用于借助于真空系统和对固体含量的优化来降低造纸机的水和能量消耗的方法和设备及 ...的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于借助于真空系统和对纸幅固体含量的优化来降低造纸机的水和能量消耗的方法、设备及其应用。本发明的本质特征是在造纸机的网部分段（12）上借助于混合真空系统（1）而移除水，该混合真空系统以首先服务于需要较低真空度的真空场所且然后服务于需要较高真空度的那些真空场的方式，从而使得混合真空系统（1）以满足各自最大化能量效率的真空度下移除了造纸机不同分段分上的水。另外，网部分段（12）上的固体含量借助于无毯且平滑的按压辊（13）而得到优化，该按压辊设置在网部抽吸辊（3）上方。
【专利说明】用于借助于真空系统和对固体含量的优化来降低造纸机的水和能量消耗的方法和设备及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于借助于真空系统和对固体含量的优化来降低造纸机的水和能量消耗的方法。此外，本发明还涉及一种根据权利要求5的前序部分所述的设备以及根据权利要求10所述的混合真空系统的应用。
【背景技术】
[0002]如通常所知的那样，造纸过程是高耗能的。最大的能量消耗者可以基本上列为对原材料、潮湿端部处的泵单元以及干燥机分段自身的加热。
[0003]在加热用于造纸的原材料时，将纤维和填料(filler)从户外存储器带入到造纸厂。因此，必须将它们加热到40-50°C的处理温度。将原料与水混合，水的含量按照重量计是在所产生的生产配料中(与流浆箱相符的配料通常为0.3-1 %，最大2 %，其可转化为
99-300份水中的I份纤维和类似固体)的木纤维和填料材料含量的10-20倍。使这些容积的水在该过程中再循环，即使该过程并不具有闭合循环系统。生产每吨纸的水消耗量为大约10-20m3/t。通常在0-25°C下(这依赖于该年的季节)从湖泊/河流中获取必需的水量。今天，将处理温度升高到40-50°C，以改善脱水排放。因此，从造纸厂流到废水处理装置的排污水包含大量低价值的热能，对其进行同时回收是无利可图的或者是复杂的。
[0004]另外，造纸需要也必须进行加热的大量空气。许多造纸厂使用从该过程排放掉而在没有通过热回收进行利用的大量热空气。
[0005]上述大量的循环水需要大量的泵送动力，这是另一主要的能量消耗者。最后，该能量被转化为热量，从而提供过程所需的热能的主要部分。在网部分段和按压机分段上对纸幅进行干燥部分地借助于真空来实现。过程的这部分被称为过程真空系统。同样，真空系统是重要的能量消耗者，其典型地消耗造纸厂的全部动力的20%。
[0006]在通过网部分段和按压机分段之后，纸幅的固体含量通常处于40-50%范围内。纸幅的最终含水量为6-8%。在按压之后通过蒸发而干燥所述纸幅。水的蒸发是由从蒸汽获得的能量的高度密集消耗者。因此，纸幅的固体含量在干燥机分段上游被有益地最大化，以使蒸汽消耗最小化。
[0007]正如所说的，造纸机的重要部分是其真空系统。造纸机的真空系统可被分成两个基本装置:水环泵系统和涡轮鼓风机系统。
[0008]在图1中，图释了一种装备有水环泵的典型的造纸机。该附图也示出了造纸机的传统脱水设备，其将在下文中进行论述。该系统通常包括6-15pcs.泵，该泵服务于造纸机的需要处于不同的略低于大气压力程度下的真空的场所。在水环泵中，旋转泵充当压缩进入气体的活塞。等温地进行压缩，由此因压缩释放的热能主要被流过泵的密封水吸收。需要大量密封水，每次泵送100-400升/分，但是，如果通过冷却液体循环可防止水温升高的话，可再循环80-90%的密封水。然而，由此将丧失可从压缩循环回收的热能以及丧失还可从过程中释放的一部分热能回收的热能。由于用过的密封水包含纤维和杂质，其通常从造纸厂的水循环中流出。水环泵的总效率取决于真空度和泵旋转速度。高真空下的效率好于低真空下的效率。
