于捍江，張林雅

（1 唐山三友集團興達化纖有限公司，河北 唐山 063305；2 河北科技大學化學與制藥工程學院， 河北 石家莊 050018）

中國是世界上最大的化學纖維生產(chǎn)國，黏膠短纖維作為替代棉花的主要化纖品種，在當前石油資源緊張的形勢下，因其原料可通過自然界生物質(zhì)再生，成品可降解，穿著舒適，具有很好的發(fā)展空 間[1-3]。目前我國黏膠短纖維年產(chǎn)能350 萬噸，占全球總產(chǎn)量的60%。黏膠短纖維生產(chǎn)工藝復雜，在化學纖維中屬于高耗能品種，單位產(chǎn)品的綜合能耗約為1000kg 標煤/t 纖維。通過技術(shù)進步，推動行業(yè)節(jié)能減排，一直是行業(yè)的重點研究課題，對于黏膠短纖維工業(yè)的健康發(fā)展至關(guān)重要[4-6]。

酸站的作用是進行酸浴的回收處理，供給紡練合格的酸浴進行紡絲。酸浴是9%硫酸、0.9%硫酸鋅、26%硫酸鈉的強腐蝕性混合溶液，經(jīng)紡絲后的酸浴吸收了大量的水分、消耗了硫酸和硫酸鋅，并且溶解了少量二硫化碳和硫化氫氣體，因此需要經(jīng)過閃蒸蒸發(fā)水分，脫氣去除含硫氣體，結(jié)晶析出硫酸鈉，換熱和調(diào)配以使溫度和濃度穩(wěn)定，然后進行循環(huán)使用。以上過程都是典型的化工操作單元，此前行業(yè)的研究多集中于本專業(yè)領(lǐng)域的專用設備和工藝[7-9]，忽略了跨行業(yè)的技術(shù)引進和創(chuàng)新。例如國內(nèi)外的絕大多數(shù)工廠把11 級閃蒸作為標準配置用于酸浴蒸發(fā)[10-11]，用石墨加熱器進行酸浴調(diào)溫，用結(jié)晶、焙燒兩步法工藝提取硫酸鈉[12-13]，至于酸浴調(diào)配流程的研究則未見相關(guān)文章報道。

本文針對黏膠短纖維生產(chǎn)中的高能耗問題，分析其各生產(chǎn)工序的綜合能耗，對比研究了不同的酸浴調(diào)配模式。通過優(yōu)化酸浴調(diào)配流程，開發(fā)新型閃蒸裝置及新型提硝裝置，確定酸站工業(yè)化節(jié)能降耗的最優(yōu)方案。其研究結(jié)果為黏膠短纖維生產(chǎn)節(jié)能提供了可行性技術(shù)依據(jù)，對于產(chǎn)業(yè)升級具有重要意義。

1 黏膠短纖維生產(chǎn)工序能耗分析

黏膠短纖維生產(chǎn)工序共分為六大部分，包括原液、紡練、酸站、動力、污水及廢氣處理，各工序的綜合能耗見表1。

由表1 可見，在黏膠短纖維生產(chǎn)中酸站的能耗占比最大，以單位產(chǎn)品耗標煤計，其能耗占比達到了50.2%。酸站的作用是進行酸浴的循環(huán)調(diào)配、加熱、脫氣、蒸發(fā)及硫酸鈉結(jié)晶，以保持酸浴溫度和濃度的穩(wěn)定，供給紡練合格的酸浴進行紡絲。不同于原液和紡練已經(jīng)固化的流程和專用設備，酸站系統(tǒng)的流程和設備可以靈活調(diào)整，開發(fā)先進的循環(huán)調(diào)配流程和蒸發(fā)結(jié)晶裝置，有利于實現(xiàn)黏膠短纖維生產(chǎn)的節(jié)能改進。

