水刺非織造布節能制造技術應用

（福建福能南紡衛生材料有限公司 福建南平 353000）

1 相關背景

隨著經濟全球化的深度融合，節能減排也引起人們的高度關注，成為關系到社會發展和人類生存的重要問題。2016年，《國務院關于印發“十三五”節能減排綜合工作方案的通知》明確提出，要求加快節能技術進步，引導用能單位采用先進節能新技術、新裝備、新工藝，促進能源資源節約集約利用，推進綠色發展。我國為世界制造大國，也是能源消耗大國，而紡織行業的能耗在制造業的能耗中占比較大。因此，許多研究單位和學者針對現代紡織技術和工藝流程等方面的節能減排工作做了大量探索和研究，該領域的節能正成為能源和環保領域的研究的熱門課題。

《2018/2019 中國產業用紡織品技術發展報告》表明，無紡即非織造是目前紡織行業由傳統紡織向現代紡織轉型升級的一個重要方向。隨著近幾年非織造布技術的發展，水刺法非織造布已成為非織造的一個新興行業，也是高耗能的產業。水刺非織造布在纏結工序的能耗通常為1.2 kWh/kg～2.5 kWh/kg，即每生產1 kg 的水刺非織造材料要消耗2 kWh 左右的電能，遠超過其他類非織造產品。水刺法非織造布生產工藝的主體結構主要由以下5 個系統組成：梳理成網系統，包括給棉機、梳理機和鋪網機；水刺系統，包括轉鼓型水刺機、脫水機和水處理系統；烘干系統，包括烘筒干燥機或圓網干燥機；卷繞系統，包括成卷和橫切落卷裝置；檢驗分切系統，包括檢驗分切和包裝。一般水刺非織造生產線能耗分布為：梳理成網系統10%～15%，水刺系統35%～45%，烘干系統45%～50%，卷繞系統5%［1］。上述數值表明：水刺系統和烘干系統占了整條生產線總能耗的75%～85%。因此，這兩大能耗環節應作為水刺工藝節能降耗的切入點。

2 水刺非織造布生產工藝的節能思路

2.1 水刺工藝節能思路

水刺法又稱射流噴網法或水力纏結法，其工作原理是由高壓泵將水加壓形成極細的高壓水流，通過水刺頭噴射成網后的纖維，穿刺纖網，從而使經過梳理成網中的纖維相互纏結、抱合，達到一定的張力和強度，實現快速成網。水刺工藝系統是水刺生產線的核心部分，是影響水刺非織造布物性的主要工藝環節。一般水刺非織造布生產線水刺機配置5～7 個左右水刺頭，在高壓泵驅動下，通過控制器開啟一定數量的水針板，水刺頭的高壓水在不同方向射刺纖網，在細微水針的帶動下，穿刺數層平行纖網的纖維，使纖維相互抱合固結，與此同時真空抽吸風機對產品中的水份進行抽吸。水刺系統能耗主要集中在形成高壓水刺的高壓泵和負壓的抽吸上，生產過程中壓力越大，所需的能耗就越大。但對于水刺非織造布的水刺工藝而言，并非壓力越高，產品質量就一定越好。過高的壓力不僅浪費能源，還會影響產品的品質。因此，找準水刺恰好的壓力工藝點是節能的關鍵，這樣既保證產品品質又起到了節能的效果。此外，選擇水針板型號、有效射流的寬度、水刺頭位置、水針間距也是在水刺工藝上有效節能的途徑。

在射流管路設備的設計方面，奧特法公司設計一種V 型噴射器［2］，它將噴嘴與噴射器底端的距離減小至0.5 mm，使由于空氣摩擦、氣流紊亂和射流擴散引起的能量損失降到最低。見圖1。

圖1 標準水刺頭與V 型水刺頭的比較

經過測試可知，設定相同的水刺機水針板水壓，V 型噴射器可使非織造布具有更高的拉伸強度。換句話說，使無紡布達到要求的物性，采用V 型噴射器需要的水壓更低，降低的幅度約為20%。且在使用相同直徑和螺距的噴嘴時，V 型噴射器的耗水量將減少10%，綜合可節約30%的能耗。

2.2 烘干工藝節能思路

經水刺纏結形成的非織造布含水率非常高，要經過烘干系統進行烘干處理。目前水刺非織造布生產線通常有直燃式烘干和間接式烘干兩種，間接式烘干又分為導熱油和蒸汽不同的介質。直燃式烘干采用天然氣直燃所產生的熱能，環保而受到國家及各級政府的支持。直燃式烘干機如圖2。