[0009]可替代地，造纸机中的真空系统可通过通常被称为涡轮鼓风机的的离心鼓风机来实现。造纸机中的真空场所通常在超过60kPa的高真空下操作。由此，需要一个或两个多级鼓风机以达到最高真空度。串联布置的级数、或者叶轮数量典型地为4pcs。通常，在每个叶轮处布置有用于连接到较低真空场所的中间端口。通过改变旋转速度不能改变这种类型鼓风机的容量。仅仅可能的调节方式是通过节流空气流进行。按照能量效率，这种容量控制是不经济的。另外，该系统还具有用于中等真空场所的至少一个单级鼓风机。由于从鼓风机系统排出的空气是热的，其热能可通过换热器回收。
[0010]在图2中，图释了一种典型的涡轮鼓风机系统。涡轮鼓风机系统的泵送效率稍微好于水环泵的泵送效率。另一方面，当系统具有较少数量的鼓风机时，流到真空场所的流量必须通过节流阀进行控制，由此削弱了系统的总效率。其中所期望的最大优点是鼓风机没有旋转水环，也就是说，其根本不需要密封水。相反，由于多级鼓风机导致了系统成本存在显著问题，其购置和安装连同其辅助设备的较高价格增加了投资成本。
[0011]除了上面系统之外，造纸机的脱水设备是极其重要的元件。在网部分段上，最初通过重力、薄膜效应和离心作用而从纸幅移除水。由此，横过纸幅必须施加更大的压差，这是因为水的主要部分通过压缩从纸幅传送到脱水设备。典型地，在毯水位的下游布置有平抽吸箱，在抽吸箱中具有真空。抽吸辊通常布置在网部分段的端部处。在图3中示出了平抽吸箱和网部抽吸辊的传统结构和操作原理。
[0012]真空系统在平抽吸箱中和网部抽吸辊中产生真空。空气通过网部流入抽吸箱中，由此建立了压差。这种功能是非常耗能的。该压差导致抽吸箱与网部之间的摩擦，从而增加了网部驱动马达的能量消耗。水部分地随同空气流从纸幅移除，而且其还由于网部的厚度压缩(caliper compression)而从纸幅移除,尤其是用于具有大于80g/m2基重的较厚纸张等级。
[0013]网部抽吸辊具有钻入其中的孔，以用于将空气抽吸通过纸幅。流过的空气并没有延迟纸幅的行进，但是由于升高的真空度以及通过钻孔所抽吸的辅助空气而导致需要从真空泵获得更大的容量。水从纸幅通过网部而被收集到辊孔中，并且从该处被离心喷射到水收集盘，所述水收集盘设置在网部抽吸辊周围。在实践中，已经发现如果纸幅的速度超过200m/min的话，则没有水流过辊孔。另外的实践经历涉及盘的关键性辊，因为从辊喷射出的所有水必须被收集到盘中，水从盘处返回到造纸机的水循环中。因为由于表面作用力而使得水趋于粘附到辊表面和孔，水必须借助于不同的刮除(doctoring)装置而被分离开。
[0014]需要指出的是，虽然对于抽吸箱来说不需要新鲜水，但网部抽吸辊消耗大约
100-200升/分的水，以用作用于辊真空室的密封条的润滑剂。
[0015]在网部之后的典型固体含量是15-20%。优选地，使固体含量最大化，以使得之后论述的按压机分段和干燥机分段处的能量消耗最小化，同时实现了改善的机器运行性能。现有技术的首要总体规则是在网部分段下游纸幅1%的改变将导致按压机分段下游固体
0.25%的增加。
[0016]在所附的图4中，示出了 RSisiinen博士进行的关于真空度和停留时间对网部分段下游的固体含量的影响的研究结果。该图从研究计划Sustainable Paper (KestSvlPaperi)的1994年报中翻印而来。正如同样在实践中已经发现的那样，该图清楚地示出了优化的运行条件，也就是说，真空度必须朝着网部行进的后端增加。另一个重要的方面涉及可在给定压差下获得的最大固体含量。因为对于较高固体含量不能提供较长的停留时间，因而必须施加较高的真空度。因为大约70kPa的真空度是实践中的最大值，必须对网部分段下游的纸幅施加压缩，以达到其较高的固体含量。在网部分段的下游、在按压机分段上，这种功能借助于按压机来实现，所述按压机将水从纸幅移除到毯和/或抽吸辊孔和/或有槽辊的凹槽。在一些造纸机中，按压机和环带式毯可配置在抽吸辊上方。这种布置在网部分段下游典型地实现了大约24%的固体含量。
【发明内容】
