Анализ энергоемкости производства сульфатной целлюлозы методом полного энергетического анализа

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

При таких условиях делигнификации углеводный комплекс разрушается незначительно, что подтверждается данными, представленными в табл. 2.

Для оценки возможности дальнейшего использования полученной целлюлозы орга-носольвентным способом определены физико-механические показатели. Результаты физико-механических испытаний полученного волокнистого полуфабриката представлены в табл. 3.

Из представленных в табл. 2, 3 данных видно, что предлагаемая технология окисли-тельно-органосольвентного способа варки позволяет получить целлюлозу, соответствующую по ряду показателей требованиям ГОСТ 14940 (Целлюлоза сульфатная беленая из лиственной древесины). Невысокий показатель сопротивления раздиранию является следствием пониженной прочности индивидуальных волокон в целлюлозной структуре соломы риса и овса. Высокие поверхностная и капиллярная впитываемость и набухание целлюлозы из соломы риса позволяют рас-

сматривать ее как перспективное сырье для использования в композиции бумаги-основы для санитарно-бытового и гигиенического назначения. Относительно высокие показатели разрушающего усилия, разрывной длины и относительного сопротивления продавли-ванию отливок целлюлозы из соломы овса являются предпосылками для изготовления из целлюлозы рисовальной обычной, писчей цветной и других видов бумаг.

Библиографический список

1. Вураско, А.В. Комплексная технология получения целлюлозных материалов из недревесного растительного сырья / А.В. Вураско, Б.Н. Дрикер, А.Р. Галимова и др. // IX международная научнотехническая конференция PAP-FOR «Актуальные проблемы и перспективы развития российской целлюлозно-бумажной промышленности». - Санкт-Петербург, 2006. - С.13-14.

2. Пат. 2179209 Российская Федерация. Способ де-лигнификации и отбелки целлюлозных материалов МПК D21C9/16 / Мозырева Е.А.; заявитель УГЛТУ; патентообладатель Мозырева Е.А., Дрикер Б.Н., Киреева С.А.№ 2001110266/12; заявл. 16.04. 01; опубл. 10.02.02, Бюл. № 4. - 4 с.

АНАЛИЗ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ПРОИЗВОДСТВА СУЛЬФАТНОЙ

целлюлозы методом полного энергетического анализа

B. Г ЛИСИЕНКО, проф. каф. автоматики иуправл. в технич. системах УГЛТУ, д-р. техн. наук, Т.С. КИРИЛЛОВА, асп. каф. автоматики и управления в технич. системах УГЛТУ,

C. П. САННИКОВ, доц. каф. автоматизации произв. процессов, канд. техн. наук,

А.Я. АГЕЕВ, проф. каф. химии древесины и технологии ц/б произ-ва УГЛТУ, д-р. техн. наук

Целлюлозно-бумажная промышленность - отрасль лесопромышленного комплекса, отличающаяся значительным потреблением энергетических и сырьевых ресурсов, что обуславливает актуальность проблем энергосбережения в данной области. При решении задач энергосбережения важно определиться с теоретической основой, позволяющей на должном уровне своевременно решать возникающие практические задачи.

Целлюлоза является неотъемлемым сырьем для производства различных видов бумажной и картонной продукции, а ее энергоемкость в значительной степени определяет энергоемкость соответствующих видов продукции.

В основном методики оценки расходов ресурсов базируются на сравнении фактических и нормативных затрат по отдельным агрегатам и участкам производственного процесса либо на составлении балансов, потребляемых ресурсов (тепловой баланс, топливный баланс и пр.) [1]. Такие методы, как правило, не позволяют оценить в полной мере возможности энергосбережения, т.к. для объективной оценки энергосбережения в целом на предприятии недостаточно анализировать расходы энергоресурсов в отдельно взятом технологическом процессе или по отдельным энергоносителям. Наиболее точную оценку эффективности внедрения энергосберегающих мероприятий дает показатель, учи-

144

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2007

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

тывающий все особенности производства на протяжении всей технологической цепочки, начиная со стадии добычи и обработки первичного сырья и заканчивая стадией упаковки и транспортировки готового продукта.

