CN1643210A - 纸机或纸板机中用于产生驱动能的方法和设备 - Google Patents

纸机或纸板机中用于产生驱动能的方法和设备 Download PDF

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Abstract

纸机或纸板机包括干燥部(400)，其包括至少一个烘缸组，和至少一个穿透干燥设备(PK)。本方法采用了涡轮发动机(10)，该涡轮发动机为人所共知，且其燃烧气体(G1)作为穿透干燥空气被至少导入所述至少一个穿透干燥设备(PK)中。

Description

纸机或纸板机中用于产生驱动能的方法和设备
技术领域
本发明的主题是权利要求1的前序部分所述的方法。
本发明的另一主题是权利要求8的前序部分所述的设备。
在本申请中，产生驱动能(driving power)意指至少是热能、蒸汽、负压、正压、吹风及电能的产生。
背景技术
在纸机或纸板机(paper or board mill)中，热能、负压、压缩空气、吹风和电能是用在各种地方的。热能可采用热气流或是蒸汽的形式。
大多数热能和负压用在纸机或纸板机的干燥部，特别是在现有技术的纸机或纸板机中，干燥部就形成了瓶颈。随着纸机或纸板机速度的提高，干燥部必须加长以便获得足够的干燥能力。另外，在高速时，必须使用各种运行能力的元件，如真空箱和真空辊，也就是所谓的VAC辊，以提高运行能力。这些不同种类运行能力的元件用在干燥部，也用在成形部和压榨部。
在现有技术的纸机或纸板机的干燥部上，纸或纸板是用以蒸汽为热源的烘缸辐射干燥的。所需的蒸汽通常是由与纸机或纸板机相连的单独蒸汽生产设备生产的。所述设备可以只产生蒸汽或是产生蒸汽和电能。用烘缸干燥的纸机或纸板机干燥部通常构造成所有第二辊是加热烘缸，同时所有第二辊是VAC辊。因此纸幅沿之字形路径从烘缸到VAC辊再从VAC辊到烘缸行进。
纸机或纸板机所需的负压通常是由几个单独的真空泵产生的。这些真空泵具有很大的结构尺寸，并且每个真空泵的驱动马达马力很大，因此是很大的电动机。这类真空泵的效率系数很低，因此产生负压相当昂贵。
在纸机或纸板机中使用压缩空气，例如用在纸幅转送、领纸(threading)以及各种压缩空气设备的部件中。压缩空气也可以用来产生负压，如各种吹气真空箱。负压可在能用压缩空气的地方产生，因为用真空泵产生负压非常昂贵。压缩空气可用单独的压缩机来产生，其驱动马达可以是电动机。
在最新现有技术的纸机或纸板机干燥部的解决方案中，干燥被所谓的穿透(impingement)干燥设备增强。本申请人需要的这类穿透干燥设备商标为OptiDry。运行在具有较大直径VAC辊壳体外表面上的纸幅几乎绕过一整圈。另外，在与VAC辊外表面的连接处装有至少一台穿透干燥设备，用来以大约90米/秒的速度，对纸幅表面喷吹大约350℃的空气。该穿透干燥设备包括燃烧器、吹风机、和许多电子技术。穿透干燥设备燃烧器的燃烧气体通过吹风机吹向纸幅表面。一些有益的燃料如天然气可作为能源用于穿透干燥设备的燃烧器。真空泵用来产生穿透干燥设备VAC辊所需的负压。
下面提出一些现有技术中所公开的例子，示出纸机或纸板机使用穿透干燥的情况。这些在本申请中被引为参考。
申请人的FI专利104100中提出了在纸干燥中用穿透干燥的整体纸机。该专利公开了预干燥部，由具有穿孔壳体且直径为8-20米的真空缸及被连接的穿透干燥装置所构成。在该专利中还提到平面型配有穿透干燥的预干燥部和Condebelt型的预干燥部。
申请人的US专利6,101,735中提出了用穿透干燥的纸机几种不同的干燥部。该专利中公开了平面型穿透干燥部和配有连接大直径烘缸的穿透干燥装置的干燥部。
申请人的FI专利申请20002628中提出了用穿透干燥的纸机或纸板机的干燥部。其中用了具有大直径优选超过10米的真空辊及与此相关配装的穿透干燥装置。