表1 黏膠短纖維生產(chǎn)工序能耗

2 酸浴調(diào)配模式探討

為保證黏膠紡絲質(zhì)量，酸浴進出紡絲機的硫酸濃度差應小于8g/L，為此每噸黏膠短纖維需要約200m3的酸浴循環(huán)量，一條年產(chǎn)6 萬噸的生產(chǎn)線每小時的酸浴循環(huán)量約1440m3，酸浴調(diào)配流程的設計會直接影響纖維生產(chǎn)的能耗。毛雷爾模式和蘭精模式，是當前黏膠短纖維生產(chǎn)中酸浴調(diào)配模式的兩種代表，分別對其能耗作了研究探討。

2.1 毛雷爾模式

毛雷爾模式以國內(nèi)引進的瑞士毛雷爾公司生產(chǎn)線為代表，工藝流程如圖1。

圖1 毛雷爾模式酸浴調(diào)配系統(tǒng)工藝流程

在毛雷爾模式中，紡絲后的酸浴在真空抽吸作用下進入脫氣裝置，靠重力落入混合槽，在此進行濃度調(diào)配。然后用泵送入過濾系統(tǒng)，過濾后的酸浴一部分去閃蒸蒸發(fā)水分，蒸發(fā)母液去結(jié)晶析出芒硝；另一部分經(jīng)加熱器調(diào)整到合格的溫度后進入高位槽，靠重力自流到紡絲機。

毛雷爾酸浴調(diào)配模式的優(yōu)點主要表現(xiàn)為：酸浴在循環(huán)調(diào)配過程中只需用泵提升一次，處于高位的脫氣裝置靠真空吸入，閃蒸裝置利用過濾后的余壓進酸。該裝置巧妙利用了重力位差，整個調(diào)配流程簡潔，動力消耗低，噸纖維耗電178kW·h。

該模式存在的主要缺點有以下幾方面。

（1）酸浴先調(diào)配后閃蒸，由于酸浴濃度增加，沸點升比調(diào)配前升高1℃，蒸發(fā)能耗增大5%。

（2）流程中酸浴過濾后并行供給紡絲機和閃蒸裝置，造成閃蒸裝置所供酸浴被重復過濾提升，過濾系統(tǒng)設備配臺增加了40%。

（3）為維持酸浴溫度，需要設置單獨的酸浴加熱器，由于酸浴本身具有強腐蝕性，酸浴加熱器故障率高。

2.2 蘭精模式

蘭精模式以國內(nèi)引進的奧地利蘭精公司生產(chǎn)線為代表，工藝流程如圖2。

圖2 蘭精模式酸浴調(diào)配系統(tǒng)工藝流程

在蘭精模式中，紡絲后的酸浴重力流入酸浴底槽，在泵和真空的雙重作用下進入脫氣裝置，重力流入脫氣回流槽。再用泵送去過濾，過濾后酸浴重力流回過濾回流槽，部分用泵送入閃蒸、結(jié)晶系統(tǒng)。最后酸浴在混合槽中調(diào)配合格后用泵送到紡絲機。

蘭精模式酸浴調(diào)配工藝的優(yōu)點主要表現(xiàn)為：它的二級真空脫氣裝置可維持酸浴進出口0.5℃的溫升，不需要設置單獨的加熱器；酸浴先蒸發(fā)后調(diào)配，閃蒸能耗低；閃蒸裝置所供酸浴沒有被重復過濾。

該模式的缺點是在整個循環(huán)調(diào)配過程中，酸浴被泵反復提升了3 次，與毛雷爾模式相比，泵的配置臺數(shù)多1.6 倍，每噸纖維耗電為243kW·h，比毛雷爾模式增加了36.5%。

3 酸浴調(diào)配系統(tǒng)的節(jié)能改進

為進一步確定酸浴調(diào)配系統(tǒng)的節(jié)能空間，考察了系統(tǒng)中各工段能耗，如表2。

表2 酸浴調(diào)配系統(tǒng)各工段耗能

由表2 可見，閃蒸、結(jié)晶能耗占比較大，針對各工段能耗及工藝特性，分別研究提出改進方案。

3.1 新型多級閃蒸裝置的開發(fā)