С целью создания такого показателя энергоемкости была разработана методика полного энергетического анализа (ПЭА), использованная в данной работе для количественной оценки энергоемкости сульфатной целлюлозы. В основу методики ПЭА положен расчет технологических топливных чисел (ТТЧ) производства продукции, которые отражают объективные энергетические затраты технологического процесса на производство единицы продукции и являются показателями полной энергоемкости готовой продукции.

Технологическое топливное число -это суммарные затраты всех видов энергии в данном и во всех предшествующих переделах технологического процесса, пересчитанные на необходимое для их получения первичное топливо за вычетом ТТЧ параллельно полученных продуктов и первичного топлива, сэкономленного при использовании произведенных вторичных ресурсов, единицы измерения ТТЧ - кг условного топлива (кг у.т.) на единицу продукции [2].

Для расчета ТТЧ использовалась структурированная методика, в ходе которой все затраченные ресурсы подразделяются на четыре вида энергии:

- первичная энергия Э1 (химическая энергия ископаемого первичного топлива с учетом затрат на его добычу, подготовку или обогащение, на транспортировку и т.п.);

- производная энергия Э2 (энергия производных энергоносителей - электроэнергия, пар, сжатый воздух, кислород и т.п.);

- скрытая энергия Э3 (энергия, израсходованная в предшествующих технологиях и учитывающаяся в скрытом виде (исходных материалах, оборудовании, капитальных сооружениях) на данном технологическом этапе производства с учетом соответствующих расходных коэффициентов);

- энергия вторичных ресурсов (ВЭР) Э4 (энергия, которая складывается из фактически сэкономленных энергозатрат при использовании в данном или других производс-

твах тепловых, топливных, материальных и других ресурсов).

Согласно определению, ТТЧ находится как сумма всех видов энергий, используемых на данном этапе производства, и выражается

ТТЧ = Э1 + Э2 + Э3 - Э4 .

Применение методики ПЭА при расчете энергоемкости производства сульфатной целлюлозы позволило выявить ряд особенностей данного технологического процесса, среди которых можно выделить:

- использование в качестве основного вида сырья древесины (щепы), которая является возобновляемым ресурсом, порой требующим человеческого вмешательства в процесс возобновления (эта особенность древесины рассмотрена в литературе [3], но в данном анализе не учитывалась);

- значительные резервы использования вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), которые включают: полезное использование тепловой энергии, получаемой при сжигании отработанного щелока; химикаты, восстановленные в процессе регенерации и повторно используемые в основном технологическом процессе (производство целлюлозы).

При оценке энергоемкости производства целлюлозы методом расчета технологических топливных чисел (ТТЧ) продукции во внимание принимались расходы топливных, сырьевых, материальных и энергетических ресурсов на единицу продукции.

Все ресурсы, потребляемые при производстве целлюлозы, согласно методике сквозного энергетического анализа подразделялись на следующие формы энергии:

- производная энергия Э2 (пар, электроэнергия, вода техническая);

- скрытая энергия Э3 (древесное сырье, каустическая сода №ОН, сульфид натрия Na2S, сульфат натрия Na2SO4, негашеная известь);

- энергия вторичных ресурсов Э4 (пар, электроэнергия, регенерированная известь).

Энергоемкость готового продукта (целлюлозы) рассчитывалась как сумма произведений ТТЧ соответствующего энергоносителя на расход этого энергоносителя [2] при производстве единицы продукции.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2007

145

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Таблица 1

Энергоемкости химикатов

Химикат Ед. изм. Способ получения Энергоемкость, кг у.т./ед. изм.

