水刺非織造布行業(yè)能耗分析及節(jié)能措施

趙杰

（上海紡織建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200042）

0 前言

根據(jù)《“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案》，到“十四五”末，全國單位GDP能源消耗將比2020年下降13.5%。合理控制能源消費(fèi)總量，健全節(jié)能減排政策機(jī)制，使得重點(diǎn)領(lǐng)域的能源利用效率和主要污染物排放控制水平基本達(dá)到國際先進(jìn)水平，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展綠色轉(zhuǎn)型取得顯著成效。紡織工業(yè)是我國傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)，同時也是能源消耗占比較大的行業(yè)，紡織行業(yè)節(jié)能減排形勢嚴(yán)峻、任務(wù)艱巨。

1 水刺非織造布行業(yè)能耗分析

非織造技術(shù)突破傳統(tǒng)的紡織原理，融合了紡織、塑料、化工和造紙等多種工業(yè)技術(shù)，充分利用現(xiàn)代物理學(xué)、化學(xué)和新材料等學(xué)科的有關(guān)知識，是諸多工業(yè)技術(shù)相互滲透結(jié)合的一門綜合學(xué)科。近年來，以針刺、紡黏、水刺工藝為代表的非織造布工業(yè)發(fā)展迅速，其中水刺法工藝是增長速度最快的非織造技術(shù)之一，但水刺非織造行業(yè)也是一個高能耗行業(yè)。

水刺非織造布工藝主要包括纖維準(zhǔn)備、梳理成網(wǎng)、水刺纏結(jié)加固、脫脂漂白、烘干，以及卷取分切階段。根據(jù)近年來所參與的水刺非織造布項目，對水刺非織造布工藝用能情況進(jìn)行了統(tǒng)計分析。在水刺非織造布生產(chǎn)過程中，水刺纏結(jié)加固階段的能耗占整個產(chǎn)線用能的40%左右，烘干階段的能耗占整個產(chǎn)線用能的45%左右。這兩個階段的用能比例與杭州蕭山航民非織造布有限公司朱立剛探索水刺法非織造布節(jié)能新思路中水刺能耗基本一致[1]。因此，水刺纏結(jié)加固和烘干階段工藝及設(shè)備的選擇以及生產(chǎn)運(yùn)行管理是水刺非織造布生產(chǎn)過程中節(jié)能降耗需要關(guān)注的重點(diǎn)。

除生產(chǎn)系統(tǒng)用能外，輔助系統(tǒng)用能也是水刺非織造布行業(yè)能源消耗不容忽視的部分。水刺非織造布行業(yè)對車間溫濕度和潔凈度等有一定的要求。為了維持廠房必須的室內(nèi)環(huán)境，空調(diào)系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)等需要常年運(yùn)行。因此，在設(shè)備選型時，應(yīng)注重設(shè)備的能效等級，在滿足生產(chǎn)需要的同時選擇高效節(jié)能設(shè)備，以減少電力消耗。同時，注重建筑保溫、隔熱、采光和通風(fēng)等方面的設(shè)計，可降低電力成本，進(jìn)而減少企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的市場競爭力。

2 水刺非織造布行業(yè)節(jié)能技術(shù)

水刺非織造布產(chǎn)品具有很大的市場潛力，有很廣闊的市場空間，采取有效措施，建設(shè)節(jié)能型非織造布工程，是促進(jìn)非織造布行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的關(guān)鍵。工程設(shè)計階段，對總平面布置、建筑設(shè)計、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝及設(shè)備的選擇及輔助工程設(shè)計方面，在符合GB 50514—2020《非織造布工程設(shè)計規(guī)范》要求的基礎(chǔ)上，要從節(jié)能設(shè)計的角度出發(fā)，避免設(shè)計出現(xiàn)方案不合理、設(shè)計缺陷等一系列問題，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

2.1 總平面布置節(jié)能

在總平面布置上，要充分考慮生產(chǎn)工藝流程和運(yùn)行管理便捷，合理設(shè)定生產(chǎn)用房、辦公用房和公用工程用房等位置，緊湊合理布局，縮短運(yùn)距，節(jié)約用地。廠區(qū)道路的設(shè)計，在滿足生產(chǎn)、生活條件的前提下，合理組織物流，避免人流和物流交叉，做到經(jīng)濟(jì)合理分流。總平面布置要考慮與周邊設(shè)施的銜接及周邊環(huán)境的影響，統(tǒng)籌安排，功能分區(qū)明確。另外，綠化植被的種植可以改善廠區(qū)的熱環(huán)境，進(jìn)而降低空調(diào)、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的電力消耗。