申请人的US专利5,306,395中部分提出了用大直径真空辊和穿透干燥的薄纸页纸机。这里该薄纸页纸机的压榨部用所谓的TAD型预干燥部替换。该TAD预干燥部由大直径真空辊组成，与其相关配装有穿透干燥装置。该穿透干燥装置用热空气吹透行进在真空辊表面的纸幅。纸幅从该TAD预干燥部移动到杨克式烘缸表面。与杨克式烘缸有关还配装有穿透干燥装置，用来对纸幅喷吹热气。
在现有技术的纸机或纸板机上，需要下面的设备以便获得上述功能：
-蒸汽产生设备及相应的蒸汽产生系统，
-真空泵以产生负压，用于该真空泵的驱动马达，即电动机，控制系统和润滑系统，
-压缩机以产生用于外围设备的压缩空气，
-用于穿透干燥设备的燃烧器和吹风机，用于具有控制器、电源等吹风机的电力驱动装置。
现有技术中的纸机或纸板机因此需要很多单独的系统来满足上面提到的各种功能。单独的系统不但昂贵，而且使系统复杂化，并会包含很多发生问题和需要维护的细节。另外，在所有上述系统中还会发生能量损失的问题，从而导致总体效率系数降低，并由此使系统的经济性很差。
发明内容
按照本发明的方法的主要特征呈现在权利要求1的特征部分。
按照本发明的设备的主要特征呈现在权利要求8的特征部分。
按照本发明的解决方案适用于所有上述现有技术的纸机或纸板机。
按照本发明的解决方案，所有上面列出在现有技术解决方案中使用的系统均由涡轮发动机替代。该喷气式涡轮能产生大大超越现有系统效率系数的上述所有功能。另外，几乎所有发生在系统中的损失都是在内部，也就是说，所有从燃料中获得的能量都终结为热能或动能用在工艺流程中。
下表示出的是由本申请人提供的OptiDry牌穿透干燥设备的生产值与已知通用电气公司内外函式的涡轮发动机型号为CF6-80C2生产值之间的比较。该涡轮发动机通常，例如在MD11航空器中使用。但是，本发明并不以任何方式仅限于内外函式涡轮发动机，而可以是任意型式的涡轮发动机。内外函式涡轮发动机可适用于某些应用场合，而非内外函式涡轮发动机可适用于其他应用场合。在某些情况下，使用补充燃料更为有利。
    性能值 申请人的OptiDry型     CF6-80C2
    (在测试运行条件下)
    温度(℃)     350     550-600
    流速(米/秒)     90     250
    容积流量(米3/秒)     30     115
表中示出一台CF6-80C2涡轮发动机燃烧气体的容积流量大约4倍于OptiDry穿透干燥设备的容积流量。该涡轮发动机不需要任何单独的吹风机来产生该容积流量。另外，CF6-80C2涡轮发动机的温度比OptiDry穿透干燥设备的温度高200-250℃。通过粗略估计，因高温带来的干燥效率能增加大约35％。由申请人对OptiDry穿透干燥设备进行的测试结果显示，温度范围在150-350℃时，干燥效率基本上与穿透干燥设备的穿透空气温度线性相关。很有可能这种线性关系不会从头到尾直接延续到涡轮发动机550-600℃的温度范围，并且由于这种原因在估算中可以设想，干燥效率的增加可能在温度上大约会增加一半。
根据上述情况，可以预计，粗略估算上述CF6-80C2涡轮发动机可产生比OptiDry穿透干燥设备大约9倍的干燥能力。
VAC辊和其他有运行能力元件所需的负压从涡轮发动机的吸入侧获得。在航空器的使用中，目的是优化发动机的进气环，以获得尽可能低的合成吸力(负压)。该进气环的效率系数大约为0.95，即在进气环中通常存在的气压为0.95*。当常压为101,3kPa时，在吸力环上存在的负压约为5kPa。在VAC辊中，典型的负压为2kPa，因此该涡轮发动机的容积流量可足以产生纸机或纸板机所需的全部负压。在整个工艺流程中，所产生的负压不会引起任何总体效率系数的降低，因为该涡轮发动机的节流阀会用其流量的一部分增加该涡轮发动机出口的温度。