Каустическая сода т диафрагменный метод 1188,53

Каустическая сода т ртутный метод 990,77

Сульфат натрия т выпарка растворов 192,16

Сульфат натрия т ретурная сушка мирабилита 312,71

Сульфат натрия т безретурная сушка мирабилита 310,17

Сульфат натрия т высаливание мирабилита 514,74

Сульфид натрия т восстановление сульфата 1505,00

Соляная кислота (27,5 %-ая) т сульфатный способ 549,13

Соляная кислота (31 %-ая) т синтез из элементов 627,75

Аммиак т синтез из природного газа 2214,60

Кальцинированная сода т аммиачный метод 1016,55

Хлор т диафрагменный метод 1188,53

Хлор т ртутный метод 990,77

Диоксид хлора т метод Дея-Кестинга 25796,37

Диоксид хлора т ЛТИ ЦБП 6783,95

В процессе расчета энергоемкости небеленой целлюлозы с учетом полезного использования вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) из суммы затрат всех энергоносителей вычитались энергоресурсы восстановленные или получаемые как побочный продукт в технологическом процессе производства основного продукта.

Для расчета энергоемкости целлюлозы сделан ряд промежуточных расчетов, в результате которых вычислены энергоемкости основных химикатов и древесного сырья. ТТЧ древесного сырья рассчитано с учетом затрат, связанных с заготовкой древесины, доставкой ее на предприятие и измельчением в щепу (химическая энергия древесины при этом не учитывается). ТТЧ используемых химикатов рассчитано на основе литературных данных об удельных расходах соответствующих ресурсов на производство продукта (химиката) [4-6] и энергоемкости этих ресурсов. В табл. 1 приведены энергоемкости основных химикатов, используемых в технологическом процессе производства сульфатной целлюлозы. Из табл. 1 видно, насколько способ (технология) производства может влиять на величину энергоемкости получаемого продукта.

При расчете энергоемкости целлюлозы за удельные расходы принимались средние отраслевые значения расходов энергетичес-

ких и сырьевых ресурсов на единицу продукции (тонну целлюлозы по варке) [7].

Производство сульфатной целлюлозы рассматривалось в двух вариантах: производство целлюлозы, получаемой при первой варке (запуск производства), и производство целлюлозы, получаемой при последующих варках. Для расчета энергоемкости целлюлозы, получаемой при первой варке, весь технологический процесс условно был разделен на три операции: приготовление варочного раствора, производство целлюлозы (варка, промывка и сортировка) и регенерация химикатов (выпарка черного щелока, сжигание в СРКА и каустизация). При расчете энергоемкости последующих варок в расчет принимается технологический процесс, состоящий из двух операций: производство целлюлозы и регенерация химикатов.

Составление тепловых балансов варки целлюлозы и процесса регенерации показывает, что количества тепловой энергии, выделяемого при сжигании черного щелока в СРКА, в избытке достаточно для покрытия потребностей варочного цеха в тепловой и электрической энергии. Поэтому процесс регенерации в обоих вариантах рассчитан исходя из возврата в технологический процесс производства целлюлозы тепловой и электрической энергии в размере 90 % от затрат на варку соответствующего энергоресурса.

146

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2007

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ница Древесное сырье -^ТТЧ первой варки -^ТТЧ последующих варок

Рис. 1. График зависимости энергоемкости целлюлозы (выход 48 %) от вида древесного сырья

Выход целлюлозы по древесному сырью, % > ТТЧ перв. варки

ТТЧ послед. варок

—А— ТТЧ перв. варки

ТТЧ послед. варки

Рис. 2. График зависимости энергоемкости целлюлозы от выхода по древесному сырью

Оценка энергоемкости производства целлюлозы методом ПЭА и анализ полученных результатов позволяют сделать выводы.

Энергоемкость целлюлозы зависит от вида используемого древесного сырья. Так, например, энергоемкость целлюлозы с выходом по древесному сырью 48 % в зависимости от вида используемой древесины принимает следующие значения (рис.1). Отличия в величине энергоемкости (ТТЧ) производства целлюлозы обусловлены различным расходом химикатов на варку целлюлозы и процесс регенерации, расходом и энергоемкостью древесного сырья и расходом тепла на процесс регенерации.

Анализ расчетов энергоемкости целлюлозы, отличающейся выходом по древесному сырью (назначению целлюлозы), показывает закономерное уменьшение энергоемкости с увеличением выхода целлюлозы (рис. 2),

т.к. производство целлюлозы с меньшим выходом требует большего расхода химикатов на варку и более длительной обработки (что

соответственно увеличивает расход энергетических ресурсов на производство).

