造纸业节能增效经济发展路径
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1造纸工业节能减排之迫切性
1.1全球变暖与发展低碳经济的国际潮流
在人类生存过程、特别是近百年的经济发展中,大量消耗化石能源,使地层中沉积碳库的碳迅速大量流向大气碳库,从而产生过量CO2为主的温室气体威胁到全球的生态平衡。为此,国际社会制定了《联合国气候变化框架公约》和《京都协定书》(分别于1994年3月和2005年2月正式生效),强调人类活动应减少向大气排出以CO2为主的温室气体与增加其清除。为此,“低碳经济”概念被提出。
1.2我国能源消耗的“高碳消耗状态”
我国处在工业高速发展期,技术状态决定了高碳经济,我国年耗煤炭占世界总耗的30%以上。中国2009年11月26日首次公布了量化的温室气体排放控制目标:2020年我国低碳经济发展目标为单位GDP能耗带宽和CO2排放分别比2005年降低40~60%、40%~45%左右。低碳经济是低碳发展、低碳产业、低碳技术、低碳生活形态的总称。低碳经济以低消耗、低排放、低污染的基本特征;以应对碳基能源对于气候变暖影响为基本要求,以实现经济的可持续发展为基本目的。低碳经济实质在于提升和应用能效技术、节能技术、可再生能源技术、温室气体和储存技术等,以促进产品的低碳开发和维持全球的生态平衡。这是从高碳经济能源时代向低碳经济能源时代演化的一种经济发展模式。
1.3造纸工业必须向低碳产业方向发展
低碳经济的核心指标是碳生产率(=经济效益/碳排放量);低碳产业的重要指标是碳汇率(=生产中碳汇/碳源),大于1为低碳企业。国际上不少学者对造纸工产业发展低碳经济做了许多研究,认为造纸工业通过优化原材料使用、提高能效、生产生物质能源和扩大生物质精炼产品的利用范围,可以在减缓气候变化方面起到非常重要的作用。造纸业要生存和不断发展,就必须逐步向低碳经济方向发展,就必须实现节能减排,也就必须不断降低耗能强度和使用新能源。
1.4我国相关政策法规
1997年11月1日通过的《中华人民共和国节约能源法》、《国家十一五规划纲要》和2007年6月3日国务院的《节能减排综合性工作方案》中提到“十一五”期间我国单位国内生产总值能源消耗约束性指标降低20%左右。对于造纸工业,《造纸产业发展政策》明确提出,到2010年单位产品(浆、纸和纸板)综合能耗由2005年的1.38TCE(标准煤)降至1.10TCE,而国际先进水平为0.9~1.1TCE。
2国外造纸工业用能节能基本情况
2.1最佳经济可行技术(BAT)体系模式
为了建立科学有效的节能减排技术评价体系,欧美发达国家在造纸工业节能减排等方面采用CAT(现有平均技术)、BAT(最佳经济可行技术)、BADT(现有最佳示范技术)、PMT(实际最低耗技术)、TMT(理论最低值技术)之分别考评。通常能耗值次序为:CAT>BAT>BADT>PMT>TMT。欧美发达国家的BAT体系中《制浆造纸业最佳可行技术参考文件》详细描述了各类生产节能减排等相关技术、最佳可行技术的确定以及新兴技术,是新建企业和现有企业技术改进遵循的参考文件。
2.2美国造纸工业能耗带宽
美国RoberKinstry和DavidE.White在美国化学工程师协会(AIChE)和能源部工业技术局(DOE-OIT)资助下,对美国造纸工业2000~2005年能耗状态进行了研究,并于2006年8月了《美国制浆造纸工业用能带宽研究报告》。目的是通过研究来了解造纸工业的最大的节能潜力。相关数据基于美国能源部2002年制造业能耗调查(MECS)的造纸企业平均能耗水平。报告结论性内容如下:
2002年统计美国造纸工业(美国造纸工业近年来基本稳定,数据能代表现今整体状况)纸和纸板产量为9450万吨(纸板类52%、印刷书写类22%、新闻纸14%、生活用纸类7%),商品浆产量为1110万吨,消耗了约2.24×109KJ的热和电能,生产过程主要用能分为三类:电、蒸汽和直接燃料。为美国造纸工业平均水平下总体能耗分配,为美国制浆造纸工业生产过程能耗分布,为制浆造纸生产过程各主要工序用能,为最佳经济可行技术条件下(BAT)美国造纸工业用能分布概观,为美国制浆造纸生产用能分布———CAT平均值与BAT值比较。研究表明,制浆造纸生产蒸汽消耗主要部分为制浆过程的黑液蒸发(占18.54%)和蒸煮(占10.48%),造纸过程的纸页干燥(占38.40%)和配料流送(占10.65%);电耗主要部分为制浆过程的磨浆和精浆操作(占10.53%),造纸的打浆配料(占27.31%)、压榨(占9.01%)和干燥(占9.69%);直接燃料制浆过程主要在石灰窑炉(占80.21%)。
