造纸机余热回收系统节能分析

造纸机余热回收系统节能分析

德州市建筑规划勘察设计研究院 张 鑫 张成臣 段文通

摘 要：节约能源与可持续发展已成为当今社会发展面临的两大课题，各国政府也在不断完善节约能源的政策。对于企业，能源的节约和合理应用，是直接关系到企业效 益和竞争力的大事。作为节约和合理利用能源的比较有效的方式，余热回收一直被一些能源消耗大户所重视。本文将以造纸行业广泛应用的2800纸机的余热回收 装置为例，从技术经济性角度，通过较为详尽的热工计算，得出具体的节能结论，以供相关部门参考。

1 概述

工业造纸过程中，要用到大量的热量来烘干湿漉漉的半成品纸。蒸汽锅炉产生的0.3MPa（133.5℃）的蒸汽，经管网直接输送到造纸机烘缸中，烘缸与湿 纸浆卷直接接触，利用机械挤压和缸面热炽将其携带是水分强制排出。在这一过程中产生的大量携带水蒸气的热空气，由通风系统排至室外。被排放的气体携带了大 量的余热和余湿，余热回收系统的作用就是尽可能多的回收这些余热，也能回收一定量的“余湿”。造纸机通风系统的送风量几乎是排风的一半，从而保持造纸机通 风罩的负压，保证湿热空气的有效排出和气流组织受控性。余热回收系统用排出的湿热空气加热送风，不但节省能源，由于新空气温度增加，降低了其水蒸气的饱和 度，从而增加了空气的“吸水潜力”，对改善造纸工艺起到一定的作用。

热回收系统的节能价值是无庸置疑的，但在对本系统技术经济性分析的过程中，很多人忽略了回收到的“余湿”的价值。所谓的“余湿”，其实就是由于排风遇冷所 凝结出的蒸馏水，其水量也是相当巨大的，而且由于这部分水不含杂质和硬度，水质纯净，而且温度较高，是非常好的工业原料。虽然溶有少量生产过程中产生的氨 气，但因其呈弱碱性（PH值约为8左右），对管路无腐蚀性，只要不影响生产工艺，应该对其进行回收再利用。

下面我们就用一定的数据计算具体分析一下其节能节水价值。

2 相关数据

热回收系统的工作状态的数据参数与工作季节、当地气象情况、造纸机运行情况和通风设施情况等因素有密切关系。本文的讨论及计算均以使用比较广泛的2800 造纸机为选型对象，并选其标准工况，以节能比较明显的冬季为例，地点选在本文讨论的实际工程所在地山东德州，利用《采暖通风设计手册（1987）》所列出 的当地典型气象参数，进行讨论比较。其他情况可以本文思路类推。以下称符合所列冬季气象参数的一日为一个标准冬季日，虽然这样的气象参数恒定的日子不存 在，但作为研究工程的假设条件还是有一定意义的。

部分当地典型气象资料总结于以下：

夏季通风室外计算温度： 31℃

夏季通风室外计算相对湿度： 76%

夏季大气压力 100.24kPa

冬季通风室外计算温度： -4℃

冬季通风室外计算相对湿度： 60%

冬季大气压力 102.46kPa

造纸机通风设计数据是由其工艺流程要求决定的，2800造纸机通风参数如下：

送风量： 86000m3/h

送风温度： 110℃

排风量： 140000 m3/h

排风温度： 65℃

排风湿度： ≤85%

图1 热回收系统设备原理图及工作参数（冬季标准气象参数日为例）

经气-气热交换器预热，造纸机送风被加热至约45℃（冬季工况，不是恒值），再由蒸汽加热器加热到110℃后送入纸机（蒸汽加热器部分不属于余热回收系统，本文不再深入讨论）。