2.2 建筑節(jié)能

2.2.1 建筑設(shè)計

（1）平面布局

平面布局要結(jié)合生產(chǎn)工藝流程，進(jìn)行合理規(guī)劃。水刺非織造布工藝主要有纖維準(zhǔn)備、梳理和成網(wǎng)、水刺纏結(jié)加固、脫脂漂白以及烘干等。車間的布局應(yīng)結(jié)合工序流程。要考慮工序連貫，運(yùn)輸便捷，提高生產(chǎn)效率等方面合理規(guī)劃整體布局，以減少勞動力和能源的消耗。

（2）建筑朝向

建筑朝向主要影響采光、通風(fēng)等，大多數(shù)建筑采用坐北朝南形式[2]，一般朝南建筑采光通風(fēng)效果好。但在實際建設(shè)過程中，受多方面因素影響，建筑不能做到正朝南，通過結(jié)合實際情況，建筑宜選南或南偏東方向，以有效避免外墻“東西曬”現(xiàn)象。

（3）建筑體形系數(shù)

建筑體形對建筑空調(diào)和采暖耗電量有直接影響，嚴(yán)格控制建筑體形系數(shù)對建筑節(jié)能意義重大。建筑物體形系數(shù)為建筑與室外大氣接觸的外表面積與其包圍的體積之間的比值。該比值越大，就說明建筑散熱面積越大，不利于建筑節(jié)能；反之，比值越小，對建筑節(jié)能越有利。一般情況下，體形簡單且體積大的建筑有利于節(jié)能，體形復(fù)雜且體積小的建筑不利于節(jié)能。

2.2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工設(shè)計

（1）屋面

屋面設(shè)計主要考慮保溫隔熱，減少夏季室外熱量通過屋頂傳入室內(nèi)和冬季室內(nèi)熱量通過屋頂流失。屋頂構(gòu)造類型主要有正置式和倒置式，其中正置式為較傳統(tǒng)的屋面構(gòu)造，保溫層在防水層以下，保溫層吸水后大大降低了保溫隔熱性能。倒置式屋面構(gòu)造與正置式屋面構(gòu)造相反，防水層在保溫層以下。該方法防水層不會發(fā)生熱脹冷縮的情況，有效地延長了防水層的使用周期。同時，保溫層為防水層提供物理性保護(hù)，但對保溫層材料的選擇有特殊要求。因此，在設(shè)計過程中，應(yīng)綜合考慮，選擇合適的屋頂構(gòu)造形式及防水、保溫材料。

（2）外墻

外墻是建筑的主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)生產(chǎn)工藝對室內(nèi)溫濕度要求，根據(jù)項目所在地的環(huán)境條件，采取不同的方式，選擇合適的材料和構(gòu)造形式，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性能較好的前提下，盡可能降低傳熱系數(shù)。保溫層一般選用外保溫形式，避免冷凝現(xiàn)象，以延長廠房壽命周期。

（3）外窗

外窗是建筑能耗占比較大的部分，水刺非織造布行業(yè)對室內(nèi)溫濕度環(huán)境要求高，要更加嚴(yán)格把控外窗材料的選擇、開口的大小等。同時，該行業(yè)噪聲大，在玻璃的選擇上應(yīng)關(guān)注隔聲效果。外窗可選用斷熱橋鋁合金材料，玻璃選用雙層中空Low-E（低輻射）玻璃，外窗開口大小要滿足窗墻比要求，外窗間隙做好密封處理，以減少室內(nèi)外冷熱量散失。

