本研究的内容是瑞典国家生态循环制浆工厂研究项目的一部分。该研究项目致力于建立一个生态循环和节能的系统以用于制造高质量的纸浆和纸产品。能量潜能的研究是该研究项目的子项目，其中就包括文中所讲述的内容。研究能量潜能的目的在于从经济、技术及环境方面认识到能量系统在制浆造纸厂的吸引力。
生态循环制浆工厂研究项目给出了一个理论上的样本浆厂（称之为参比浆厂）。这个浆厂生产漂白硫酸盐商品浆，采用目前在瑞典和芬兰制浆造纸工业中所使用的最先进的技术，研究项目中阐明了今后的发展方向，在未来的参比浆厂中将尚未通过试验的新技术体现在内。
参比浆厂的树皮除了一部分用于石灰窑的燃烧和加热液体汽化之外，其余的都将出售。浆厂有相当多的剩余蒸汽，若使用蒸发中的剩余热量，蒸汽还会进一步增多。目前，剩余蒸汽被用于冷凝式发电。然而，该研究表明，从环境角度考虑（如从C02排放方面考虑），以生物质燃料形式输出比以冷凝式电能形式输出更有利。为了能够生产用以出售的生物质燃料，沉析木素是必要的。生物质燃料在其他领域可以取代非可再生资源（如石油），浆厂中的大型发电站利用生物质燃料发电比冷凝式发电更为高效。冷凝式发电可能会导致工艺过程中动态蒸汽的波动，因此，在已安装了冷凝式发电的浆厂应尽可能缩小冷凝式发电规模而非彻底去除。
1、浆厂情况
在上述给定的背景下，评价和比较了4家不同的浆厂：参比浆厂、l号浆厂、2号浆厂和3号浆厂。表1简单描叙了这4家浆厂的情况。
1.1过剩的热量
参比浆厂和1号浆厂安装了传统的温水和热制备系统。系统中多余的热水在冷凝塔中进行却。剩余的温水和热水的热能分别为0.6 GJ/t和1.0GJ/t（风干浆）。在2号和3号浆厂中，过剩热量用于蒸发工段。2号和3号浆厂的不同在于是否有凝式涡轮机，该设备要求预热涡轮冷凝物。过剩热量还能用于蒸煮工段。即用来冷却85～107℃度的黑液冷却器和用来冷凝100℃的排出气体的冷凝器（仅3号浆厂）。在这种情况下，黑液可以不经冷却直接送往蒸发车间，更加有效地利用蒸煮后黑液的热量。对3号浆厂而言，在排出气体冷凝器和蒸发装置之间需安装蒸汽转化炉。事实上，与参比浆厂和1号浆厂相比，2号浆厂和3号浆厂的黑液未经冷却直接送往蒸发车间，以减少热交换损失。但这就需要更多的高压贮存器来存放黑液。
在蒸发段，通过降低表面冷凝器的温度（从55℃降到40℃）或增加蒸发器效数都能提高蒸发设备的蒸发能力，而不会增加新鲜蒸汽的需求量。设计温水和热水制备系统以充分利用表面冷凝器高干40℃时的热量。2号和3号浆厂只需将清水加热到18℃，因此，利用表面冷凝器的热量即可实现。
1.2冷却
表2中的能量平衡计算显示了各浆厂的冷却能耗。参比浆厂和1号浆厂的区别在于冷凝式涡轮机中冷凝器的能耗不同，这也是2号和3号浆厂之间的区别。1号和3号浆厂之间以及参比浆厂和2号浆厂间的不同之处在于两组的前者有较高的蒸汽需求量，冷却耗能较高，导致更多的能量通过冷却系统转移到了冷却塔。
在参比浆厂和1号浆厂的温热水制备系统中，除冷凝式涡轮机外，还有表面冷凝器、未经处理的废水、过剩的热水等3个热源没有被冷却，它们均在冷却塔内冷却。然而，在2号和3号浆厂中，废水是在温热水制备系统中冷却，因此，只需1个冷却塔（见图1）。温热水制备系统中废水热量的最大利用使过剩热量用于黑液蒸发成为可能。相比冷却塔，在表面冷凝器中冷却传输的能量更多，因此，在蒸发装置中需要大型的表面冷凝器。
