趙樹(shù)雷 劉桂芳

(天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457)

帶式壓光過(guò)程熱量傳遞與能耗分析

趙樹(shù)雷 劉桂芳

(天津科技大學(xué)天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300457)

介紹了應(yīng)用數(shù)值控制體積模型法對(duì)帶式壓光過(guò)程熱量傳遞與能耗分析所得到的結(jié)果。對(duì)紙張厚度方向上的溫度梯度、達(dá)到軟化溫度的紙張面層厚度、雙面加熱對(duì)壓光操作后紙張物理性能的影響等進(jìn)行了分析。并由此對(duì)帶式壓光在紙幅中所產(chǎn)生的溫度梯度的有效性和可行的節(jié)能方法及其所能產(chǎn)生的效益進(jìn)行了初步探討。

造紙裝備;帶式壓光;溫度梯度;能耗分析

能源短缺是當(dāng)今社會(huì)面臨的一個(gè)巨大難題。造紙工業(yè)屬于能源密集型產(chǎn)業(yè)。在美國(guó)，造紙行業(yè)被認(rèn)為是能耗最高的三個(gè)行業(yè)之一［1］。而在德國(guó)，造紙工業(yè)是第五大能源密集型產(chǎn)業(yè)［2］。因此，優(yōu)化造紙過(guò)程中的能源利用對(duì)于解決紙廠能源短缺、提高經(jīng)濟(jì)效益都尤為重要。而要實(shí)現(xiàn)這一優(yōu)化造紙的目標(biāo)，首先就必須全面了解并認(rèn)真分析生產(chǎn)過(guò)程中的傳熱過(guò)程。

壓光是造紙過(guò)程中的一個(gè)重要工藝段。其主要目的是提高紙張的表面性能如平滑度和光澤度以及物理性能如厚度，以確保印刷等后續(xù)工藝的正常進(jìn)行。壓光是通過(guò)在厚度方向上施加壓力，使紙張表面和內(nèi)部纖維產(chǎn)生永久變形來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了節(jié)約原材料同時(shí)保持紙張?jiān)械膹?qiáng)度，紙張的松厚度必須保持盡可能的高。這就要求在壓光過(guò)程中要盡可能保持紙張的原有厚度。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，人們采用了各種全新的壓光概念。其中最具代表性的要屬溫度梯度 (TG)和濕度梯度 (MG)壓光概念［3-8］。這兩種概念已被成功開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于最先進(jìn)的壓光機(jī)中。TG壓光的實(shí)現(xiàn)就是在壓光操作時(shí)通過(guò)對(duì)相對(duì)較冷的紙張表面進(jìn)行短暫加熱，使得紙張厚度方向產(chǎn)生溫度梯度:面層溫度高而芯層溫度低。類似地，MG壓光就是在壓光操作時(shí)通過(guò)向紙張表面噴施水或水蒸氣，使得紙張厚度方向產(chǎn)生濕度梯度:面層濕度高而芯層濕度低。木質(zhì)素、纖維素和半纖維素在高溫和高水分含量下呈塑性［9-10］。因此，通過(guò)控制紙張表面溫度和濕度，可以使紙張表面和附近的纖維在壓力作用下選擇性地變形。相應(yīng)的壓光效果可以通過(guò)電子顯微鏡直接觀察到［11］。TG壓光和MG壓光可以使纖維變形僅限于紙張的表面，而內(nèi)部則保持不變。

為了更好地了解這一過(guò)程中的傳熱機(jī)理，進(jìn)而達(dá)到降低能耗的目的，必須明確紙幅散熱及溫度梯度的形成機(jī)理。過(guò)去幾十年來(lái)，為了深入了解壓光中的傳熱過(guò)程，人們做了大量的研究工作［12-20］。對(duì)于這類傳熱問(wèn)題傳統(tǒng)處理方式都是以紙張的熱物理性能恒定為前題。根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律，紙張中傳導(dǎo)的熱量可以用方程 (1)表示。