Способ варки также влияет на величину энергоемкости целлюлозы. На рис.2 видно, варка целлюлозы в котлах непрерывного действия позволяет получить целлюлозу меньшей энергоемкости по сравнению с целлюлозой, полученной в котлах периодического действия.

Анализ структуры ТТЧ производства целлюлозы позволяет сделать выводы об эффективности тех или иных мероприятий в области энергосбережения, что является одной из основных задач ПЭА. Так, из полученных результатов расчета энергоемкости целлюлозы из сосны с выходом по древесному сырью 45 % (табл. 2) видно, что основной вклад в энергоемкость целлюлозы вносят химикаты, используемые при получении варочного раствора и в процессе регенерации (64 %) и тепловая энергия (48 %), что дает возможность предварительной оценки эффективности мероприятий, связанных с энергосбережением того или иного ресурса.

Энергоемкость варочного раствора составляет 54 % от энергоемкости целлюлозы (первой варки), поэтому использование эффективных систем регенерации, позволяющих возвратить в технологический процесс не только основную (большую) часть используемых химикатов, но и получить при этом значительное количество тепловой энергии, значительно уменьшают энергоемкость целлюлозы последующих варок.

Подводя итог проделанной работы, можно судить о факторах, влияющих на величину энергоемкости производства целлюлозы, основные из которых представлены на рис. 3.

Исходя из представленной блок-схемы технологическое топливное число производства (показатель энергоемкости) сульфатной целлюлозы зависит от:

- энергоемкости сырьевых ресурсов, используемых в технологическом процессе (т.е. способа производства, материальных и энергетических затрат на производство того или иного ресурса);

- качества используемых сырьевых ресурсов;

- назначения целлюлозы (выход целлюлозы по древесному сырью);

ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 8/2007

147

ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Таблица 2

Структура технологического топливного числа

Форма э/з Статья расхода Ед. изм. ТТЧ, кг у.т. / ед. изм Удельный расход, ед. изм / т Энергозатраты, кг у.т. / т Доля от ТТЧ целлюлозы первой варки, %

Расчет энергоемкости производства варочного раствора

Э3 Каустическая сода т 1188,53 0,339 402,91 38,05

Сульфид натрия т 1505,00 0,110 165,55 15,63

Сумма Э3 568,46 53,68

ТТЧ варочного раствора (ТТЧВР) 568,46 53,68

Расчет энергоемкости производства целлюлозы

Э2 Тепловая энергия (пар) Гкал 188,00 1,350 253,80 23,97

Электроэнергия МВт-ч 422,00 0,150 63,30 5,98

Вода 1000 м3 105,00 0,069 7,25 0,68

Сумма Э2 324,35 30,63

Э3 Древесное сырье пл.м3 23,77 5,000 118,85 11,22

Сумма Э3 118,85 11,22

ТТЧ варки целлюлозы (ТТЧЦ) 443,20 41,85

Расчет энергоемкости процесса регенерации щелока

Э2 Тепловая энергия (пар) Гкал 188,00 1,390 261,32 24,68

Электроэнергия МВт-ч 422,00 0,070 29,54 2,79

Вода 1000 м3 105,00 0,037 3,89 0,37

Сумма Э2 294,75 27,83

Э3 Сульфат натрия т 310,17 0,095 29,47 2,78

Известь т 283,00 0,290 82,07 7,75

Сумма Э3 111,54 10,53

Э4 Тепловая энергия (пар) Гкал 188,00 -1,215 -228,42 -21,57

Электроэнергия МВт-ч 422,00 -0,135 -56,97 -5,38

Регенерированная известь т 283,00 -0,260 -73,58 -6,95

Сумма Э4 -358,97 -33,90

ТТЧ процесса регенерации (ТТЧР) 47,31 4,47

ТТЧ первой варки (ТТЧВ.Р.+ ТТЧЦ+ ТТЧР) 1058,97 100

ТТЧ последующих варок (ТТЧЦ+ ТТЧР) 490,51 46,32

Рис. 3. Блок-схема основных факторов, влияющих на ТТЧ производства целлюлозы

148

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2007