造紙業節能增效經濟發展路徑

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1造紙工業節能減排之迫切性

1.1全球變暖與發展低碳經濟的國際潮流

在人類生存過程、特別是近百年的經濟發展中,大量消耗化石能源,使地層中沉積碳庫的碳迅速大量流向大氣碳庫,從而產生過量CO2為主的溫室氣體威脅到全球的生態平衡。為此,國際社會制定了《聯合國氣候變化框架公約》和《京都協定書》(分別于1994年3月和2005年2月正式生效),強調人類活動應減少向大氣排出以CO2為主的溫室氣體與增加其清除。為此,“低碳經濟”概念被提出。

1.2我國能源消耗的“高碳消耗狀態”

我國處在工業高速發展期,技術狀態決定了高碳經濟,我國年耗煤炭占世界總耗的30%以上。中國2009年11月26日首次公布了量化的溫室氣體排放控制目標:2020年我國低碳經濟發展目標為單位GDP能耗帶寬和CO2排放分別比2005年降低40~60%、40%~45%左右。低碳經濟是低碳發展、低碳產業、低碳技術、低碳生活形態的總稱。低碳經濟以低消耗、低排放、低污染的基本特征;以應對碳基能源對于氣候變暖影響為基本要求,以實現經濟的可持續發展為基本目的。低碳經濟實質在于提升和應用能效技術、節能技術、可再生能源技術、溫室氣體和儲存技術等,以促進產品的低碳開發和維持全球的生態平衡。這是從高碳經濟能源時代向低碳經濟能源時代演化的一種經濟發展模式。

1.3造紙工業必須向低碳產業方向發展

低碳經濟的核心指標是碳生產率(=經濟效益/碳排放量);低碳產業的重要指標是碳匯率(=生產中碳匯/碳源),大于1為低碳企業。國際上不少學者對造紙工產業發展低碳經濟做了許多研究,認為造紙工業通過優化原材料使用、提高能效、生產生物質能源和擴大生物質精煉產品的利用范圍,可以在減緩氣候變化方面起到非常重要的作用。造紙業要生存和不斷發展,就必須逐步向低碳經濟方向發展,就必須實現節能減排,也就必須不斷降低耗能強度和使用新能源。

1.4我國相關政策法規

1997年11月1日通過的《中華人民共和國節約能源法》、《國家十一五規劃綱要》和2007年6月3日國務院的《節能減排綜合性工作方案》中提到“十一五”期間我國單位國內生產總值能源消耗約束性指標降低20%左右。對于造紙工業,《造紙產業發展政策》明確提出,到2010年單位產品(漿、紙和紙板)綜合能耗由2005年的1.38TCE(標準煤)降至1.10TCE,而國際先進水平為0.9~1.1TCE。

2國外造紙工業用能節能基本情況

2.1最佳經濟可行技術(BAT)體系模式

為了建立科學有效的節能減排技術評價體系,歐美發達國家在造紙工業節能減排等方面采用CAT(現有平均技術)、BAT(最佳經濟可行技術)、BADT(現有最佳示范技術)、PMT(實際最低耗技術)、TMT(理論最低值技術)之分別考評。通常能耗值次序為:CAT>BAT>BADT>PMT>TMT。歐美發達國家的BAT體系中《制漿造紙業最佳可行技術參考文件》詳細描述了各類生產節能減排等相關技術、最佳可行技術的確定以及新興技術,是新建企業和現有企業技術改進遵循的參考文件。

2.2美國造紙工業能耗帶寬

美國RoberKinstry和DavidE.White在美國化學工程師協會(AIChE)和能源部工業技術局(DOE-OIT)資助下,對美國造紙工業2000~2005年能耗狀態進行了研究,并于2006年8月了《美國制漿造紙工業用能帶寬研究報告》。目的是通過研究來了解造紙工業的最大的節能潛力。相關數據基于美國能源部2002年制造業能耗調查(MECS)的造紙企業平均能耗水平。報告結論性內容如下:

2002年統計美國造紙工業(美國造紙工業近年來基本穩定,數據能代表現今整體狀況)紙和紙板產量為9450萬噸(紙板類52%、印刷書寫類22%、新聞紙14%、生活用紙類7%),商品漿產量為1110萬噸,消耗了約2.24×109KJ的熱和電能,生產過程主要用能分為三類:電、蒸汽和直接燃料。為美國造紙工業平均水平下總體能耗分配,為美國制漿造紙工業生產過程能耗分布,為制漿造紙生產過程各主要工序用能,為最佳經濟可行技術條件下(BAT)美國造紙工業用能分布概觀,為美國制漿造紙生產用能分布———CAT平均值與BAT值比較。研究表明,制漿造紙生產蒸汽消耗主要部分為制漿過程的黑液蒸發(占18.54%)和蒸煮(占10.48%),造紙過程的紙頁干燥(占38.40%)和配料流送(占10.65%);電耗主要部分為制漿過程的磨漿和精漿操作(占10.53%),造紙的打漿配料(占27.31%)、壓榨(占9.01%)和干燥(占9.69%);直接燃料制漿過程主要在石灰窯爐(占80.21%)。

美國造紙工業的主要節能措施有:回收廢棄流中的熱能(包括廢氣和廢液);使用節能設施(如變速電機和有效率的照明)。BAT(最佳經濟可行性技術)是各種新技術的結合,如靴式壓榨、熱能回收利用等。利用BAT可使制漿造紙生產過程的能耗降低25%(從1.7123×1015KJ降至1.238×1015KJ)。研究報告得出結論為:在美國制漿造紙工業中,主要能源消耗工序為紙頁干燥、液體蒸發以及漿廠化學品準備(包括石灰窯爐)。在BAT和CAT之間的潛在節能帶寬為:紙頁干燥66%、石灰窯爐35%和液體蒸發27%,也就是說紙頁干燥的節能潛力最大。

研究報告指出:有助于實現最低能耗的主要技術為:

(1)黑液和廢木料的氣化技術(包括常壓和帶壓裝置)余熱發電;

(2)自動苛化技術(具有顯著節能減排效果);

(3)生物精煉,已成為美國林紙協會議事日程2020年實現的目標。

2.3生物質精煉技術

芬蘭生物能源方面走在世界前列。美國緬因州州立大學化學與生物工程系為代表的美國科學家們正在深入研究一項重大變革———綜合林業生物精煉廠(簡稱IFBR)。主要內容將傳統的漂白硫酸鹽漿廠進行改造,除生產漿紙產品外,還將生產具有更高附加值的生物產品。主要為:(1)在制漿前先從木片中抽提出半纖維素,再轉化成乙醇和糖基聚合物;(2)將黑液和樹皮廢料等生物質進行氣化,以提供能源(電力、蒸汽)和可制造燃液的合成氣。美國生物質能源的重點研發領域為五大塊:(1)生物質材料的開發;(2)糖轉化核心技術研究;(3)熱化學轉化平臺技術研發;(4)生物質產品研發;(5)集成化的生物質提煉廠(IFBR)。

2.4免費能效評估計劃

美國能源部啟動的節能評估計劃,通過對造紙企業免費的能效評估與一些主要的設備制造商共同尋找具體環節上的可實施節能措施等。對造紙廠而言,一旦確定的能耗裝備確定安裝后,主要在運行管理上,重點集中在蒸汽和過程加熱系統上。因此,造紙機干燥蒸汽節能至關重要。

3我國造紙工業節能減排基本現狀

3.1能耗現狀

我國造紙工業所消耗的能源以外購為主,主要為原煤、外購電力、蒸汽、天然氣和重油,其中前二類分別占總能耗的73%和23%。我國噸紙產品綜合耗能1985年為1.76TCE,1990年為1.55TCE,到2005年降為0.528TCE。列出了我國造紙工業1999~2007年機制與紙板能耗情況一覽。