1.3蒸发
参比浆厂和1号浆厂安装了六效蒸发器，并在一效和二效蒸发器间增配了综合汽提塔，50%的冷凝汽在汽提塔中被解吸出来(见图2)。黑液浓度最终为80%，表面冷凝器的冷凝温度为55℃。
2号和3号浆厂的蒸发器与参比浆厂和1号浆厂的蒸发器有所不同（见图3）。在2号和3号浆厂中，黑液以107℃而非85℃送入蒸发器中。在3号浆厂，排出气体的冷凝器所产生的蒸汽被用于蒸发。在2号和3号浆厂，由于表面冷凝器的温度降至40℃，所以比参比浆厂和1号浆厂多配备了1台蒸发器。
2、沉析木素工艺
目前还没有大量沉析木素的工业方法。因此，在生态循环浆厂研究项目中，沉析木素工艺的模型都来源于已有的小规模沉析木素工厂的相关知识以及在实验室条件下对木素的沉析、过滤和洗涤的研究结果。
在设想的沉析木素工艺中，用纯C02对黑液进行沉析处理，使固含量为30%的黑液的pH值下降至10左右（见图4），在此pH值下，仅有少量H2S被释放出来。纯C02气体很容易注入黑液中，沉析后，原则上排出的气体无需净化。
目前，此概念已应用到几个沉析木素的工厂。沉析木素从黑液中分离出来并经鼓式压滤机洗涤，洗涤后的滤液再送回蒸发车间的稀黑液槽。洗涤用水需经H2S04酸化以防止木素溶解，同时也可以减少沉析木素中钠的含量。
根据调查结果，可以推断出洗涤增加了蒸发的需求量，每沉析lkg木素需增加约4 kg洗涤水。鼓式压滤机所得沉析木素的干度为70%～80%，无需再对沉析木素进行干燥处理。无论沉析木素量为多少，送往碱回收锅炉的黑液固含量都应保持为80%。
运用查尔穆斯大学热电技术研发团队所开发的模拟工具以及工业上已有的运算工具，计算了这些样本浆厂中所使用的剩余热量以及蒸发车间所需的蒸汽用量和蒸发面积。同时，可以运用AF IPK AB开发的模拟工具计算出浆厂的电力产量。
3、沉析木素对系统的影响
3.1能量平衡
在沉析木素过程中，浆厂的蒸汽和电力需求量以及电力生产量都将受到影响（见表2）。浆厂的生物质燃料用于出售而不是用来进行冷凝式发电，显然浆厂的电产量会下降。进行大规模沉析木素的浆厂（如3号浆厂）甚至会造成电力不足。
如表2所示，沉析木素所需的蒸汽和电力需求量变化很小。浆厂中蒸汽需求量上升的主要原因是沉析木素增加了蒸发车间的蒸汽用量。然而，由于沉析木素减少了吹灰装置和预热冷凝涡轮机所消耗的蒸汽量，所以沉析木素所需的总蒸汽量只略微增加。相反，电力需求量有所减少，原因是碱同收锅炉中静电过滤器的耗电量减少。
沉析木素量的多少取决于浆厂生产过程中蒸汽的用量，由于剩余热量用于蒸发，使蒸发过程的蒸汽用量会下降，因此，3号浆厂的潜力最大。
3.2蒸发车间
蒸发需求量会因沉析木素而增大，原因是沉析木素的洗涤水会与黑液一起被蒸发。蒸发量增大会导致新鲜蒸汽量增加。其中，1号浆厂比参比浆厂增加10%，3号浆厂比2号浆厂增加31%（见表3）。
沉析木素时，蒸发车间的总蒸发面积会下降。原因之一是在沉析过程中，固形物被去除，减少了黑液在浓缩过程中所需蒸发掉的水量；另一原因是黑液的蒸发大部分是在低浓条件下进行的，这时黑液的沸点比较低，易蒸发，洗涤水也随之蒸发。