間接式烘干在有集中供熱條件的地區，節能環保；通過導熱油鍋爐或蒸汽鍋爐供熱則會對空氣環境造成污染，見圖3。因此，因地制宜采取適應的供熱方式是確定節能思路的前提。

圖2 直燃式烘干機原理圖

圖3 導熱油間接式烘干機原理圖

在進入烘干之前，要用軋輥將水刺布含水率盡可能軋低，含水率越小，后面烘干需要的能耗就越小。采用軋壓機械脫水，剩余的水分再由烘干系統去除。有關實踐數據表明，經過軋車機械擠壓脫水會比直接用烘干方法脫水費用下降50 倍～250 倍［3］，因此在生產線設計和配套時均建議盡量設置軋車機械擠壓脫水的工藝流程。以日產10 000 kg 水刺非織造布的生產線為例，其含水率每降低1%，則可減少蒸發水分110 kg。假設熱能利用率為80%，而室溫常壓下每蒸發1 kg 水需耗能約2 600 kJ（換算為電能約為0.72 kWh），減少蒸發110 kg 水，可節約工業用電79.2 kWh［4］。

水刺非織造工藝的烘干系統采用的烘干機一般有烘筒烘干機和圓網烘干機。烘筒烘干機是采用熱傳導原理，使水刺非織造布與高溫金屬表面直接接觸，從而獲得能量，使非織造布中水分氣化并從表面蒸發逸出，從而達到干燥的效果。圓網烘干機的原理是讓熱風穿透烘燥過程中熱風與纖網中的纖維相接觸，帶走纖維的水分。熱風接觸纖維面更廣，烘干效率較高，且產品柔軟性強，手感好。圓網烘干機的機體設計為圓鼓式，占地面積小，又減少機械部分運動部件，使設備便于維修，并利用蜂窩網設計之特殊間隙，使纏結的纖網均勻覆蓋于圓鼓表面。其蜂窩狀設計提供了均勻暢通的氣流，在極短時間內使纖網完全干燥［5］。因此，從節能和產品物性考慮采用圓網烘干機。

此外，烘干系統的節能潛力還在于二次能源的發掘和利用，分析烘干系統工藝存在的節能潛力。采用天然氣燃燒加熱的導熱油有大量的煙氣余熱，溫度高達170 ℃，煙氣直接排放到空中是熱鍋爐的主要熱損失之一。這些煙氣余熱可以通過換熱器將煙氣的熱量轉換成可以烘干系統所需要的熱量，達到挖掘節能潛力的目的。同樣采用蒸汽加熱的烘干系統也可以利用蒸汽余熱，在烘干工序中，空氣經過蒸汽的熱交換器升高溫度，烘干產品上的水分。

烘干系統的另一節能方法就是對現有烘干排氣管進行改道。通過風機驅使原外排熱風流向固定預烘抽吸裝置，抽吸裝置裝在箱體頂部，及時進行空氣置換，布面進入預烘抽吸裝置時，熱風由下向上均勻吹向布面，保持預烘溫度的穩定性。這種利用回流余熱而形成的漸進式烘干，不僅達到一定的節能效果，也有利于產品質量的提升。

3 節能效果評估

現階段水刺無紡布產品多以衛材產品為主。以擦拭布的產品為例，現僅以利用軋壓和烘干機余熱預烘干該產品來評估節能效果。以50%粘膠50%滌綸原料成分配比的水刺布為例，經過水刺抽吸后，實驗測得水刺布的含水率為170%左右，經過軋壓和預烘抽吸裝置后，該布的含水率下降為130%左右，含水率迅速下降了40%；也就是說每生產1 t 產品可減少烘干蒸發約400 kg 的水，可以減少1 040 000 kJ 的能耗（蒸發1 kg 水需要2 600 kJ 的熱量），每噸產品可節約烘干燃料成本0.035 t 標準煤（每1kg 標準煤產生29 307 kJ 的熱量），數據計算如下：

煤按市場價550 元/t 來計算，一條產能15 t/d 的水刺生產線能節約成本288.75 元/d。在福建福能南紡衛生材料有限公司推廣（全公司水刺產品100 t/d），可每天節約成本1 925 元，按每年350 個生產日計算，可節約生產成本67 萬元/a，具有較好的經濟效益。同時，也減少了碳排放，具有較好的社會效益。

上述節能措施估算只是對一項具體的節能方法進行的。作為水刺非織造布生產線的節能方法還有很多種，還可以進一步深挖，諸如改善布進流程、改善風道路徑、縮短風管間距、利用烘干余熱、降低熱能損耗等，規模化企業還可以通過能源的綜合利用，如熱電聯產、利用預熱產生蒸汽來供熱等措施達到節能的目的。

4 結論

非織造產業是紡織業的朝陽產業，現階段水刺非織造又是非織造產業中增長最快的產業。尤其是新冠肺炎疫情期間，水刺非織造生產線井噴式增長，產能增長僅次于熔噴生產線的增長速度。這種短期急速增長的產能在后疫情時代必然加劇水刺非織造產業的市場競爭，節能降耗是水刺生產線降低成本的有效途徑。所以，必須早做打算，未雨綢繆。企業管理層應在尋求產品創新的同時，進行有針對性成本挖潛，不斷提高企業的競爭力。