從看出,近十年來我國造紙工業單位產品綜合能耗迅速不斷下降,該數據代表整個行業的,不代表從一次性原料制漿到造紙生產的全過程。分析其主要原因為:期間大量進口木漿和廢紙的增加;引進了許多制漿造紙生產線,其能耗達到或接近國際先進指標。如扣除這些因素,我國大量的中小造紙企業生產現有生產過程的綜合能耗仍與先進國家比有較大差距。許多中小造紙企業設備陳舊、能耗還非常高、能效偏低、制漿廢液的伴生能源未加利用,單位產品綜合能耗1.3TCE(約0.69TCE用于制漿,0.61TCE用于造紙)。

廣東省工業九大產業發展規劃(2005~2010)規定噸紙綜合能耗降到0.85TCE以下,應該說為國際上先進水平。發達國家的造紙廠通常實現熱電聯供,而熱電站采用多級抽汽冷凝機組既發電又供汽,總的熱效率可達55%~60%。現代先進的抽汽背壓機組,發電又供汽,總的熱效率可達85%。國際先進水平0.85TCE/噸的能源消耗,大約0.45TCE用于制漿,0.40TCE用于造紙,而每噸脫墨廢紙漿的能耗只有0.085TCE。

3.2我國造紙工業能效偏低主要原因

(1)相當多企業的生產工藝落后;

(2)企業平均規模偏低。主要造紙國家平均規模漿產量年產20萬噸,紙產量年產6萬噸。美國經濟學家認為,在目前投資原村料及能源不斷上漲的趨勢下,最經濟的企業規模,對商品漿而言約為1000t/日,對紙約為800t/日。企業規摸大,有利于綜合利用能源,即為能源節約、回收和有效利用創造了有利條件。我國平均企業規模年產不足萬噸,不利于采用高效能的生產技術裝備,不利于采用堿回收、熱電聯產等節能減排的先進技術及裝備。

(3)能源結構不合理和原料差別大。國外在制漿原料中木材的比重比我國大得多。木材在制漿過程中提供特有的伴生能源,如樹皮和制漿廢液中溶解的有機物,從中可以回收能源,利用這種能源,經燃燒產生熱能,獲得的蒸汽先發電后再用于制漿造紙生產,經過多次利用,造紙工業能源自給率可以達到40~50%。我國造紙工業的自制漿是以草類為主,廢液中的可燃物的熱能(值)比木漿黑液低,一些草類原料制漿廢液的回收比木材原料制漿廢液的回收難度大,特別是小紙廠制漿廢液的回收在技術經濟上尚未過關,我國利用這種“伴生能源”的企業很少,即使利用了其水平也很低,企業能源自給率僅20%。

(4)技術裝備水平較低。當前國外造紙技術正以很快的速度向著大型、高效、自動化、低能耗、無污染、高得率、低定量的方向發展,在一些新技術領域醞釀著新的突破。我國只有少數企業與國際接軌,大部分企業技術裝備較落后。

(5)通用耗能設備較差。我國造紙工業能源利用率低、浪費大,產品的單位能耗高,這是與技術水平低有密切關系。在供熱系統方面,除少數大中型企業裝備比較先進以外,大部分工廠供熱系統裝備非常差,供熱系統能耗大,存在運行水平低、排煙溫度偏高,空氣過剩系數偏大等,主要表現在鍋爐效率低,一般僅有60%左右。

3.3節能工作現狀

我國從國家和各省市層面出臺了許多節能政策與法規,包括對新建項目的投資節能評估,相當一些企業也重視節能工作,應該說取得了較好的成效。但應當看到,許多企業對節能工作認識不足,只看重產量和質量及原材料的消耗上,忽略運行管理及技術改造中的節能,特別在造紙企業回收利用余能差距較大;也有許多新建項目將節能評估作為形式來應付。所以,造紙工業節能減排潛力很大。