每台造纸机使用两套热回收系统。每套系统设计参数如下：

送风机（64-73 110型）

流量 49500 m3/h

全压 1580Pa

电机功率 30kW

排风机（46-12-50型）

流量 90000m3/h

全压 1258Pa

电机功率 45kW

气-气热交换器

壳程流量（新鲜空气） 49500 m3/h

管程流量（湿热空气） 82500 m3/h

图2 通风及热回收系统设备及流程图

3、技术经济性分析

余热回收系统技术经济性分析可从不同角度进行计算，例如，利用送风的焓增量计算、利用换热器的热工性能进行计算、利用排风的焓降量进行计算。

利用送风的得热量计算方法与室外气象资料关系紧密。本地区气温年较差和日较差都比较大，很难按固定的数据进行经济性比较。即使按照一定的数据作比较，由于 误差过大，也不能比较全面的反映节能情况。利用换热器的热工性能进行计算牵扯到换热器的细节几何参数，而且换热器计算的基本边界条件并不详尽，计算量巨 大，其性能受制造工艺条件影响显著，理论模型与实际工程差别太大，不能保证结果有较高的准确性，一般不推荐在工程上使用。利用排风的焓降进行计算不但能够 在一定程度上较为准确的反映系统的热工情况，而且所牵扯的数据条件比较单一、稳定，数据可根据实测得到，便于计算。本文就以此方法进行计算分析。

由于从造纸机排出的气体为经过烘干纸浆过程后的空气，其中夹带着大量的水蒸气。本文按其湿度为80%计算（为保证工艺而取的较保守而又经济的数值）。经换 热器后，湿空气的温度降低，同时凝结出大量的水，空气处于饱和状态，这一点从排空的气体夹杂着大量水滴便能看出来，所以湿度按100%计算。

查阅有关资料可以得出以下数据：

表1 进、出换热器的造纸机排气状态参数表

计算过程中，还用用到两个干空气密度，分别摘录如下：

表2 两个有用的干空气密度

换热器效率不可能达到100%。本文根据大多数工程的实际情况，保守估计此系统的的换热效率为70%。

计算如下：

如本系统流程图所示，系统排风机设于热交换器后方（相对排风气流方向而言；换热器内部保持负压），由于气体在热交换过程中部分水蒸气发生相变，排风机风量 并非热回收系统的进气风量，所以有必要算出65℃、80%热湿空气流量，为：（忽略换热器内负压）

m3/h；

经换热器后湿空气焓降为：

（98759.1×0.96×475.4-90000×1.03×277.3）×1/3600=5379.5kW

凝结出50℃水为：

50℃凝结水的焓值为：209.3kJ/kg

所以得出，经换热器回收的热量为：

（5379.5-5323.6×209.3/3600）×70%=3549.0 kW

每造纸机带两套热回收系统，每天按工作22.5小时（造纸机为全年全日不间断运行，扣除每日维护时间约1.5小时）计算，每个标准冬季日节能量为：

3549×22.5×3600×2=5.75×108kJ=159705kW·H

每标准冬季日节水：5323.6×22.5×0.001×2=239.6m3

每吨0.3MPa的蒸汽的发热量为：

2164.1×1000=2.16×106KJ

每标准冬季日节约蒸汽量 吨，或节约电能159705kW·H；

按每吨蒸汽50元、每吨软水10元（均为本工程所在企业成本核算结论），每度电能0.5元（当地工业用电市价）计算。得出：

每个运行的标准冬季日节省燃料成本1.33万元，或节约电费7.98万元；节约软水费用为0.24万元。

4 结论

由于技术经济性论证不是工程的实验性结论，受各种不可预测因素影响比较大，不可避免的会存在一些误差。本文计算所用的方法和数学模型较为接近实际，所引用 的数据均有一定的工程依据，部分参数为气象条件相近情况下现场实测取得，所以本文结论具有一定的参考价值。

综上，造纸机的余热回收系统的效益成本比非常可观，此系统的上马是非常合理和必要的，是一件社会效益和经济效益双丰收的好事。

参考文献

[1] 陆耀庆.实用供热空调设计手册.北京：中国建筑工业出版社，1987

[2] 采暖通风与空气调节设计规范（GB50019-2003）.北京：中国计划出版社，2003

[3] 廉乐明，李力能等.工程热力学（第四版）.北京：中国建筑工业出版社，1999

[4] 孙一坚主编.工业通风（第二版）.北京：中国建筑工业出版社，1991