化纖長絲設(shè)備中節(jié)能環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用

毛育博

摘要：本文介紹了節(jié)能環(huán)保技術(shù)在化纖長絲設(shè)備的使用。通過對比的方法分析了不同結(jié)構(gòu)的紡絲箱、冷卻裝置和加熱系統(tǒng)的特點(diǎn)和節(jié)能減排效果，又從低碳循環(huán)利用的角度介紹了單體抽吸裝置和油劑回收系統(tǒng)。

Abstract： This paper introduces the use of energy saving and environmentally friendly technologies in chemical fiber filament equipment. The characteristics of the spinning box， cooling device and heating system with different structures and energy saving and emission reduction effects were analyzed by contrast method. The monomer suction device and oil recovery system were introduced from the perspective of low carbon recycling.

關(guān)鍵詞：節(jié)能減排;紡絲箱;冷卻裝置;聯(lián)苯;導(dǎo)熱油;單體抽吸;油劑回收

Key words： energy saving and emission reduction;spinning box;cooling device;biphenyl;heat transfer oil;monomer suction;oil recovery

中圖分類號：TH122? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）24-0191-03

0? 引言

在能源日趨緊張，環(huán)境日益惡化的今天，推動“節(jié)能減排”政策落實(shí)顯得尤為重要，低碳循環(huán)、治污減排是未來環(huán)境政策的基調(diào)，所以節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品必然受到越來越多客戶的青睞。化纖紡織業(yè)一直是高耗能、高污染行業(yè)，隨著國家環(huán)保政策的要求和企業(yè)降低成本、改善生產(chǎn)環(huán)境的內(nèi)在需求，化纖廠家必然要從能源、設(shè)備、工程、工藝多方面綜合考慮節(jié)能減排的實(shí)施。

化纖熔融紡絲的過程主要就是原料的熔化、熔體分配、成型、冷卻、上油、牽伸、卷繞。在此過程需要耗費(fèi)大量水電氣能源，并制造大量污水廢氣廢絲。本文主要從實(shí)際使用生產(chǎn)設(shè)備中部分節(jié)能環(huán)保技術(shù)做了介紹。

1? 節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

1.1 紡絲箱體

紡絲箱體是紡絲熔體分配單元，如果把該單元作為獨(dú)立分析模塊，則紡絲箱體從熱媒吸收總熱量等于熔體從紡絲箱體吸收熱量加上紡絲箱體向空氣散失熱量，即：

QI=QO+QS

式中：QI-紡絲箱體從熱媒吸收總熱量（W）;QO-熔體從紡絲箱體吸收熱量（W）;QS-紡絲箱體向空氣散失熱量（W）。一般情況QO為固定值，則紡絲箱體節(jié)能水平取決于向空氣散失熱量。紡絲箱體向空氣散失熱量計(jì)算公式如下：

QS=KSi（TW-TC）

式中：K-傳熱系數(shù)（W/m2·K）;Si-箱體外表面積（m2）;TW-箱體保溫外表面溫度（K）;TC-環(huán)境溫度（K）。

根據(jù)公式，設(shè)備節(jié)約能量的方法可以從減小箱體外表面積、增加保溫效果和減少溫度差方面考慮?？紤]到保溫材料和環(huán)境溫度可調(diào)節(jié)余量不大，節(jié)能技術(shù)改進(jìn)只能在紡絲箱體結(jié)構(gòu)入手。

幾種紡絲箱體結(jié)構(gòu)如圖1所示，依次為普通矩形箱體、節(jié)能矩形箱體、節(jié)能圓形箱體。

在同樣規(guī)格組件、計(jì)量泵和紡絲頭數(shù)情況下，通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布置和外部箱殼的形狀改變可以減少箱體外表面積，根據(jù)計(jì)算和實(shí)踐驗(yàn)證節(jié)能矩形箱體和節(jié)能圓形箱體節(jié)能效果分別為15%和25%左右。另外紡絲箱體雖然屬于壓力容器，但結(jié)構(gòu)與受力非常復(fù)雜，GB150《壓力容器》中非圓形容器計(jì)算公式并不適用。北京中麗制機(jī)公司一般選用企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《化纖紡絲機(jī)紡絲箱》中相關(guān)規(guī)定計(jì)算矩形紡絲箱殼體厚度，計(jì)算公式如下：

