Efektywność energetyczna tekturnicy – możliwości optymalizacji Cz. 1.

Efektywność energetyczna tekturnicy – możliwości optymalizacji Cz. 1.

MASZYNY I URZĄDZENIA
Efektywność energetyczna tekturnicy
– możliwości optymalizacji Cz. 1.
Energy Effectiveness of Corrugator – Optimization Possibilities
Herman Mensing, Stanisław K. Musielak, Aleksander Klepaczka
Pulp, paper and printing industries are among major European energy
industrial users. Their consumption of final energy (in terms of GDP)
is over 7%. A high 4th position of this industry contributes to the fact
that it is considered as one the most energy consuming industries in
Europe. However, the pulp and paper industry belongs to the group
of industries with the highest potential (about 60%) of improving the
energy efficiency.
Corrugated board is basic, very popular packaging material, although
its production process is highly energy consuming.
The purpose of the series of the articles on the corrugator operation
during corrugated board production is to present possibilities and
methods for efficient saving of heat and electric energy.
Wprowadzenie
W ostatnich latach zużycie energii (cieplnej i elektrycznej) stało
się ważnym tematem politycznym, gospodarczym oraz naukowym w wielu krajach świata. Koszty zużycia energii w procesach
produkcyjnych(stanowiące zwykle 30-40% udziału w kosztach
całkowitych) oraz skutki ekologiczne, określane np. wskaźnikami emisji CO2, zmusiły do poszukiwania energooszczędnych
technologii wytwarzania różnych produktów finalnych oraz
projektowania i użytkowania maszyn i instalacji, które powinny
charakteryzować się wskaźnikami wysokiej efektywności energetycznej. Energia jest określana jako medium, które musi być
dostępne ciągle i którego nie da się przechowywać, tak jak np.
surowce (masy celulozowe, makulatura, papier, kleje itp.).
Tektura falista należy do podstawowych i bardzo popularnych
materiałów stosowanych w produkcji opakowań, a proces jej wytwarzania należy do energochłonnych. Nawet w formie pociętych
arkuszy, znajdujących się w stosie (rys.1), w tekturze zawarta
jest energia cieplna, która jest bezpowrotnie tracona.
H. Mensing, S.K. Musielak – BHS-Corrugated .Maschinen und Anlagenbau
GmBH, Weiherhammer; A. Klepaczka – Instytut Papiernictwa i Poligrafii,
Politechnika Łódzka
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 68 · MAJ 2012
Rys. 1. Rozkład temperatury w stosie pociętych arkuszy tektury falistej
Rys. 2. Udziały zużycia różnych materiałów w produkcji opakowań
Udział tektury falistej w produkcji opakowań transportowych
jest największy w porównaniu z innymi materiałami (rys. 2). Do
podstawowych jej odbiorców należą: przemysł spożywczy (ponad 30%), przemysł chemiczny (prawie 10%) oraz elektryczny
(6%). Tendencja popytu na tekturę falistą jest ciagle rosnąca (1),
co oznacza, że zużycie energii w procesach wytwarzania tektury
będzie coraz większe. W czasach gdy ceny energii rosną, a jedno-
285
MASZYNY I URZĄDZENIA
Rys. 3. Podstawowe zespoły tekturnicy
Część „mokrą” stanowią odpowiednio:
- Odwijaki zwojów – Roll Stand RS-V,
- Splicery – Splicer SP-M,
- Sklejarki pojedyńcze – Modul (Mono) Facer MF-B,
- Most magazynowy – Bridge Construction BC,
- Podgrzewacz potrójny – Preheater PH-M,
- Sklejarka podwójna – Glue Unit GU-M,
- Część susząca (stół suszacy) – Double Facer DF-S.
Natomiast do części „suchej” zalicza się:
- Przekrawacz pomocniczy – Rotary Shear KQ-M,
- Krajarko-nagniatarkę – Slitter Scorer SR-V,
- Przekrawacz poprzeczny – High-Speed-Cutoff HQ-M,
- Składarkę – odbiór arkuszy Automatic Stacker AS-M,
- Oddzielacz wstęgi – Veb Diverter.
Rys. 4. Podstawowe składniki struktury kosztów tektury
cześnie zasoby jej maleją, istotnym zadaniem
jest poszukiwanie i wdrażanie do procesów
produkcyjnych nowych-energooszczednych
rozwiązań, umożliwiających uzyskiwanie
oczekiwanych, wysokich wskaźników efektywności energetycznej.