使用航空器上的涡轮发动机来产生推力，也用来产生压缩空气。所需的压缩空气因此从发动机的增压器上排出。压力比(增压器的压力/大气压力)在当今发动机上是相当高的，一般压力比为20-30，也就是说，相比于常规纸机或纸板机的压缩空气管网，其具有多倍的压力比。由于涡轮发动机的空气量非常高，即使纸机或纸板机所需的压缩空气从增压器排出，涡轮发动机的压力比仍是完全很难改变。
从穿透干燥设备返回的热气可以送到蒸汽发生器(或送到锅炉)，以此可使热能储存在蒸汽里，其中部分被用来加热纸机或纸板机干燥部的烘缸。在OptiDry穿透干燥设备中，返回的空气温度比吹进该设备中的空气温度一般约低100℃，也就是说，有大约250℃足以用来产生蒸汽。当用高温将空气吹进该设备时，返回的空气温度也高，因而更高效地产生蒸汽。从烘缸返回的冷凝水中也可以例如用热泵回收热量。
众所周知，涡轮发电厂通过涡轮发动机的燃烧气体产生蒸汽。涡轮发动机转动用来产生电能的发电机。涡轮发动机的燃烧气体用来产生蒸汽，其一部分用来转动蒸汽涡轮。蒸汽涡轮再转动用来产生电能的发电机。从蒸汽涡轮返回的冷却蒸汽进一步用来产生局部加热。在这样的发电厂估计可达到90％以上的效率系数。
因此，涡轮发动机也能用作发电机的能源，从而纸机或纸板机所需的电能也能以涡轮发电厂已知的方式生产出来。
用本发明的解决方案能获得比现有技术解决方案更多的优点。
由于本发明解决方案的高效干燥，使得纸机或纸板机的干燥部大大缩短，估计比现有技术穿透干燥设备所装的干燥部缩短30-50％。由于干燥部缩短，纸机或纸板机就只需小厂房。
按照本发明的系统也很简单。一台设备就可以，也就是说，可用涡轮发动机产生热，以产生所需的热能、蒸汽、吹风、负压、压缩空气以及电能。
按照本发明的系统效率也高。用一台涡轮发动机就能产生吹风，例如送到安装在干燥部所有VAC辊上方的穿透干燥罩里。
按照本发明的系统具有很高的效率系数。几乎系统内的所有损失，也就是说，从燃料获得的几乎所有能量都终结在工艺流程中。涡轮发动机的效率系数很高，它比现有技术穿透干燥设备燃烧燃料的温度要高。整个系统的效率系数通过再循环用来产生蒸汽的穿透干燥设备中的空气还可进一步提高，这样例如用来加热烘缸。
本发明的系统能够快速调节。快速调节能随同开机和关机的速度迅速变化等级。
按照本发明系统的调节是简单的。在内外函式涡轮发动机中，温度和吹风能力可通过控制旁通气流和/或燃料供应彼此独立调节。
按照本发明的系统比现有技术解决方案需要很小的空间。粗略估计，涡轮发动机所需的空间相当于现有技术产生VAC辊负压的一个真空泵的空间。涡轮发动机效率和重量的比率优于任何一种已知的解决方案。纸机或纸板机的投资成本由于厂房所需空间减小，也由于省略系统的资金而降低。
按照本发明的系统可用几种气体和液体燃料，因为涡轮发动机不限于任何一种燃料。
按照本发明的系统非常适于现代化旧纸机或纸板机。涡轮发动机可设在例如一个节省出来的真空泵的位置处，并能很方便地连接到机器的压缩空气管网和负压管网处。其也易于建立管网来转送燃烧气体到穿透干燥设备和蒸汽产生设备。
用于本发明系统中的涡轮发动机操作非常可靠。
用于本发明系统中的涡轮发动机的控制和测量系统已经得到改进。涡轮发动机设备在航空和发电厂中得到广泛应用。
按照本发明的集中系统从噪声抑制的观点来看具有更多的优点。一个噪声源即涡轮发动机比绕机器设在不同地方的几个噪声源更易于密闭和/或覆盖起来。
用于本发明系统中的涡轮发动机现有环球服务组织。
按照本发明的解决方案降低了纸机或纸板机的能量费用。粗略估计，现有技术造纸机的年度能量费用按照下表粗略划分如下：
    电能     蒸汽     气体
  数量(GWh)     187     157     70
  价格(ε/kWh)     0.15     0.06     0.1
  年度费用(Mε)     4.7     1.6     1.2
该年度187GWh电能中大约33.5％被用在纸机或纸板机真空泵的电动机上，约16.7％用在空气系统的驱动马达上，而5.4％用在干燥部的驱动马达上。
