論臭氧制備的電耗及在紙漿漂白行業(yè)中的應(yīng)用

Pierre-André Liechti [瑞士]

　　摘要：針對(duì)影響電耗的相關(guān)因素對(duì)如何提高用電效率，如何改進(jìn)和改善臭氧在紙漿漂白中的應(yīng)用，以及得利滿技術(shù)-奧宗尼亞公司在提高臭氧效率方面所實(shí)施的措施和取得的成效進(jìn)行論述。
　　關(guān)鍵詞：臭氧 電耗 紙漿漂白

1 引言

　　約20年前，人們開(kāi)始從生態(tài)角度考慮用臭氧替代加氯的可能性，結(jié)合其他如二氧化氯、過(guò)氧化氫和過(guò)氧乙酸等漂白劑應(yīng)用在紙漿漂白行業(yè)。
　　不過(guò)，在那時(shí)人們覺(jué)得不論從投資成本、還是過(guò)多電能消耗方面考慮，臭氧價(jià)格相對(duì)較貴。
　　除了臭氧發(fā)生器供電單元的損失外，還有供電主回路上的額外損失等。這些主要都因?yàn)榇罅啃枨蟮臒o(wú)功功率與臭氧發(fā)生器所消耗電流中不可忽視的諧波成分。
　　因而，必須在以下方面進(jìn)行改進(jìn)和完善：
　　·臭氧制備工藝本身，以及
　　·臭氧發(fā)生器的供電
　　目前，這些改進(jìn)已賦予臭氧更多價(jià)值，不僅在電耗、可靠性和有效性方面，臭氧現(xiàn)在已被公認(rèn)為是紙漿漂白的有效藥劑。
　　不過(guò)，對(duì)臭氧在紙漿漂白中的應(yīng)用進(jìn)行評(píng)估時(shí)，還必須考慮到以下事實(shí)：
　　通常情況下，臭氧是在氧氣“O”-和二氧化氯“D”-階段脫木素后加以應(yīng)用，該漂白過(guò)程包括水洗和二氧化氯“D1 –D2”階段。

　　·作為氧化和漂白能力的指標(biāo)，臭氧氧化電勢(shì)“Z”達(dá)到2.1伏特，比二氧化氯“D”電勢(shì)高出了40％。在“ZD”或“DZ”紙漿漂白過(guò)程中，這一事實(shí)優(yōu)勢(shì)（根據(jù)紙廠來(lái)的反饋）導(dǎo)致重量方面相當(dāng)于兩（2）個(gè)二氧化氯“D”的高達(dá)一（1）個(gè)臭氧“O”的“替換因子”。
　　·在考慮利用臭氧制氧和二氧化氯制備氯酸鹽所需電能方面，臭氧和二氧化氯在電耗基本相當(dāng)。
　　·作為臭氧制備原料氣的氧氣大部分在“Z”階段后還可回用于氧脫木質(zhì)素“O”階段，進(jìn)行“EoP”水洗階段的萃取，污水處理和可能情況下的白液氧化”WLO”。
　　上述三（3）個(gè)方面影響到臭氧和其他相關(guān)藥劑的效率。不僅針對(duì)采用臭氧進(jìn)行紙漿漂白，對(duì)于整個(gè)紙漿脫木質(zhì)素和漂白工藝，他們是決定電耗和能量平衡的主要因素。
　　總之，這一點(diǎn)適用于所有的化學(xué)工藝過(guò)程，系統(tǒng)最優(yōu)化對(duì)于降低電耗至關(guān)重要。
　　在紙漿脫木素和漂白工藝中采用臭氧從技術(shù)上而言效果更好、更有效且更利于環(huán)境保護(hù)，具體體現(xiàn)在以下三方面：
　　 1.從根本上提高臭氧發(fā)生器的電效率。在這一點(diǎn)上得利滿技術(shù)－奧宗尼亞公司已實(shí)施并取得收效，具體請(qǐng)參見(jiàn)以下兩章描述。
　　 2.最優(yōu)化脫木素和漂白中所用藥劑消耗量，以及
　　 3.氧氣回用