[0017]正如之前所说明的那样，运行造纸机包括影响水和能量消耗的极其大量的因素。在现有技术的装置中，已经设定目标每次解决一个问题。现在，本发明试图通过分别检查全部不同因素然后将它们的效果结合到综合性能中来找到一种方案。该方法已经证明:在现有技术中，仍旧存在对造纸机各中性能进行改进的相当大的可能性。本发明的实质特征尤其在于依靠改进的真空系统和对纸幅固体含量的优化来降低水和能量消耗。因此，本发明提供了一种通过使网部分段和按压机分段下游的固体含量增加以及还通过降低研磨机中的原料水消耗而使得造纸机中的能量消耗降低。通过以全新且创新的方式应用传统设备以及增强造纸机的操作实践来实现这一目标。除了由此所导致的经济效益之外，本发明还相对于当前状况使得投资成本降低。
[0018]本发明的实质特征是权利要求中所限定的装置中的决定性因素。本发明在避免了妨碍现有技术问题的同时提供了多个显著的益处。
[0019]根据本发明的装置通过使用所谓的混合真空系统来实现，由此通过降低水和电消耗以及增加纸幅固体含量而使得在造纸机的前端部处在其网部分段上的造纸机能量消耗得到显著改善。一个显著的特征是本发明的目的是对能量消耗提供全面改善，而不是简单地尝试提高单个部件(诸如泵)的能量利用。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]更具体地，本发明的特征在于所附的权利要求中所公开的内容。接下来参照所附的附图来更详细地描述本发明，其中:
[0021]图1-3示出了现有技术构造的一些实施例；
[0022]图4示出了与真空度和停留时间相关的固体含量的变化；
[0023]图6示出了双层网部分段上的固体含量测量结果；以及
[0024]图5和7示出了根据本发明的一种装置的一些实施例。
【具体实施方式】
[0025]借助于涡轮鼓风机来实施的上述传统真空系统根本不消耗水。然而，该系统由于需要用来实现造纸机中所需的高真空度的多级鼓风机昂贵以及由于节流控制装置耗费能量而受到阻碍。在根据本发明的实施例中，构造所谓的混合真空系统1，所述真空系统主要通过性价比好的单级或两级鼓风机2来实现。鼓风机叶轮安装在马达轴上，该马达轴还通过改变旋转速度而便于控制可能的两级鼓风机的容量。在此的实质细节是所述鼓风机用于造纸机的仅仅那些可利用它们的突出能量效率的典型地在0-60kPa真空度下的真空场所，也就是说，除了需要较高真空的网部抽吸辊3和按压机抽吸辊13之外的所有其它真空场所。为了用于需要升高真空度的抽吸辊，使用用于产生高真空的水环泵4，该水环泵是非常好且能量高效的装置。在水环泵4与造纸机5之间不设置水分离器，因为在那里仅仅泵送密封条的干净的润滑水6。密封条润滑水行进到水环泵4，在其中其用作泵的密封水7。然而，该容积的水并不足以使泵4发挥功能，因为其流动还根据造纸机的运行条件而改变。因此，必须引入一定量的补充水8。因为泵4的功能假定了合适量的密封水，所以水的流量必须以下列方式进行控制:在泵的下游安装水分离器9，计量该脱水器的水容积。该计量用于控制要被传送到泵的补充水8的量，如所附的图5中所示。用于控制进入泵中的补充水的可替换的方法是测量泵4的温度，如果密封水量不够的话，则泵的温度开始升高。
[0026]因为没有过程水从网部抽吸辊3中排出，所以从水分离器9中出来的水是干净的。水的温度在泵中已经升高，由此水可流到过程中或者用作必须暖的干净淋浴水。因此，工厂中的水消耗得以降低，并且其热能得到回收。可通过速度受控的涡轮鼓风机10而服务于造纸机的其它真空场所，该涡轮鼓风机10具有单级或者最多两级的结构。速度控制是最为能量高效的控制方法，其降低了造纸厂的操作成本。结果是尤其能量高效的混合系统在水消耗方面提供显著节约。通过这种混合真空系统，耗电量典型地减小大约30%。
[0027]涡轮鼓风机10的成本通过叶轮的数量(即，鼓风级数或者档数)以及其基础设施和辅助设备成本来决定。关于投资成本，混合真空系统与现有技术的系统相比显然更加有利可图。投资成本比图2中所图释的系统的投资成本低大约20-40%。