美国造纸工业的主要节能措施有:回收废弃流中的热能(包括废气和废液);使用节能设施(如变速电机和有效率的照明)。BAT(最佳经济可行性技术)是各种新技术的结合,如靴式压榨、热能回收利用等。利用BAT可使制浆造纸生产过程的能耗降低25%(从1.7123×1015KJ降至1.238×1015KJ)。研究报告得出结论为:在美国制浆造纸工业中,主要能源消耗工序为纸页干燥、液体蒸发以及浆厂化学品准备(包括石灰窑炉)。在BAT和CAT之间的潜在节能带宽为:纸页干燥66%、石灰窑炉35%和液体蒸发27%,也就是说纸页干燥的节能潜力最大。
研究报告指出:有助于实现最低能耗的主要技术为:
(1)黑液和废木料的气化技术(包括常压和带压装置)余热发电;
(2)自动苛化技术(具有显著节能减排效果);
(3)生物精炼,已成为美国林纸协会议事日程2020年实现的目标。
2.3生物质精炼技术
芬兰生物能源方面走在世界前列。美国缅因州州立大学化学与生物工程系为代表的美国科学家们正在深入研究一项重大变革———综合林业生物精炼厂(简称IFBR)。主要内容将传统的漂白硫酸盐浆厂进行改造,除生产浆纸产品外,还将生产具有更高附加值的生物产品。主要为:(1)在制浆前先从木片中抽提出半纤维素,再转化成乙醇和糖基聚合物;(2)将黑液和树皮废料等生物质进行气化,以提供能源(电力、蒸汽)和可制造燃液的合成气。美国生物质能源的重点研发领域为五大块:(1)生物质材料的开发;(2)糖转化核心技术研究;(3)热化学转化平台技术研发;(4)生物质产品研发;(5)集成化的生物质提炼厂(IFBR)。
2.4免费能效评估计划
美国能源部启动的节能评估计划,通过对造纸企业免费的能效评估与一些主要的设备制造商共同寻找具体环节上的可实施节能措施等。对造纸厂而言,一旦确定的能耗装备确定安装后,主要在运行管理上,重点集中在蒸汽和过程加热系统上。因此,造纸机干燥蒸汽节能至关重要。
3我国造纸工业节能减排基本现状
3.1能耗现状
我国造纸工业所消耗的能源以外购为主,主要为原煤、外购电力、蒸汽、天然气和重油,其中前二类分别占总能耗的73%和23%。我国吨纸产品综合耗能1985年为1.76TCE,1990年为1.55TCE,到2005年降为0.528TCE。列出了我国造纸工业1999~2007年机制与纸板能耗情况一览。
从看出,近十年来我国造纸工业单位产品综合能耗迅速不断下降,该数据代表整个行业的,不代表从一次性原料制浆到造纸生产的全过程。分析其主要原因为:期间大量进口木浆和废纸的增加;引进了许多制浆造纸生产线,其能耗达到或接近国际先进指标。如扣除这些因素,我国大量的中小造纸企业生产现有生产过程的综合能耗仍与先进国家比有较大差距。许多中小造纸企业设备陈旧、能耗还非常高、能效偏低、制浆废液的伴生能源未加利用,单位产品综合能耗1.3TCE(约0.69TCE用于制浆,0.61TCE用于造纸)。
广东省工业九大产业发展规划(2005~2010)规定吨纸综合能耗降到0.85TCE以下,应该说为国际上先进水平。发达国家的造纸厂通常实现热电联供,而热电站采用多级抽汽冷凝机组既发电又供汽,总的热效率可达55%~60%。现代先进的抽汽背压机组,发电又供汽,总的热效率可达85%。国际先进水平0.85TCE/吨的能源消耗,大约0.45TCE用于制浆,0.40TCE用于造纸,而每吨脱墨废纸浆的能耗只有0.085TCE。
3.2我国造纸工业能效偏低主要原因
(1)相当多企业的生产工艺落后;