2.3 工藝及設(shè)備節(jié)能

2.3.1 水刺工藝及設(shè)備節(jié)能

水刺法是指水經(jīng)高壓泵加壓形成高壓水流，利用高壓噴射的水流形成水針?biāo)a(chǎn)生的穿刺力，使纖維在纖網(wǎng)中互相纏結(jié)，快速成網(wǎng)。水刺階段是影響水刺非織造布性能的重要階段。水刺系統(tǒng)能耗主要來自高壓泵以及負(fù)壓的抽吸用能，壓力越大，消耗的能源越多。對于水刺非織造布而言，主刺前對纖網(wǎng)進(jìn)行預(yù)濕處理，以便水針的能量被纖網(wǎng)更好地吸收，增強(qiáng)纏結(jié)。水針能量越大，對纖網(wǎng)的穿透性就越強(qiáng)，有利于纖維的纏結(jié)和消除纖網(wǎng)的分層現(xiàn)象[3]。目前，很多企業(yè)不斷提高水刺壓力，以便纖維更好地纏結(jié)[4]。水刺壓力超過一定范圍，纖維移動加大，最終會影響纖網(wǎng)質(zhì)量[5]。實際生產(chǎn)要根據(jù)產(chǎn)品要求的不同，對纖網(wǎng)注入合適的水刺壓力。因此，選擇適合的壓力點(diǎn)不僅能得到質(zhì)量優(yōu)良的產(chǎn)品，也是降低水刺系統(tǒng)能源消耗的關(guān)鍵。

水針板的排列形式也是影響能耗的因素，水針板有單排、雙排和假雙排。一般來說，真雙排能耗加大，該類排列一般適用于網(wǎng)孔水刺布生產(chǎn)。噴水板噴空形式、水刺頭形式和水針間距等也會影響系統(tǒng)的能耗[6]。

2.3.2 烘干工藝及設(shè)備節(jié)能

在水刺非織造布烘干工藝中，一般選用熱風(fēng)穿透式烘干。烘干機(jī)主要構(gòu)件烘燥滾筒的支撐表面采用蜂窩式結(jié)構(gòu)，熱風(fēng)穿透效率有較大的提高，透氣率高達(dá)90%以上。該方式在提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)能降耗等方面體現(xiàn)出優(yōu)質(zhì)特性[7]。

烘干溫度的選擇是烘干工藝重要的工作，烘干溫度決定烘干速率。但受烘干設(shè)備和纖維原料的影響，不能無限制地提高溫度。溫度過高，纖維可能變脆、變色，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，要結(jié)合生產(chǎn)實際確定烘干溫度，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，降低能源消耗。另外，烘干前纖網(wǎng)的含水率可達(dá)90%，為了節(jié)省能源消耗，在烘干前可利用真空吸水或軋車壓軋等方式進(jìn)行脫水，以此來減少烘干工序的能耗。

2.4 輔助工程節(jié)能

2.4.1 電氣系統(tǒng)節(jié)能

電氣系統(tǒng)節(jié)能，主要包括供配電系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備選擇、照明系統(tǒng)以及建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。變電站設(shè)置從節(jié)能角度考慮，應(yīng)盡量靠近負(fù)荷中心設(shè)置，縮短供電半徑，減少線路損耗，達(dá)到節(jié)約能源的目的[8]。變壓器容量和臺數(shù)的選擇是否合理相當(dāng)關(guān)鍵。結(jié)合項目實際，合理分配負(fù)荷，選用容量與項目電力負(fù)荷相匹配的變壓器設(shè)備，以確保在高效區(qū)內(nèi)運(yùn)行。通常情況下變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)的負(fù)荷率在30%～75%，高效區(qū)是負(fù)荷率在50%～60%[9]。變壓器的效率與負(fù)荷的功率因數(shù)相關(guān)，一定負(fù)載的情況下，功率因素越高，變壓器效率越高。因此，在選擇變壓器時應(yīng)關(guān)注變壓器的負(fù)荷率，保證在效率較高負(fù)荷下運(yùn)行。變壓器宜選用低噪聲、低損耗的節(jié)能型產(chǎn)品，進(jìn)而降低空載損耗及負(fù)載損耗。

功率因數(shù)偏低會使設(shè)備本身和電網(wǎng)附加相當(dāng)大的無功電能，給設(shè)備的運(yùn)行及壽命帶來較大影響。在用戶變電所低壓配電柜內(nèi)采用電力電容器進(jìn)行集中自動補(bǔ)償，無功補(bǔ)償裝置應(yīng)具有抑制諧波和抑制涌流的功能，具有混合補(bǔ)償?shù)墓δ埽謩e采用電容集中自動補(bǔ)償，一般補(bǔ)償后功率因數(shù)要達(dá)到0.9以上。照明燈具采用電容器單燈就地補(bǔ)償或使用電子整流器等措施，以提高功率因數(shù)。