2 得利滿技術(shù)－奧宗尼亞公司的改進(jìn)和應(yīng)用

2.1得利滿技術(shù)－奧宗尼亞公司的臭氧發(fā)生器“OZG”-“IGS^TM”（智能間隙系統(tǒng)）
　　 一臺(tái)臭氧發(fā)生器從根本上而言就是一臺(tái)電氣設(shè)備，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能和熱量。
　　 這個(gè)物理轉(zhuǎn)化過(guò)程的主要元器件是由幾個(gè)電介質(zhì)和氣體間隙構(gòu)成的臭氧生成單元，在那兒通過(guò)放電過(guò)程將氧氣主要部分轉(zhuǎn)化為臭氧。
　　一臺(tái)臭氧發(fā)生器由一定數(shù)量的（一個(gè)至幾百個(gè)）上述單元組成。

　　奧宗尼亞公司所實(shí)施的改進(jìn)體現(xiàn)在以下幾方面：
　　·氣體質(zhì)量：攜氧的原料氣從空氣換成了氧氣，使得臭氧濃度高達(dá)14 %（以重量計(jì)），這樣運(yùn)載氣體的需求量更少，以此大幅降低臭氧制備的電能消耗。
　　·電介質(zhì)材質(zhì)：擯棄了單一的硼硅玻璃，而采用更適合臭氧制備的特殊搪瓷
　　·多模電介質(zhì)形成更小的放電間隙，這有助于優(yōu)化冷卻條件（冷卻水水溫高達(dá)32 °C），從而減除冷凍水系統(tǒng)。
　　·可變間隙有助于放電功率密度的最優(yōu)化分布
　　多模電介質(zhì)和可變放電間隙是得利滿技術(shù)－奧宗尼亞公司“IGS?”（智能間隙系統(tǒng)）的主要特征，是大幅降低電耗的主要作用因素。
　　至臭氧發(fā)生器的、和電壓與電流以及電壓峰值和運(yùn)行頻率有關(guān)的供電最優(yōu)化
　　另外一個(gè)特征是采用熔斷器保護(hù)每一獨(dú)立的臭氧制備單元，確保其有效性高達(dá)98%以上。
2.2?得利滿技術(shù)－奧宗尼亞公司的模塊化“MODIPAC^TM”供電單元（帶“IGBT”）
　　有關(guān)改進(jìn)綜述如下：
　　在OZG一側(cè)（后端），奧宗尼亞公司的“MODIPAC^TM”供電單元（帶有“IGBT”晶閘管）半導(dǎo)體裝置提供適合更有效臭氧制備所需電流、電壓波形、峰值和運(yùn)行頻率條件下的電能。
　　此外，既然IGBT允許更高更優(yōu)化的運(yùn)行頻率，所施電壓的峰值如此低，以至于“IGS?”電介質(zhì)上的靜電應(yīng)力幾乎完全消除。
　　在三相供電主線側(cè)，前端，IGBT電壓轉(zhuǎn)換器作如下改進(jìn)：
　　·功率因素“PF”以及“cosφ”實(shí)際上等同于“1”，因而實(shí)際操作中與供電主線不存在無(wú)功電能的交換，線路上也就預(yù)計(jì)無(wú)額外的損失發(fā)生。
　　·既然“MODIPAC^TM”供電單元實(shí)際上從主線上所獲得的電流為正弦曲線，至主線的電流諧波量非常低，因而可忽略額外的線路損失。主回路電壓失真“VTHD”量不到3％。
　　此外，另一特征是消除了與接在統(tǒng)一線路上的其他用電設(shè)備的電諧振風(fēng)險(xiǎn)的事實(shí)，這樣就不存在損壞用電設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。