Tektura jest wytwarzana w procesie technologicznym realizowanym kompleksowo na
maszynie nazywanej powszechnie tekturnicą
.Typowa tekturnica jest zespołem kilkunastu
funkcjonujących wspólnie jednostek, stanowiących określony system modularny.
Stosowane są powszechnie, określane jako
„typowe” szerokości tekturnic: 2500, 2800 i 3300 mm, a ich
prędkości osiągają wartości do 400 m/min .
Tekturnica jest systemem złożonym z dwóch wydzielonych
części (2) – „mokrej” (Wet-End) i „suchej”(Dry-End).
Schemat takiego systemu przedstawiono na rysunku 3.
W tak zbudowanym systemie technologicznym oszczędzanie
energii cieplnej i elektrycznej jest zadaniem możliwym do zrealizowania, ale nie może się odbywać kosztem założonej wydajności
procesu oraz jakości produkowanej tektury. Poszukiwane są
kierunki i sposoby oszczędności surowców włóknistych, np.
poprzez stosowanie niskogramaturowych papierów do wytwarzania tektur falistych. Ceny papierów są bowiem decydujące
w strukturze kosztów produkcji tektur falistych, co przedstawiono
na rysunku 4 (3).
Jednostkowe ceny nośników energii, pary wodnej i prądu,są
zdecydowanie niższe, ale wciąż rosną i są przedmiotem wielu
badań zmierzających do obniżenia energochłonności procesu
wytwarzania tektury falistej. Prowadzone były np. badania
zużycia energii przez tekturnicę w przypadku różnych rodzajów
fali (geometrii wałów rowkowanych) dla warstwy pofalowanej
tektury i dla różnych prędkości tekturnicy. Badano również wpływ
warunków i parametrów sklejania warstw, a także suszenia na
płytach grzewczych stołu suszącego.
Autorzy pragną przekazać Czytelnikom PP wyniki dotychczasowych analiz, badań i swoich doświadczeń w zakresie możliwości i sposobów oszczędności energii w wytwarzaniu tektury
falistej. Przedstawią również tematykę dotyczącą występowania
tzw.” harmonicznych” w sieci elektrycznej oraz zagadnienie
mocy biernej oraz możliwości kompensacji tych negatywnych
czynników.
Związek między zużyciem energii i jakością
produkcji tektury falistej – kierunki optymalizacji
procesu
Rys. 5. Zależność wskaźnika CMT (Concora-Medium-Test) od temperatury
procesu zaklejania i rodzaju fali w warstwie pofalowanej (6)
286
Oszczędzanie energii cieplnej
Energia cieplna stanowi dominujący udział i znaczenie w procesie produkcyjnym tektury falistej. Jest niezbędna w procesach
zaklejania i usuwania wody z utworzonej, wielowarstwowej
struktury włóknistej. Zużycie energii cieplnej ma ścisły związek
z przebiegiem procesu klejenia, a jednocześnie wpływa na jakość
produkowanej tektury (4).
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 68 · MAJ 2012
MASZYNY I URZĄDZENIA
Zbyt wysoka ilość dozowanego kleju powoduje konieczność zastosowania wyższych
temperatur wałów sklejarek, co może wpłynąć
na pogorszenie jakości spoin klejowych jak
i wywołać niekorzystne zmiany na powierzchni
tektury (tzw. „efekt tarki”) (5).
Za mała ilość kleju i podwyższone temperatury procesu prowadzą do przesuszania
tektury.
Rys. 6. Struktura zużycia energii cieplnej w tekturnicy przed optymalizacją procesu
Nadmiar dozowanego kleju i obniżone
Gramatury papierów: warstwa pokrycia – 125 g/m2, fluting – 90 g/m2,warstwy spodu – 250253 g/m2.
temperatury prowadzą do uzyskiwania wilWilgotności i temperatury początkowe warstw: 6-8%, 20-35°C, (stół suszący 1000C).
gotnej tektury i pojawiania się „białych linii
Temperatura warstw po podgrzaniu: 80-110°C,(spoina klejowa 70°C, stół suszący 1300C).
klejowych”.
Temperatura, stężenie i ilość nanoszonego kleju: 35°C, 24%, 4 g/m2.
Za mała ilość kleju, w połączeniu z niskimi
temperaturami prowadzi do słabych połączeń
klejowych, co jest powodem niskich parametrów wytrzymałościowych tektury falistej.