借助適當(dāng)?shù)某跏己瓦吔缰担汕蠼夥匠?。然而作為一種具有吸濕性的多孔狀物質(zhì)，紙張主要由纖維和填料組成。盡管纖維是隨機(jī)分布到紙張中的，但絕大多數(shù)紙機(jī)生產(chǎn)的紙張，纖維仍主要沿紙機(jī)運(yùn)行方向排列。此外，由于纖維具有吸濕性，紙張會(huì)和周圍的空氣交換水分。在紙張內(nèi)部，水分也會(huì)通過(guò)孔隙或是沿著纖維骨架從一處遷移到另一處。因此，在很大程度上取決于紙張結(jié)構(gòu)和成分的熱物理性能，也具有極強(qiáng)的各向異性，而且會(huì)隨著位置的變化而變化。

鑒于此，認(rèn)為紙張?jiān)趬汗膺^(guò)程中的熱物理性能為常數(shù)的想法并不正確，尤其是當(dāng)壓區(qū)較長(zhǎng)時(shí)。此外，紙張的厚度也在進(jìn)出壓區(qū)前后有所改變。一般認(rèn)為，在硬壓區(qū)的中間，紙張的厚度可能只有其原始厚度的二分之一。此外，由于壓光輥和紙張表面之間存在熱阻，因此當(dāng)紙張與加熱輥接觸時(shí)紙張表面溫度不會(huì)立即達(dá)到加熱輥表面的溫度，并且由于紙張相對(duì)較冷，熱輥的表面溫度反而會(huì)降低。

為了解決這一問(wèn)題，筆者開(kāi)發(fā)出了一種行之有效的數(shù)值控制體積模型法。該方法在此前的一篇文章［21］中已較為詳細(xì)地作了介紹。這里將應(yīng)用這一方法對(duì)帶式壓光機(jī)內(nèi)的熱量傳遞過(guò)程及其能量消耗情況進(jìn)行分析，并基于分析結(jié)果對(duì)這一過(guò)程可行的節(jié)能方案作扼要的探討。

1 帶式壓光過(guò)程及其原理

壓光操作就是讓紙張通過(guò)由至少兩個(gè)嚙合旋轉(zhuǎn)的輥?zhàn)铀纬傻膲簠^(qū)，使紙張厚度方向受到壓縮產(chǎn)生變形，從而達(dá)到紙張表面平滑、具有光澤的效果。為了盡可能保持紙張的原有厚度，必須設(shè)法讓紙張厚度方向上的變形只發(fā)生于紙張表面，因此產(chǎn)生了前文所述的TG和MG壓光技術(shù)。本文將重點(diǎn)討論TG壓光技術(shù)。當(dāng)然，由于紙張有吸濕性的特點(diǎn)，當(dāng)紙張內(nèi)部存在溫度梯度時(shí)，就會(huì)伴隨產(chǎn)生濕度梯度。但本文對(duì)此現(xiàn)象將不作討論。

一方面，要想在紙張厚度方向產(chǎn)生有效的溫度梯度，就必須讓相對(duì)較冷的紙張與加熱輥有足夠長(zhǎng)的接觸時(shí)間。另一方面，隨著造紙機(jī)車速的不斷提高，壓光機(jī)的車速也在不斷提高，尤其是對(duì)在線壓光機(jī)而言，它的速度必須與紙機(jī)車速保持一致，這就意味著在其他條件相同的情況下，紙張?jiān)趬簠^(qū)內(nèi)駐留的時(shí)間被大大縮短了。為了解決這一問(wèn)題，就必須延長(zhǎng)壓區(qū)的長(zhǎng)度。基于此，靴式壓光、帶式壓光相繼問(wèn)世。靴式壓光因受輥的直徑、靴的長(zhǎng)度以及靴套材料的限制，其壓區(qū)通常不超過(guò)400 mm，而常用的僅200 mm左右。相比之下，帶式壓光機(jī)的壓區(qū)要長(zhǎng)得多，可長(zhǎng)達(dá)1000 mm以上。

