滌綸短纖維后紡能源梯級利用的清潔生產(chǎn)方案設(shè)計

陸 琪 戚雁俊

(1.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233；2.上海環(huán)科環(huán)境認證有限公司，上海200233)

清潔生產(chǎn)方案設(shè)計可從源頭上削減滌綸短纖維相關(guān)生產(chǎn)工序蒸汽和工業(yè)用水的消耗，提高蒸汽能源和水資源利用效率，達到生產(chǎn)流程節(jié)能減排、降低生產(chǎn)成本和環(huán)境友好之目的。能源梯級利用作為一種能源高效使用和節(jié)能減排的方式，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于制冷、深冷、化工、冶金等各種工業(yè)過程[1-2]。文章以滌綸短纖維后加工流程為背景，依據(jù)生產(chǎn)單元的工藝技術(shù)特點，針對蒸汽能源和水資源供給和消耗現(xiàn)狀，嘗試通過能量梯級綜合利用來降低能耗。

1 基本概念

1.1 能源梯級利用

首先，不管是一次能源還是余能資源，均可按其品位(質(zhì))高低逐級加以利用，進而提高整個系統(tǒng)的能源利用效率；其次，能源梯級利用包括按質(zhì)用能和逐級多次利用兩個方面[3]。

(1)按質(zhì)用能就是指盡可能不使高品位能源去做低質(zhì)能源可完成的工作，在一定要用高溫?zé)嵩磥砑訜釙r，也盡可能減少傳熱溫差。

(2)逐級多次利用就是指高質(zhì)能源的能量不一定要在一個設(shè)備或過程中全部用完，因為在使用高質(zhì)能源的過程中，能源的溫度是逐漸下降(即能質(zhì)下降)的，而每種設(shè)備在消耗能源時，總是處于一個最經(jīng)濟合理的使用溫度范圍。

1.2 水資源梯級利用

(1)水資源是能源的一種表現(xiàn)形式，因此能源梯級利用的概念和原理同樣適合水資源綜合利用。只是評價水資源高質(zhì)(高品位)的指標體系，主要按照水資源中所含雜質(zhì)(尤其是污染物質(zhì))的種類和數(shù)量的多少來加以區(qū)分，如通常所言的一級水質(zhì)或三類水質(zhì)等。

(2)通常的節(jié)水減排策略主要是通過直觀定性分析，往往著眼于單個工序操作或局部用水系統(tǒng)。水資源梯級利用以循環(huán)經(jīng)濟思想和工業(yè)生態(tài)學(xué)理論為指導(dǎo)，將用水系統(tǒng)作為一個有機的整體來對待，考慮如何合理分配各用水單元的水量和水質(zhì)，以使水資源的重復(fù)利用率達到最大，同時廢水的排放量減至最小[4]。

(3)水資源梯級利用不同于傳統(tǒng)意義上的污水回用，這主要是指資源利用的理念、方法和過程不同。比如污水回用是指經(jīng)二級處理和深度處理，去除對生產(chǎn)及生活有害或不利雜質(zhì)之后，重新成為可以回用于生產(chǎn)系統(tǒng)或生活設(shè)施的清潔水。顯然，梯級利用突出水資源等級，強調(diào)從高至低的梯次利用，而污水回用的特征是處理后重新使用。

1.3 滌綸短纖維分類

(1)根據(jù)滌綸短纖維原料來源和產(chǎn)品特征將其分為常規(guī)普通滌綸短纖維和再生滌綸短纖維兩大類別。普通滌綸短纖維主要是指以聚合產(chǎn)生的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)熔體為原料，通過直接紡絲，或者以PET等級產(chǎn)品粒子為原料，通過切片紡絲以及拉伸定型等后加工制得的滌綸短纖維[5]；再生滌綸短纖維主要是指以紡絲廢絲、漿塊、聚酯瓶片、滌綸布料和泡泡料等PET廢棄物為原料，經(jīng)過粉碎、清洗、混合、干燥和造粒等處理后，按照常規(guī)的生產(chǎn)加工方式，如熔融、紡絲、卷繞、集束、牽伸、卷曲、定型和切斷后形成不同長度的滌綸短纖維[6]。

(2)滌綸短纖維后加工流程涉及的能源結(jié)構(gòu)及其形式主要有：不同規(guī)格的電力、不同壓力等級的蒸汽和不同純度(或水質(zhì))的工業(yè)用水。文章基于能源梯級利用理論，研究滌綸短纖維后加工流程的清潔生產(chǎn)方案，僅指蒸汽和水兩種能源結(jié)構(gòu)及其形式。

2 設(shè)計要領(lǐng)

2.1 設(shè)計原則

以蒸汽和水資源梯級利用作為清潔生產(chǎn)方案設(shè)計目標，通過具體技術(shù)裝備的清潔生產(chǎn)審核，推進滌綸短纖維后加工流程、技術(shù)裝備和生產(chǎn)企業(yè)的能源利用水平，提高蒸汽和水資源的綜合利用效率[7-8]。