[0028]能量效率可通过使从涡轮鼓风机10出来的热排放气经由换热器11流到环境中而得到增强。在所附的图5中，图示了混合真空系统I的流动图。所回收的热能是电输入的50-60%。所回收的热量用于预热造纸厂的进入空气或者新鲜流入水。
[0029]在所附的图6中，示出了网部分段上固体含量的最大结果。在实际的试验中已经进行测量，该实际试验是在装备有根据本发明的另一能量利用增强设计方案的造纸机上进行。图6中所绘制的固体含量测量可在两层网部分段上进行，该两层网部分段具有16pcs的(在下网部上)脱水元件。在该图表中，图示了网部分段12上的固体含量测量值和除水测量值。在网部分段12的端部处，在网部抽吸辊3的下游获得了 30%的固体含量。对于该端部实质上必须的是，固体含量应该是网部抽吸辊3下游的大约10%。
[0030]该过程作用可追溯到将无毯(unfelted)运行的网部按压机18布置在网部抽吸辊3上方的构造。再增湿是一种所知晓的妨碍有毯按压机操作的普遍现象。当按压机夹打开时，水从毯回流回到纸幅。这种再增湿越强，则纸幅越湿。因此，带毯网部按压机无法实现与具有平滑无毯辊18的按压机一样高的固体含量。在图5中所图释的构造中，辊进一步安装在网部抽吸辊的真空室14的端部部分处。借助于水环泵4，该辊内部空间被保持在大约70-75kPa的最大真空度下。网部按压机罩住了网部抽吸辊3的一部分，从而减小流经纸幅抵达抽吸辊的水。然而，这些布置单独地不足以获得期望的固体含量。这需要更加高效的除水。实际上，当水从纸幅或者网部传送到抽吸辊孔15时，所夹带的空气将水作为薄膜置于孔边缘上。然后，水不能够适当地从辊离心地排出去，而是在辊周围形成“雾”。确实，当存在充分量的水时，网部按压机迫使水作为水塞16而进入辊孔15中，该水塞易于离心地离开棍。
[0031]在图7中，图示了除水以及水膜和水塞16的原理。对于形成水塞来说最有利的前提是辊孔15具有没有斜边缘的直壁。当辊3的开口表面区域已知时，可估计最小的水量。在实际装置中，网部抽吸辊的水收集盘的排放管设置有流量计。通过实际试验，为流量确定了一设定值。借助于水流量的该设定值，可控制辊之前的平抽吸箱17的真空度，以使要被移除的期望量的水在网部抽吸辊3处经过。如此，无需对抽吸箱的真空度进行不必要的升高，由此在真空泵以及网部驱动马达的能量消耗方面实现了节约。这种操作完全不同于现今现有技术中所用的操作，在现有技术中，其目的是在每个除水元件处使固体含量的增加最大化。在图5中图释了网部抽吸辊3和平抽吸箱的控制方案。
[0032]作为该构思的附加证明，下表证明了根据本发明的布置如何实现了按压机下游的固体含量较高以及由此降低了干燥机分段上的蒸汽消耗。
[0033]如下面所列出的，三夹式按压机中的按压机分段上的除水百分比的典型分布如下划分:第一按压20%，第二按压50%，以及第三按压30%。在表格中，还估计了对于两种情况的固体含量的增加，其中在网部下游，固体含量分别是20%和30% (假定网部下游每增加1%导致按压机下游增加0.25%。
[0034]下面列出从图5中所图释的造纸机获得的结果:
[0035]
【权利要求】
1.一种用于借助于真空系统和对固体含量的优化来降低造纸机的水和能量消耗的方法，其特征在于，在该方法中，在造纸机的网部分段(12)上，借助于混合真空系统(I)而移除水，所述混合真空系统以下述方式首先用于需要较低真空度的真空场所然后用于需要较高真空度的那些真空场所，所述方式为使得混合真空系统在造纸机不同分段上以发挥各自最大化能量效率的真空度移除水，并且网部分段(12)上的固体含量借助于无毯且平滑的按压辊(13)而得到优化，所述按压辊设置在网部抽吸辊(3)上方。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该方法中，在造纸机的网部分段上借助于混合真空系统移除水，从而使得单级或两级鼓风机(2)用于以它们最优能量效率而服务于需要较低真空度的真空场所，以及借助于水环泵(4)实现需要较高真空度的场所的除水，而由速度受控的涡轮鼓风机(10)服务于其他真空场所，并且同时，网部分段(12)上的固体含量通过将无毯的按压辊(13)安装在网部抽吸辊上方而得以优化，所述按压辊位于网部真空辊的真空室(14)的端部部分处。