帶式壓光機(jī)由1個(gè)可加熱的大壓輥 (加熱輥)，1條將紙幅包覆于壓輥上的金屬帶，3個(gè)用以引導(dǎo)和加熱金屬帶的導(dǎo)輥，以及將金屬帶壓緊于大壓輥以達(dá)到紙幅壓光目的的小壓輥 (撓度補(bǔ)償輥)組成。紙幅進(jìn)入金屬帶與大壓輥形成的包覆區(qū)內(nèi)時(shí)，在金屬帶張力所提供的壓力擠壓下被單側(cè)或雙側(cè)加熱。當(dāng)紙幅經(jīng)包覆區(qū)近一半時(shí)進(jìn)入由大小壓輥形成的壓區(qū)，經(jīng)受高線壓，完成壓光操作。在其后的另一半包覆區(qū)內(nèi)，紙幅繼續(xù)被輕微擠壓加熱直至離開(kāi)包覆區(qū)。帶式壓光機(jī)的構(gòu)造及主要部件見(jiàn)圖1。

圖1 金屬帶式壓光機(jī)

在實(shí)際操作中，大壓輥 (加熱輥)通常并不加熱或只加熱到較低的溫度。而金屬帶則通常會(huì)被包覆區(qū)前后的導(dǎo)輥加熱到較高的溫度。小壓輥帶撓度補(bǔ)償，可使被壓紙幅在紙機(jī)橫向受到均勻一致的壓力，以降低壓光后紙張的物理性能，如松厚度、平滑度、光澤度等在橫向上的差異。

2 帶式壓光過(guò)程的熱量傳遞與能耗

帶式壓光最初應(yīng)用于紙板的熱壓光并取得了很好的效果。其在提升紙板表面性能的同時(shí)，能夠很大程度地減少紙板松厚度損失。這樣可以在保持紙板厚度不變的情況下，減少纖維用量，從而相應(yīng)地降低整個(gè)造紙過(guò)程的能量消耗和對(duì)木材資源的需求。

筆者此前開(kāi)發(fā)的基于數(shù)值控制體積模型法的壓光過(guò)程傳熱模型在靴式壓光機(jī)上進(jìn)行了嚴(yán)格的模型驗(yàn)證，結(jié)果顯示該模型輸出與在線測(cè)量能很好地吻合［22-23］。但在將該數(shù)值控制體積模型法應(yīng)用于帶式壓光機(jī)進(jìn)行分析前，仍有必要進(jìn)行模型驗(yàn)證。從紙廠收集到的帶式壓光機(jī)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)如表1所列。加熱系統(tǒng)通過(guò)電加熱油，再由油加熱壓輥或金屬帶來(lái)實(shí)現(xiàn)。表1中所給出的加熱功率為總電功率。

表1 帶式壓光機(jī)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)

以表1所列的過(guò)程參數(shù)作為數(shù)學(xué)模型的輸入?yún)?shù)，在假定加熱系統(tǒng)的熱效率為0.90的情況下，則可以計(jì)算獲得加熱系統(tǒng)的電功率如表2所列。對(duì)比表1和表2的加熱功率可以發(fā)現(xiàn)，模型計(jì)算結(jié)果與測(cè)量值非常接近，相對(duì)誤差分別為－2.6%和3.5%。因此，可以認(rèn)為該基于數(shù)值控制體積模型法所建立起來(lái)的帶式壓光機(jī)傳熱模型是有效的。接下來(lái)，將運(yùn)用此模型對(duì)帶式壓光機(jī)傳熱過(guò)程進(jìn)行分析，考察紙張厚度方向上的溫度梯度、達(dá)到軟化溫度的紙張面層厚度、雙面加熱對(duì)壓光操作后紙張物理性能的影響等。