4如何加強我國造紙工業的節能工作

4.1建設BAT體系

在我國應該借鑒美國建設節能減排BAT評價與實施體系的經驗,建設我國造紙工業的BAT評價與實施體系,以此指導節能降耗、發展循環經濟,對完成《節能減排綜合性工作方案》確定的“十一五”期間約束性目標有重大意義。應該編制我國造紙行業的導則,建立BAT導則實施體系,包括立項設計、評估審批建設管理與運行體系。造紙行業的BAT的主要內容:資源消耗指標、能源消耗指標、污染物排放指標、經濟成本指標及技術可靠性五個指標,對技術是否進入下階段從技術、經濟、環境和管理們方面詳細評估做了綜合判斷,構建造紙工業的節能減排評估指標體系,并建立相應的評估方法。

4.2為實現節能目標采取的主要措施

(1)大力調整原料結構,增加木漿和廢紙漿的比重。2005年日本、韓國和中國的廢紙利用率分別為71.1%、71.8%和54%。無論是從資源還是從節能來看,很高的廢紙利用率才是我國造紙業的出路。目前,我國的廢紙漿百分比已經超過50%,但是廢紙收集率只在30%左右徘徊。中國必須通過各種方法和途徑,努力提高廢紙的回收率。適度限制能耗高的化機漿的發展;

(2)積極采用先進技術、先進裝備。如中高濃制漿、連續蒸煮、無氯漂白。中高濃制漿造紙技術對節能效果十分顯著,包括中高濃漂白、中高濃輸送、中高濃打漿和上網等;

(3)堅決淘汰落后的產能和設備,強化現有設備的技術改造。選用節能設備,加強企業管理,實現資源、能源和消耗的減量;

(4)完善標準,盡快可操作性強的漿和紙綜合能耗限額指標。

(5)調整能源結構。國外造紙工業外購燃料以重油、天然氣為主,燃燒效率高。國內以煤碳為主(占約70%),燃燒效率低,污染嚴重。提高熱電聯產的比例和集中供暖,可提高燃料利用率。

(6)再生能源。加強自產能源的利用,蒸煮廢液溶解了來自植物纖維原料約50%的有機物質,伴生能源的利用問題。綜合利用包括廢液、廢汽、廢渣等(廢渣用于鍋爐燃燒,廢液可以生產粘合劑,廢汽可以回收熱量等)。以現有條件為基礎,借鑒國外先進的技術,盡可能把節水、節電,使余溫、余壓、余熱都能得到充分利用,減少資源浪費。

(7)生物質精煉技術。跟蹤國際這方面研究進展和成果,加強我國與造紙工業相關的生物質精煉科學與技術研究,使我國制漿造紙工業與生物質精煉這個世界潮流密切結合,盡可能將造紙工業相關的生物質經過一定處理轉化成燃料、電熱能和高附加值化工產品。

4.3積極采用相對節能技術與設備

采用連續蒸煮工藝及相應的設備,連續蒸煮把部分洗滌功能包括在蒸煮之內;推廣堿回收的直接苛化工藝與設備;使用新型波形篩鼓、輕雜質凈化選用單向流錐形除雜器、新型雙網高濃擠漿機、雙輥置換壓榨洗漿機、偏夾網洗漿機、無增濃現象的新型高濃篩漿機;高得率漿采用Bi-Vis擠壓機更能降低能耗;省去熱分散(因熱分散機在廢紙制漿系統能耗最大),為了保證細小雜質的除去,精選采用0.1mm甚至0.08mm的縫寬;采用新型注射管式浮選脫墨機;

推廣節能的轉鼓式碎漿機、打漿設備;推廣中高濃輸送與混合設備、中高漂白與中高打漿設備;

