本研究的內(nèi)容是瑞典國家生態(tài)循環(huán)制漿工廠研究項目的一部分。該研究項目致力于建立一個生態(tài)循環(huán)和節(jié)能的系統(tǒng)以用于制造高質(zhì)量的紙漿和紙產(chǎn)品。能量潛能的研究是該研究項目的子項目，其中就包括文中所講述的內(nèi)容。研究能量潛能的目的在于從經(jīng)濟、技術(shù)及環(huán)境方面認(rèn)識到能量系統(tǒng)在制漿造紙廠的吸引力。
    生態(tài)循環(huán)制漿工廠研究項目給出了一個理論上的樣本漿廠（稱之為參比漿廠）。這個漿廠生產(chǎn)漂白硫酸鹽商品漿，采用目前在瑞典和芬蘭制漿造紙工業(yè)中所使用的最先進的技術(shù)，研究項目中闡明了今后的發(fā)展方向，在未來的參比漿廠中將尚未通過試驗的新技術(shù)體現(xiàn)在內(nèi)。
    參比漿廠的樹皮除了一部分用于石灰窯的燃燒和加熱液體汽化之外，其余的都將出售。漿廠有相當(dāng)多的剩余蒸汽，若使用蒸發(fā)中的剩余熱量，蒸汽還會進一步增多。目前，剩余蒸汽被用于冷凝式發(fā)電。然而，該研究表明，從環(huán)境角度考慮（如從C02排放方面考慮），以生物質(zhì)燃料形式輸出比以冷凝式電能形式輸出更有利。為了能夠生產(chǎn)用以出售的生物質(zhì)燃料，沉析木素是必要的。生物質(zhì)燃料在其他領(lǐng)域可以取代非可再生資源（如石油），漿廠中的大型發(fā)電站利用生物質(zhì)燃料發(fā)電比冷凝式發(fā)電更為高效。冷凝式發(fā)電可能會導(dǎo)致工藝過程中動態(tài)蒸汽的波動，因此，在已安裝了冷凝式發(fā)電的漿廠應(yīng)盡可能縮小冷凝式發(fā)電規(guī)模而非徹底去除。
1、漿廠情況
    在上述給定的背景下，評價和比較了4家不同的漿廠：參比漿廠、l號漿廠、2號漿廠和3號漿廠。表1簡單描敘了這4家漿廠的情況。
 
1.1過剩的熱量
    參比漿廠和1號漿廠安裝了傳統(tǒng)的溫水和熱制備系統(tǒng)。系統(tǒng)中多余的熱水在冷凝塔中進行卻。剩余的溫水和熱水的熱能分別為0.6 GJ/t和1.0GJ/t（風(fēng)干漿）。在2號和3號漿廠中，過剩熱量用于蒸發(fā)工段。2號和3號漿廠的不同在于是否有凝式渦輪機，該設(shè)備要求預(yù)熱渦輪冷凝物。過剩熱量還能用于蒸煮工段。即用來冷卻85～107℃度的黑液冷卻器和用來冷凝100℃的排出氣體的冷凝器（僅3號漿廠）。在這種情況下，黑液可以不經(jīng)冷卻直接送往蒸發(fā)車間，更加有效地利用蒸煮后黑液的熱量。對3號漿廠而言，在排出氣體冷凝器和蒸發(fā)裝置之間需安裝蒸汽轉(zhuǎn)化爐。事實上，與參比漿廠和1號漿廠相比，2號漿廠和3號漿廠的黑液未經(jīng)冷卻直接送往蒸發(fā)車間，以減少熱交換損失。但這就需要更多的高壓貯存器來存放黑液。
    在蒸發(fā)段，通過降低表面冷凝器的溫度（從55℃降到40℃）或增加蒸發(fā)器效數(shù)都能提高蒸發(fā)設(shè)備的蒸發(fā)能力，而不會增加新鮮蒸汽的需求量。設(shè)計溫水和熱水制備系統(tǒng)以充分利用表面冷凝器高干40℃時的熱量。2號和3號漿廠只需將清水加熱到18℃，因此，利用表面冷凝器的熱量即可實現(xiàn)。
1.2冷卻
    表2中的能量平衡計算顯示了各漿廠的冷卻能耗。參比漿廠和1號漿廠的區(qū)別在于冷凝式渦輪機中冷凝器的能耗不同，這也是2號和3號漿廠之間的區(qū)別。1號和3號漿廠之間以及參比漿廠和2號漿廠間的不同之處在于兩組的前者有較高的蒸汽需求量，冷卻耗能較高，導(dǎo)致更多的能量通過冷卻系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到了冷卻塔。
    在參比漿廠和1號漿廠的溫?zé)崴�制備系統(tǒng)中，除冷凝式渦輪機外，還有表面冷凝器、未經(jīng)處理的廢水、過剩的熱水等3個熱源沒有被冷卻，它們均在冷卻塔內(nèi)冷卻。然而，在2號和3號漿廠中，廢水是在溫?zé)崴�制備系統(tǒng)中冷卻，因此，只需1個冷卻塔（見圖1）。溫?zé)崴�制備系統(tǒng)中廢水熱量的最大利用使過剩熱量用于黑液蒸發(fā)成為可能。相比冷卻塔，在表面冷凝器中冷卻傳輸?shù)哪芰扛�多，因此，在蒸發(fā)裝置中需要大型的表面冷凝器。
1.3蒸發(fā)
    參比漿廠和1號漿廠安裝了六效蒸發(fā)器，并在一效和二效蒸發(fā)器間增配了綜合汽提塔，50%的冷凝汽在汽提塔中被解吸出來(見圖2)。黑液濃度最終為80%，表面冷凝器的冷凝溫度為55℃。
 
