聚酰胺聚合及紡絲一體化低碳技術研究

劉迪+李德和

摘要：為踐行節能低碳的國家發展戰略，北京三聯虹普公司開發了系列化的聚酰胺聚合及紡絲一體化技術，并實現了工業化生產。本文就該技術的原理、關鍵技術、工藝流程、減碳技術指標及技術現狀等進行了分析，并闡述了聚酰胺聚合中己內酰胺回收利用技術和聚酰胺24頭高速紡高效減碳技術在行業中的推廣必要性。

關鍵詞：聚酰胺；一體化技術；低碳；聚合；紡絲

中圖分類號：TQ340.63；TQ340.64；TQ342+.11 文獻標志碼：B

Research of Low-carbon Integration Technology of Polyamide Polymerization and Filament Spinning

Abstract： Low-carbon technology is more and more important in recent years. In order to implement the national low-carbon policy， Beijing Sanlian Hope Shin-Gosen Technical Service Co.，Ltd. explore a series of technologies including polyamide polymerization and filament spinning technologies， and all these technologies are used in industry production. This article introduces the principle， key technologies， process， low carbon technical index and operation status of the integration technology， and presents the importance of its promotion in chemical fiber industry.

Key words： polyamide； integration technology； low-carbon； polymerization； filament spinning

由于PA6纖維具有吸濕、彈性、耐磨及親膚等特性，是合成纖維中與棉花親膚性最為接近的品種之一，在棉花產量缺口日趨加大的嚴峻形勢下，大力發展PA6纖維對紡織原料的供給具有實際意義。然而化纖生產中，大量的電能消耗造成了能源的巨大浪費，針對這一現狀，北京三聯虹普新合纖技術服務股份有限公司（以下簡稱“三聯虹普”）進行了PA生產中減碳系列技術的整體攻關，開創了新一代己內酰胺（CPL）回收利用及24頭聚酰胺高速紡絲全套技術，減碳量可達30%～40%。

1一體化技術的可行性

1.1PA聚合中CPL的回收利用技術

1.1.1技術原理

目前國內已有小型CPL回收技術普遍存在回收率低、單耗高、低聚物無法回收、殘渣多等問題，為此，三聯虹普開發出以三效蒸發、齊聚物分離、解聚為一體的CPL單體全回收技術。

項目研究中，根據低聚物與水在物理特性上的差異，以串級三效蒸發為基礎，開發出高效的低聚物分離工藝。該工藝主要包括3個階段：（1）首先通過三效蒸發流程，將濃度為10%的萃取水濃縮至80%以上的濃度；（2）然后將其送入特殊設計的齊聚物分離和解聚反應器，在合適工藝條件下，多聚體（如二聚體、三聚體等）、環聚體、齊聚物等低分子物發生解聚；（3）最后回收得到的CPL再送回聚合反應器，以此實現循環利用，達到全回用的目的。

回收的CPL完全達到新鮮CPL品質，保證了參加聚合反應原料的質量，實現了CPL單耗的大幅降低，每千克產品的CPL單耗由常規小聚合的1.040kg降至1.001kg。比如，對年產7萬t的生產線，該技術每年可節約新鮮CPL約2800t，顯著降低了原料成本，由于回收效率高，固體殘渣物的損失幾乎可以忽略不計，采用該工藝的綜合減碳量可達30%以上。

1.1.2關鍵技術及工藝流程

該項目CPL全回收利用技術中，首先將含CPL和低聚物濃度約10%的萃取水，泵送至回收工序。回收工序包括三效蒸發、濃縮液中間貯罐和齊聚物分離和解聚反應器等。其中三效蒸發包括一效蒸發器組、二效蒸發器組和三效蒸發器組等多組套裝置。

由泵送來的萃取水溶液首先進入第一效蒸發器組，第一效蒸發器組由一效蒸發塔、一效再沸器，循環泵等組成一個工作回路，第二和第三效蒸發器組類同。第一效蒸發器組所需加熱熱源由二效蒸發塔的蒸汽凝液提供，同理，二效蒸發器組所需加熱熱源由三效蒸發塔的高壓蒸汽凝液提供，三效蒸發器組的加熱熱源由廠區公用工程的高壓蒸汽提供。一效蒸發塔塔頂蒸出的水汽經冷凝器冷凝后，與二效蒸發塔、三效蒸發塔頂的水汽冷凝液匯合后，經冷凝回流總管回流到冷凝水收集罐中，該冷凝水將返回作萃取用水，從而在系統內部實現水的閉路循環。這樣含低聚物的萃取水依次將進入二效蒸發器組和三效蒸發器組進行逐級濃縮，最終在第三效蒸發器組的出口低聚物含量將至少達到80%以上。

濃縮后的高濃度低聚物溶液將被送入濃縮液中間貯罐，然后按工藝要求泵入解聚反應器中，進行齊聚物高效分離過程。處理后達到工藝要求的CPL按比例與新鮮CPL混合后，再次進入聚合系統，實現CPL的閉路循環。

1.1.3主要減碳技術指標

CPL單耗：每生產1tPA6切片，傳統技術需消耗1040kg新鮮CPL，而該項目技術僅需1001kg新鮮CPL。該項目技術的CPL單耗比傳統技術降低了3.75%。

減碳方面：經估算，每生產1tPA6切片，傳統技術的CO2排放量為63.75kg，而該項目為39.75kg，與傳統技術相比，減少了37%的碳排放。

以單線年產7萬t的PA6聚合為例，可減少新鮮CPL消耗約2800t，減碳1680t，具有非常可觀的成本效益，節能、循環經濟特征顯著。具體如表1所示。

1.1.4技術現狀

該裝置及工藝技術自2009年推出至今，在國內已得到廣泛應用和推廣，主要用戶包括福建長樂、浙江蕭山、浙江桐鄉等大型PA切片生產企業。所有這些工程項目均一次開車成功，產品的各項性能指標已與進口切片水平相當，產品投入市場后，在聚酰胺行業中得到廣泛使用，獲得一些高端客戶的認可。