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在该方法中，单级或两级鼓风机(2)最有益地用于服务于需要较低真空度的真空场所，所述较低真空度典型地处于0-60kPa真空下，而较高真空度借助于水环泵(4)而被升高到大约70-75kPa的最大化程度，另外，网部按压迫使水进入网部抽吸辊(3)的孔(15)中，以在所述孔中形成水塞(16)，从而进一步提高固体含量。
4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，在该方法中，密封条润滑水用作水环泵的密封水，而所需要的补充水在位于水环泵下游的水分离器(9)处计量或者通过监控泵温度而计量，其中离开水分离器(9)的水返回到过程中或者用作干净的淋浴水，而且从涡轮鼓风机(10)出来的热废气经由换热器(11)流到环境中。
5.一种用于借助于真空系统和对网部分段上固体含量的优化来降低造纸机的水和能量消耗的设备，其特征在于，所述设备包括混合真空系统(I )，所述混合真空系统与位于网部抽吸辊(3)上方的无毯且平滑的按压辊(13)联合操作。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述混合真空系统(I)包括单级或两级鼓风机(2)、水环泵(4)、速度受控的涡轮鼓风机(10)和无毯的按压辊(13)，所述单级或两级鼓风机提供了它们的最优能量效率，同时服务于需要较低真空度的真空场所，所述水环泵(4 )服务于需要较高真空的场所，所述按压辊进一步安装在网部(12)的网部抽吸辊(3)上方，所述按压辊(13)位于所述网部真空辊的真空室(14)的端部部分处。
7.如权利要求5或6所述的设备，其特征在于，鼓风机(2)的叶轮安装在泵马达轴上，从而允许控制它们的旋转速度。
8.如权利要求5或6所述的设备，其特征在于，当在水环泵与造纸机之间没有设置水分离装置时，密封条润滑水用作水环泵(4)的密封水,而所需要的补充水(8)或者在位于水环泵下游的水分离器(9)处计量或者通过监测泵温度而计量，其中离开水分离器(9)的水返回到过程中或者用作干净的淋浴水，并且从涡轮鼓风机出来的热废气经由换热器(11)流到环境中。
9.如权利要求4或5所述的设备，其特征在于，所述速度受控的涡轮鼓风机为一级或两级鼓风机，并且从所述涡轮鼓风机出来的热废气经由换热器(11)流到环境中。
10.一种混合真空系统以优化的方式控制造纸机的网部分段上的固体含量的应用。
11.如权利要求10所述的应用，其特征在于，在造纸机的网部分段(12)上采用了混合真空系统(1)，借助于所述混合真空系统，利用真空系统单元以它们的最优能量效率，首先在需要较低真空的真空场所处移除水，接下来在需要较高真空的场所处移除水，与此同时，网部分段(12)上的固体含量借助于安装在网部抽吸辊(3)上方的无毯按压辊(13)而得到优化。
12.如权利要求10或11所述的应用，其特征在于，在造纸机的网部分段上采用了混合真空系统(1)，所述混合真空系统的单级或者两级鼓风机(2)用来以它们的最优能量效率来服务于需要较低真空度的真空场所，并且借助于水环泵(4)在需要较高真空的场所处移除水，而由速度受控的涡轮鼓风机(10)服务于其它真空场所，同时，网部分段(12)上的固体含量通过将无毯按压辊(13)安装在网部抽吸辊(3)上方而得到优化，所述按压辊位于网部真空辊的真空室(1 4)的端部部分处。
【文档编号】D21F1/48GK104024522SQ201280049930
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年10月5日 优先权日:2011年10月11日
【发明者】J·卡尔维宁, K·洛伊波 申请人:Run技术系统有限公司