     2號和3號漿廠的蒸發(fā)器與參比漿廠和1號漿廠的蒸發(fā)器有所不同（見圖3）。在2號和3號漿廠中，黑液以107℃而非85℃送入蒸發(fā)器中。在3號漿廠，排出氣體的冷凝器所產(chǎn)生的蒸汽被用于蒸發(fā)。在2號和3號漿廠，由于表面冷凝器的溫度降至40℃，所以比參比漿廠和1號漿廠多配備了1臺蒸發(fā)器。
 
2、沉析木素工藝
    目前還沒有大量沉析木素的工業(yè)方法。因此，在生態(tài)循環(huán)漿廠研究項目中，沉析木素工藝的模型都來源于已有的小規(guī)模沉析木素工廠的相關(guān)知識以及在實驗室條件下對木素的沉析、過濾和洗滌的研究結(jié)果。
在設(shè)想的沉析木素工藝中，用純C02對黑液進行沉析處理，使固含量為30%的黑液的pH值下降至10左右（見圖4），在此pH值下，僅有少量H2S被釋放出來。純C02氣體很容易注入黑液中，沉析后，原則上排出的氣體無需凈化。
 
    目前，此概念已應(yīng)用到幾個沉析木素的工廠。沉析木素從黑液中分離出來并經(jīng)鼓式壓濾機洗滌，洗滌后的濾液再送回蒸發(fā)車間的稀黑液槽。洗滌用水需經(jīng)H2S04酸化以防止木素溶解，同時也可以減少沉析木素中鈉的含量。
    根據(jù)調(diào)查結(jié)果，可以推斷出洗滌增加了蒸發(fā)的需求量，每沉析lkg木素需增加約4 kg洗滌水。鼓式壓濾機所得沉析木素的干度為70%～80%，無需再對沉析木素進行干燥處理。無論沉析木素量為多少，送往堿回收鍋爐的黑液固含量都應(yīng)保持為80%。
運用查爾穆斯大學(xué)熱電技術(shù)研發(fā)團隊所開發(fā)的模擬工具以及工業(yè)上已有的運算工具，計算了這些樣本漿廠中所使用的剩余熱量以及蒸發(fā)車間所需的蒸汽用量和蒸發(fā)面積。同時，可以運用AF IPK AB開發(fā)的模擬工具計算出漿廠的電力產(chǎn)量。
3、沉析木素對系統(tǒng)的影響
3.1能量平衡
    在沉析木素過程中，漿廠的蒸汽和電力需求量以及電力生產(chǎn)量都將受到影響（見表2）。漿廠的生物質(zhì)燃料用于出售而不是用來進行冷凝式發(fā)電，顯然漿廠的電產(chǎn)量會下降。進行大規(guī)模沉析木素的漿廠（如3號漿廠）甚至?xí)�造成電力不足�?br />     如表2所示，沉析木素所需的蒸汽和電力需求量變化很小。漿廠中蒸汽需求量上升的主要原因是沉析木素增加了蒸發(fā)車間的蒸汽用量。然而，由于沉析木素減少了吹灰裝置和預(yù)熱冷凝渦輪機所消耗的蒸汽量，所以沉析木素所需的總蒸汽量只略微增加。相反，電力需求量有所減少，原因是堿同收鍋爐中靜電過濾器的耗電量減少。
    沉析木素量的多少取決于漿廠生產(chǎn)過程中蒸汽的用量，由于剩余熱量用于蒸發(fā)，使蒸發(fā)過程的蒸汽用量會下降，因此，3號漿廠的潛力最大。
3.2蒸發(fā)車間
    蒸發(fā)需求量會因沉析木素而增大，原因是沉析木素的洗滌水會與黑液一起被蒸發(fā)。蒸發(fā)量增大會導(dǎo)致新鮮蒸汽量增加。其中，1號漿廠比參比漿廠增加10%，3號漿廠比2號漿廠增加31%（見表3）。