黏膠短纖維的閃蒸裝置經(jīng)歷了多效蒸發(fā)向多級閃蒸的更新?lián)Q代，國內(nèi)多級閃蒸近20 年來經(jīng)歷了6級向11 級的升級，其中11 級閃蒸有每小時12t 和20t 蒸發(fā)量兩種[14-17]。表3 是當前幾種新型多級閃蒸裝置的指標對比表，由表3 可見，隨閃蒸級數(shù)增加其能耗降低，但所需預熱器面積變大，設備投資大幅度增加。盡管如此，結(jié)合當今世界能源價格的不斷上漲，開發(fā)更高級數(shù)的多級閃蒸具有一定現(xiàn)實意義。合作開發(fā)的25t 14 級和35t 16 級閃蒸，經(jīng)生產(chǎn)檢驗，運行良好。16 級閃蒸比11 級閃蒸節(jié)能36%，節(jié)能效果顯著。

表3 新型多級閃蒸裝置指標對比

3.2 酸浴溫度平衡方式的改進

酸浴在循環(huán)過程中會散失熱量導致溫度降低，而紡絲機需要恒定的酸浴供應溫度，因此在酸浴調(diào)配流程中必須設置加熱。毛雷爾模式采用以蒸汽為熱源的間壁式換熱器進行加熱，而蘭精模式則是采用蒸汽噴射制造真空將酸浴脫氣進而加熱的方式。蘭精模式的酸浴加熱流程如圖3 所示。

酸浴依次通過一級脫氣罐和二級脫氣罐進行兩次脫氣，二級脫氣的真空由新鮮的引射蒸汽產(chǎn)生，脫除的不凝氣體、二次蒸汽與引射蒸汽一起進入一級脫氣罐的底部，在這里新蒸汽被落酸冷凝后與之混合，落酸被新蒸汽加熱，同時有微量不凝氣體向上穿過酸浴逸出，與第一級的二次蒸汽一起進入混合冷凝器。二級脫氣罐的落酸溫度比一級脫氣罐的進酸溫度提高了0.5℃，保證酸液溫度略有提高，彌補了酸浴循環(huán)過程中的部分熱損失。這種方式雖然省去了酸浴加熱器，但脫氣廠房高度增加，并且新鮮蒸汽直接冷凝在酸浴中，這部分冷凝水在后續(xù)流程中需要通過多級閃蒸去除，導致能耗增加。

圖3 蘭精模式酸浴加熱工藝流程

為克服上述模式帶來的弊端，研究設計了更加簡便節(jié)能的閃蒸調(diào)溫模式來平衡酸浴溫度，即通過提高多級閃蒸落酸溫度調(diào)節(jié)循環(huán)酸浴的溫度。改進后不需要設置單獨的加熱器，也不需要增加廠房，節(jié)能效果明顯。以一條年產(chǎn)6 萬噸的生產(chǎn)線為例，如酸浴需要升溫2℃，以閃蒸調(diào)節(jié)溫度，則閃蒸出酸溫度比進酸溫度提高7.4℃即可達到溫度平衡。3種模式的耗能對比見表4。

表4 3 種溫度平衡方式耗能對比

由表4 可見，閃蒸調(diào)溫模式的能耗明顯降低，比毛雷爾模式節(jié)汽58%，比蘭精模式節(jié)汽68%。需注意的是此模式會使閃蒸能力降低10%，要求閃蒸配合得有余量。

3.3 新型提硝裝置的開發(fā)

在酸浴的循環(huán)調(diào)配過程中，除了維持酸浴溫度平衡外，還需要維持濃度平衡。通過蒸發(fā)去除多余的水分，利用結(jié)晶和焙燒去除多余的硫酸鈉，然后在混合槽補加硫酸和硫酸鋅。傳統(tǒng)的提硝流程是將閃蒸的落酸送去低溫真空結(jié)晶，析出Na2SO4·10H2O（俗稱芒硝），然后再焙燒去掉結(jié)晶水得到無水硫酸鈉（俗稱元明粉）[18-21]。傳統(tǒng)提硝常用的方法為水冷結(jié)晶和酸冷結(jié)晶兩種，不僅流程復雜，而且能耗高。針對傳統(tǒng)提硝的缺點，合作開發(fā)了多級閃蒸一步提硝裝置，利用硫酸鈉溶液大于32.4℃時可直接結(jié)晶析出元明粉的性質(zhì)，將多級閃蒸、結(jié)晶、焙燒裝置合為一體。一步提硝與傳統(tǒng)提硝耗能對比見 表5。

