Wpływ wybranych parametrów termodynamicznych osłony konwekcyjnej na efektywność procesu suszenia papierów higienicznych

Transkrypt

1 Wpływ wybranych parametrów termodynamicznych osłony konwekcyjnej na efektywność procesu suszenia papierów higienicznych An Effect of Selected Thermodynamic Parameters of Convection Hood on Tissue Drying Effectiveness ALEKSANDER KLEPACZKA Wartości wskaźników intensywności procesu suszenia oraz jednostkowego zużycia energii mają istotne znaczenie w strukturze kosztów produkcji papierów na maszynach typu tissue. W wielu publikacjach polskich i obcojęzycznych zagadnienie efektywności procesowej i energetycznej było dotychczas analizowane i opisywane (1-4) w sposób nie w pełni przydatny dla wielu użytkowników maszyn tissue. Wiąże się to z dosyć skomplikowanymi zależnościami procesów wymiany ciepła i masy występujących w układzie kontaktowo-konwekcyjnym stanowionym przez cylinder Yankee i osłonę konwekcyjną. Dynamiczne działanie osłon i wzrost wskaźnika udziału w procesie suszenia sprzyja ich rozwojowi konstrukcyjnemu i powodzeniu w stosowaniu na coraz szybszych maszynach papierniczych. Osłony konwekcyjne w maszynach tissue powodują, że proces suszenia (łącznie z prasowaniem i krepowaniem wstęgi) na cylindrze Yankee może być zrealizowany w stosunkowo krótkim czasie, tj. ok. 0,3-0,6 s. W oparciu o wyniki bilansów masowych i energetycznych, opracowanych przez Roundsa i Wedela (5), przedstawiono wpływ zawartości wilgoci (pary wodnej) w powietrzu wypływającym z dysz osłony konwekcyjnej na intensywność procesu suszenia tissue oraz jego energochłonność. Przedstawiono również inne zależności dotyczące zmian obu wskaźników, a także zależności między poborem mocy do napędu wentylatorów a niektórymi parametrami technologicznymi i konstrukcyjnymi osłony. Prezentowane trendy zmian i graniczne wartości analizowanych wskaźników mogą być przydatne dla celów optymalizowania układu suszącego cylinder Yankee-osłona w wielu maszynach tissue. Słowa kluczowe: papiery tissue, cylinder Yankee, osłona konwekcyjna, zawartość wilgoci w powietrzu, prędkość wypływu powietrza z dysz, stopień perforacji, intensywność suszenia papieru, jednostkowe zużycie energii cieplnej, pobór mocy do napędu wentylatorów Values of drying intensity rates and specific energy consumption are of great importance in cost structure of paper production on tissue machines. Many Polish and foreign-language publications have discussed energy and process effectiveness in analytical way (1-4) which is not very useful for tissue machine users. It is connected with quite complicated relationship of heat and mass exchange in a contact and convection unit in the form of a Yankee cylinder and a convection hood. Dynamic operation and growing role in drying process make the hoods develop their construction and be used successfully on faster and faster paper machines. The convection hoods in the tissue machines accelerate the drying process (including pressing and creping) on the Yankee cylinder and it can be carried out in very short time ranging from around 0.3 to 0.6 s. Based on results of mass and energy balances developed by Rounds and Wedel (5), an effect of moisture content (steam) in air flowing out of nozzles of the convection hood on tissue drying intensity and energy consumption were presented. Also other relationships concerning changes in both rates were presented as well as relationships between power consumption for fan drive and some technological and construction parameters of the hood. Presented trends and boundary values of analyzed rates can be helpful when optimizing the drying unit the Yankee cylinder and the convection hood - in many tissue machines. Keywords: tissue papers, Yankee cylinder, Air Cap, air absolute humidity, impingement velocity, open area fraction, drying rate, specific energy consumption, fan horsepower Dr inż. A. Klepaczka, Instytut Papiernictwa i Poligrafii Politechniki Łódzkiej, ul. Wólczańska 223, Łódź 119

