论臭氧制备的电耗及在纸浆漂白行业中的应用

论臭氧制备的电耗及在纸浆漂白行业中的应用

Pierre-André Liechti [瑞士]

　　摘要：针对影响电耗的相关因素对如何提高用电效率，如何改进和改善臭氧在纸浆漂白中的应用，以及得利满技术-奥宗尼亚公司在提高臭氧效率方面所实施的措施和取得的成效进行论述。
　　关键词：臭氧 电耗 纸浆漂白

1 引言

　　约20年前，人们开始从生态角度考虑用臭氧替代加氯的可能性，结合其他如二氧化氯、过氧化氢和过氧乙酸等漂白剂应用在纸浆漂白行业。
　　不过，在那时人们觉得不论从投资成本、还是过多电能消耗方面考虑，臭氧价格相对较贵。
　　除了臭氧发生器供电单元的损失外，还有供电主回路上的额外损失等。这些主要都因为大量需求的无功功率与臭氧发生器所消耗电流中不可忽视的谐波成分。
　　因而，必须在以下方面进行改进和完善：
　　·臭氧制备工艺本身，以及
　　·臭氧发生器的供电
　　目前，这些改进已赋予臭氧更多价值，不仅在电耗、可靠性和有效性方面，臭氧现在已被公认为是纸浆漂白的有效药剂。
　　不过，对臭氧在纸浆漂白中的应用进行评估时，还必须考虑到以下事实：
　　通常情况下，臭氧是在氧气“O”-和二氧化氯“D”-阶段脱木素后加以应用，该漂白过程包括水洗和二氧化氯“D1 –D2”阶段。

　　·作为氧化和漂白能力的指标，臭氧氧化电势“Z”达到2.1伏特，比二氧化氯“D”电势高出了40％。在“ZD”或“DZ”纸浆漂白过程中，这一事实优势（根据纸厂来的反馈）导致重量方面相当于两（2）个二氧化氯“D”的高达一（1）个臭氧“O”的“替换因子”。
　　·在考虑利用臭氧制氧和二氧化氯制备氯酸盐所需电能方面，臭氧和二氧化氯在电耗基本相当。
　　·作为臭氧制备原料气的氧气大部分在“Z”阶段后还可回用于氧脱木质素“O”阶段，进行“EoP”水洗阶段的萃取，污水处理和可能情况下的白液氧化”WLO”。
　　上述三（3）个方面影响到臭氧和其他相关药剂的效率。不仅针对采用臭氧进行纸浆漂白，对于整个纸浆脱木质素和漂白工艺，他们是决定电耗和能量平衡的主要因素。
　　总之，这一点适用于所有的化学工艺过程，系统最优化对于降低电耗至关重要。
　　在纸浆脱木素和漂白工艺中采用臭氧从技术上而言效果更好、更有效且更利于环境保护，具体体现在以下三方面：
　　 1.从根本上提高臭氧发生器的电效率。在这一点上得利满技术－奥宗尼亚公司已实施并取得收效，具体请参见以下两章描述。
　　 2.最优化脱木素和漂白中所用药剂消耗量，以及
　　 3.氧气回用

2 得利满技术－奥宗尼亚公司的改进和应用

2.1得利满技术－奥宗尼亚公司的臭氧发生器“OZG”-“IGS^TM”（智能间隙系统）
　　 一台臭氧发生器从根本上而言就是一台电气设备，将电能转化为化学能和热量。
　　 这个物理转化过程的主要元器件是由几个电介质和气体间隙构成的臭氧生成单元，在那儿通过放电过程将氧气主要部分转化为臭氧。
　　一台臭氧发生器由一定数量的（一个至几百个）上述单元组成。

