桉木硫酸鹽法制漿及氧脫木素過程能耗分析

中國(guó)造紙業(yè)發(fā)展“十二五”計(jì)劃明確指出了未來紙生產(chǎn)的節(jié)能要求。換句話說，到2015年底，每噸紙漿的平均總能耗（標(biāo)準(zhǔn)偏差）從2010年的0.45噸減少到0.37噸，比2010年減少18%。造紙工業(yè)對(duì)能源的需求非常大,能耗約占紙廠總成本的50%,因此降低能源消耗是減少造紙工業(yè)生產(chǎn)成本的有力措施,也是其可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。制漿過程是造紙工業(yè)中的最主要的耗能環(huán)節(jié)之一,有很多學(xué)者已從不同角度對(duì)制漿造紙過程的能耗做出過分析,如:Francis等建立了一個(gè)模型硫酸鹽漿廠,利用卡米爾蒸煮器將針葉木蒸煮到卡伯值30時(shí),所消耗的蒸汽量為1.7×106KJ/t風(fēng)干漿,氧脫木素段所消耗的蒸汽量為0.5×106KJ/t風(fēng)干漿。Kinstrey等通過研究發(fā)現(xiàn)在制漿部分,蒸煮及漂白的能耗占到了整個(gè)制漿耗能的35.7%。劉秉鉞對(duì)不同的制漿設(shè)備和制漿方法進(jìn)行能耗計(jì)算,其中蒸煮木漿的卡米爾連蒸、堿法立鍋、酸法立鍋的能耗分別為0.092t標(biāo)煤/t漿、0.196t標(biāo)煤/t漿、0.203t標(biāo)煤/t漿。但是,在關(guān)于如何合理地確定蒸煮及氧脫木素結(jié)合點(diǎn)(即:工藝中目標(biāo)卡伯值),并由此產(chǎn)生的能耗和運(yùn)行成本收益的評(píng)價(jià)還未見報(bào)道。在改進(jìn)的制漿深度脫木素工藝中,如深度改良的連續(xù)蒸煮技術(shù)(EMCC)、等溫連續(xù)蒸煮(ITC)、低固形物蒸煮技術(shù)(LSC)等,蒸煮過程中木素的去除率得到提高,并且可以盡量減少紙漿得率和強(qiáng)度損失。然而,蒸煮過程的溫度通常很高(150~170℃),其深度脫木素的工藝耗能很大。當(dāng)前以環(huán)境友好的氧氣為反應(yīng)劑的氧脫木素為工業(yè)中普遍采用,它可以實(shí)現(xiàn)在較低溫度的條件下(100℃左右)進(jìn)行深度的脫木素。很顯然,縮短制漿過程的蒸煮時(shí)間、結(jié)合強(qiáng)化的氧脫木素工藝應(yīng)該不僅有利于提高紙漿得率和保留強(qiáng)度,也可以減少整體的能耗。本文將以桉木作為示例對(duì)象,對(duì)其硫酸鹽法制漿結(jié)合氧脫木素工藝的能耗進(jìn)行了綜合研究。主要是依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)出制漿漂白過程中各項(xiàng)輸入能量和輸出能量,進(jìn)而比較不同工藝過程的能耗大小。利用相關(guān)數(shù)學(xué)模型給出了具體的工藝條件(如:堿濃,H因子,漂白溫度)或成漿性能(如:卡伯值,黏度)的數(shù)據(jù),從而增強(qiáng)了本文能耗計(jì)算過程和結(jié)果的實(shí)用性和有效性。本工作將為工廠中不同工藝過程的能耗計(jì)算和能耗比較提供更多理論依據(jù),從而將對(duì)進(jìn)一步降低紙廠的能源消耗具有重要的參考作用。1實(shí)驗(yàn)1.1原材料蒸煮所用原料為尾葉桉,由廣東省雷州市林業(yè)局提供,原料經(jīng)切片、篩選、風(fēng)干后儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?.2不銹鋼蒸煮罐美國(guó)M/K609-10型蒸煮器,容積為10L的不銹鋼蒸煮罐。每次裝鍋量為1kg絕干木片;硫化鈉(純度≥98%),氫氧化鈉(純度≥96%),均為分析純?cè)噭?.3制備實(shí)驗(yàn)2結(jié)果與討論2.1不同卡伯值的預(yù)處理蒸煮終點(diǎn)卡伯值是蒸煮工藝中必須確定的重要工藝參數(shù)之一,它是紙漿進(jìn)入氧脫木素工段前紙漿品質(zhì)的重要指標(biāo),其確定通常是根據(jù)蒸煮過程中紙漿卡伯值與紙漿品質(zhì)指標(biāo)(黏度、得率等)的變化關(guān)系確定,即在保證紙漿成漿性能、黏度和得率的前提下盡可能多的脫除木素。