鑒于諧波分布具有多變性，同時諧波工程計算具有復(fù)雜性，設(shè)計過程中在非線性設(shè)備較多的場所，可設(shè)置有源濾波器以消除諧波危害。在電能質(zhì)量要求較高的場所，于強(qiáng)電預(yù)留的配電箱等處預(yù)留電氣綜合治理保護(hù)裝置的設(shè)置空間，以防止電壓驟降、諧波電流等對設(shè)備造成損害。在諧波源大的場所就地增設(shè)有源濾波器以消除諧波對內(nèi)部電網(wǎng)的影響。

照明燈具的選擇宜選用LED光源，廠房照明采用集中控制方式，其他區(qū)域宜采用就地控制。機(jī)電設(shè)備電動機(jī)采用高效節(jié)能產(chǎn)品，并具有節(jié)能拖動及節(jié)能控制裝置。企業(yè)宜設(shè)置建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，將生產(chǎn)系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和給排水系統(tǒng)等相關(guān)設(shè)備集中監(jiān)視、控制和管理。

2.4.2 暖通系統(tǒng)節(jié)能

暖通系統(tǒng)主要用能單元為冷源設(shè)備，空調(diào)系統(tǒng)冷源設(shè)計宜采用蒸發(fā)冷卻和水蓄冷技術(shù)等，其中蒸發(fā)冷卻技術(shù)在西北地區(qū)較適宜，水蓄冷技術(shù)在規(guī)模較小的企業(yè)或?qū)嵭蟹?、谷分時電價政策的地區(qū)較適宜。供冷方式有集中式供冷和分散式供冷。相比集中式供冷，分散式供冷可以實現(xiàn)靠近負(fù)荷中心、調(diào)節(jié)靈活、縮短供回水距離，以及減少冷量散失等優(yōu)點(diǎn)，對于車間數(shù)量較多，冷源需求點(diǎn)位多的項目，宜選用分散式供冷，采用此方式冷源系統(tǒng)能耗可降低10%以上[10]。

水泵和風(fēng)機(jī)作為暖通系統(tǒng)主要耗能設(shè)備之一，選擇高效節(jié)能型產(chǎn)品，可以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。對于紡織企業(yè)大多現(xiàn)有軸流風(fēng)機(jī)，西安工程大學(xué)趙陽等研究紡織企業(yè)風(fēng)機(jī)節(jié)能潛力分析及改建措施時，提出使用先進(jìn)翼型風(fēng)機(jī)比傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)更能提高通風(fēng)效率，同時節(jié)能降耗效果也較為顯著[11]。中原工學(xué)院楊瑞梁等研究紡織企業(yè)選用的高效冷源和節(jié)能設(shè)備，提出選用高效風(fēng)機(jī)比傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)節(jié)能10%以上。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，通常選用節(jié)能型水泵或小流量、低揚(yáng)程的水泵，配合輕泵啟動、高水位進(jìn)水等方式以實現(xiàn)節(jié)能。

水泵和風(fēng)機(jī)采用變頻控制和自控調(diào)節(jié)系統(tǒng)，PLC變頻控制可以較好地改善空調(diào)風(fēng)機(jī)僅存在高低速運(yùn)行的狀況，實現(xiàn)根據(jù)車間溫濕度控制改變送風(fēng)量，此方法下能耗也會發(fā)生較明顯變化，節(jié)能量在20%以上[10]。

為了保持廠房溫濕度要求，水刺非織造布車間空調(diào)系統(tǒng)24小時運(yùn)行?？照{(diào)水系統(tǒng)用水一般選用市政自來水，未經(jīng)處理的自來水一般硬度大，常年運(yùn)行的空調(diào)系統(tǒng)管道會結(jié)垢，甚至發(fā)生腐蝕。由于水垢導(dǎo)熱系數(shù)小，傳熱效果差，空調(diào)水系統(tǒng)管道水垢層達(dá)到一定厚度，將會導(dǎo)致冷凝溫度的上升。河南工程學(xué)院機(jī)械工程系李剛等在研究紡織廠空調(diào)節(jié)能探析中指出，冷凝溫度的上升會導(dǎo)致制冷量下降，系統(tǒng)阻力增加，能耗增加。因此，空調(diào)水系統(tǒng)水源的水質(zhì)是否達(dá)標(biāo)也將影響空調(diào)系統(tǒng)的能源利用效率[12]。