　　奥宗尼亚公司所实施的改进体现在以下几方面：
　　·气体质量：携氧的原料气从空气换成了氧气，使得臭氧浓度高达14 %（以重量计），这样运载气体的需求量更少，以此大幅降低臭氧制备的电能消耗。
　　·电介质材质：摈弃了单一的硼硅玻璃，而采用更适合臭氧制备的特殊搪瓷
　　·多模电介质形成更小的放电间隙，这有助于优化冷却条件（冷却水水温高达32 °C），从而减除冷冻水系统。
　　·可变间隙有助于放电功率密度的最优化分布
　　多模电介质和可变放电间隙是得利满技术－奥宗尼亚公司“IGS?”（智能间隙系统）的主要特征，是大幅降低电耗的主要作用因素。
　　至臭氧发生器的、和电压与电流以及电压峰值和运行频率有关的供电最优化
　　另外一个特征是采用熔断器保护每一独立的臭氧制备单元，确保其有效性高达98%以上。
2.2?得利满技术－奥宗尼亚公司的模块化“MODIPAC^TM”供电单元（带“IGBT”）
　　有关改进综述如下：
　　在OZG一侧（后端），奥宗尼亚公司的“MODIPAC^TM”供电单元（带有“IGBT”晶闸管）半导体装置提供适合更有效臭氧制备所需电流、电压波形、峰值和运行频率条件下的电能。
　　此外，既然IGBT允许更高更优化的运行频率，所施电压的峰值如此低，以至于“IGS?”电介质上的静电应力几乎完全消除。
　　在三相供电主线侧，前端，IGBT电压转换器作如下改进：
　　·功率因素“PF”以及“cosφ”实际上等同于“1”，因而实际操作中与供电主线不存在无功电能的交换，线路上也就预计无额外的损失发生。
　　·既然“MODIPAC^TM”供电单元实际上从主线上所获得的电流为正弦曲线，至主线的电流谐波量非常低，因而可忽略额外的线路损失。主回路电压失真“VTHD”量不到3％。
　　此外，另一特征是消除了与接在统一线路上的其他用电设备的电谐振风险的事实，这样就不存在损坏用电设备的风险。

　　考虑到产量为100 kgO3/h（臭氧浓度12 %，以重量计）的臭氧发生器在供电主回路上的电耗为0.88 MW（如下所述）这一事实，上述几点至关重要且必须要小心处理。
2.3 得利满技术-奥宗尼亚公司MODIPAC^TM 和IGS^TM臭氧发生器耗电特点和优势
　　 下图显示奥宗尼亚公司在过去20年来的研发工作中在提高臭氧制备效能方面所取得的进步。

　　臭氧制备效率提高体现在以下两（2）方面：
　　 1.在臭氧浓度较低处，即先前“CT”和“IGS?”技术叠合部分（以重量计，6.0 ～ 8.0 %），收效非常明显，主供电线路的电耗降低40％
　　 2.但更重要的是考虑其所能获得的更高臭氧浓度，使得最优化整个臭氧系统（包括氧气制备和臭氧应用）成为可能，这点对于要求臭氧部分压力（1bar或更高）的中密度“MC”纸浆漂白过程特别重要。其结果是需要将臭氧气体压缩到13bar。
　　得利满技术－奥宗尼亚公司的臭氧压缩技术（针对“MC”工艺）无臭氧损失，因而有助于降低电能消耗。
　　采用臭氧进行纸浆漂白的标准臭氧浓度为12%(以重量计)，不论是针对中密度“MC”还是高密度“HC”过程。
　　在此浓度条件下，主回路的特定电耗达到：
　　8.8 kWh/kgO3 (冷却水水温20 °C)
　　臭氧放电取值5.0 kgO3/ADMT（ADMT表示风干公吨），电耗为：
　　44.0 kWh/ADMT.
　　考虑0.15欧元/ 千瓦时的成本，则每ADMT成本为6.6欧元/ADMT。

3 结论

　　过去20年中在提高臭氧制备效率方面已取得很大进步，更好满足造纸工业所需。得利满技术－奥宗尼亚公司秉承追求革新和创新的优良传统，继续致力于在该领域的研发工作。
　　当前在有效臭氧制备方面已发挥显著效用的主要技术进步体现在：
　　 ·多模搪瓷电介质和可变放电间隙，即得利满技术－奥宗尼亚公司研发出的独特“智能间隙系统”
　　 ·供电单元前端和后端的IGBT半导体器件，即得利满技术－奥宗尼亚公司的“MODIPAC?” 供电单元。
　　　至于化学工艺方面，还可通过以下途径最优化纸浆漂白过程：
　　·采用氧气作为运载气体，获得更高臭氧浓度
　　·臭氧阶段的排出氧气进行回用
　　·考虑“替代因子”的可能性，最优化“ZD” 或 “DZ”过程
　　·针对中密度“MC”的臭氧漂白工艺的臭氧气体无损失压缩

作者:

Pierre-André Liechti，得利满技术有限公司臭氧技术总监
Bernhard Paolini， 得利满技术有限公司技术副总裁