電、熱節約要依靠生產工藝改革,更換節電型設備;有條件的企業,通過紙機改造和技術引進,采用新型脫水元件、成形整飾輥、靴式壓榨、蒸汽箱、密閉干燥,增設定量、水份、厚度檢測控制儀表,提高產品質量,降低電、汽消耗;干燥部PowerDryPlus干燥箱技術可以節省50%的能源;紙機干燥余熱蒸汽的熱泵技術;

漿泵、風機等變化運行負荷的設備,可采用變頻調速,運行可靠,節電效果顯著,且變頻器很少維修;

對低效鍋爐采取綜合措施進行技術改造,推廣蒸汽蓄熱器來穩定鍋爐生產及用汽負荷,解決好鍋爐的附機的匹配,特別要注意風機和給水泵節能運行;對熱網保溫應十分重視,盡量采用技術經濟性能好的保溫材料;閥門、法蘭管件采用便于裝拆的結構進行保溫。凡有間接加熱設備及蒸汽輸送管道等有凝結水產生的地方都要裝置合格的疏水器。間接加熱的設備應配置凝結水回收裝置,二次蒸汽應考慮合理的熱能交換和充分利用。有條件的地方發展集中供熱,熱電聯產。

黑液氣化是制漿造紙工業能源生產與回收的一種有前景的技術。燃氣輪機將氣化產生的氣體作為燃料發電,將會比傳統的燃燒回收更有效;另外,黑液氣化排放更少的CO2和廢水,有益于環境。

5節能技術的最新研究進展

美國造紙工業能耗帶寬研究報告中表明,按照BAT評估,制漿造紙生產過程節能潛力最大的為造紙機干燥部的蒸汽節能潛力為66%。我國造紙工業目前現狀也是(煤)汽、電能為主,汽耗主要用于造紙機干燥、蒸煮、液體蒸發。為此,南京林業大學制漿造紙裝備與控制研究方向近年來開展了造紙機干燥過程節能控制系統理論、技術與方案優化研究[10][11][12]。主要取得的進展為:

(1)用先進測量手段獲得干燥部相應技術參數,根據氣壓分布原理,通過各溫濕參數內在關聯機理和Matlab編程分析,從理論上系統地對干燥部溫濕參數動態特征及熱能節約原理進行了分析研究;

(2)為優化紙機干燥部氣罩氣流參數和零位控制系統,建立了機械通風情況下氣罩內外壓差變化曲線,量化分析了氣罩內空氣溫度和進排風量差變化對零位高度的影響,建立了零位控制量化模型;

(3)為克服紙機干燥部紙幅水分控制回路的大慣性和穩定烘缸干燥曲線,基于內模原理研究了以干空氣進風量控制作為主回路、烘缸蒸汽壓控制作為副回路的閥位控制系統,并引入前饋控制來及時消除干擾,采用排風循環風量穩定氣罩進風濕度、排風機排風量穩定零位以及排風露點限制新的控制方案。

研究表明:在保證產品質量的前提下對熱風交換系統零位進行優化調節與控制以及各工藝參數系統地優化調節,使蒸汽用量大為減少;利用干空氣進風量控制的快速性和前饋控制的及時性可使成紙水分波動很小,繼而通過優化紙機質量控制系統QCS中成紙干度設定值可有效節約蒸汽與水資源的用量。

6造紙工業節能展望

造紙工業是個傳統產業,特別在我國曾經為高能耗、高污染的行業而受發展制約。由于社會發展對紙與紙制品需求不斷擴大,且所用植物纖維原料的可再生性以及廢紙可回收利用性等特點優勢;生產過程用水、電、汽耗大,但均衡而適合自建熱電站,可實現熱電聯產而降低一次性能耗;日益完善的堿回收系統達到回收資源、節能、降耗、減排多功能;廢棄潛能可回收,自給能源可達50%以上。因此,只要在節能減排方面不斷努力,可以預見:未來幾年中國造紙業單位產品的能耗將有一個大的下降;在不遠的將來,我國造紙工業不斷走向現代化,真正成為高技術、低能耗、低排放的生態低碳產業。