2.4.3 動力系統(tǒng)節(jié)能

動力系統(tǒng)主要是空壓系統(tǒng)，主要用能設(shè)備為空壓機(jī)。選擇空壓機(jī)的基本原則是經(jīng)濟(jì)、安全與可靠。在滿足排氣壓力和排氣量的前提下選用輸入比功率較低的設(shè)備。根據(jù)生產(chǎn)用氣需求，合理設(shè)定空壓機(jī)排氣壓力，在保證用風(fēng)量的前提下盡可能設(shè)置較低的排氣壓力，排氣壓力越低，軸功率消耗越少，節(jié)能降耗效果越優(yōu)。

采用先進(jìn)的變頻恒壓調(diào)節(jié)技術(shù)，不但能改善供氣質(zhì)量，還能降低電力消耗，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀?？諌簷C(jī)泄露問題也是一個不容忽視的問題，定期檢查系統(tǒng)漏氣與否，減少浪費(fèi)，也是一個降低電力消耗的節(jié)能措施[13]。

2.5 能源計量器具的配備及管理

能源計量器具的配置是實現(xiàn)企業(yè)進(jìn)行能源管理的重要前提。水刺非織造布行業(yè)能源消耗的種類主要有電力、蒸汽和耗能工質(zhì)水等。根據(jù)《紡織企業(yè)能源計量器具配備及管理要求》，企業(yè)的能源計量器具配備要滿足能源分類計量、能源分級考核、配備率以及準(zhǔn)確度等級等要求。能源計量器具的管理要滿足能源計量制度，能源計量人員要具備相應(yīng)的資質(zhì)。完善的能源計量系統(tǒng)可為企業(yè)能源管理提供保障。

我國現(xiàn)階段仍存在企業(yè)能源管理工作不夠仔細(xì)，能源利用效率低，能源浪費(fèi)等一系列問題。因此，提高企業(yè)用能理念，精細(xì)化管理是解決能源問題最有效的途徑。對工業(yè)企業(yè)用能進(jìn)行信息化管理是實現(xiàn)企業(yè)能源消耗精細(xì)化管理的重要手段。結(jié)合企業(yè)自身能源消耗情況，建立完善的能源管理系統(tǒng)，對企業(yè)能源及耗能工質(zhì)的消耗進(jìn)行監(jiān)測、分析，對企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降耗起到關(guān)鍵作用。

能源管理系統(tǒng)在能源供應(yīng)、調(diào)度、用能分析、成本核算等方面起著關(guān)鍵作用。西安紡織集團(tuán)有限責(zé)任公司趙小崗等利用能源管理系統(tǒng)降低紡織廠能耗成本的實踐，研究了能源管理系統(tǒng)在降低電度電費(fèi)、降低基本電費(fèi)和提高功率因數(shù)調(diào)節(jié)電費(fèi)中的作用。研究發(fā)現(xiàn)，EMS能源管理系統(tǒng)在企業(yè)能源管理中發(fā)揮重要作用，可以精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)問題，企業(yè)可以根據(jù)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)采取有效的節(jié)能措施，降低能源消耗[14]。西安紡織集團(tuán)有限責(zé)任公司趙小崗對能源監(jiān)測系統(tǒng)在棉紡廠的錯峰用電方面應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)DF8003型能源監(jiān)測系統(tǒng)對分析能源消耗和節(jié)能診斷有重要作用[15]。

3 結(jié)語

非織造產(chǎn)業(yè)是紡織行業(yè)的新興產(chǎn)業(yè)。在非織造產(chǎn)品中，水刺法產(chǎn)品增長最快，水刺非織造布在醫(yī)療、日用衛(wèi)生領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，新冠肺炎疫情以來，產(chǎn)能迅速增長。市場需求的快速增加導(dǎo)致產(chǎn)能的迅速增長，這也加劇了行業(yè)的市場競爭，因此降低能源消耗是企業(yè)降低生產(chǎn)成本的重要舉措。在滿足生產(chǎn)需求的同時，通過對廠區(qū)的總平面布置、建筑廠房設(shè)計、工藝及設(shè)備選擇、輔助工程設(shè)計、能源計量器具的配備及管理等方面采取一定的節(jié)能措施，確保了企業(yè)運(yùn)行期間高效利用各類能源及資源，可有效減少企業(yè)用能成本，提高企業(yè)競爭力。