表2 假定加熱系統(tǒng)的熱效率為0.90時(shí)的模型計(jì)算結(jié)果

TG壓光理念創(chuàng)建于對(duì)木材纖維各個(gè)組分軟化溫度深入理解的基礎(chǔ)上。早在20世紀(jì)中葉，加拿大制漿造紙研究所的Goring［9］就對(duì)木質(zhì)素、纖維素、半纖維素的軟化溫度進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究。之后，瑞典林產(chǎn)品研究室的Salmén等人［24］也對(duì)這一課題作了深入的研究，除了木材各個(gè)組分的玻璃化 (軟化)溫度外，他們還對(duì)水分對(duì)各個(gè)組分的玻璃化溫度的影響作了系列研究［10，25-26］。結(jié)果表明，水分對(duì)木材各個(gè)組分的玻璃化溫度的影響非常顯著，這就是為何在其他條件不變的情況下增加紙張進(jìn)壓區(qū)時(shí)的濕度可顯著提高紙張壓光效果的原因。木材各個(gè)組分軟化溫度與其水分含量的關(guān)系可以直觀地用圖2表示。

圖2 水分對(duì)木材各個(gè)組分軟化溫度的影響

從圖2中可以看出，當(dāng)水分在0～15%時(shí)，木材各個(gè)組分軟化溫度對(duì)所含水分相當(dāng)敏感;隨著所含水分的增加，木質(zhì)素和半纖維素的軟化溫度從200℃以上迅速下降到100℃左右 (纖維素稍高，約140℃)。而在常規(guī)的壓光操作中，紙張水分通常在7%～10%，在此水分下，木質(zhì)素和半纖維素的軟化溫度在100～120℃之間，纖維素的軟化溫度仍高達(dá)170～180℃。為不失一般性，在以下的討論中，取常用造紙纖維的軟化溫度為120℃，即當(dāng)紙張受到較低壓力的擠壓作用時(shí)，其內(nèi)部溫度超過(guò)120℃的地方纖維將發(fā)生塑性變形;而低于此溫度的地方纖維將發(fā)生彈性變形。

先來(lái)考察在紙板壓光時(shí)，只對(duì)金屬帶進(jìn)行加熱的情況。計(jì)算所用的過(guò)程參數(shù)與表1第2行同。即用表面高達(dá)170℃的金屬帶對(duì)紙板進(jìn)行熱壓光。而對(duì)加熱輥而言，僅對(duì)其進(jìn)行低量供熱，以維持其表面溫度與進(jìn)紙溫度 (80℃)相同。在該條件下，壓區(qū)內(nèi)只有少量熱能會(huì)從紙板傳到加熱輥。紙板在壓區(qū)內(nèi)不同位置時(shí)厚度方向上的溫度曲線見(jiàn)圖3所示。從圖3可以看出，當(dāng)紙板進(jìn)入由撓度補(bǔ)償輥擠壓加熱輥所形成的整形區(qū)時(shí)，其內(nèi)部厚度方向上靠近高溫金屬帶側(cè)溫度超過(guò)纖維軟化溫度的已深達(dá)75 μm。這就意味著在加熱側(cè)面有將近三層以上纖維會(huì)在整形區(qū)內(nèi)發(fā)生塑性變形。這顯然會(huì)造成紙板厚度的過(guò)多損失。其實(shí)，在實(shí)際紙板壓光操作時(shí)，很少使用如此高的金屬帶溫度，一方面是為了減少紙板厚度損失，另一方面也是為了降低壓光過(guò)程的能量消耗。

圖3 單面加熱時(shí)紙板在帶式壓光機(jī)內(nèi)厚度方向上的溫度曲線 (左側(cè)紙板面接觸加熱的金屬帶)

此外，從圖3中還可以發(fā)現(xiàn)，盡管在與紙板接觸前金屬帶被加熱到170℃，但紙板與金屬帶接觸后，其表面溫度只可達(dá)到約160℃，這是因?yàn)榧埌迮c金屬帶之間存在接觸熱阻的緣故。紙板因受到金屬帶的張力和壓光輥施加的壓力，在進(jìn)入金屬帶包覆區(qū)后，其厚度是隨所處的位置不同而變化的。相應(yīng)的在計(jì)算過(guò)程中紙板厚度也是隨所處壓區(qū)內(nèi)的位置而變化的。但是為了方便比較，將紙板內(nèi)在不同位置厚度方向上的溫度曲線都映射到紙板進(jìn)入壓光區(qū)前的厚度。