在计算如表3所示的蒸发面积时，假定沉析木素时，黑液的黏度和沸点恒定。有关沉析木素过程对黑液性能影响的可用数据很少。然而，根据Wennberg的测定结果，随着黑液中木素含量的减少，黑液的黏度会下降，尤其是黑液经过再碱性化处理后，其黏度最多可下降50%，这也会提高蒸发车间的热传递系数，从而减少设备的蒸发面积。低黏度也能使黑液蒸发到更高的浓度。Wennberg的测定结果还可知，当黑液中木素含量降低时，黑液的沸点会上升2～5℃，因为干固形物中的无机化合物含量增加。计算时要考虑黑液的黏度及沸点的变化，无论沸点升高多少，低黏度都会使蒸发面积减少5%～15%(见表3)。
3.3碱回收锅炉
沉析木素对碱回收锅炉同样有很大影响。其中最重要的影响是随着固形物含量的降低，碱回收锅炉的尺寸会减小。因此，沉析木素可解决现有浆厂在碱回收锅炉方面的难题。
黑液中木素去除量占总木素量的比例为：1号浆厂37%、3号浆厂50%，相对应的沉析木素产量分别为0.19t/t和0.26t/t（风干浆）。为评估沉析木素过程是否会妨碍碱回收锅炉的操作，计算了在不同程度的木素去除时黑液的绝热火焰温度。根据这些计算结果，当木素去除量为50%时，黑液的绝热火焰温度达到了黑液可燃烧时的温度，此时可燃烧黑液的固含量为67%。
沉析木素对碱回收锅炉的另一重要影响是随着热量的降低，绝热燃烧温度也会降低，进而产生更多的S02排放量。1号浆厂中S02排放量增加较少，但是，3号浆厂中S02排放量则高出很多，需经过净化处理。
3,4碱性化处理
在沉析木素过程中，黑液中碱含量会降低。如上所述，假定送往蒸发车间的黑液无须碱性化处理。但是，碱含量低会导致黑液的黏度及沉析的固形物增加，研究也评估了碱性化过程对能耗的影响。
利用白液对黑液碱性化处理，可将黑液中的碱含量恢复到正常水平。碱性化的一个重要结果是会增加石灰窑的能耗。浆厂石灰窑的燃烧原料是贮木场的气化树皮，大约有一半树皮被用在该处，其余的出售。若黑液经过碱性化处理，则出售的树皮量将会减少，浆厂的蒸汽需求量也会增加，原因是黑液送回蒸发车间前的固形物含量很低。因此，在这种情况之下可供沉析的木素量也很少。
总之，若黑液经过碱性化处理，1号和3号浆厂中可供沉析的木素分别减少9%和5%，两个浆厂可供出售的树皮也将减少12%。由于这些浆厂均为环保型浆厂，对石灰窑规模的调整只会造成投资成本递增。在现有的浆厂中，通过加大石灰窑的负荷来应对碱性化及后续处理所带来的影响可能不是一个可行的解决办法，需进一步评估。黑液碱性化处理过程中，电力生产及电力消耗增长很少。
3.5木素的干燥
计算中，假定沉析木素的固含量为80%。出于某些原因在技术上达不到如此高的固含量，木素出售前则需通过干燥或者其他的处理方法来提高其固含量，毫无疑问这样势必会增加浆厂对蒸汽的需求。
4、利润和成本
4.1投资
浆厂设备的投资成本是根据现有车间的实际投资费用，大多数设备的使用指数为0.55～0.6。根据小型的、市场上可行的沉析木素工艺的投资成本，分析了大型沉析木素工艺的投资成本。对于蒸发车间，采取长期投资成本模式来考虑蒸发器的尺寸及数量。在生态循环浆厂研究项目中，采用年金现值系数0.1来计算投资的年度费用。本研究同样也采用0.1这个系数来分析计算。