按照本发明的解决方案不需要真空泵，而空气系统相当简单，干燥部也大大缩短。如果在空气系统和干燥部中驱动马达的需用量减少一半，并且省略所有的真空泵，则电能的年度消耗量就会减少大约2百万ε。
使用主要是OptiDry设备的干燥部和按照本发明的解决方案能达到比传统使用烘缸干燥的纸机或纸板机更低的投资费用。所需的机器厂房缩短，数个烘缸和相关的VAC辊可省略掉，并且不需要单独的真空泵。额外费用只是来自OptiDry设备和涡轮发动机。
下面参照附图描述按照本发明的解决方案，但是本发明并不仅限于下述细节。
附图说明
图1为纸或纸板生产线前端示意图。
图2为图1所示纸或纸板生产线的后端的示意图。
图3为按照本发明用于图1和图2所示纸和纸板生产线的解决方案示意图。
具体实施方式
图1和图2所示为纸和纸板生产线，按照本发明能在该生产线上实施本发明解决方案。该生产线按纸幅行进方向包括流浆箱100、颚式成形装置200、压榨部300、干燥部400和终端压光机500。
图1所示为生产线的前端，即流浆箱100、颚式成形装置200和压榨部300。流浆箱100可以是适宜颚式成形装置的任意类型。在该颚式成形装置200中，有一号网(wire loop)201和二号网202，在两网之间形成基本上垂直的成形区域。纸浆从流浆箱100流入位于成形辊203与胸辊204之间一号网201和二号网202组成的颚板里，其中成形辊203形成第一脱水装置。在成形区域一号网201内设置有第二脱水装置207，并在二号网202内设置有第三脱水装置206。脱水装置203、206、207用来从纸幅中脱水并提高将要成形的纸幅的匀度。在成形区域端部，行进方向的成形纸幅在位于二号网202内真空辊205的真空作用下反转过来，利用吸水作用将纸幅从一号网201上脱开并将纸幅附着到二号网202上，通过二号网202的支持将纸幅引到领纸点(pick-up point)P，在该处纸幅通过真空领纸辊303从二号网202上脱开，并在第一压榨毛毯301即领纸毛毯的支持下转送到压榨部300。
在领纸点P之后，纸幅通过压榨部300第一压榨毛毯链310的内部真空箱307依然附着在第一压榨毛毯301的下表面上，并且被送入第一上压榨毛毯301和第二下压榨毛毯302之间，在该处纸幅进入第一压区(press nip)N1。第一压区N1是长压区，由配有加填靴(loadingshoe)和毛毯套的靴形下压辊306和配有空芯表面的上支撑辊305形成。经过第一压区N1之后，纸幅在第一转送点S1通过位于第二压榨毛毯链302内的第一转送真空辊304的负压作用，从第一压榨毛毯301上脱离并附着到第二压榨毛毯302上。然后纸幅在第二压榨毛毯302的支持下转送到第二转送点S2，在该处纸幅通过位于第三压榨毛毯链311内的第二转送真空辊313的负压作用，从第二压榨毛毯302上脱离并附着到三压榨毛毯311上。
在压榨部300的第二转送点S2之后，纸幅在第三压榨毛毯链311的内部真空箱317的作用下依然附着在第三压榨毛毯311的下表面上，并被转送到第二压区N2。纸幅进入第三上压榨毛毯311和下转送毛毯312之间的第二压区N2。第二压区N2是长压区，由配有加填靴和毛毯套的靴形上压辊316和配有空芯表面的下支撑辊315形成。在第二压区N2之后，纸幅从第三压榨毛毯311上脱离，并在转送毛毯312的支持下转送到第三转送点S3，在该处纸幅通过位于干燥部400第一烘缸组R1的干燥网链419内第四转送真空辊410的负压作用，从转送毛毯312上脱离。然后纸幅在上述干燥网419的支持下转送到干燥部400。
图2所示为图1中所示生产线的后端部，即干燥部400和终端压光机500。这里仅示出干燥部400的前端部，其中示出使用单网牵引的第一烘缸组R1，随后是穿透干燥设备PK，再后是使用单网牵引的第二烘缸组R2。第一烘缸组R1是向下开口的烘缸组R1，其中被加热的烘缸411、412、413、414在上部，而真空转向(hitch)辊415、416、417在下部。