2 Podstawowe definicje analizowanych wskaźników i ich przykładowe wartości (2) Jeżeli znane są wartości strumienia wody odparowanej ze wstęgi w czasie procesu suszenia W (kg/h) i pola powierzchni papieru F (m 2 ), stykającego się z powierzchnią cylindra Yankee, to iloraz tych wielkości, oznaczany zwykle literą m, nazywany jest wskaźnikiem intensywności suszenia, i obliczany z zależności: [kg/hm 2 ] Powszechnie stosowanym wskaźnikiem efektywności energetycznej, w określonym czasie procesu wytwarzania papieru jest jednostkowe zużycie energii elektrycznej, cieplnej bądź obu, definiowane jako iloraz zużycia określonego rodzaju energii do ilości (P) wyprodukowanego papieru, bądź ilości odparowanej wody (W). Można więc napisać, że: lub [kj/kg; GJ/t; GWh/t, itp.] gdzie: E EC energia całkowita, równa sumie energii elektrycznej E E i cieplnej E C. W przypadku produkcji papierów higienicznych stosowane są również pojęcia takich wskaźników, jak: zużycie energii cieplnej przez: cylinder Yankee (E CY ), osłonę konwekcyjną (E CH ) lub cały układ (cylinder-osłona) (E CYH ) Jeżeli zużycie odniesione jest do masy wyprodukowanego, w ciągu określonego czasu, papieru lub masy wody odparowanej z papieru, to zależność [kj/kg] oznacza jednostkowe zużycie energii cieplnej przez cylinder Yankee, odniesione do 1 kg wyprodukowanego papieru (brutto na nawijaku). Natomiast [kj/kg] oznacza jednostkowe zużycie energii cieplnej przez układ suszący cylinder Yankee osłona konwekcyjna, odniesione do 1 kg wody odparowanej z wyprodukowanego papieru (brutto na nawijaku). jednostkowy pobór mocy lub jednostkowe zużycie energii elektrycznej do napędu wentylatorów układu powietrznego osłony, w odniesieniu do jednostki pola roboczej powierzchni osłony konwekcyjnej, (kw/m 2 lub kwh/m 2 ) Według dostępnych w literaturze danych z lat oraz wyników własnych badań (6, 7), przeciętne wskaźniki zużycia obu rodzajów energii, w przeliczeniu na 1 tonę produkcji papierów tissue, mieszczą się w zakresie: - maszyny o wyższym standardzie technicznym e EP = kwh/t; e CP = 4,3-4,7 GJ/t - maszyny starszej konstrukcji, w tym spotykane w wielu zakładach w Polsce (7), e EP = kwh/t; e CP = 5,0-6,5 GJ/t W nowoczesnych i szybkobieżnych maszynach tissue uzyskuje się bardzo wysokie wartości wskaźnika intensywności suszenia m, ok kg/m 2 h (8). Duża w tym zasługa osłony konwekcyjnej, w której powietrze suszące ma wysoką temperaturę C i prędkości wypływu z dysz m/s. Dzięki takim wartościom udział osłony w realizacji procesu suszenia jest równy ok. 70%, a udział cylindra Yankee ok. 30%. Przy takich parametrach technicznych prędkości robocze maszyn tissue przekraczają 2000 m/min. W przypadku niższych wartości temperatur powietrza np C i prędkości wypływu m/s wskaźnik intensywności suszenia jest również mniejszy kg/m 2 h, a prędkość robocza cylindra Yankee osiąga zakres m/min. Wtedy udział cylindra w realizacji procesu suszenia wynosi 55-60% (8). Brak jest wystarczających