通常，有沉析木素工艺时，碱回收锅炉、冷凝及背压式涡轮机以及配电系统的投资成本会减少或者无需投资。但另一方面，这可能会增加沉析木素车间及蒸发车间的投资成本。当使用过剩热量来蒸发时，因蒸发装置蒸发面积的扩大以及在温热水制备系统中一些必要的改造，例如安装蒸汽转化装置，这些都将增加投资成本，冷却系统费用也会有所不同。但是，这些成本费用是在某些特定场合下才适用，本文中不予考虑。通过比较表4中的结果能够得出以下结论：当使用过剩热量进行蒸发时，总投资成本会增加：相反，当采用沉析木素时，总投资成本会下降。
4.2生产成本及总成本
供出售的电力及木素的生产成本和利润取决于电力、木素以及CO，的设定价格。对于这些成本，制定了一个基本价格方案：购入和出售的电价为25美元/MWh，木素出售的价格为12美元/MWh（假定木素作为锅炉燃料，故其售价以发电的电价为计量单位，即美元/MWh，且锅炉燃烧效率为80%)，C02购入的价格为80美元／t。综合表5中总年度利润和表4中年度投资成本，计算了浆厂的总年度成本。如表5所示，在给定的条件下，所有浆厂的总成本基本相同。因此，从经济的角度出发，在这些条件下，浆厂采用沉析木素工艺是合理的。
4.3灵敏度分析
影响浆厂总成本主要有以下因素：木素价格、电力价格、沉析木素工艺的投资成本、C02成本以及再碱性化处理成本。对木素未来的售价尚不清楚，因此，人们关注的是木素以什么价格出售才能弥补因实施沉析木素工艺所带来的资金和运行的附加成本。
图5表明，电价为25美元/MWh及35美元/MWh时，木素售价应分别高于12美元/MWh和15—16美元/MWh，这样才能认为浆厂采用沉析木素工艺是合理的。如果沉析木素工艺的投资成本比表4中的沉析木素投资成本翻了一倍，则木素售价必须高于13～14美元/MWh。但如果不考虑C02成本，木素的售价可不超过8美元/MWh。另外，如果黑液需要经过碱性化处理，木素售价就应高于13～14美元/MWh。
图5中描述的是不包括年金系数影响下的情况。参比浆厂与1号、2号浆厂之间在总投资上的差异比生产成本的差异小。改变年金系数对总成本的差异变化影响甚小。
5、结论
如果参比浆厂的黑液中有37%的木素被沉析，则浆厂产生的剩余热能将能以沉析木素的形式输出，而不会用作冷凝式发电。对于2号浆厂，为出售剩余热能需去除50%的木素。从能量方面考虑，去除如此多的木素最重要的影响，是使得动力乎衡发生改变，在某些情况下，甚至会导致浆厂的电力不足。此外，还会导致蒸发所需的新鲜蒸汽量将增加以及碱回收锅炉负荷的降低。总之，从能量的角度考虑，沉析木素工艺是合理可行的。
还有一些技术条件对结果也有影响，需要进一步评估。主要有黑液的碱性化是否必要以及在沉析木素过程中，黑液的性能是如何变化的。
在特定的经济条件下，如果木素的价格大约为12美元/MWh时，应用沉析木素工艺的浆厂与参比浆厂的总成本相当。就目前生物质燃料的价格而言，只有木素的售价高于树皮的售价时，沉析木素工艺从经济上才具有吸引力。
木素的售价会随着经济状况的变化而改变，电价和C02成本是两个最重要的影响因素，C02成本的影响尤为突出。木素售价为12美元/MWh时，相当于约30%的利润为木素售价贡献。如果燃料气体能够代替C02气体，从而可排除C02成本，则木素的售价允许下降到9美元／MWh以下。
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