由表5 可見，多級閃蒸一步提硝能耗大幅降低，較之傳統(tǒng)水冷結(jié)晶節(jié)汽77%，較之傳統(tǒng)酸冷結(jié)晶節(jié)汽45%，達到了節(jié)省投資、節(jié)約能源的目的。

表5 一步提硝與傳統(tǒng)提硝耗能對比

3.4 酸浴調(diào)配系統(tǒng)的優(yōu)化設計

針對毛雷爾模式和蘭精模式的優(yōu)缺點，為進一步降低能耗，完善當前黏膠短纖維的生產(chǎn)工藝，綜上所述，對酸浴調(diào)配系統(tǒng)進行了節(jié)能改進，工藝流程如圖4。

圖4 酸浴調(diào)配系統(tǒng)優(yōu)化設計工藝流程

改進后酸浴調(diào)配系統(tǒng)采取酸浴過濾后脫氣，用以避免膠塊堵塞篩板。提硝流程采用多級閃蒸一步提硝裝置替代傳統(tǒng)結(jié)晶焙燒提硝，利用多級閃蒸調(diào)節(jié)循環(huán)酸浴溫度，閃蒸供酸采用真空吸入調(diào)配前稀酸浴方式。優(yōu)化設計后的模式比毛雷爾模式節(jié)省了酸浴高位槽、酸浴加熱器、40%的過濾設備、結(jié)晶和焙燒系統(tǒng)，較之蘭精模式節(jié)省了62.5%的泵、結(jié)晶和焙燒系統(tǒng)。3 種模式的耗能對比見表6。

表6 優(yōu)化模式與傳統(tǒng)模式耗能對比

由表6 可見，相對于毛雷爾模式和蘭精模式，優(yōu)化模式在節(jié)能方面顯示出極大的優(yōu)勢，能耗最高可降低23%。

4 結(jié) 論

針對黏膠短纖維生產(chǎn)中的高能耗問題，通過分析黏膠短纖維生產(chǎn)工序的能耗，提出了酸浴調(diào)配系統(tǒng)節(jié)能的可行性。毛雷爾模式和蘭精模式是當前代表性的酸浴調(diào)配系統(tǒng)，探討了兩種酸浴調(diào)配系統(tǒng)的優(yōu)缺點，進而分析了酸浴調(diào)配系統(tǒng)各工序的能耗指標，確定了黏膠短纖維生產(chǎn)中酸浴調(diào)配系統(tǒng)的節(jié)能改進方案，得到以下結(jié)論。

（1）開發(fā)新型多級閃蒸裝置，采用更高級數(shù)的多級閃蒸，降低能耗。經(jīng)生產(chǎn)檢驗，以16 級閃蒸取代11 級閃蒸，可節(jié)能36%。

（2）分析對比了毛雷爾模式和蘭精模式的酸浴加熱裝置及能耗，設計了簡便節(jié)能的多級閃蒸調(diào)節(jié)循環(huán)酸浴的溫度。改進后的閃蒸調(diào)溫模式能耗明顯降低，比毛雷爾模式節(jié)汽58%，比蘭精模式節(jié)汽68%。

（3）開發(fā)多級閃蒸一步提硝裝置替代傳統(tǒng)結(jié)晶焙燒提硝，將多級閃蒸、結(jié)晶、焙燒裝置合為一體。多級閃蒸一步提硝可大幅降低能耗，較之傳統(tǒng)水冷結(jié)晶節(jié)汽77%，較之傳統(tǒng)酸冷結(jié)晶節(jié)汽45%，達到了節(jié)省投資、節(jié)約能源的目的。

（4）通過技術(shù)進步和創(chuàng)新，合理設計了節(jié)能改進的酸浴調(diào)配系統(tǒng)工藝流程。優(yōu)化模式較之毛雷爾模式和蘭精模式，流程簡化，工藝先進，節(jié)省了大量的土建和設備投資，能耗可降低23%。優(yōu)化設計后的酸浴調(diào)配系統(tǒng)已在黏膠短纖維行業(yè)實現(xiàn)了工業(yè)化運行，達到了很好的節(jié)能效果，具有極好的推廣前景。

[1] Li S，Ernst W，Martin K P. Environmental impact assessment of man-made cellulose fibres[J]. Conservation and Recycling，2010，55（2）：260-274.