danych dotyczących wpływu innych parametrów technologicznych osłon konwekcyjnych na wartości wymienionych wskaźników wydajności układu suszącego maszyn tissue. W szczególności interesująca może być zależność tych wskaźników od zawartości wilgoci w powietrzu suszącym, która jest często wynikiem konieczności zawracania (cyrkulacji) do osłony znacznego strumienia gorących oparów. Powszechnie zaleca się, aby z systemu powietrznego osłony usuwać do atmosfery poprzez zespół rekuperatorów ciepła 25-40% strumienia masy powietrza wypływającego z dysz obu części osłony. Ten strumień jest uzupełniany powietrzem świeżym, pobieranym z pomieszczeń lub z otoczenia i podgrzewanym w rekuperatorach typu opary/powietrze (9, 10). Zwiększanie strumienia usuwanych oparów powoduje wzrost energochłonności procesu suszenia w układzie cylinder Yankee osłona. Natomiast zmniejszanie tego strumienia wiąże się z nadmiernym wzrostem wilgotności bezwzględnej (zawartości wilgoci) powietrza suszącego i obniżaniem intensywności procesu suszenia. Jest to wynik osłabienia mechanizmu wymiany masy między wstęgą suszonego papieru i powietrzem (11). Rounds D.A. i Wedel G.L w prezentacji Beloita z 1978 r. (5) przedstawili teoretyczne zależności wskaźników intensywności suszenia oraz jednostkowego zużycia energii od zawartości wilgoci w powietrzu suszącym, jego temperatury i prędkości wypływu z dysz osłony konwekcyjnej. Prezentowane wyniki i zależności są oparte na bilansie masowym i cieplnym układu cylinder Yankee osłona konwekcyjna, przeprowadzonym dla zmieniających się zawartości wilgotności powietrza w zakresie 0,1-0,6 kg/kg. Przedstawiono 120

3 również zależności poboru mocy do napędu wentylatorów w funkcji zmian niektórych parametrów technologicznych i konstrukcyjnych osłony. W obliczeniach bilansowych pominięte zostały straty energetyczne systemu powietrznego osłony. Jednakże prezentowane trendy zmian i uzyskane wartości analizowanych wskaźników mogą być przydatne do optymalizowania układu suszącego cylinder Yankee osłona w wybranych maszynach tissue. W obliczeniach bilansowych układu cylinder Yankee osłona założono m.in. następujące dane: - zawartość wilgoci i temperatura powietrza świeżego, wprowadzanego do układu 0,01 kg/kg oraz 37 C, - nośnik ciepła gaz naturalny, - średnica dysz w osłonie i ich odległość od wstęgi papieru 9,5 mm i 25,4 mm, - temperatura i ciśnienie pary doprowadzanej do cylindra Yankee 153 C i 5 bar albo 178 C i 8 bar, - współczynnik przenikania ciepła przez płaszcz cylindra L 0,624 kw/m 2 C. Wyniki obliczeń, niektórych zależności i przebiegów zilustrowano dalej. Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono zależności wskaźników intensywności suszenia papieru oraz jednostkowego zużycia energii cieplnej (do odparowania 1 kg wody) od temperatury i wilgotności powietrza wypływającego z dysz osłony konwekcyjnej. Z przebiegu wykresów na rysunkach 1 i 2 wynika m.in., że dzięki zastosowaniu wysokiego wskaźnika cyrkulacji oparów wydalanych z osłony i tym samym zwiększaniu wilgotności powietrza wtłaczanego do osłony zdecydowanie obniża się energochłonność procesu suszenia papieru w układzie cylinder Yankee osłona konwekcyjna. Zwiększenie zawartości wilgoci w powietrzu suszącym od 0,2 do 0,4 kg/kg powoduje spadek jednostkowego zużycia energii cieplnej o ponad 20%. Obniżają się jednak, ale w sposób dość łagodny, wartości wskaźnika intensywności suszenia, co oznacza spadek zdolności produkcyjnej maszyny. Dla wybranego