式中：Da-任意三點(diǎn)支撐所作無支撐圓最大圓直徑平均值（mm）;C-支撐系數(shù);PC-計(jì)算壓力（MPa）;[σ]t-材料設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力（MPa）;？覫-焊接系數(shù)。

矩形箱體端板厚度可根據(jù)GB150《壓力容器》中非圓形平蓋公式計(jì)算。

圓形箱體受力不同于矩形箱體，也不同于GB150《壓力容器》中圓筒的計(jì)算公式，并無可用公式。只能利用有限元分析方法，并根據(jù)JB4732《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中提供的失效準(zhǔn)則進(jìn)行強(qiáng)度評定。經(jīng)ANSYS有限元分析軟件分析，圓形箱體在受力上要優(yōu)于矩形箱體，殼體厚度可以減少25%。所以圓形箱體無論在能耗方面還是制造成本上都要優(yōu)于矩形箱體。

1.2 冷卻裝置

絲束的冷卻是熔體固化結(jié)晶的過程，這個(gè)過程需要耗費(fèi)大量電能。冷卻空調(diào)風(fēng)耗費(fèi)制冷量占整個(gè)前紡所需制冷量2/3。一般化纖長絲需要一定風(fēng)速、風(fēng)溫、相對濕度的空調(diào)風(fēng)下進(jìn)行冷卻，三個(gè)參數(shù)中，以風(fēng)速對纖維成型影響最大。風(fēng)速的分布要求橫向上風(fēng)速保持一致，縱向上風(fēng)速分布合理。現(xiàn)在常用的冷卻裝置分為側(cè)吹風(fēng)-冷卻風(fēng)經(jīng)過濾整流后從絲束的一端向另一端運(yùn)動。風(fēng)速低時(shí)，風(fēng)的穿透力不夠，出風(fēng)近端與遠(yuǎn)端絲冷卻效果差異較大。風(fēng)速高時(shí)，容易形成湍流風(fēng)，嚴(yán)重影響絲的性能;外環(huán)吹風(fēng)-噴絲板中心區(qū)域空白，噴絲孔圓周排列，冷卻風(fēng)從絲束的四周向絲束中心運(yùn)動，絲束向噴絲板中心處靠攏，風(fēng)穿透距離縮短，靠近絲束中心處換熱效果稍差;中心環(huán)吹-噴絲孔排列與外環(huán)吹相近，冷卻風(fēng)從絲束中心向絲束四周運(yùn)動，絲束向四周飄散，散熱效果更好，缺點(diǎn)是受環(huán)境風(fēng)影響較大。三種不同冷卻裝如圖2所示。

以常規(guī)滌綸POY品種75-150D/144-288f，8頭Ф95噴絲板面為例計(jì)算在不同冷卻裝置下的耗風(fēng)量。

側(cè)吹風(fēng)風(fēng)窗面積：1000mmW×1400mmH;

外環(huán)吹風(fēng)筒規(guī)格：Ф90mm×160mmH;

內(nèi)環(huán)吹風(fēng)筒規(guī)格：Ф40mm×280mmH;

冷卻風(fēng)耗用量=風(fēng)速×吹風(fēng)面積;

側(cè)吹風(fēng)風(fēng)量=0.4m/s×1m×1.4m=0.56m3/s;

外環(huán)吹風(fēng)量=0.4m/s×π×0.09m×0.16×8頭=0.144m3/s;

中心環(huán)吹風(fēng)=0.4m/s×π×0.04m×0.28×8頭=0.112m3/s。

通過以上計(jì)算和實(shí)踐驗(yàn)證，外環(huán)吹和中心環(huán)吹提高了纖維的熱交換效率，在耗風(fēng)量方面分別是側(cè)吹風(fēng)的25%和20%，而且在絲束的指標(biāo)不勻率等方面有了很大提高。

2? 環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用

2.1 加熱系統(tǒng)