1.224頭高速紡PA6纖維的高效減碳技術

1.2.1技術原理

以新型紡絲箱體以及雙腔組件24頭紡絲、節能型計量泵驅動、電磁加熱、稀土保溫等技術手段形成的聚酰胺24頭高速高效紡絲技術，針對PA高速紡特點，以及單絲多、單絲細、單體揮發多、冷卻控制要求高、張力控制難等技術難點，實現了一個紡位24頭以及單臺組件同時噴出兩束真正獨立的絲束。據測算，該技術綜合節能減碳可達30%以上。

1.2.2關鍵技術及工藝流程

民用纖維級PA6干切片在氮氣保護下依自重進入專用螺桿擠壓機內，經過熔融、壓縮和計量后，形成的PA6熔體進入熔體輸送及分配系統中，PA6熔體在等長熔體管道中由氣相熱媒進行保溫，然后送入紡絲箱體內，在紡絲計量泵精確計量后送往雙腔紡絲組件，每束熔體均獨立進行分配，最后從雙腔紡絲組件底部的噴絲板噴出，形成熔體細流。在恒溫恒濕的側吹風條件下，首先經單體抽吸負壓抽走冷凝的單體后按工藝要求冷卻固化成形。根據工藝需要采用單向或雙向上油工藝后，進入卷裝設備中卷裝成絲餅，最后得到紡絲加工所需的PA6纖維。

在整體工藝生產過程中，三聯虹普開發的PA6纖維雙腔組件技術，一個組件中有兩個獨立的腔體，各熔體之間互不干涉，實現了同一組件可紡出兩束完全獨立的絲束，有效解決了由于單紡位頭數過多造成紡絲位距過大、側吹風裝配難以保證均勻冷卻的難題。與上一代單腔組件12頭紡生產線相比，其位距減少且節約空間達到35%，熱媒保溫系統節能近45%，側吹風節能約30%，綜合節能減碳30%以上。

針對PA紡絲中熱能需求和消耗大的系統，三聯虹普將高頻電磁加熱技術成功應用于PA6螺桿擠壓機系統中，形成了穩定高效的螺桿加熱形式。針對PA6紡絲對紡絲溫度敏感、穩定性要求高的難點，這種新式加熱技術從控制技術、工程化等方面很好地解決了高頻電磁加熱在PA6紡絲系統中的穩定性、均勻性問題，確保了PA6生產線的長期穩定運轉。這種新型加熱系統根據高頻感應原理將高頻產生的磁力線直接作用于被加熱的套筒和螺桿，并在它們內部產生渦流，使金屬原子自身直接發生碰撞，從而產生熱量使金屬熱度上升。由于高頻線圈不直接發熱，高頻線圈的自身溫度只是來源于電流通過芯部電纜自身產生的熱量，因而只略高于周圍的環境溫度，與傳統的電加熱套相比，高頻線圈的外表面溫度幾乎沒有熱量損失。從整體節能效果上比較，它比傳統的電加熱套方法節能30%以上，且螺桿溫度控制更精確穩定，升溫速度快，平衡時間短，符合PA6紡絲精細化生產的要求。

另外，由于整個PA紡絲系統必須符合熔體輸送和分配的特點，輸送熔體的保溫條件——溫度的均勻性對PA紡絲而言非常關鍵，三聯虹普將高溫稀土保溫運用于其中，很好地解決了這個問題，為高端PA6紡絲提供了更加可靠的技術保障。這種技術的特點是在紡絲熱媒管道保溫系統中采用稀土高效保溫技術，以精選的礦產保溫材料配以多種有機、無機及稀土添加劑復合而成新一代的保溫材料，它比傳統的硅酸鋁保溫節能效果更顯著，高溫管道和設備表面溫度降低10℃左右，有效地保證了輸送與分配系統的溫度穩定性，降低了輸送系統的熱量損失。

1.2.3主要減碳技術指標

CO2排放方面，每生產1tPA纖維，傳統技術需排放1350kgCO2，新一代技術僅需排放845kgCO2，減少了30%的碳排量。以年產10萬tPA纖維為例，采用新技術可實現減碳4050t，具有可觀的經濟效益。具體如表2所示。

1.2.4技術現狀

24頭高速紡PA6纖維高效節能技術于2014年11月在浙江某大型PA6企業成功實施工業化生產，實際產能為10萬t/a，迄今已經穩定運行7個月。該項目采用的單紡位24頭高效節能成套新型PA高速紡絲技術可在有限的廠房內大幅提升產能，降低了綜合能耗，節約了廠房面積，降低了土建成本；成品優等品率和染色性能均達到或超過常規產品的水平；與常規生產線相比，該生產線所需操作人員數量大幅減少，降低了人工成本，節能效果顯著。

2發展建議

中國作為世界最大的化纖生產國，在全行業推廣綠色環保技術勢在必行。如以上述兩項技術為基礎，2020年PA切片節能技術預計可推廣至80萬t產量，進而實現當年減碳1.92萬t。2020年聚酰胺24頭紡絲節能技術預計可新增30萬t產量，進而實現當年減碳12.15萬t。

作者簡介：劉迪，女，1961年生，教授級高工，研究方向為聚酰胺新材料的聚合及紡絲產業化。

作者單位：北京三聯虹普新合纖技術服務股份有限公司。

基金項目：國家科技支撐計劃課題基金（2013BAE01B00）。