    沉析木素時，蒸發(fā)車間的總蒸發(fā)面積會下降。原因之一是在沉析過程中，固形物被去除，減少了黑液在濃縮過程中所需蒸發(fā)掉的水量；另一原因是黑液的蒸發(fā)大部分是在低濃條件下進行的，這時黑液的沸點比較低，易蒸發(fā)，洗滌水也隨之蒸發(fā)。
    在計算如表3所示的蒸發(fā)面積時，假定沉析木素時，黑液的黏度和沸點恒定。有關(guān)沉析木素過程對黑液性能影響的可用數(shù)據(jù)很少。然而，根據(jù)Wennberg的測定結(jié)果，隨著黑液中木素含量的減少，黑液的黏度會下降，尤其是黑液經(jīng)過再堿性化處理后，其黏度最多可下降50%，這也會提高蒸發(fā)車間的熱傳遞系數(shù)，從而減少設(shè)備的蒸發(fā)面積。低黏度也能使黑液蒸發(fā)到更高的濃度。Wennberg的測定結(jié)果還可知，當(dāng)黑液中木素含量降低時，黑液的沸點會上升2～5℃，因為干固形物中的無機化合物含量增加。計算時要考慮黑液的黏度及沸點的變化，無論沸點升高多少，低黏度都會使蒸發(fā)面積減少5%～15%(見表3)。
3.3堿回收鍋爐
    沉析木素對堿回收鍋爐同樣有很大影響。其中最重要的影響是隨著固形物含量的降低，堿回收鍋爐的尺寸會減小。因此，沉析木素可解決現(xiàn)有漿廠在堿回收鍋爐方面的難題。
    黑液中木素去除量占總木素量的比例為：1號漿廠37%、3號漿廠50%，相對應(yīng)的沉析木素產(chǎn)量分別為0.19t/t和0.26t/t（風(fēng)干漿）。為評估沉析木素過程是否會妨礙堿回收鍋爐的操作，計算了在不同程度的木素去除時黑液的絕熱火焰溫度。根據(jù)這些計算結(jié)果，當(dāng)木素去除量為50%時，黑液的絕熱火焰溫度達到了黑液可燃燒時的溫度，此時可燃燒黑液的固含量為67%。
    沉析木素對堿回收鍋爐的另一重要影響是隨著熱量的降低，絕熱燃燒溫度也會降低，進而產(chǎn)生更多的S02排放量。1號漿廠中S02排放量增加較少，但是，3號漿廠中S02排放量則高出很多，需經(jīng)過凈化處理。
3,4堿性化處理
    在沉析木素過程中，黑液中堿含量會降低。如上所述，假定送往蒸發(fā)車間的黑液無須堿性化處理。但是，堿含量低會導(dǎo)致黑液的黏度及沉析的固形物增加，研究也評估了堿性化過程對能耗的影響。
利用白液對黑液堿性化處理，可將黑液中的堿含量恢復(fù)到正常水平。堿性化的一個重要結(jié)果是會增加石灰窯的能耗。漿廠石灰窯的燃燒原料是貯木場的氣化樹皮，大約有一半樹皮被用在該處，其余的出售。若黑液經(jīng)過堿性化處理，則出售的樹皮量將會減少，漿廠的蒸汽需求量也會增加，原因是黑液送回蒸發(fā)車間前的固形物含量很低。因此，在這種情況之下可供沉析的木素量也很少。
    總之，若黑液經(jīng)過堿性化處理，1號和3號漿廠中可供沉析的木素分別減少9%和5%，兩個漿廠可供出售的樹皮也將減少12%。由于這些漿廠均為環(huán)保型漿廠，對石灰窯規(guī)模的調(diào)整只會造成投資成本遞增。在現(xiàn)有的漿廠中，通過加大石灰窯的負(fù)荷來應(yīng)對堿性化及后續(xù)處理所帶來的影響可能不是一個可行的解決辦法，需進一步評估。黑液堿性化處理過程中，電力生產(chǎn)及電力消耗增長很少。
3.5木素的干燥
    計算中，假定沉析木素的固含量為80%。出于某些原因在技術(shù)上達不到如此高的固含量，木素出售前則需通過干燥或者其他的處理方法來提高其固含量，毫無疑問這樣勢必會增加漿廠對蒸汽的需求。
4、利潤和成本
4.1投資
    漿廠設(shè)備的投資成本是根據(jù)現(xiàn)有車間的實際投資費用，大多數(shù)設(shè)備的使用指數(shù)為0.55～0.6。根據(jù)小型的、市場上可行的沉析木素工藝的投資成本，分析了大型沉析木素工藝的投資成本。對于蒸發(fā)車間，采取長期投資成本模式來考慮蒸發(fā)器的尺寸及數(shù)量。在生態(tài)循環(huán)漿廠研究項目中，采用年金現(xiàn)值系數(shù)0.1來計算投資的年度費用。本研究同樣也采用0.1這個系數(shù)來分析計算。
    通常，有沉析木素工藝時，堿回收鍋爐、冷凝及背壓式渦輪機以及配電系統(tǒng)的投資成本會減少或者無需投資。但另一方面，這可能會增加沉析木素車間及蒸發(fā)車間的投資成本。當(dāng)使用過剩熱量來蒸發(fā)時，因蒸發(fā)裝置蒸發(fā)面積的擴大以及在溫?zé)崴�制備系統(tǒng)中一些必要的改造，例如安裝蒸汽轉(zhuǎn)化裝置，這些都將增加投資成本，冷卻系統(tǒng)費用也會有所不同。但是，這些成本費用是在某些特定場合下才適用，本文中不予考慮。通過比較表4中的結(jié)果能夠得出以下結(jié)論：當(dāng)使用過剩熱量進行蒸發(fā)時，總投資成本會增加：相反，當(dāng)采用沉析木素時，總投資成本會下降。