Przykład takiej zależności przedstawiono na
rysunku 5. Wartości wskaźnika CMT (ConcoraMedium-Test) są największe dla temperatury
Rys. 6. Struktura zużycia energii cieplnej w tekturnicy przed optymalizacją procesu
ok. 150°C i maleją przy stosowaniu w zaklejaniu temperatur mniejszych lub większych
od tej wartości (6, 7). Wskaźnik CMT zależy
Rys. 7. Struktura zużycia energii cieplnej w tekturnicy po optymalizacji procesu zaklejania
również od rodzaju fali (geometrii wałów
rowkowanych).
W celu uzyskania dobrych i oczekiwanych wskaźników jakości
zmalało o ok. 12%, tj. do poziomu D2 = 4973 kg/h, a zużycie
produkowanej tektury wymagane jest więc sterowanie procejednostkowe wyniosło d2=0,118 kg/m2 (8). Wartości gramatur
sem zaklejania i suszenia spoin klejowych, tak aby uzyskiwane
papierów, ich wilgotności i temperatury były porównywalne.
wartości wskaźników były utrzymywane na oczekiwanym poStrukturę zużycia pary w tekturnicy po optymalizacji procesu
ziomie. Otymalizacja procesu powinna odbywać się w sposób
klejenia przedstawiono na rysunku 7.
zrównoważony i ostrożny, przy założeniu zużycia zarówno małej
Ilość (gramaturę) naniesionego kleju obniżono do 3 g/m2,
ilości kleju jak i małej ilości energii. Przeprowadzanie procesu
pozostałe parametry technologiczne nie uległy zmianie. Zużycie
w sposób zbyt gwałtowny może doprowadzić do pogorszeń
pary zmalało o 12%.
jakości wyrobu finalnego.
System energetyczny tekturnicy
Właściwa optymalizacja polega na takim doborze temperatur,
– połączenie z kotłownią
aby zapewniły one uzyskanie możliwie najlepszych wskaźników
jakości produktu. Powstaje jednoczesnie pytanie – ile energii
Oszczędności energii cieplnej w procesie wytwarzania tektury
należy zużyć w procesie i czy możliwa jest jej oszczędność
falistej uzależnione są w dużej mierze od systemu cieplnego, tj.
równoznaczna z efektywnością energetyczą?
parowo-kondensatowego tekturnicy, do którego zaliczana jest
Dla uzyskania odpowiedzi na to pytanie niezbędne są podstarównież kotłownia, stanowiąca oddział wytwarzania pary wodnej
wowe obliczenia zużycia ciepła i pary przez poszczególne zespoły
i odbioru kondensatu wracającego z odbiorników energii.
tekturnicy. Wykonane zostały przykładowo dla tekturnicy BHS
Od stanu technicznego urzadzeń kotłowni, rodzaju stosowaneo prędkośći roboczej 250 m/min, szerokości 2,8m i wydajności
go paliwa oraz formy obiegów i parametrów termodynamicznych
42 000 m2 /h. Uwzględniono gramatury i wilgotności poszczezależy jej sprawność energetyczna. W kotłowniach o przestarzałej
gólnych warstw tektury oraz ilości dozowanego kleju i wartości
konstrukcji, niewłasciwych wskaźnikach eksploatacji mogą
stosowanych temperatur w procesach podgrzewania, zaklejania
występować znaczne straty energii zanim zostanie ona przei suszenia tektury. Wyniki przedstawiono na rysunku 6.
kazana do tekturnicy dla potrzeb realizacji właściwego procesu
Z przedstawionych danych wynika m.in., że całkowite zużycie
technologicznego.
pary przez tekturnicę wynosiło D1=5657 kg/h, a w przeliczeniu
W nowoczesnych systemach kotłowych osiagane są sprawnona 1 m2 wyprodukowanej tektury pięciowarstwowej wskaźnik
ści energetyczne ok. 90 %, w zależności od obciążenia kotłowni
jednostkowego zużycia pary był równy d1=0,135 kg/m2.
(9). Większe wartości wskaźników oszczędności energii można
W przypadku obniżenia ilości (gramatury) nanoszonego kleju
osiągnąć, jeżeli powracające z odbiorników ciepła strumienie
z 4 g/m² do 3 g/m² całkowite zużycie pary przez tekturnicę
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 68 · MAJ 2012
287
MASZYNY I URZĄDZENIA
Rys. 8. Schemat ideowy nowoczesnego systemu cieplnego skojarzonego z tekturnicą. Zastosowanie „ekonomizerów” (ECO) w strumieniu odlatujących spalin znacznie zwiększa sprawność energetyczną systemu
kotłowego
Rys. 9. Nowoczesne walce rowkowane tekturnicy i system peryferyjnego
ogrzewania parą wodną
Efektywność funkcjonowania układu, jak na rysunku 8, zależy
od wielu czynników, np. stanu i struktury geometrycznej budynków, temperatury otoczenia, wskaźników obciążenia kotła oraz
zastosowania funkcjonalnych systemów kontrolno-pomiarowych.