[2] 邱有龍. 粘膠纖維行業(yè)新技術(shù)、新產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢（Ⅱ）[J]. 紡織導報，2010（10）：71-76.

[3] 陳麗嫚，汪濤. 生物質(zhì)纖維材料的研究進展及發(fā)展前景[J]. 蠶學通訊，2014，34（2）：16-21.

[4] Elisabetta C，Kimberley M，Ashok K A. Morphological changes in textile fibres exposed to environmental stresses：Atomic force microscopic examination[J]. Forensic Science International，2009，191（1-3）：6-14.

[5] Gindl W，Keckes J. Strain hardening in regenerated cellulose fibres[J]. Composites Science and Technology，2006，66（13）：2049-2053.

[6] 彭志，周永超. 粘膠短纖行業(yè)發(fā)展分析[J]. 經(jīng)濟研究導刊，2012，152（6）：191-195.

[7] 趙偉，牛經(jīng)敏，劉安亮. 粘膠纖維酸站多效蒸發(fā)工藝淺談[J]. 黑龍江紡織，2014（2）：5-8.

[8] 翟豐都. 酸站閃蒸系統(tǒng)常見故障分析[J]. 人造纖維，2007，37（4）：14-16.

[9] 胡平華，葉慶勝. 粘膠纖維廠酸站循環(huán)水工藝流程優(yōu)化設計[J]. 科技廣場，2004（10）：36-37.

[10] 李玉翠. 11 效閃蒸裝置的故障排除及節(jié)能措施[J]. 人造纖維，2008，38（2）：15-17.

[11] Majed M A. Multi stage flash desalination plant with brine-feed mixing and cooling[J]. Energy，2011，36（8）：5225-5232.

[12] 傅厚棠. 關(guān)于鹽硝聯(lián)產(chǎn)引進工程的認識和探討[J]. 中國井礦鹽，2006，37（5）：5-12.

[13] Colom X，Carrillo F. Crystallinity changes in lyocell and viscose-type fibres by caustic treatment[J]. European Polymer Journal，2002，38（11）：2225-2230.

[14] Hala A F，Andrea C，Hisham E，et al. Simulation of stability and dynamics of multistage flash desalination[J]. Desalination，2011，281：404-412.

[15] 李斌. 粘膠短纖維酸浴閃蒸工藝及其裝備研究[D]. 南昌：江西農(nóng)業(yè)大學，2012.

[16] Muthunayagam A E，Ramamurthi K，Paden J R. Low temperature flash vaporization for desalination[J]. Desalination，2005，180（1-3）：25-32.

[17] Aiman E A R，Seungwon I，Hirdesh V，Abdel N M. Scale formation model for high top brine temperature multi-stage flash (MSF) desalination plants[J]. Desalination，2014，350（2）：53-60.

[18] 龍秉文，周海鴿，楊祖榮，等. 多級連續(xù)閃蒸結(jié)晶過程的模擬與分析[J]. 北京化工大學學報，2006，33（3）：6-10.

[19] 于清. 提取硫酸鈉型鹽礦鹵水中芒硝冷凍結(jié)晶設備研究[J]. 信息系統(tǒng)工程，2013（1）：121-123.

[20] 許達仁. 一步提硝-閃蒸結(jié)晶新技術(shù)[J]. 人造纖維，2012（6）：4-7.

[21] 夏添，郭憲英. 黏膠纖維生產(chǎn)中回收芒硝的綜合利用[J]. 科學技術(shù)與工程，2010，17（6）：4349-4351.