傳統(tǒng)化纖長絲加熱介質(zhì)為聯(lián)苯及聯(lián)苯醚混合物，沸點(diǎn)255℃，工作時(shí)氣液兩相并存，通過聯(lián)苯溫度差自然循環(huán)。聯(lián)苯及聯(lián)苯醚混合物屬于低毒易爆有刺激性氣味介質(zhì)，閃點(diǎn)115℃，稍有泄露，容易引起火災(zāi)爆炸。工作溫度300℃時(shí)工作壓力為0.2MPa，屬于II類壓力容器，對壓力容器的設(shè)計(jì)制造都提出很高的要求。

現(xiàn)在導(dǎo)熱油作為一種優(yōu)良的傳熱介質(zhì)也開始用于化纖紡絲。導(dǎo)熱油幾乎可以在常壓下運(yùn)行，減少了泄露的風(fēng)險(xiǎn)。它溫控范圍廣、溫控精準(zhǔn)、無毒無污染、安全高效。紡絲常用的高溫導(dǎo)熱油成分為改性三聯(lián)苯，沸點(diǎn)392℃，最高工作溫度可達(dá)345℃，液相常壓或低壓運(yùn)行，傳熱較聯(lián)苯更加穩(wěn)定均勻，進(jìn)出口溫差20-30℃，對于溫度控制要求精準(zhǔn)的化纖紡絲是非常好的選擇。另外低溫導(dǎo)熱油加熱介質(zhì)低溫流動性非常好，可以實(shí)現(xiàn)紡絲溫度在為200℃以下低熔點(diǎn)纖維紡絲。

兩種加熱介質(zhì)工作原理圖如圖3所示。

聯(lián)苯加熱系統(tǒng)一般由聯(lián)苯蒸汽加熱器、被加熱設(shè)備、冷凝罐、管道等組成。聯(lián)苯加熱器由電加熱棒加熱，分為基本加熱、輔助加熱和調(diào)節(jié)加熱。聯(lián)苯達(dá)到沸點(diǎn)后汽化沿管道進(jìn)入紡絲箱等被加熱設(shè)備，部分汽化聯(lián)苯釋放潛熱后冷凝成液體后回到聯(lián)苯加熱器，其余聯(lián)苯蒸汽繼續(xù)沿管道前行進(jìn)入冷凝罐冷凝后回到加熱器。管道中為聯(lián)苯汽體、聯(lián)苯液體、空氣的混合物，加熱不夠穩(wěn)定。

導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)一般由導(dǎo)熱油加熱器、被加熱設(shè)備、循環(huán)泵、過濾器、膨脹罐、冷凝罐等組成。導(dǎo)熱油的加熱爐可以由電加熱棒加熱-成本與聯(lián)苯加熱相當(dāng)，也可以由燃?xì)狻⑷加突蛩疵杭訜?成本降低。導(dǎo)熱油的循環(huán)靠循環(huán)泵強(qiáng)制流動，可以提高換熱效率，也可以防止導(dǎo)熱油流速過低在加熱裝置上結(jié)焦。高溫導(dǎo)熱油進(jìn)入紡絲箱體進(jìn)行熱交換后，低溫導(dǎo)熱油經(jīng)過濾器返回加熱爐。過濾器可以濾去高溫運(yùn)行形成的殘?jiān)乐闺s質(zhì)進(jìn)入加熱器內(nèi)。膨脹罐內(nèi)一般存儲1/3高度導(dǎo)熱油可以保證系統(tǒng)內(nèi)油量充盈并能夠調(diào)節(jié)導(dǎo)熱油高溫膨脹引起的體積變化。另外系統(tǒng)中長期運(yùn)行的導(dǎo)熱油介質(zhì)在高溫下會產(chǎn)生低組分裂解氣也可由膨脹罐溢出并經(jīng)冷凝罐排至遠(yuǎn)離人和火源的安全區(qū)。膨脹罐一般在系統(tǒng)最高點(diǎn)，惰性氣體密封，防止導(dǎo)熱油氧化。通過比較，導(dǎo)熱油系統(tǒng)與聯(lián)苯系統(tǒng)相比并不復(fù)雜，設(shè)備投入價(jià)格不高，使用上更加安全環(huán)保，加熱成本上也可以更低。

