本研究的內容是瑞典國家生態循環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循環和節能的系統以用于制造高質量的紙漿和紙產品。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容。研究能量潛能的目的在于從經濟、技術及環境方面認識到能量系統在制漿造紙廠的吸引力。
生態循環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）。這個漿廠生產漂白硫酸鹽商品漿，采用目前在瑞典和芬蘭制漿造紙工業中所使用的最先進的技術，研究項目中闡明了今后的發展方向，在未來的參比漿廠中將尚未通過試驗的新技術體現在內。
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。漿廠有相當多的剩余蒸汽，若使用蒸發中的剩余熱量，蒸汽還會進一步增多。目前，剩余蒸汽被用于冷凝式發電。然而，該研究表明，從環境角度考慮（如從C02排放方面考慮），以生物質燃料形式輸出比以冷凝式電能形式輸出更有利。為了能夠生產用以出售的生物質燃料，沉析木素是必要的。生物質燃料在其他領域可以取代非可再生資源（如石油），漿廠中的大型發電站利用生物質燃料發電比冷凝式發電更為高效。冷凝式發電可能會導致工藝過程中動態蒸汽的波動，因此，在已安裝了冷凝式發電的漿廠應盡可能縮小冷凝式發電規模而非徹底去除。
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號漿廠安裝了傳統的溫水和熱制備系統。系統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（風干漿）。在2號和3號漿廠中，過剩熱量用于蒸發工段。2號和3號漿廠的不同在于是否有凝式渦輪機，該設備要求預熱渦輪冷凝物。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，黑液可以不經冷卻直接送往蒸發車間，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裝置之間需安裝蒸汽轉化爐。事實上，與參比漿廠和1號漿廠相比，2號漿廠和3號漿廠的黑液未經冷卻直接送往蒸發車間，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。
在蒸發段，通過降低表面冷凝器的溫度（從55℃降到40℃）或增加蒸發器效數都能提高蒸發設備的蒸發能力，而不會增加新鮮蒸汽的需求量。設計溫水和熱水制備系統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。
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，導致更多的能量通過冷卻系統轉移到了冷卻塔。
在參比漿廠和1號漿廠的溫熱水制備系統中，除冷凝式渦輪機外，還有表面冷凝器、未經處理的廢水、過剩的熱水等3個熱源沒有被冷卻，它們均在冷卻塔內冷卻。然而，在2號和3號漿廠中，廢水是在溫熱水制備系統中冷卻，因此，只需1個冷卻塔（見圖1）。溫熱水制備系統中廢水熱量的最大利用使過剩熱量用于黑液蒸發成為可能。相比冷卻塔，在表面冷凝器中冷卻傳輸的能量更多，因此，在蒸發裝置中需要大型的表面冷凝器。
1.3蒸發
參比漿廠和1號漿廠安裝了六效蒸發器，并在一效和二效蒸發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號漿廠的蒸發器與參比漿廠和1號漿廠的蒸發器有所不同（見圖3）。在2號和3號漿廠中，黑液以107℃而非85℃送入蒸發器中。在3號漿廠，排出氣體的冷凝器所產生的蒸汽被用于蒸發。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臺蒸發器。
2、沉析木素工藝
目前還沒有大量沉析木素的工業方法。因此，在生態循環漿廠研究項目中，沉析木素工藝的模型都來源于已有的小規模沉析木素工廠的相關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果。
在設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鼓式壓濾機洗滌，洗滌后的濾液再送回蒸發車間的稀黑液槽。洗滌用水需經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。
根據調查結果，可以推斷出洗滌增加了蒸發的需求量，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保持為80%。
運用查爾穆斯大學熱電技術研發團隊所開發的模擬工具以及工業上已有的運算工具，計算了這些樣本漿廠中所使用的剩余熱量以及蒸發車間所需的蒸汽用量和蒸發面積。同時，可以運用AF IPK AB開發的模擬工具計算出漿廠的電力產量。
3、沉析木素對系統的影響
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量都將受到影響（見表2）。漿廠的生物質燃料用于出售而不是用來進行冷凝式發電，顯然漿廠的電產量會下降。進行大規模沉析木素的漿廠（如3號漿廠）甚至會造成電力不足。
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車間的蒸汽用量。然而，由于沉析木素減少了吹灰裝置和預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過程中蒸汽的用量，由于剩余熱量用于蒸發，使蒸發過程的蒸汽用量會下降，因此，3號漿廠的潛力最大。
3.2蒸發車間
蒸發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。蒸發量增大會導致新鮮蒸汽量增加。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，蒸發車間的總蒸發面積會下降。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掉的水量；另一原因是黑液的蒸發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，洗滌水也隨之蒸發。
在計算如表3所示的蒸發面積時，假定沉析木素時，黑液的黏度和沸點恒定。有關沉析木素過程對黑液性能影響的可用數據很少。然而，根據Wennberg的測定結果，隨著黑液中木素含量的減少，黑液的黏度會下降，尤其是黑液經過再堿性化處理后，其黏度最多可下降50%，這也會提高蒸發車間的熱傳遞系數，從而減少設備的蒸發面積。低黏度也能使黑液蒸發到更高的濃度。Wennberg的測定結果還可知，當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%，相對應的沉析木素產量分別為0.19t/t和0.26t/t（風干漿）。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。根據這些計算結果，當木素去除量為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，假定送往蒸發車間的黑液無須堿性化處理。但是，堿含量低會導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到正常水平。堿性化的一個重要結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保型漿廠，對石灰窯規模的調整只會造成投資成本遞增。在現有的漿廠中，通過加大石灰窯的負荷來應對堿性化及后續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
漿廠設備的投資成本是根據現有車間的實際投資費用，大多數設備的使用指數為0.55～0.6。根據小型的、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。對于蒸發車間，采取長期投資成本模式來考慮蒸發器的尺寸及數量。在生態循環漿廠研究項目中，采用年金現值系數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車間的投資成本。當使用過剩熱量來蒸發時，因蒸發裝置蒸發面積的擴大以及在溫熱水制備系統中一些必要的改造，例如安裝蒸汽轉化裝置，這些都將增加投資成本，冷卻系統費用也會有所不同。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中的結果能夠得出以下結論：當使用過剩熱量進行蒸發時，總投資成本會增加：相反，當采用沉析木素時，總投資成本會下降。
4.2生產成本及總成本
供出售的電力及木素的生產成本和利潤取決于電力、木素以及CO，的設定價格。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，從經濟的角度出發，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，人們關注的是木素以什么價格出售才能彌補因實施沉析木素工藝所帶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，木素售價應分別高于12美元/MWh和15—16美元/MWh，這樣才能認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，如果黑液需要經過堿性化處理，木素售價就應高于13～14美元/MWh。
圖5中描述的是不包括年金系數影響下的情況。參比漿廠與1號、2號漿廠之間在總投資上的差異比生產成本的差異小。改變年金系數對總成本的差異變化影響甚小。
5、結論
如果參比漿廠的黑液中有37%的木素被沉析，則漿廠產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，是使得動力乎衡發生改變，在某些情況下，甚至會導致漿廠的電力不足。此外，還會導致蒸發所需的新鮮蒸汽量將增加以及堿回收鍋爐負荷的降低。總之，從能量的角度考慮，沉析木素工藝是合理可行的。
還有一些技術條件對結果也有影響，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。
在特定的經濟條件下，如果木素的價格大約為12美元/MWh時，應用沉析木素工藝的漿廠與參比漿廠的總成本相當。就目前生物質燃料的價格而言，只有木素的售價高于樹皮的售價時，沉析木素工藝從經濟上才具有吸引力。
木素的售價會隨著經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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