zakresu zmian zawartości wilgoci w powietrzu suszącym, np. od 0,2 do 0,4 kg/kg spadek intensywności procesu suszenia wynosi ok. 6-7% bez względu na temperaturę powietrza suszącego. Zwiększanie udziału zawracanych do układu osłony oparów w powietrzu suszącym i zawartej w nich wilgoci poprawia efektywność energetyczną układów napędowych wentylatorów osłony konwekcyjnej. Jak wynika z wykresów na rysunku 3, im wyższa Rys. 1. Wpływ zawartości wilgoci w powietrzu suszącym oraz jego temperatury na intensywność procesu suszenia i jednostkowe zużycie energii cieplnej (cylinder Yankee ogrzewany parą o ciśnieniu 5 bar i temp. 153 C, prędkość wypływu powietrza z dysz 124 m/s, stopień perforacji osłony 1,5%) (5) zawartość wilgoci w powietrzu suszącym, kg/kg Rys. 2. Wpływ zawartości wilgoci w powietrzu suszącym oraz jego temperatury na intensywność procesu suszenia i jednostkowe zużycie energii cieplnej (cylinder Yankee ogrzewany parą o ciśnieniu 8 bar i temp. 178 C, prędkość wypływu powietrza z dysz 124 m/s, stopień perforacji osłony 1,5%) (5) jest temperatura powietrza i większa w nim zawartość wilgoci, tym mniejsze jest zużycie energii elektrycznej do napędu wentylatorów cyrkulacyjnych, odniesione do 1 m 2 pola powierzchni roboczej osłony konwekcyjnej. W zakresie zmian zawartości wilgoci od 0,2 do 0,4 kg/kg spadek zużycia energii do napędu wynosi ok. 7-8%. 121

4 Rys. 3. Zmiana wskaźnika poboru mocy przez silniki wentylatorów osłony w zależności od temperatury i wilgotności powietrza (prędkość wypływu powietrza z dysz 124 m/s, stopień perforacji osłony 1,5% )(5) stopień perforacji powierzchni roboczej osłony, % stopień perforacji powierzchni roboczej osłony, % Rys. 5. Wpływ stopnia perforacji osłony na jednostkowe zużycie ciepła i intensywność suszenia papieru dla różnych temperatur powietrza (prędkość wypływu powietrza z dysz 124 m/s, zawartość wilgoci 0,4 kg/kg) (5) Rys. 4. Zmiana wskaźnika poboru mocy przez silniki wentylatorów osłony w zależności od temperatury powietrza i stopnia perforacji osłony (prędkość wypływu powietrza z dysz 124 m/s, zawartość wilgoci 0,4 kg/kg) (5) Pobór mocy przez silniki wentylatorów powietrza wzrasta zdecydowanie przy większych wartościach stopnia perforacji otworów dyszowych wykonanych na powierzchni roboczej osłony, co przedstawiono na rysunku 4. Poprzez nieznaczny wzrost stopnia perforacji można poprawić warunki przekazywania ciepła od powietrza do suszonej wstęgi papieru (11), co powoduje zwiększenie wskaźnika intensywności suszenia i jednoczesne zwiększanie zużycia energii cieplnej (rys. 5). Dlatego w projektowaniu i wykonywaniu osłon zaleca się stosować wartość stopnia perforacji 1,7-2,0%. Podstawowym czynnikiem decydującym o zużyciu energii elektrycznej do napędu wentylatorów jest wymagana prędkość wypływu powietrza suszącego z dysz (rys. 6). W zakresie zmian prędkości powietrza od 80 do 124 m/s i jego wilgotności 0,4 kg/kg wskaźnik poboru mocy przez silniki napędzające wentylatory cyrkulacyjne może się zwiększyć nawet o %, w zależności od temperatury (i odpowiedniej gęstości) powietrza. Jednakże potrzeba zwiększania intensywności procesu suszenia papieru w układzie cylindra Yankee i osłony konwekcyjnej wymusza stosowanie coraz większych prędkości powietrza wypływającego z dysz, co wynika z przykładowych zależności na rysunku 7. Jeżeli zwiększy się temperaturę powietrza (przy stałej zawartości wilgoci 0,4 kg/kg) z 260 do 482 C i prędkość wypływu z dysz osłony z 80 do 122 m/s, to: Rys. 6. Zmiana wskaźnika poboru mocy przez silniki wentylatorów osłony w zależności od temperatury powietrza i prędkości wypływu z dysz (zawartość wilgoci w powietrzu 0,4 kg/kg, stopień perforacji osłony 1,5%) (5) 122