2.2 單體抽吸裝置

在錦綸紡絲過程中，由于聚酰胺的聚合是可逆平衡過程，在紡絲過程會有一些白色己內(nèi)酰胺單體析出。單體容易造成噴絲板面污染，堵塞噴絲孔，造成絲束斷頭。同時(shí)單體與高熱、明火接觸有引起燃燒的危險(xiǎn)，高熱分解的有毒氮氧化物對人體健康也有一定危害。己內(nèi)酰胺單體易溶于水，可回收再利用。另外還要防止錦綸熔體的突然冷卻，造成大分子鍵交纏，造成初生纖維的內(nèi)外結(jié)構(gòu)不一，進(jìn)而影響拉伸倍數(shù)，最終影響成品絲強(qiáng)度。由于上述原因，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了如圖4所示裝置。

在噴絲板下方設(shè)有過熱蒸汽裝置。過熱蒸汽由蒸汽管路中0.01MPa的蒸汽經(jīng)紡絲箱加熱形成，可以向噴絲板下方均勻地噴射，稀釋析出的己內(nèi)酰胺單體。過蒸汽裝置下方設(shè)有電加熱緩冷器裝置，有效的保護(hù)噴絲板表面溫度，使得熔體在280-320℃下保留一段時(shí)間。緩冷器前端安裝單體抽吸裝置，由噴水裝置形成的0.2MPa負(fù)壓將單體、蒸汽和水的混合物吸出，由水吸收后進(jìn)入蒸餾設(shè)備蒸餾進(jìn)行回收再利用。通過以上的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，很好的將紡絲工藝與環(huán)保節(jié)能要求相結(jié)合。

2.3 油劑回收系統(tǒng)

在紡絲時(shí)，為了減小絲束的摩擦力、消除靜電、增加絲束的抱合力，需要對絲束進(jìn)行上油處理。紡絲油劑一般由潤滑劑、抗靜電劑和乳化劑等組成，可以根據(jù)紡絲工藝和紡絲品種要求選擇原液上油，或與水調(diào)配后使用。上油方式可以選擇油嘴上油、油輪上油或者油唇上油。油嘴上油時(shí)，紡絲速度高，單絲纖度小，油劑泵精確控制油嘴的供給量，回油槽中基本沒有多余的油劑。使用其它兩種上油方式時(shí)，絲束經(jīng)過掛滿油劑的油輪或油唇切線，上油率比較均勻，但會產(chǎn)生多余油劑在回油槽中。紡絲油劑如果直接排放會污染環(huán)境，并且紡絲油劑價(jià)格較高會增加紡絲成本。因此在油輪和油唇上油系統(tǒng)中增加一套油劑回收系統(tǒng)是必要的，原理圖如圖5所示。

多余油劑由回油槽中流入沉淀池進(jìn)行沉淀。沉淀的雜質(zhì)定期排放，經(jīng)過沉淀的返回油劑進(jìn)入儲油槽，經(jīng)過40目過濾網(wǎng)過濾后再進(jìn)行冷卻或加熱-由紡絲工藝決定，再經(jīng)過過濾網(wǎng)二次過濾后達(dá)到使用條件，由循環(huán)泵輸送至供油槽。通過以上油劑回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了油劑的循環(huán)回收利用，環(huán)保節(jié)約。

3? 結(jié)束語

化纖紡絲生產(chǎn)過程還有很多可以利用的節(jié)能減排的技術(shù)方法，比如利用二次熱媒的加熱系統(tǒng);新保溫材料和結(jié)構(gòu)的使用;冷凍水的來源利用深井水等。但要實(shí)現(xiàn)重大節(jié)能減排還是需要采用新工藝、新技術(shù)、新材料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式。比如建立原液著色體系可以做到真正的低能耗、零排放，低溫紡絲技術(shù)的發(fā)展可以大幅度降低紡絲設(shè)備制造成本和使用成本等等。

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