Целлюлозно-бумажная промышленность является энергоемкой отраслью. Эффективное использование энергии представляет собой один из наиболее контролируемых факторов затрат на производстве. Выявление и внедрение энергосберегающих стратегий позволяет одновременно достигать корпоративных целей в области устойчивого развития и снижать общие операционные расходы.

Предприятия часто отмечают сопутствующее улучшение качества продукции за счёт снижения колебаний технологических параметров, а также повышение надёжности оборудования при его правильном подборе по мощности.

Затраты на энергию составляют от 10 до 40 % от общей себестоимости производства. На рисунках 1 и 2 показано, как обычно распределяется потребление энергии.

Рисунок 1. Общее энергопотребление по видам использования на целлюлозном заводе

Рисунок 2. Общее энергопотребление по видам использования на бумажной фабрике

Мифы, связанные с энергопотреблением, и менталитет «мы всегда делали так» являются значительными ограничениями на многих предприятиях. Эти убеждения зачастую противоречат законам физики.

Ресурс для бумажных комбинатов

Чтобы помочь предприятиям достигать целей в области энергопотребления, программа Focus on Energy — инициатива коммунальных служб штата Висконсин по повышению энергоэффективности и использованию возобновляемых источников энергии — разработала Справочник по наилучшим энергетическим практикам для целлюлозно-бумажной промышленности (Pulp & Paper Industry Energy Best Practices Guide). Цель — содействовать устойчивому развитию бумажных производств и предотвратить закрытие предприятий. Многие проекты по снижению энергопотребления можно реализовать без капитальных вложений.

Некоторые бумажные компании уже успешно используют рекомендации из Справочника. Например, International Paper сосредоточилась на рекуперации избыточного тепла, генерируемого на целлюлозных заводах и в энергосистемах, с последующим его использованием на бумагоделательных машинах и в других зонах комбината. Graphic Packaging снизила энергопотребление на всех своих предприятиях на 25 % за пять лет, опираясь на рекомендации из Справочника. В реализации этих проектов им помогала компания CleanTech Partners, а также корпоративный энергетический менеджер, который координировал внедрение инициатив.

Многие наилучшие практики, изложенные в Справочнике, были использованы при проектировании новых бумажных заводов.

Проблема измерений

Ограничения в точности измерений и управления процессами являются значительным препятствием для сокращения энергопотребления на многих заводах. Энергетические аудиты показали, что на некоторых предприятиях показания приборов могут отличаться от фактических значений до 100 %. Клапаны иногда неверно указывают своё положение — открыты они или закрыты.

Справочник отражает свыше 250 лет совокупного опыта авторов в целлюлозно-бумажной промышленности (включая автора статьи) и содержит рекомендации, собранные по результатам энергетических оценок более чем 300 заводов и нескольких бумажных компаний. Также в нём приведены советы экспертов и поставщиков оборудования.

Авторы оценивают, что при формировании устойчивой культуры энергоэффективности целлюлозно-бумажные предприятия США могут ежегодно снижать энергопотребление на 3–5 %. По одной из оценок, следование рекомендациям из Справочника может позволить сэкономить до 1 млрд долларов США в год. Постоянное повышение энергоэффективности будет способствовать значительному улучшению как экономических, так и экологических показателей отрасли.

Тем не менее, теплообменники и другое оборудование не могут функционировать без точных измерений потока. В Руководстве приводится пример машины для производства тарного картона, где операторы полагали, что температура оборотной воды составляет 150 °F (около 66 °C), но на самом деле она была 130 °F (около 54 °C) из-за ошибки калибровки.

Портативные расходомеры успешно используются для проверки как измеряемых, так и неизмеряемых технологических потоков. Один интегрированный целлюлозно-бумажный комбинат, сосредоточившийся на модернизации контрольно-измерительных приборов и систем управления процессами, сократил годовое потребление энергии на 3 миллиона долларов США (на 15 %).

Вода, пар и конденсат

Проектирование и эксплуатация пароконденсатной системы, а также снижение водопотребления на бумагоделательных машинах (БДМ) — это ключевые возможности для снижения энергозатрат. Моделирование этих процессов оказалось ценным инструментом для оптимизации энергопотребления.

Даже некоторые новые БДМ оснащаются неэффективными пароконденсатными системами. Один из примеров: паровые соединения и сифоны от оригинальных производителей оборудования (OEM), поставляемые строителями машин, часто создают чрезмерный прорыв пара и не обеспечивают надежной работы.

В документе TAPPI TIP 0404-63 приведена рекомендация: 85 % пара, подаваемого на БДМ, должно возвращаться в котельную установку в виде конденсата. Однако в ходе замеров уровень возврата в ряде случаев оказался ниже 70 %. Конденсат — это своего рода «золото», его годовая стоимость может составлять около 3000 долларов США за каждый галлон в минуту (gpm). На многих бумажных машинах возникают следующие проблемы:

• Утечки пара

• Неправильное давление на подаче/отводе

• Отсутствие или неправильный размер диафрагм, установленных со стационарными сифонами

• Повышенные потоки в конденсаторы

• Неправильный подбор и эксплуатация термокомпрессоров

• Проблемы с сифонами и паровыми соединениями

• Обслуживание насосов для откачки конденсата

• Отсутствие регулярной проверки паровых ловушек, особенно тех, которые регулярно выходят из строя

• Удары пара/воды, разрушающие теплообменники

Компании Inveno Engineering и Министерство энергетики США опубликовали материалы по наилучшим практикам работы с паром, на которые ссылается руководство, и которые доступны в интернете.