2.2 設(shè)計思路

一是依據(jù)能源梯級利用的特征，突出蒸汽能源和水資源的按質(zhì)用能，強調(diào)梯級多次利用蒸汽能源和水資源；二是新的方案應(yīng)當既能符合創(chuàng)新開發(fā)的建設(shè)高效節(jié)能環(huán)保型滌綸短纖維技術(shù)裝備，也可滿足目前正在生產(chǎn)運行之后加工流程的清潔生產(chǎn)和技術(shù)進步改造。

2.3 設(shè)計程序

(1)將滌綸短纖維后加工流程中各個生產(chǎn)單元或生產(chǎn)工序的能源使用狀況，按具體的能源品種和品質(zhì)要求細分成多個等級，為實現(xiàn)蒸汽能源和水資源利用的按質(zhì)用能和梯級利用提供基礎(chǔ)性的設(shè)計依據(jù)。

(2)依據(jù)循環(huán)經(jīng)濟理論、產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)原理及清潔生產(chǎn)要求，按照已經(jīng)確定的能源品種和品質(zhì)等級，建立一種新型的、符合生態(tài)共生的能源梯級利用設(shè)計方案或體系框架，盡量涵蓋所有生產(chǎn)單元、生產(chǎn)工序、輔助設(shè)施和生活設(shè)施。

(3)依據(jù)清潔生產(chǎn)審核及其能源平衡測試，在擴初設(shè)計階段從數(shù)量上補充和完善能源梯級利用設(shè)計方案或體系框架。

3 清潔生產(chǎn)方案設(shè)計

通過兩個典型案例來闡述能源梯級利用在滌綸短纖維后加工流程中的應(yīng)用：案例一是基于蒸汽能源的梯級利用，研究設(shè)計對象為常規(guī)普通滌綸短纖維后加工流程；案例二是基于水資源的梯級利用，研究設(shè)計對象為再生滌綸短纖維后加工流程。

3.1 蒸汽能源梯級利用

3.1.1 設(shè)計交底及先期準備

在相關(guān)生產(chǎn)單元功能描述的基礎(chǔ)上，列舉了常規(guī)普通滌綸短纖維后加工流程中，若干生產(chǎn)單元中蒸汽能源的使用和等級劃分(見表1)。

表1 部分生產(chǎn)單元蒸汽能源等級劃分

由表1可知：根據(jù)用汽要求不同，可以將生產(chǎn)單元劃分成1～5個能源等級，即依據(jù)蒸汽能源的品質(zhì)(位)和加工溫度的高低，將緊張定型1和緊張定型2生產(chǎn)單元的用能狀況劃定為1級；將蒸汽加熱箱和第三拉伸機生產(chǎn)單元的用能狀況劃定為2級；將其他生產(chǎn)單元的用能狀況依次劃定為3～5級。這意味著不同等級蒸汽能源之間存在相互共生關(guān)系，也就為常規(guī)普通滌綸短纖維后加工流程實現(xiàn)蒸汽能源的按質(zhì)用汽和梯級利用提供了基礎(chǔ)性的設(shè)計依據(jù)。

3.1.2 蒸汽能源梯級利用清潔生產(chǎn)方案設(shè)計

按照表1確定的蒸汽能源等級，建立一種新型的、符合生態(tài)共生的蒸汽能源梯級，既包括了按質(zhì)用能，也體現(xiàn)了逐級多次利用，具體如圖1所示。

圖1 蒸汽能源梯級利用清潔生產(chǎn)方案設(shè)計

(1)圖1中緊張定型1和2生產(chǎn)單元采用1.5 MPa高品質(zhì)(位)的一次蒸汽，可滿足干燥定型的加工需求；蒸汽加熱箱和第三拉伸機生產(chǎn)單元采用閃蒸的0.8 MPa副產(chǎn)蒸汽,并輔以補充的0.8 MPa一次蒸汽，可滿足噴汽加熱和拉伸干燥的加工需求；蒸汽預(yù)熱箱和卷曲輥生產(chǎn)單元采用閃蒸的0.3 MPa 副產(chǎn)蒸汽,并輔以補充的0.3 MPa一次蒸汽，可滿足噴汽加熱和卷曲輥內(nèi)熱水的加工需求；水浴槽、浸漬槽和上油槽采用閃蒸的0.3 MPa 副產(chǎn)蒸汽，滿足相應(yīng)的加工需求。

(2)圖1中實線部分是指按表1的蒸汽能源等級劃分的用能及其梯級利用；虛線部分是指可能存在的其他等級蒸汽能源的補充；點劃線部分是指上一等級的蒸汽能源也可以越級供給。