接下來(lái)，考察在紙板壓光時(shí)，對(duì)金屬帶和加熱輥進(jìn)行加熱的情況。除了加熱輥被加熱至表面溫度達(dá)170℃之外，其他過(guò)程參數(shù)與金屬帶單側(cè)加熱時(shí)相同。紙板在壓區(qū)內(nèi)不同位置時(shí)厚度方向上的溫度曲線見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，當(dāng)紙板進(jìn)入由撓度補(bǔ)償輥擠壓加熱輥所形成的整形區(qū)時(shí)，其內(nèi)部溫度超過(guò)纖維軟化溫度的雙面都已深達(dá)近100 μm。即僅紙板芯層占總厚度約1/2的區(qū)域內(nèi)溫度仍處于纖維軟化溫度以下。顯然，若在此條件下對(duì)紙板進(jìn)行壓光操作，無(wú)疑會(huì)造成紙板松厚度的嚴(yán)重?fù)p失。在實(shí)際紙板壓光操作時(shí)，通常采用對(duì)金屬帶單面加熱，并且金屬帶的溫度僅被提高至130～140℃。相對(duì)于單面加熱，紙板在雙面加熱的情況下被壓光后，其表面性能的兩面差會(huì)得到極大的改善。如若使用雙面加熱以獲得較小的兩面差，既可以使用較低的金屬帶和加熱輥的溫度，也可以降低紙板進(jìn)入壓光機(jī)時(shí)的溫度，以保持芯層溫度處于纖維軟化溫度以下。

圖4 雙面加熱時(shí)紙板在帶式壓光機(jī)內(nèi)厚度方向上的溫度曲線 (左側(cè)紙板面接觸加熱的金屬帶)

由圖4還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)續(xù)處理結(jié)束時(shí)，紙板面接觸加熱輥面的溫度要略高于接觸金屬帶面的。這是因?yàn)樵谂c紙板接觸期間，加熱輥由熱源不斷供熱，而金屬帶無(wú)供熱源，其溫度會(huì)隨著熱量被傳遞到紙板而逐漸下降。當(dāng)然，因金屬帶的原材料鋼材具有很大的熱容，所以金屬帶的溫度下降較緩慢。

3 節(jié)能措施及效果預(yù)測(cè)

對(duì)于金屬帶式壓光機(jī)而言，系統(tǒng)的熱能由電加熱的油供給?？傠娔懿糠直挥脕?lái)加熱紙板，部分從壓光機(jī)上傳遞到周圍環(huán)境中而損失掉，還有一部分消耗在加熱系統(tǒng)上。這三部分的能量分配見(jiàn)圖5所示。對(duì)于熱壓光來(lái)說(shuō)，希望盡可能多的能量被有效地用來(lái)加熱紙或紙板，盡量減少能量損失。對(duì)于加熱系統(tǒng)的能量損失，可通過(guò)提高加熱系統(tǒng)的熱效率來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于壓光機(jī)的熱量損失，需采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

圖5 帶式壓光機(jī)能耗分析

帶式壓光機(jī)與壓區(qū)長(zhǎng)度為120 mm的靴式壓光機(jī)的能耗對(duì)比見(jiàn)圖6所示。

圖6 帶式壓光機(jī)與靴式壓光機(jī)能量消耗對(duì)比

從圖6中可以看出，帶式壓光機(jī)的能量需求比靴式壓光機(jī)要大得多，盡管靴式壓光機(jī)的加熱輥表面溫度高達(dá)220℃。這是因?yàn)閹綁汗鈾C(jī)上向周圍環(huán)境散熱的面積要比靴式壓光機(jī)大得多，并且?guī)綁汗鈾C(jī)并未作熱損失防護(hù)處理。運(yùn)用筆者開(kāi)發(fā)的數(shù)值控制體積模型法可以對(duì)壓光過(guò)程節(jié)能技術(shù)進(jìn)行分析研究，例如，此處對(duì)帶式壓光機(jī)進(jìn)行隔熱處理，可以使從壓光機(jī)散失至周圍環(huán)境中的熱量顯著減少，而壓光機(jī)內(nèi)部空氣溫度則會(huì)相應(yīng)上升，依據(jù)過(guò)程和環(huán)境參數(shù)便可計(jì)算出該過(guò)程的能量消耗情況。初步計(jì)算的結(jié)果表明，若能對(duì)帶式壓光機(jī)采取隔熱處理，可使壓光機(jī)的熱量損失減少50%，對(duì)于一個(gè)年產(chǎn)20萬(wàn)t的紙板廠而言，壓光機(jī)每年節(jié)約的電能費(fèi)用將高達(dá)100萬(wàn)元以上。具體的節(jié)能情況以及計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證將在后續(xù)的文章中予以闡述。

