化纖長絲設備中節(jié)能環(huán)保技術的應用

毛育博

摘要：本文介紹了節(jié)能環(huán)保技術在化纖長絲設備的使用。通過對比的方法分析了不同結構的紡絲箱、冷卻裝置和加熱系統(tǒng)的特點和節(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.

關鍵詞：節(jié)能減排;紡絲箱;冷卻裝置;聯(lián)苯;導熱油;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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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，所以節(jié)能環(huán)保產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、改善生產環(huán)境的內在需求，化纖廠家必然要從能源、設備、工程、工藝多方面綜合考慮節(jié)能減排的實施。

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。在此過程需要耗費大量水電氣能源，并制造大量污水廢氣廢絲。本文主要從實際使用生產設備中部分節(jié)能環(huán)保技術做了介紹。

1? 節(jié)能技術的應用

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。考慮到保溫材料和環(huán)境溫度可調節(jié)余量不大，節(jié)能技術改進只能在紡絲箱體結構入手。

幾種紡絲箱體結構如圖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、計量泵和紡絲頭數(shù)情況下，通過內部結構的優(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)計算和實踐驗證節(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，但結構與受力非常復雜，GB150《壓力容器》中非圓形容器計算公式并不適用。北京中麗制機公司一般選用企業(yè)標準《化纖紡絲機紡絲箱》中相關規(guī)定計算矩形紡絲箱殼體厚度，計算公式如下：

式中：Da-任意三點支撐所作無支撐圓最大圓直徑平均值（mm）;C-支撐系數(shù);PC-計算壓力（MPa）;[σ]t-材料設計溫度下許用應力（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-分析設計標準》中提供的失效準則進行強度評定。經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晶的過程，這個過程需要耗費大量電能。冷卻空調風耗費制冷量占整個前紡所需制冷量2/3。一般化纖長絲需要一定風速、風溫、相對濕度的空調風下進行冷卻，三個參數(shù)中，以風速對纖維成型影響最大。風速的分布要求橫向上風速保持一致，縱向上風速分布合理。現(xiàn)在常用的冷卻裝置分為側吹風-冷卻風經過濾整流后從絲束的一端向另一端運動。風速低時，風的穿透力不夠，出風近端與遠端絲冷卻效果差異較大。風速高時，容易形成湍流風，嚴重影響絲的性能;外環(huán)吹風-噴絲板中心區(qū)域空白，噴絲孔圓周排列，冷卻風從絲束的四周向絲束中心運動，絲束向噴絲板中心處靠攏，風穿透距離縮短，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，冷卻風從絲束中心向絲束四周運動，絲束向四周飄散，散熱效果更好，缺點是受環(huán)境風影響較大。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噴絲板面為例計算在不同冷卻裝置下的耗風量。

側吹風風窗面積：1000mmW×1400mmH;

外環(huán)吹風筒規(guī)格：Ф90mm×160mmH;

內環(huán)吹風筒規(guī)格：Ф40mm×280mmH;

冷卻風耗用量=風速×吹風面積;

側吹風風量=0.4m/s×1m×1.4m=0.56m3/s;

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

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

通過以上計算和實踐驗證，外環(huán)吹和中心環(huán)吹提高了纖維的熱交換效率，在耗風量方面分別是側吹風的25%和20%，而且在絲束的指標不勻率等方面有了很大提高。

2? 環(huán)保技術的應用

2.1 加熱系統(tǒng)

傳統(tǒng)化纖長絲加熱介質為聯(lián)苯及聯(lián)苯醚混合物，沸點255℃，工作時氣液兩相并存，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，閃點115℃，稍有泄露，容易引起火災爆炸。工作溫度300℃時工作壓力為0.2MPa，屬于II類壓力容器，對壓力容器的設計制造都提出很高的要求。

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

兩種加熱介質工作原理圖如圖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、輔助加熱和調節(jié)加熱。聯(lián)苯達到沸點后汽化沿管道進入紡絲箱等被加熱設備，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。

導熱油加熱系統(tǒng)一般由導熱油加熱器、被加熱設備、循環(huán)泵、過濾器、膨脹罐、冷凝罐等組成。導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，也可以由燃氣、燃油或水洗煤加熱-成本降低。導熱油的循環(huán)靠循環(huán)泵強制流動，可以提高換熱效率，也可以防止導熱油流速過低在加熱裝置上結焦。高溫導熱油進入紡絲箱體進行熱交換后，低溫導熱油經過濾器返回加熱爐。過濾器可以濾去高溫運行形成的殘渣，防止雜質進入加熱器內。膨脹罐內一般存儲1/3高度導熱油可以保證系統(tǒng)內油量充盈并能夠調節(jié)導熱油高溫膨脹引起的體積變化。另外系統(tǒng)中長期運行的導熱油介質在高溫下會產生低組分裂解氣也可由膨脹罐溢出并經冷凝罐排至遠離人和火源的安全區(qū)。膨脹罐一般在系統(tǒng)最高點，惰性氣體密封，防止導熱油氧化。通過比較，導熱油系統(tǒng)與聯(lián)苯系統(tǒng)相比并不復雜，設備投入價格不高，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。同時單體與高熱、明火接觸有引起燃燒的危險，高熱分解的有毒氮氧化物對人體健康也有一定危害。己內酰胺單體易溶于水，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，造成初生纖維的內外結構不一，進而影響拉伸倍數(shù)，最終影響成品絲強度。由于上述原因，在系統(tǒng)中設計了如圖4所示裝置。

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

2.3 油劑回收系統(tǒng)

在紡絲時，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，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，絲束經過掛滿油劑的油輪或油唇切線，上油率比較均勻，但會產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行沉淀。沉淀的雜質定期排放，經過沉淀的返回油劑進入儲油槽，經過40目過濾網過濾后再進行冷卻或加熱-由紡絲工藝決定，再經過過濾網二次過濾后達到使用條件，由循環(huán)泵輸送至供油槽。通過以上油劑回收系統(tǒng)，實現(xiàn)了油劑的循環(huán)回收利用，環(huán)保節(jié)約。

3? 結束語

化纖紡絲生產過程還有很多可以利用的節(jié)能減排的技術方法，比如利用二次熱媒的加熱系統(tǒng);新保溫材料和結構的使用;冷凍水的來源利用深井水等。但要實現(xiàn)重大節(jié)能減排還是需要采用新工藝、新技術、新材料的產業(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，低溫紡絲技術的發(fā)展可以大幅度降低紡絲設備制造成本和使用成本等等。

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