4.2生產(chǎn)成本及總成本
供出售的電力及木素的生產(chǎn)成本和利潤取決于電力、木素以及CO，的設(shè)定價格。對于這些成本，制定了一個基本價格方案：購入和出售的電價為25美元/MWh，木素出售的價格為12美元/MWh（假定木素作為鍋爐燃料，故其售價以發(fā)電的電價為計量單位，即美元/MWh，且鍋爐燃燒效率為80%)，C02購入的價格為80美元／t。綜合表5中總年度利潤和表4中年度投資成本，計算了漿廠的總年度成本。如表5所示，在給定的條件下，所有漿廠的總成本基本相同。因此，從經(jīng)濟的角度出發(fā)，在這些條件下，漿廠采用沉析木素工藝是合理的。

4.3靈敏度分析
    影響漿廠總成本主要有以下因素：木素價格、電力價格、沉析木素工藝的投資成本、C02成本以及再堿性化處理成本。對木素未來的售價尚不清楚，因此，人們關(guān)注的是木素以什么價格出售才能彌補因?qū)嵤┏廖瞿舅毓に囁鶐�來的資金和運行的附加成本。
    圖5表明，電價為25美元/MWh及35美元/MWh時，木素售價應(yīng)分別高于12美元/MWh和15—16美元/MWh，這樣才能認(rèn)為漿廠采用沉析木素工藝是合理的。如果沉析木素工藝的投資成本比表4中的沉析木素投資成本翻了一倍，則木素售價必須高于13～14美元/MWh。但如果不考慮C02成本，木素的售價可不超過8美元/MWh。另外，如果黑液需要經(jīng)過堿性化處理，木素售價就應(yīng)高于13～14美元/MWh。
    圖5中描述的是不包括年金系數(shù)影響下的情況。參比漿廠與1號、2號漿廠之間在總投資上的差異比生產(chǎn)成本的差異小。改變年金系數(shù)對總成本的差異變化影響甚小。

5、結(jié)論
    如果參比漿廠的黑液中有37%的木素被沉析，則漿廠產(chǎn)生的剩余熱能將能以沉析木素的形式輸出，而不會用作冷凝式發(fā)電。對于2號漿廠，為出售剩余熱能需去除50%的木素。從能量方面考慮，去除如此多的木素最重要的影響，是使得動力乎衡發(fā)生改變，在某些情況下，甚至?xí)��?dǎo)致漿廠的電力不足。此外，還會導(dǎo)致蒸發(fā)所需的新鮮蒸汽量將增加以及堿回收鍋爐負(fù)荷的降低�？傊�，從能量的角度考慮，沉析木素工藝是合理可行的。
    還有一些技術(shù)條件對結(jié)果也有影響，需要進一步評估。主要有黑液的堿性化是否必要以及在沉析木素過程中，黑液的性能是如何變化的。
    在特定的經(jīng)濟條件下，如果木素的價格大約為12美元/MWh時，應(yīng)用沉析木素工藝的漿廠與參比漿廠的總成本相當(dāng)。就目前生物質(zhì)燃料的價格而言，只有木素的售價高于樹皮的售價時，沉析木素工藝從經(jīng)濟上才具有吸引力。
    木素的售價會隨著經(jīng)濟狀況的變化而改變，電價和C02成本是兩個最重要的影響因素，C02成本的影響尤為突出。木素售價為12美元/MWh時，相當(dāng)于約30%的利潤為木素售價貢獻。如果燃料氣體能夠代替C02氣體，從而可排除C02成本，則木素的售價允許下降到9美元／MWh以下。
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