圖1為硫酸鹽法蒸煮過程中紙漿卡伯值與細(xì)漿得率,篩渣率以及黏度的變化關(guān)系。由圖可知,卡伯值低于40后紙漿的篩渣得率幾乎為零,這說明此時(shí)紙漿已經(jīng)完全成漿、木材資源已得到了充分利用;而紙漿的細(xì)漿得率,則隨著卡伯值的降低呈現(xiàn)即緩慢升高(kappa>40)、緩慢下降(16<kappa<40)、較快降低(kappa<16)三個(gè)階段。由此可見,為了提高紙漿得率,采用高卡伯值蒸煮(kap-pa=40)更具優(yōu)勢(shì)。另外,當(dāng)卡伯值低于16時(shí)紙漿黏度隨卡伯值的降低而急劇下降,卡伯值在16~40之間時(shí)則逐漸升高。綜合上述,本文認(rèn)為硫酸鹽法蒸煮的卡伯值應(yīng)控制在16~40的范圍內(nèi),并將蒸煮終點(diǎn)卡伯值具體設(shè)定為40、27和20;后續(xù)通過氧脫木素過程將紙漿中木素進(jìn)一步脫除。為了與后續(xù)氧脫木素段的能耗相比較,還選取了蒸煮終點(diǎn)卡伯值13作為對(duì)照組。2.2立式蒸煮鍋“立式”蒸我國(guó)現(xiàn)有硫酸鹽漿廠中的蒸煮設(shè)備根據(jù)不同建造年代、升級(jí)速度而呈現(xiàn)較大的差異(蒸球、立鍋、連續(xù)蒸煮器等),其中立式蒸煮鍋?zhàn)鳛橐环N傳統(tǒng)的蒸煮設(shè)備,現(xiàn)仍在制漿廠中普遍使用。本研究將以110m3立式蒸煮鍋的間歇制漿工藝為例建立能耗數(shù)學(xué)方程。即桉木片在蒸煮立鍋中通過硫酸鹽法蒸煮成漿后噴放,然后結(jié)合典型的一段擠漿機(jī)與三段真空洗漿機(jī)工序至氧脫木素白塔,漂白后紙漿的洗漿濾液用于未漂漿的洗滌。2.3不同初始、終點(diǎn)卡伯值的氧脫木素段結(jié)合桉木常規(guī)硫酸鹽法蒸煮、硫酸鹽漿氧脫木素卡伯值數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型,可確定達(dá)到任意預(yù)定目標(biāo)卡伯值的蒸煮工段和氧脫木素工段的工藝條件。對(duì)于硫酸鹽法制漿過程,本文使用我們之前已經(jīng)建立了適合該桉木原料的數(shù)學(xué)模型,即式(3)。考慮到制漿黑液的殘堿含量對(duì)節(jié)省用堿量、保證堿回收的順利進(jìn)行有很大影響,本文設(shè)定蒸煮終點(diǎn)的殘堿含量均為6g/L;為了保證生產(chǎn)效率不受影響,設(shè)定了統(tǒng)一的升溫和保溫時(shí)間;最終,結(jié)合式(3)得到了相應(yīng)目標(biāo)卡伯值下的蒸煮用堿量及最高溫度(見表5)。對(duì)于氧脫木素過程,出于對(duì)碳水化合物降解、紙漿質(zhì)量的考量,本文設(shè)定卡伯值為40和27的未漂漿氧脫木素后的終點(diǎn)卡伯值最低分別為19和13;結(jié)合優(yōu)化參數(shù)后的符合本文所用漿料特性的經(jīng)典氧脫木素卡伯值預(yù)測(cè)模型(即式(4)),得到了不同初始、終點(diǎn)卡伯值下符合生產(chǎn)實(shí)際的氧脫木素工段的工藝參數(shù),結(jié)果如表6所示。式(3)中,WK:紙漿卡伯值;A,B為常數(shù);H為H因子,CAA:初始活性堿濃度/g·L-1;CREA:蒸煮終點(diǎn)的殘余有效堿濃度/g·L-1,S為硫化度/%。K0為氧脫木素段的紙漿初始卡伯值,[OH-]0為氧脫木素段初始?jí)A濃度,t為氧脫木素時(shí)間,m為堿濃度的反應(yīng)級(jí)數(shù),n為氧壓的反應(yīng)級(jí)數(shù)。k=A·e-REaT·[P]n在給定的溫度和氧壓條件下,k不隨反應(yīng)時(shí)間而變。