(2)企业平均规模偏低。主要造纸国家平均规模浆产量年产20万吨,纸产量年产6万吨。美国经济学家认为,在目前投资原村料及能源不断上涨的趋势下,最经济的企业规模,对商品浆而言约为1000t/日,对纸约为800t/日。企业规摸大,有利于综合利用能源,即为能源节约、回收和有效利用创造了有利条件。我国平均企业规模年产不足万吨,不利于采用高效能的生产技术装备,不利于采用碱回收、热电联产等节能减排的先进技术及装备。
(3)能源结构不合理和原料差别大。国外在制浆原料中木材的比重比我国大得多。木材在制浆过程中提供特有的伴生能源,如树皮和制浆废液中溶解的有机物,从中可以回收能源,利用这种能源,经燃烧产生热能,获得的蒸汽先发电后再用于制浆造纸生产,经过多次利用,造纸工业能源自给率可以达到40~50%。我国造纸工业的自制浆是以草类为主,废液中的可燃物的热能(值)比木浆黑液低,一些草类原料制浆废液的回收比木材原料制浆废液的回收难度大,特别是小纸厂制浆废液的回收在技术经济上尚未过关,我国利用这种“伴生能源”的企业很少,即使利用了其水平也很低,企业能源自给率仅20%。
(4)技术装备水平较低。当前国外造纸技术正以很快的速度向着大型、高效、自动化、低能耗、无污染、高得率、低定量的方向发展,在一些新技术领域酝酿着新的突破。我国只有少数企业与国际接轨,大部分企业技术装备较落后。
(5)通用耗能设备较差。我国造纸工业能源利用率低、浪费大,产品的单位能耗高,这是与技术水平低有密切关系。在供热系统方面,除少数大中型企业装备比较先进以外,大部分工厂供热系统装备非常差,供热系统能耗大,存在运行水平低、排烟温度偏高,空气过剩系数偏大等,主要表现在锅炉效率低,一般仅有60%左右。
3.3节能工作现状
我国从国家和各省市层面出台了许多节能政策与法规,包括对新建项目的投资节能评估,相当一些企业也重视节能工作,应该说取得了较好的成效。但应当看到,许多企业对节能工作认识不足,只看重产量和质量及原材料的消耗上,忽略运行管理及技术改造中的节能,特别在造纸企业回收利用余能差距较大;也有许多新建项目将节能评估作为形式来应付。所以,造纸工业节能减排潜力很大。
4如何加强我国造纸工业的节能工作
4.1建设BAT体系
在我国应该借鉴美国建设节能减排BAT评价与实施体系的经验,建设我国造纸工业的BAT评价与实施体系,以此指导节能降耗、发展循环经济,对完成《节能减排综合性工作方案》确定的“十一五”期间约束性目标有重大意义。应该编制我国造纸行业的导则,建立BAT导则实施体系,包括立项设计、评估审批建设管理与运行体系。造纸行业的BAT的主要内容:资源消耗指标、能源消耗指标、污染物排放指标、经济成本指标及技术可靠性五个指标,对技术是否进入下阶段从技术、经济、环境和管理们方面详细评估做了综合判断,构建造纸工业的节能减排评估指标体系,并建立相应的评估方法。
4.2为实现节能目标采取的主要措施
(1)大力调整原料结构,增加木浆和废纸浆的比重。2005年日本、韩国和中国的废纸利用率分别为71.1%、71.8%和54%。无论是从资源还是从节能来看,很高的废纸利用率才是我国造纸业的出路。目前,我国的废纸浆百分比已经超过50%,但是废纸收集率只在30%左右徘徊。中国必须通过各种方法和途径,努力提高废纸的回收率。适度限制能耗高的化机浆的发展;
(2)积极采用先进技术、先进装备。如中高浓制浆、连续蒸煮、无氯漂白。中高浓制浆造纸技术对节能效果十分显著,包括中高浓漂白、中高浓输送、中高浓打浆和上网等;
(3)坚决淘汰落后的产能和设备,强化现有设备的技术改造。选用节能设备,加强企业管理,实现资源、能源和消耗的减量;
(4)完善标准,尽快可操作性强的浆和纸综合能耗限额指标。
(5)调整能源结构。国外造纸工业外购燃料以重油、天然气为主,燃烧效率高。国内以煤碳为主(占约70%),燃烧效率低,污染严重。提高热电联产的比例和集中供暖,可提高燃料利用率。
(6)再生能源。加强自产能源的利用,蒸煮废液溶解了来自植物纤维原料约50%的有机物质,伴生能源的利用问题。综合利用包括废液、废汽、废渣等(废渣用于锅炉燃烧,废液可以生产粘合剂,废汽可以回收热量等)。以现有条件为基础,借鉴国外先进的技术,尽可能把节水、节电,使余温、余压、余热都能得到充分利用,减少资源浪费。