Dobrze działające systemy regulacyjne umożliwiają uzyskanie
szczególnie wysokich współczynników sprawności, w dużym
zakresie zmian parametrów funkcjonowania skojarzonego
układu kotłownia – tekturnica. Stosowane w praktyce modele
optymalizacyjne zależą jednak od przypadków indywidualnych,
jednakże nakłady inwestycyjne zwracają się w stosunkowo
krótkim okresie.
Do instalacji parowo-kondensatowej tekturnicy, oprócz kotłowni zaliczane są również inne urządzenia, a w szczególności:
- wymienniki ciepła,
- walce rowkowane,
- podgrzewacze,
- płyty grzewcze stołu suszącego.
Są to podzespoły złożonego systemu cieplnego i muszą w tym
kompleksowym systemie współdziałać ze sobą efektywnie.
Zastosowanie peryferyjnych otworów w walcach rowkowanych
(rys. 9), nawet przy minimalnym przepływie pary, zapewnia bardzo efektywny wpływ na wymianę ciepła i umożliwia elastyczne
dopasowanie się do wymaganego- optymalnego zużycia energii
cieplnej przez tekturnicę. Jest to szczególnie istotne w przypadkach stosowania niskich temperatur i wymagań, aby pobór energii
w całym zakresie prędkości roboczej tekturnicy był równomierny.
Jest to jeden z podstawowych warunków niskiego zużycia kleju
w sklejarkach pojedynczych i podwójnych.
Na rysunku 10 pokazano przykład rozwiązania stołu suszącego
tekturnicy, w którym zastosowano płyty grzewcze wykonane
z materiału o zmniejszonym współczynniku tarcia. Zapewnia
on obniżenie mocy do napędu i obniżenie wskaźników zużycia
energii elektrycznej przez tekturnicę. Jest to jedyna na świecie
konstrukcja firmy BHS sprawdzona w tekturnicy zainstalowanej
w Japonii. Rozwiązanie jest określane jako „drogie, ale obiecujące” i poddane optymalizowaniu.
Literatura
Rys. 10. Widok stołu suszącego tekturnicy z płytami grzewczymi o niskim
współczynniku tarcia powierzchni roboczej
kondesatu zostaną skierowane np. do układu wymienników ciepła
zastosowanych w tzw. „dwubiegowym” systemie grzewczym.
Wykorzystanie spalin odlotowych z kotła do podgrzewania
dodatkowych- uzupełniających bilans - strumieni wody technologicznej, bądź wody stosowanej do ogrzewania hal produkcyjnych
oraz podgrzewania kondensatu wracającego z tekturnicy, umozliwia uzyskanie sprawności energetycznej w zakresie 95-96%,
co pokazano na rysunku 8 (10).
Poprzez zastosowanie układu z wymiennikami ciepła i systemami chłodniczymi można w systemie kotłowni zaoszczędzić
ok. 10% energii.
288
1. Transportverpackungen.Quelle: VDW. 2011.
2. Ciechanowski P., Klepaczka A.: „Najnowsze rozwiązania techniczne
w tekturnicach”.Cz. 1-3, Przegl. Papiern. 64, nr 2, 4, 6, s. 69, 183, 309
(2008).
3. Mesing H. : „Energie und Qualität an der WPA“. VDW Düsseldorf Nov.
2009.
4. Mesing H.: „ Energie und Leimprozess“. Materiały własne. 2009.
5. Gooren L.G.J.: Creasing behaviour of corrugated board”. www.mate.tue.
nl/mate/pdfs/6342.pdf.
6. Flachstauchwiderstand. http://de.wikipedia.org/wiki/Flachstauchwiderstand.
7. Wikipedia. Wytrzymałość materiałów /pl.wikipedia.org/wiki/.
8. Mensing H.: Materiały własne: „Obliczenia zużycia energi cieplnej tekturnicy”, BHS 2009/2010.
9. „Kotły przemysłowe parowe”, „Loos International”, www.loos.pl/aktualnosci/foldery/parowe1.pdf.
10. http//www.netinform.de/GW/files/pdf/BAYRAY_Energiesparbroschuere.
pdf.
PRZEGLĄD PAPIERNICZY · 68 · MAJ 2012