案的研发成果使系统运行得顺利, 并能保证超滤膜的使用寿命(根据工况10～12个月) 。表1列出的纸厂废水数据是基于超滤膜技术得出的。典型的超滤系统投资回报期约 《中国造纸》2009年第28卷第12期
(责任编辑:马 忻)
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