4 總結(jié)

鄺仕均先生［27］對(duì)可用于制漿造紙工業(yè)的節(jié)能技術(shù)作了較為全面的介紹，本文應(yīng)用數(shù)值控制體積模型法對(duì)帶式壓光過(guò)程的熱量傳遞與能耗進(jìn)行了初步分析與探討。結(jié)果表明，對(duì)于金屬帶式壓光機(jī)而言，加熱溫度不宜太高，因?yàn)楦叩募訜釡囟炔坏拇罅繜崮?，而且使得紙張厚度方向上過(guò)多的纖維處于軟化溫度以上，從而造成壓光后過(guò)多的松厚度損失。對(duì)于紙板壓光而言，單面加熱配置要優(yōu)于雙面加熱。但是單面加熱會(huì)造成壓光后紙板表面出現(xiàn)嚴(yán)重的兩面差，如果為了減少兩面差而采用雙面加熱配置，此時(shí)應(yīng)降低壓光機(jī)進(jìn)紙溫度以達(dá)到最佳壓光效果，這樣可以使紙板芯層溫度在帶壓區(qū)內(nèi)保持低于纖維的軟化溫度，從而可以在提升紙板兩面的表面性能的同時(shí)極大地保護(hù)其松厚度。

在節(jié)能方面，因帶式壓光機(jī)的散熱面積非常大，為了節(jié)約能源、減少熱量損失，需對(duì)帶式壓光機(jī)配置熱損失保護(hù)裝置。這在創(chuàng)造節(jié)能環(huán)保的社會(huì)效益的同時(shí)，也為造紙企業(yè)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提升了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

事實(shí)上，紙張熱壓光是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，伴隨著溫度梯度 (TG)的建立，水分將在紙張內(nèi)遷移，從而產(chǎn)生濕度梯度 (MG)。因植物纖維各個(gè)組分軟化溫度對(duì)所含水分相當(dāng)敏感，如需更為精確地了解熱壓光機(jī)理和熱量傳遞過(guò)程，就必須同時(shí)考察熱量和水分傳遞。但這無(wú)疑將增大建模和計(jì)算工作量，這將在其他論文中予以闡述。

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Analysis of Heat Transfer and Energy Consumption in a Belt Calender

ZHAO Shu-lei*LIU Gui-fang
(Tianjin Key Lab of Pulp and Paper，Tianjin University of Science＆ Technology，Tianjin，300457)

In this work，a numerical control volume method was applied to study the heat transfer and energy consumption of a belt calendar．The temperature gradient in paper Z-direction during calendering process，and the surface layer thickness of the paper which reached to the softening temperature，and the effect of heating both sides on the property of the calendered paper were analyzed．Furthermore，the effectiveness of the temperature gradient in the paper generated during calendering process，and the economic potential of energy-saving on a belt calendar was discussed．

paper machinery;calender;energy consumption;energy saving

TS755.9

A

0254-508X(2011)05-0001-05

趙樹(shù)雷先生，博士;主要從事造紙過(guò)程節(jié)能和造紙裝備的研究工作。

(*E-mail:zhao@tusu．edu．cn)

2011-01-05(修改稿)

本課題獲天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃 (10JCYBJC26000)及天津科技大學(xué)引進(jìn)人才項(xiàng)目 (20100402)資助。

(責(zé)任編輯:馬 忻)