　　考慮到產(chǎn)量為100 kgO3/h（臭氧濃度12 %，以重量計(jì)）的臭氧發(fā)生器在供電主回路上的電耗為0.88 MW（如下所述）這一事實(shí)，上述幾點(diǎn)至關(guān)重要且必須要小心處理。
2.3 得利滿技術(shù)-奧宗尼亞公司MODIPAC^TM 和IGS^TM臭氧發(fā)生器耗電特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)
　　 下圖顯示奧宗尼亞公司在過(guò)去20年來(lái)的研發(fā)工作中在提高臭氧制備效能方面所取得的進(jìn)步。

　　臭氧制備效率提高體現(xiàn)在以下兩（2）方面：
　　 1.在臭氧濃度較低處，即先前“CT”和“IGS?”技術(shù)疊合部分（以重量計(jì)，6.0 ～ 8.0 %），收效非常明顯，主供電線路的電耗降低40％
　　 2.但更重要的是考慮其所能獲得的更高臭氧濃度，使得最優(yōu)化整個(gè)臭氧系統(tǒng)（包括氧氣制備和臭氧應(yīng)用）成為可能，這點(diǎn)對(duì)于要求臭氧部分壓力（1bar或更高）的中密度“MC”紙漿漂白過(guò)程特別重要。其結(jié)果是需要將臭氧氣體壓縮到13bar。
　　得利滿技術(shù)－奧宗尼亞公司的臭氧壓縮技術(shù)（針對(duì)“MC”工藝）無(wú)臭氧損失，因而有助于降低電能消耗。
　　采用臭氧進(jìn)行紙漿漂白的標(biāo)準(zhǔn)臭氧濃度為12%(以重量計(jì))，不論是針對(duì)中密度“MC”還是高密度“HC”過(guò)程。
　　在此濃度條件下，主回路的特定電耗達(dá)到：
　　8.8 kWh/kgO3 (冷卻水水溫20 °C)
　　臭氧放電取值5.0 kgO3/ADMT（ADMT表示風(fēng)干公噸），電耗為：
　　44.0 kWh/ADMT.
　　考慮0.15歐元/ 千瓦時(shí)的成本，則每ADMT成本為6.6歐元/ADMT。

3 結(jié)論

　　過(guò)去20年中在提高臭氧制備效率方面已取得很大進(jìn)步，更好滿足造紙工業(yè)所需。得利滿技術(shù)－奧宗尼亞公司秉承追求革新和創(chuàng)新的優(yōu)良傳統(tǒng)，繼續(xù)致力于在該領(lǐng)域的研發(fā)工作。
　　當(dāng)前在有效臭氧制備方面已發(fā)揮顯著效用的主要技術(shù)進(jìn)步體現(xiàn)在：
　　 ·多模搪瓷電介質(zhì)和可變放電間隙，即得利滿技術(shù)－奧宗尼亞公司研發(fā)出的獨(dú)特“智能間隙系統(tǒng)”
　　 ·供電單元前端和后端的IGBT半導(dǎo)體器件，即得利滿技術(shù)－奧宗尼亞公司的“MODIPAC?” 供電單元。
　　　至于化學(xué)工藝方面，還可通過(guò)以下途徑最優(yōu)化紙漿漂白過(guò)程：
　　·采用氧氣作為運(yùn)載氣體，獲得更高臭氧濃度
　　·臭氧階段的排出氧氣進(jìn)行回用
　　·考慮“替代因子”的可能性，最優(yōu)化“ZD” 或 “DZ”過(guò)程
　　·針對(duì)中密度“MC”的臭氧漂白工藝的臭氧氣體無(wú)損失壓縮

作者:

Pierre-André Liechti，得利滿技術(shù)有限公司臭氧技術(shù)總監(jiān)
Bernhard Paolini， 得利滿技術(shù)有限公司技術(shù)副總裁