Водопотребление на тонну продукции исторически было высоким на БДМ. Большинство фабрик строилось возле рек, когда вода была дешевой. Целлюлозные заводы производят избыток тепла, и многие интегрированные комбинаты используют это тепло для нагрева воды для БДМ и других целей. Однако для некоторых видов бумаги требования к химии мокрой части ограничивают минимально допустимое водопотребление. Руководство выделяет ключевые факторы снижения водопотребления:

• Использование для спрысков осветлённой оборотной воды

• Хорошее состояние установки save all (улавливатель волокон)

• Дополнительное фильтрационное оборудование для воды спрыска

• Использование избыточной оборотной воды для контроля концентрации массы и разбавления в гидроразбивателях

• Контроль и регулирование воды уплотнения вакуумных насосов/установка вакуумных воздуходувок

• Снижение потока воды уплотнения к насосам, вальцам и другому вращающемуся оборудованию

• Отключение воды уплотнения на неработающем оборудовании (например, на гидроразбивателях)

Явные возможности

Руководство содержит множество других возможностей для снижения энергопотребления бумагоделательных машин.

Оптимизация рафинеров: Использование шлицевых роторов для дисковых рафинеров позволяет снизить мощность холостого хода на 10–12 %. Бумажные фабрики Висконсина провели больше всего переоборудований на шлицевые роторы благодаря стимулам, предлагаемым программой Focus on Energy. Несколько фабрик перешли на низкоинтенсивные рафинеры при переработке лиственной целлюлозы и вторичного волокна. На одной из бумагомашин установка такого оборудования позволила отключить один из рафинеров и сэкономить около 100 000 долларов США в год на электроэнергии. На некоторых машинах это позволило отказаться от использования ферментов.

Снижение температуры оборотной воды: Одна бумагоделательная машина снизила температуру оборотной воды с 124°F до 115°F (с 51°C до 46°C), что позволило сэкономить более 2 миллионов долларов США в год без ухудшения производительности. Наиболее энергоэффективная температура оборотной воды зависит от других параметров, ограничивающих производительность.

Оптимизация работы вакуумной системы

Руководство подробно описывает множество советов по улучшению работы вакуумной системы, включая:

• Удаление (а не восстановление) старых неэффективных конструкций вакуумных насосов;

• Мониторинг подачи воды на уплотнение;

• Повторное использование уплотнительной воды вакуумных насосов;

• Регулярную проверку и восстановление вакуумных насосов до 80 % от проектной производительности;

• Остановку вакуумных насосов и вакуумных систем в нерабочее время;

• Замену жидкостных вакуумных насосов на вакуумные воздуходувки, исключив тем самым потребность в воде на уплотнение и реализовав возможность рекуперации тепла.

Оптимизация обезвоживания в прессовой части: Эффективное обезвоживание в прессовой части критически важно для повышения энергоэффективности. Использование пара при сушке снижается на 3–5 % на каждый процент повышения сухости после прессовой части. Самый высокий уровень сухости на выходе прессовой части составляет около 56 %. Руководство включает несколько изменений, которые позволяют улучшить обезвоживание.

Снижение температуры приточного воздуха вентиляции карманов: Некоторые операторы считают, что более высокая температура воздуха повышает скорость сушки. Руководство сообщает, что на нескольких бумагоделательных машинах удалось снизить температуру PV (приточной вентиляции) ниже 150°F (65°C) без ухудшения производительности, одновременно снизив нагрузку на подачу нагретого воздуха. При этом требуется, чтобы головка капота машины работала при более низкой температуре воздуха.

Установка частотно-регулируемых приводов (ЧРП): На многих фабриках установлены частотно-регулируемые приводы в различных применениях. Общее правило: установка ЧРП на 50 % от нормальной скорости вращения позволяет снизить энергопотребление по сравнению с обычными приводами.

Установка энергоэффективных агитаторов и роторов в напорных ящиках и гидроразбивателях: Почти все агитаторы, установленные до 1990 года, представляют собой гребные конструкции; с тех пор было разработано множество энергоэффективных конструкций. Современные агитаторы и роторы снизили потребление энергии на 20–25 %.

Снижение потерь рабочего времени (PM lost time): Некоторые фабрики смогли снизить потери времени за счет повышения качества технического обслуживания, мониторинга оборудования, планирования технических работ и их выполнения. Согласно рекомендации TAPPI, неплановые простои не должны превышать 1 %; самое низкое зарегистрированное значение составило 0,4 %. Запуски и остановки машин увеличивают потребление энергии.

Возможности слишком велики, чтобы их игнорировать. Руководство может помочь вам улучшить управление энергопотреблением. Энергозатраты можно контролировать за счет внедрения методов и рекомендаций, содержащихся в Energy Guide (на английском языке)