其中,A為阿倫民烏斯方程指前因子,Ea為脫木素反應(yīng)的活化能/kJ·mol-1,R為摩爾氣體常量/J·(mol·K)-1;T為絕對(duì)溫度/K,P為氧壓/MPa.2.4氧脫木素?zé)崃炕厥赵谡糁笸瓿蓵r(shí),伴隨著大放氣和壓力噴放,會(huì)產(chǎn)生大量的廢熱蒸汽;例如,在實(shí)行全壓熱噴放的操作條件下,蒸煮放汽和噴放熱量之和相當(dāng)于蒸煮全部熱耗的約50%。合理回收這部分廢熱蒸汽的熱量,是降低制漿能耗、減少大氣污染中的一項(xiàng)重要措施。對(duì)于氧脫木素過程而言,氧脫木素后漿料在后續(xù)洗漿過程中使用更低的漿濃,而在漿料稀釋過程中氧脫木素所輸入的熱量則直接傳遞給稀釋水;因此,氧脫木素段具有較高的熱量回收效率。鑒于,兩個(gè)工段的熱量回收程度與制漿廠設(shè)備的性能、熱量回收方式、管理水平以及洗漿溫度有很大關(guān)聯(lián),本文在能耗計(jì)算過程中引入了制漿和氧脫木素?zé)崃炕厥障禂?shù)(φKP、φOD)這兩個(gè)參數(shù),以提高本文計(jì)算結(jié)果的實(shí)際參考及應(yīng)用價(jià)值。蒸煮工藝條件如表1所示。1.4反應(yīng)條件及反應(yīng)條件圖對(duì)桉木硫酸鹽漿進(jìn)行氧脫木素,反應(yīng)設(shè)備為高壓反應(yīng)釜(Parr4843),毛氏攪拌器,反應(yīng)條件如下:裝鍋量30g(絕干漿),漿濃10%,升溫時(shí)間30min,MgSO4用量0.2%,攪拌速率75r/min,其它條件如表2所示。1.5氧脫木素工段能耗計(jì)算紙漿卡伯值、黏度及殘堿的檢測(cè)方法見參考文獻(xiàn)。蒸煮過程的能耗一般以蒸煮一鍋次漿為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算,氧脫木素段能耗則是以單段氧脫木素為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算,兩段過程所需熱量的種類、計(jì)算式及工程數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)。最終,根據(jù)能耗計(jì)算基本方程,推導(dǎo)可得制漿及氧脫木素工段能耗的數(shù)學(xué)方程,即式(1)和式(2),結(jié)合具體的制漿、氧脫木素工藝參數(shù)即可計(jì)算出蒸煮及氧脫木素工段的能耗。式中:i———不同蒸煮工藝;j———不同氧脫木素工藝。式(1)中各符號(hào)說明見表3,式(2)中各符號(hào)說明見表4。2.4.1卡伯值不能確定圖3為不同熱量回收效率下,制漿和氧脫木素段能耗隨紙漿蒸煮終點(diǎn)卡伯值及氧脫木素初始、終點(diǎn)卡伯值的變化規(guī)律。由圖3(a)可知,隨著蒸煮終點(diǎn)卡伯值的降低噸漿能耗逐漸升高,當(dāng)卡伯值低于20時(shí)噸漿能耗將急劇上升;且φKP每提高0.05,噸漿能耗值則減少約0.3GJ,這體現(xiàn)了制漿段的熱量回收對(duì)該工段的節(jié)能具有很大的實(shí)際價(jià)值。由圖3(b)可知,相同卡伯值紙漿進(jìn)行氧脫木素時(shí),終點(diǎn)卡伯值越低,氧脫木素段能耗越高。相同φOD下紙漿的氧脫木素從卡伯值40降至27所需的能耗值,與卡伯值27降至13所需的能耗值相比,同為降低約13個(gè)卡伯值,后者比前者所需的每噸絕干漿能耗要高0.24GJ,即脫除相同量的木素低卡伯值未漂漿比高卡伯值未漂漿的氧脫木素能耗要高。2.4.2氧脫木素至13e7-19及添加雜質(zhì)期各能耗比較在這一部分,本文主要討論兩種實(shí)現(xiàn)目標(biāo)卡伯值途徑的能耗比較:①硫酸鹽法蒸煮直接至目標(biāo)卡伯值;②硫酸鹽法蒸煮至較高卡伯值,再氧脫木素至目標(biāo)卡伯值。具體而言,將分別對(duì)目標(biāo)卡伯值為27,19和13時(shí),上述兩種途徑的能耗進(jìn)行對(duì)比。圖4(a)與4(d)分別是目標(biāo)卡伯值為27和13時(shí),直接蒸煮與先蒸煮至40后氧脫木素至27(E40-27)和先蒸煮至27后氧脫木素至13(E27-13)的能耗比較。