纸幅被送入第一烘缸组R1干燥网419所支持的干燥部400。然后纸幅沿烘缸411、412、413、414和第一烘缸组R1真空转向辊415、416、417之间的之字形路径行进。
纸幅从第一烘缸组R1的最后烘缸414移动到所述烘缸414和穿透干燥设备PK干燥网429之间的接触点上，继续前进到穿透干燥设备PK的干燥网429上，在该网的支持下纸幅再前进到真空缸420，真空缸具有很大的直径，直径优选为3-6米，并且设置在造纸机厂房地平面的下面。纸幅通过真空缸420的负压作用依然附着在绕真空缸420移动的干燥网429的外表面上。在真空缸420处，运行在穿透干燥设备干燥网429外表面上的纸幅被和真空缸420共同配装的穿透干燥装置420a和420b穿透干燥。
纸幅从真空缸420在运行在造纸机厂房地平面上的穿透干燥设备干燥网429的支持下返回，并移动到穿透干燥设备的干燥网429和烘缸421之间的接触点上，再前进到所述烘缸421的表面上。纸幅从所述烘缸421的表面移动到第二烘缸组R2的干燥网439和所述烘缸421之间的接触区域，从这里纸幅再前进到第二烘缸组R2的干燥网439上，并进一步前进到第二烘缸组R2的第一真空转向辊434上。然后纸幅沿位于第二烘缸组R2上排中的烘缸431、432、433和位于下排中的真空转向辊434、435、436、437之间的之字形路径行进。
第二烘缸组R2后面可以是使用单网牵引的适当数量的烘缸组，在烘缸组之间可有穿透干燥设备PK。
纸幅从干燥部的最后烘缸组转送到终端压光机500上，在这里纸幅被压光处理。压光机可包括一个或多个压光区Nc，而压光区可以是辊压区或长压区。这里的终端压光机500是长压区压光机，它由靴形上压辊501和下热压辊502组成。纸幅从终端压光机500被送到卷纸机(图中未示出)，在此纸幅被制成机制纸卷。
图3所示为按照本发明应用到图1和2所示纸或纸板生产线的解决方案。图3所示的纸或纸板生产线仅示出穿透干燥设备PK的真空缸420，相关的穿透干燥装置420a和420b以及直接相连的烘缸414、421。
涡轮发动机10转动发电机20，发电机20产生电能E，用于纸机或纸板机的电源供电和/或公共电源供电。涡轮机10的燃烧气体G1被送到纸机或纸板机干燥部400上正在喷气的穿透干燥设备PK的穿透干燥装置420a和420b内。该穿透干燥装置420a，420b的功能在本解决方案中仅被用作传送燃烧气体的元件，也就是说，它们被用来引导燃烧气体到沿VAC辊420壳体外表面移动的纸幅上。
然后从穿透装置420a、420b返回的燃烧气体G2被引导到蒸汽发生设备30，在该处利用它们的热能产生蒸汽。在蒸汽发生设备30产生的蒸汽S一部分被送到干燥部的烘缸414、421中，在这里蒸汽S将加热烘缸414、421的外壳。
从烘缸414、421返回的冷凝水C再被导入热泵40中，在这里回收仍存留在冷凝水C中的热量。这种被回收的热能可用来例如供与纸机或纸板机有关的房屋采暖。
涡轮发动机10还可用来产生由干燥部400VAC辊415-417、420、434-437所需的负压V1；以及由成形部200真空辊203、205，成形部200脱水元件206、207，压榨部300真空辊303、304、313、410，和压榨部真空箱307、317所需的负压V2。纸机或纸板机所有使用负压的元件所需的负压可以由涡轮发动机10来产生。
另外，纸机或纸板机中那些使用压缩空气P的元件所需的压缩空气P可以由涡轮发动机10来产生。
当然，按照本发明的解决方案不必包括所有在图3中所示的选择方案，但是图3中所示的解决方案能达到很高的效率系数。
按照本发明基于涡轮发动机的解决方案并不以任何方式限制于图1-2中所示的纸或纸板生产线，但是按照本发明的解决方案可应用于所有纸或纸板的生产线。
下面表示限定本发明精神的权利要求书，在其范围内本发明的细节可以不同于仅作为示例提出的上述典型实例。

Claims (11)