(7)生物质精炼技术。跟踪国际这方面研究进展和成果,加强我国与造纸工业相关的生物质精炼科学与技术研究,使我国制浆造纸工业与生物质精炼这个世界潮流密切结合,尽可能将造纸工业相关的生物质经过一定处理转化成燃料、电热能和高附加值化工产品。
4.3积极采用相对节能技术与设备
采用连续蒸煮工艺及相应的设备,连续蒸煮把部分洗涤功能包括在蒸煮之内;推广碱回收的直接苛化工艺与设备;使用新型波形筛鼓、轻杂质净化选用单向流锥形除杂器、新型双网高浓挤浆机、双辊置换压榨洗浆机、偏夹网洗浆机、无增浓现象的新型高浓筛浆机;高得率浆采用Bi-Vis挤压机更能降低能耗;省去热分散(因热分散机在废纸制浆系统能耗最大),为了保证细小杂质的除去,精选采用0.1mm甚至0.08mm的缝宽;采用新型注射管式浮选脱墨机;
推广节能的转鼓式碎浆机、打浆设备;推广中高浓输送与混合设备、中高漂白与中高打浆设备;
电、热节约要依靠生产工艺改革,更换节电型设备;有条件的企业,通过纸机改造和技术引进,采用新型脱水元件、成形整饰辊、靴式压榨、蒸汽箱、密闭干燥,增设定量、水份、厚度检测控制仪表,提高产品质量,降低电、汽消耗;干燥部PowerDryPlus干燥箱技术可以节省50%的能源;纸机干燥余热蒸汽的热泵技术;
浆泵、风机等变化运行负荷的设备,可采用变频调速,运行可靠,节电效果显著,且变频器很少维修;
对低效锅炉采取综合措施进行技术改造,推广蒸汽蓄热器来稳定锅炉生产及用汽负荷,解决好锅炉的附机的匹配,特别要注意风机和给水泵节能运行;对热网保温应十分重视,尽量采用技术经济性能好的保温材料;阀门、法兰管件采用便于装拆的结构进行保温。凡有间接加热设备及蒸汽输送管道等有凝结水产生的地方都要装置合格的疏水器。间接加热的设备应配置凝结水回收装置,二次蒸汽应考虑合理的热能交换和充分利用。有条件的地方发展集中供热,热电联产。
黑液气化是制浆造纸工业能源生产与回收的一种有前景的技术。燃气轮机将气化产生的气体作为燃料发电,将会比传统的燃烧回收更有效;另外,黑液气化排放更少的CO2和废水,有益于环境。
5节能技术的最新研究进展
美国造纸工业能耗带宽研究报告中表明,按照BAT评估,制浆造纸生产过程节能潜力最大的为造纸机干燥部的蒸汽节能潜力为66%。我国造纸工业目前现状也是(煤)汽、电能为主,汽耗主要用于造纸机干燥、蒸煮、液体蒸发。为此,南京林业大学制浆造纸装备与控制研究方向近年来开展了造纸机干燥过程节能控制系统理论、技术与方案优化研究[10][11][12]。主要取得的进展为:
(1)用先进测量手段获得干燥部相应技术参数,根据气压分布原理,通过各温湿参数内在关联机理和Matlab编程分析,从理论上系统地对干燥部温湿参数动态特征及热能节约原理进行了分析研究;
(2)为优化纸机干燥部气罩气流参数和零位控制系统,建立了机械通风情况下气罩内外压差变化曲线,量化分析了气罩内空气温度和进排风量差变化对零位高度的影响,建立了零位控制量化模型;
(3)为克服纸机干燥部纸幅水分控制回路的大惯性和稳定烘缸干燥曲线,基于内模原理研究了以干空气进风量控制作为主回路、烘缸蒸汽压控制作为副回路的阀位控制系统,并引入前馈控制来及时消除干扰,采用排风循环风量稳定气罩进风湿度、排风机排风量稳定零位以及排风露点限制新的控制方案。
研究表明:在保证产品质量的前提下对热风交换系统零位进行优化调节与控制以及各工艺参数系统地优化调节,使蒸汽用量大为减少;利用干空气进风量控制的快速性和前馈控制的及时性可使成纸水分波动很小,继而通过优化纸机质量控制系统QCS中成纸干度设定值可有效节约蒸汽与水资源的用量。
6造纸工业节能展望
造纸工业是个传统产业,特别在我国曾经为高能耗、高污染的行业而受发展制约。由于社会发展对纸与纸制品需求不断扩大,且所用植物纤维原料的可再生性以及废纸可回收利用性等特点优势;生产过程用水、电、汽耗大,但均衡而适合自建热电站,可实现热电联产而降低一次性能耗;日益完善的碱回收系统达到回收资源、节能、降耗、减排多功能;废弃潜能可回收,自给能源可达50%以上。因此,只要在节能减排方面不断努力,可以预见:未来几年中国造纸业单位产品的能耗将有一个大的下降;在不远的将来,我国造纸工业不断走向现代化,真正成为高技术、低能耗、低排放的生态低碳产业。