5 Rys. 7. Wpływ prędkości powietrza wypływającego z dysz i jego temperatury na jednostkowe zużycie energii cieplnej oraz intensywność suszenia papieru (zawartość wilgoci w powietrzu 0,4 kg/kg, stopień perforacji osłony 1,5%) (5) Rys. 8. Porównawcze zestawienie wpływu wilgotności powietrza na jednostkowe zużycie energii, intensywność suszenia oraz prędkość wypływu z dysz (stały pobór mocy przez wentylatory 14 kw/m 2, temperatura powietrza 311 C, stopień perforacji osłony 1,5%) (5) - wzrośnie zdecydowanie (o ok. 54%) wskaźnik intensywności suszenia papieru, - zmaleje nieznacznie (o ok. 10%) jednostkowe zużycie energii cieplnej. Na rysunku 8 dokonano porównawczego zestawienia wpływu zawartości wilgoci w powietrzu suszącym na oba analizowane wskaźniki efektywności procesu suszenia papieru i wymaganą prędkość powietrza przy jego temperaturze 311 C, stałym poborze mocy przez silniki wentylatorów oraz stopniu perforacji osłony 1,5%. Na podstawie przedstawionych zależności można z pewnym przybliżeniem znaleźć bądź dobrać optymalne wartości parametrów procesu suszenia (pod względem jego wydajności i energochłonności) dla różnych wartości zawartości wilgoci w powietrzu. Przyjmując np., że powietrze ma temperaturę ok. 310 C, a stopień perforacji dysz jest równy 1,5%, można tak dobrać wydatek wentylatora wyciągowego oparów wydalanych z osłony, aby uzyskać zawartość wilgoci w powietrzu wypływającym z dysz równą 0,3 kg/kg. Jeżeli prędkość powietrza wypływającego z dysz będzie miała wartość ok. 125 m/s to: - wskaźnik intensywności suszenia będzie równy ok. 150 kg/m 2 h, - jednostkowe zużycie energii cieplnej ok kj/kg. Literatura 1. Klepaczka A.: Konieczność poprawy efektywności energetycznej przemysłu papierniczego, Przegl. Papiern. 66, 10, (2010). 2. Klepaczka A.: Sposoby badania efektywności układu suszącego maszyn tissue, Przegl. Papiern. 67, 3, (2011). 3. Austin P.: Reducing Energy Consumption in Paper Making using Advanced Process Control and Optimisation, University of Cambridge, Department of Engineering, ELCF Seminar. Feb Kramer K.J., Masanet E., Worrel E.: Energy Efficiency Opportunities in the U.S. Pulp and Paper Industry, Energy Engineering 107, 1, (2010). 5. Rounds D.A., Wedel G.L.: Drying rate and energy consumption for an air cap dryer system, Proceedings of the First International Symposium on Drying. McGill University, Montreal, Canada. August 3-5, p (1978). 6. Michniewicz M. i in.: Najlepsze Dostępne Techniki (BAT). Wytyczne dla branży celulozowo-papierniczej, Ministerstwo Środowiska, Warszawa, sierpień Klepaczka A., Szewczyk W.: Zbiór opracowań dotyczących pomiarów ruchowych i analiz maszyn tissue w wybranych zakładach w Polsce w latach , Instytut Papiernictwa i Poligrafii Politechniki Łódzkiej, Łódź Klepaczka A., Tarnawski W.Z.: Postęp w budowie wysokowydajnych osłon konwekcyjnych, Przegl. Papiern. 61, 7, (2005). 9. Klepaczka A.: Strumienie cieplne w suszarni kontaktowo-konwekcyjnej, Przegl. Papiern. 61, 8, (2005). 10. Klepaczka A.: Comparison of heat fluxes during contact and convection drying of paper web in selected paper machines, Inżynieria Chemiczna i Procesowa 2006, T.27, zeszyt 3/ Karlsson M.: Papermaking. Part 2. Drying, FAPET Oy. Helsinki (2000). Praca recenzowana 123