論臭氧制備的電耗及在紙漿漂白行業中的應用

Pierre-André Liechti [瑞士]

　　摘要：針對影響電耗的相關因素對如何提高用電效率，如何改進和改善臭氧在紙漿漂白中的應用，以及得利滿技術-奧宗尼亞公司在提高臭氧效率方面所實施的措施和取得的成效進行論述。
　　關鍵詞：臭氧 電耗 紙漿漂白

1 引言

　　約20年前，人們開始從生態角度考慮用臭氧替代加氯的可能性，結合其他如二氧化氯、過氧化氫和過氧乙酸等漂白劑應用在紙漿漂白行業。
　　不過，在那時人們覺得不論從投資成本、還是過多電能消耗方面考慮，臭氧價格相對較貴。
　　除了臭氧發生器供電單元的損失外，還有供電主回路上的額外損失等。這些主要都因為大量需求的無功功率與臭氧發生器所消耗電流中不可忽視的諧波成分。
　　因而，必須在以下方面進行改進和完善：
　　·臭氧制備工藝本身，以及
　　·臭氧發生器的供電
　　目前，這些改進已賦予臭氧更多價值，不僅在電耗、可靠性和有效性方面，臭氧現在已被公認為是紙漿漂白的有效藥劑。
　　不過，對臭氧在紙漿漂白中的應用進行評估時，還必須考慮到以下事實：
　　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用，該漂白過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，臭氧氧化電勢“Z”達到2.1伏特，比二氧化氯“D”電勢高出了40％。在“ZD”或“DZ”紙漿漂白過程中，這一事實優勢（根據紙廠來的反饋）導致重量方面相當于兩（2）個二氧化氯“D”的高達一（1）個臭氧“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。
　　·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素“O”階段，進行“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）個方面影響到臭氧和其他相關藥劑的效率。不僅針對采用臭氧進行紙漿漂白，對于整個紙漿脫木質素和漂白工藝，他們是決定電耗和能量平衡的主要因素。
　　總之，這一點適用于所有的化學工藝過程，系統最優化對于降低電耗至關重要。
　　在紙漿脫木素和漂白工藝中采用臭氧從技術上而言效果更好、更有效且更利于環境保護，具體體現在以下三方面：
　　 1.從根本上提高臭氧發生器的電效率。在這一點上得利滿技術－奧宗尼亞公司已實施并取得收效，具體請參見以下兩章描述。
　　 2.最優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－奧宗尼亞公司的改進和應用

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

　　奧宗尼亞公司所實施的改進體現在以下幾方面：
　　·氣體質量：攜氧的原料氣從空氣換成了氧氣，使得臭氧濃度高達14 %（以重量計），這樣運載氣體的需求量更少，以此大幅降低臭氧制備的電能消耗。
　　·電介質材質：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
　　·多模電介質形成更小的放電間隙，這有助于優化冷卻條件（冷卻水水溫高達32 °C），從而減除冷凍水系統。
　　·可變間隙有助于放電功率密度的最優化分布
　　多模電介質和可變放電間隙是得利滿技術－奧宗尼亞公司“IGS?”（智能間隙系統）的主要特征，是大幅降低電耗的主要作用因素。
　　至臭氧發生器的、和電壓與電流以及電壓峰值和運行頻率有關的供電最優化
　　另外一個特征是采用熔斷器保護每一獨立的臭氧制備單元，確保其有效性高達98%以上。
2.2?得利滿技術－奧宗尼亞公司的模塊化“MODIPAC^TM”供電單元（帶“IGBT”）
　　有關改進綜述如下：
　　在OZG一側（后端），奧宗尼亞公司的“MODIPAC^TM”供電單元（帶有“IGBT”晶閘管）半導體裝置提供適合更有效臭氧制備所需電流、電壓波形、峰值和運行頻率條件下的電能。
　　此外，既然IGBT允許更高更優化的運行頻率，所施電壓的峰值如此低，以至于“IGS?”電介質上的靜電應力幾乎完全消除。
　　在三相供電主線側，前端，IGBT電壓轉換器作如下改進：
　　·功率因素“PF”以及“cosφ”實際上等同于“1”，因而實際操作中與供電主線不存在無功電能的交換，線路上也就預計無額外的損失發生。
　　·既然“MODIPAC^TM”供電單元實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一線路上的其他用電設備的電諧振風險的事實，這樣就不存在損壞用電設備的風險。

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

　　臭氧制備效率提高體現在以下兩（2）方面：
　　 1.在臭氧濃度較低處，即先前“CT”和“IGS?”技術疊合部分（以重量計，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，使得最優化整個臭氧系統（包括氧氣制備和臭氧應用）成為可能，這點對于要求臭氧部分壓力（1bar或更高）的中密度“MC”紙漿漂白過程特別重要。其結果是需要將臭氧氣體壓縮到13bar。
　　得利滿技術－奧宗尼亞公司的臭氧壓縮技術（針對“MC”工藝）無臭氧損失，因而有助于降低電能消耗。
　　采用臭氧進行紙漿漂白的標準臭氧濃度為12%(以重量計)，不論是針對中密度“MC”還是高密度“HC”過程。
　　在此濃度條件下，主回路的特定電耗達到：
　　8.8 kWh/kgO3 (冷卻水水溫20 °C)
　　臭氧放電取值5.0 kgO3/ADMT（ADMT表示風干公噸），電耗為：
　　44.0 kWh/ADMT.
　　考慮0.15歐元/ 千瓦時的成本，則每ADMT成本為6.6歐元/ADMT。

3 結論

　　過去20年中在提高臭氧制備效率方面已取得很大進步，更好滿足造紙工業所需。得利滿技術－奧宗尼亞公司秉承追求革新和創新的優良傳統，繼續致力于在該領域的研發工作。
　　當前在有效臭氧制備方面已發揮顯著效用的主要技術進步體現在：
　　 ·多模搪瓷電介質和可變放電間隙，即得利滿技術－奧宗尼亞公司研發出的獨特“智能間隙系統”
　　 ·供電單元前端和后端的IGBT半導體器件，即得利滿技術－奧宗尼亞公司的“MODIPAC?” 供電單元。
　　　至于化學工藝方面，還可通過以下途徑最優化紙漿漂白過程：
　　·采用氧氣作為運載氣體，獲得更高臭氧濃度
　　·臭氧階段的排出氧氣進行回用
　　·考慮“替代因子”的可能性，最優化“ZD” 或 “DZ”過程
　　·針對中密度“MC”的臭氧漂白工藝的臭氧氣體無損失壓縮

作者:

Pierre-André Liechti，得利滿技術有限公司臭氧技術總監
Bernhard Paolini， 得利滿技術有限公司技術副總裁