從圖中可以看出,在φKP為0.45~0.65時(shí),φOD為0.75~0.95時(shí),直接蒸煮至卡伯值為27或13時(shí)所需的能耗均要比先蒸煮后氧脫木素所需要的能耗較大。當(dāng)φKP為0.45,φOD為0.95時(shí),每噸絕干漿能耗差值為最大,分別為0.21GJ和0.43GJ。圖4(b)和(c)分別為蒸煮至卡伯值40和27后氧脫木素至19的能耗(E40-19,E27-19)減去直接蒸煮至卡伯值為19的能耗(E19-19)結(jié)果。從圖中可以看出,當(dāng)φOD>0.8時(shí),差值小于0,說明先蒸煮后氧脫木素所需的能耗較小。在圖4(b)中,當(dāng)φOD≤0.8時(shí),差值大于0,說明直接至19的能耗較小,成本更低,更為經(jīng)濟(jì)。當(dāng)φOD為0.85時(shí),φKP=0.6為一分界點(diǎn),小于0.6時(shí),差值小于0,說明先蒸煮后氧脫木素的能耗低,反之,則直接蒸煮的能耗更低,而在圖4(c)中,φOD=0.75,φKP=0.55為分界點(diǎn)。由此可知,隨著制漿技術(shù)及節(jié)能減排技術(shù)的進(jìn)步,各工段回收系數(shù)的不斷提高,當(dāng)目標(biāo)卡伯值相同時(shí),從圖中能耗結(jié)果的趨勢(shì)可以看出,先蒸煮后氧脫木素所需的能耗比直接蒸煮所需的能耗要小。2.4.3氧脫木素/水處理不同途徑能耗比較圖5為不同制漿能量回收系數(shù)條件下,先蒸煮至40后氧脫木素至19的總能耗(E40-19)減去先蒸煮至27后氧脫木素至19的總能耗(E27-19)結(jié)果。從圖中結(jié)果可知,當(dāng)φKP≤0.5,同時(shí)φOD≥0.85時(shí),E40-19減掉E27-19的結(jié)果小于0,說明從卡伯值40氧脫木素至19時(shí)所需的總能耗較小。當(dāng)φKP=0.45,φOD=0.95時(shí),兩種途徑的每噸絕干漿能耗差值為最大,約為0.17GJ。并且根據(jù)理論上的數(shù)據(jù)結(jié)果,筆者推測(cè)當(dāng)目標(biāo)卡伯值更低(假設(shè)小于19)時(shí),這種結(jié)果將更為明顯,即先蒸煮至較高卡伯值后氧脫木素(甚至兩段氧脫木素)的總能耗,將比先蒸煮至較低卡伯值后氧脫木素的總能耗低。隨著制漿氧脫木素的技術(shù)不斷進(jìn)步,能量回收系數(shù)的不斷提高,以及人們對(duì)紙漿白度要求的嚴(yán)格,上述結(jié)論將從能耗的角度給工廠中制漿工藝的選擇提供一個(gè)理論依據(jù)。2.5控制水的使用有前期研究可知,在擠漿和洗滌階段,蒸煮終點(diǎn)卡伯值每上升一個(gè)單位,則噸漿洗滌耗水量會(huì)增加0.1~0.2m3。在保證紙漿質(zhì)量的前提下,控制水的使用不僅可以減少成本,同時(shí)也對(duì)節(jié)能減排有一定的積極作用。在化學(xué)品消耗方面,由于縮短了蒸煮段的時(shí)間而延長(zhǎng)的氧脫木素段的時(shí)間,該工藝節(jié)省了蒸煮過程中NaOH用量和Na2S的消耗,而增加了氧脫木素工段的試劑(主要是氧氣)用量,筆者將在未來的工作中對(duì)該工藝的化學(xué)品成本進(jìn)行研究。3氧脫木素卡伯值氧漂的影響經(jīng)過多段不同工藝過程的能耗比較,可以得知:蒸煮段終點(diǎn)卡伯值越低,能耗越高,且φKP每提高0.05,噸漿能耗值則減少約0.3GJ;相同φOD下紙漿的氧脫木素從卡伯值40降至27所需的能耗值,與卡伯值27降至13所需的能耗值相比,同為降低約13個(gè)卡伯值,后者比前者所需的每噸絕干漿能耗要高0.24GJ,即脫除相同量的木素低卡伯值未漂漿比高卡伯值未漂漿的氧脫木素能耗要高。目標(biāo)卡伯值為27和13時(shí),當(dāng)φKP為0.45,φOD為0.95時(shí),能耗差值為最大,直接蒸煮至目標(biāo)卡伯值所需的每噸絕干漿能耗比先蒸煮后氧脫木素的能耗分別高0.21GJ和0.43GJ。目標(biāo)卡伯值為19時(shí),E19與E27-