1.纸机或纸板机的一种产生驱动能的方法，该纸机或纸板机包括干燥部(400)，其包括至少一个烘缸组(R1，R2)，和至少一个穿透干燥设备(PK)，其特征在于，在该方法中使用了涡轮发动机(10)，该涡轮发动机为人所共知，且其燃烧气体(G1)被作为穿透干燥空气被引导到所述至少一个穿透干燥设备(PK)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个穿透干燥设备(PK)由真空辊(420)和至少一个穿透干燥装置(420a，420b)组成，由此该涡轮发动机(10)的燃烧气体(G1)作为穿透干燥空气被引导到所述至少一个穿透干燥装置(420a，420b)中。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一个烘缸组(R1，R2)由烘缸(411-414；421；431-433)和真空辊(415-417；434-437)组成，由此所述至少一个穿透干燥装置(420a，420b)的再循环空气(G2)被导入蒸汽发生设备(30)，其至少被用来产生干燥部(400)所述至少一个烘缸组(R1，R2)的烘缸(411-414；421；431-433)所需的蒸汽。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由涡轮发动机(10)吸入侧将负压(V1)至少引导到干燥部(400)所述至少一个烘缸组(R1，R2)的真空辊(415-417；434-437)上，以及引导到干燥部(400)所述至少一个穿透干燥设备(PK)的真空辊(420)上。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，由涡轮发动机(10)吸入侧也将负压(V2)导出，以供纸机或纸板机中其他需要负压的元件使用。
6.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，由涡轮发动机(10)压力侧将正压(P)引导到纸机或纸板机的压力管网。
7.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，涡轮发动机(10)以已知的方式与发电机(20)相连，用来产生电能(E)，用于纸机或纸板机内部配电电源和/或公共配电电源。
8.纸机或纸板机的一种产生驱动能的设备，该纸机或纸板机包括干燥部(400)，其包括至少一个烘缸组(R1，R2)，和至少一个穿透干燥设备(PK)，其特征在于，该设备包括一涡轮发动机(10)，该涡轮发动机为人所共知，且其燃烧气体(G1)被作为穿透干燥空气被引导到所述至少一个穿透干燥设备(PK)中。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述至少一个穿透干燥设备(PK)由真空辊(420)和至少一个穿透干燥装置(420a，420b)组成，由此该涡轮发动机(10)的燃烧气体(G1)作为穿透干燥空气被引导到所述至少一个穿透干燥装置(420a，420b)中。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，该设备还包括一蒸汽发生设备(30)，并且所述至少一个烘缸组(R1，R2)由烘缸(411-414；421；431-433)和真空辊(415-417；434-437)组成，由此所述至少一个穿透干燥装置(420a，420b)的再循环空气(G2)被导入蒸汽发生设备(30)，其至少被用来产生干燥部(400)所述至少一个烘缸组(R1，R2)的烘缸(411-414；421；431-433)所需的蒸汽。
11.根据权利要求8-10任一所述的设备，其特征在于，该设备还包括一发电机(20)，其连接到涡轮发动机(10)上，用来产生电能(E)，用于纸机或纸板机内部配电电源和/或公共配电电源。
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