(3)圖1中閃蒸1或2是依據(jù)閃蒸原理將高壓的飽和液體部分地轉(zhuǎn)變成低壓的飽和蒸汽和飽和液體[9]。溴化鋰制冷是指以75 ℃以上的熱水作為熱源，溴化鋰水溶液為工質(zhì)的制冷技術(shù)裝備[10]。

3.1.3 構(gòu)成新的用汽平衡

圖1表征的具有創(chuàng)造性、新穎性和風(fēng)險性并舉的清潔生產(chǎn)方案[11]，應(yīng)當在擴大初步設(shè)計階段，通過蒸汽平衡測試和熱平衡計算并完善該蒸汽能源梯級利用設(shè)計方案，以此構(gòu)成常規(guī)普通滌綸短纖維后加工流程新的用汽平衡。

3.2 水資源梯級利用

3.2.1 設(shè)計交底及先期準備

(1)再生滌綸短纖維產(chǎn)品的質(zhì)量標準不同于常規(guī)普通滌綸短纖維，所以在加工技術(shù)和生產(chǎn)單元設(shè)置方面會有一些明顯的區(qū)別[6]，主要包括：不設(shè)置緊張定型加工單元、第三拉伸機工作輥筒無蒸汽加熱功能、第四拉伸機工作輥筒不通軟化水且無夾套式換熱。

(2)軟化水通常是蒸汽鍋爐的主要用水，倘若不考慮管道腐蝕等因素，蒸汽冷凝水或凝結(jié)水的水質(zhì)應(yīng)當高于軟化水，即蒸汽冷凝水中鈣、鎂離子的含量應(yīng)當?shù)陀谲浕锈}、鎂離子的含量。

(3)將再生滌綸短纖維后加工流程中各個生產(chǎn)單元或生產(chǎn)工序的水資源使用狀況，按具體的品質(zhì)要求細分為多個等級，如表2所示。

表2 部分生產(chǎn)單元水資源等級劃分

根據(jù)表2，具體的水資源等級劃分包括：蒸汽加熱箱和蒸汽預(yù)熱箱以蒸汽冷凝水為水資源介質(zhì)，劃定為1級；卷曲輥以軟化水為水資源介質(zhì)，劃定為1級；水浴槽以軟化水為水資源介質(zhì)，劃定為2級；浸漬槽、上油槽、噴油水機和原料初級清洗，分別劃定為3～4級，其中上油槽以油劑為加工介質(zhì)，其他生產(chǎn)單元則以軟化水為水資源介質(zhì)。

3.2.2 水資源梯級利用清潔生產(chǎn)方案設(shè)計

依據(jù)表2確定的水資源水質(zhì)等級，尤其是所構(gòu)成的相互共生關(guān)系，建立一種新型的、符合生態(tài)共生的水資源梯級利用清潔生產(chǎn)方案或體系框架，從而再生滌綸短纖維后加工流程實現(xiàn)水資源的按質(zhì)用水和梯級利用，具體如圖2所示。

圖2 水資源梯級利用清潔生產(chǎn)方案設(shè)計

(1)圖2采用一定溫度的蒸汽冷凝水和軟化水共同構(gòu)成再生滌綸短纖維后加工的水資源梯級利用的清潔生產(chǎn)方案設(shè)計。

(2)水浴槽等水資源的梯級利用采用直接注入式，上油槽的水資源梯級利用采用夾套式，而原料清洗則取浸漬+噴淋的組合方式。

(3)圖2中實線部分是指按表2的水資源等級劃分用能及其梯級利用；虛線部分是指一次軟化水可以對各個等級用水進行補充及其水溫調(diào)節(jié)；點劃線部分是指上一等級的水資源也可以越級供給。

(4)該清潔生產(chǎn)方案設(shè)計也體現(xiàn)了水資源梯級利用與污水處理及其回用的關(guān)聯(lián)。即水資源強調(diào)從高至低的梯次利用，而污水回用的特征是處理后重新使用，且通常是在水資源梯級利用之后進行污水處理。

3.2.3 構(gòu)成新的用汽平衡

圖2表征的清潔生產(chǎn)方案設(shè)計也應(yīng)當在擴大步初設(shè)計階段，通過水平衡測試和熱平衡計算并完善該水資源梯級利用設(shè)計方案，由此構(gòu)成再生滌綸短纖維后加工流程新的用水平衡。

4 結(jié)論

(1)若干不同用能單元，當能量等級要求不盡相同時，大都可以構(gòu)成能量梯級利用的共生關(guān)系，這是提高能源利用率的精髓所在。

(2)能源梯級利用包括按質(zhì)用能和梯級多次利用兩個方面，具體涉及水資源應(yīng)按照所含雜質(zhì)(尤其是污染物質(zhì))的種類和數(shù)量，進行按質(zhì)用能和梯級利用。

(3)對再生滌綸短纖維后加工流程水資源梯級利用清潔生產(chǎn)方案進行針對性修正或改進后，同樣適應(yīng)常規(guī)普通滌綸短纖維后加工流程。