白雁飛

(閩北職業(yè)技術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)系,福建 南平 353000)

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們生活水平的提高，環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，在生態(tài)被嚴(yán)重破壞的情況下，低碳生活和節(jié)能環(huán)保等觀念逐漸出現(xiàn)在人們的生活中[1].印染行業(yè)產(chǎn)生的廢水對環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，成為較大的污染制造者[2].因此需要降低印染廢水中存在的雜質(zhì)含量、控制印染廢水的排放.作為滌綸化纖的一種變形絲，滌綸低彈絲與普通滌綸相比具有易洗快干、彈性模量高等特點(diǎn)，受到了消費(fèi)者和紡織企業(yè)的廣泛關(guān)注.滌綸低彈絲通常是由多種較大差異性能的纖維組成的，因放濕性和吸濕性等性能差異，上述混紡纖維之間容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致纖維的生產(chǎn)能耗和生產(chǎn)質(zhì)量難以控制[3].如何在上述背景下優(yōu)化差別化纖維生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)能耗、控制生產(chǎn)質(zhì)量，成為滌綸低彈絲生產(chǎn)的關(guān)鍵問題[4].基于當(dāng)前滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法存在電能消耗量高和色牢度低的問題，提出基于液體分散染料的滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.

1 液體分散染料生產(chǎn)流程

液體分散染料具有低能耗、低成本、操作簡單和無粉塵等優(yōu)點(diǎn)，在染料行業(yè)中成為研究的新熱點(diǎn)[5，6].高質(zhì)量的液體分散染料需要滿足染料牢度高、含固率高、吸潮性好、貯存穩(wěn)定性好、預(yù)冷不凝聚、不凝結(jié)等條件，液體分散染料的生產(chǎn)流程如圖1所示.

圖1 液體分散染料生產(chǎn)流程

2 滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝參數(shù)優(yōu)化模型

根據(jù)液體分散染料的生產(chǎn)流程，以及滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，從工藝碳排放、物料碳排放和能源碳排放三個(gè)方面分析滌綸低彈絲生產(chǎn)過程的工藝消耗、物料消耗和能源消耗[7，8].

1)能源碳排放

能源碳排放在滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中主要體現(xiàn)在電能消耗，通過式(1)計(jì)算電動(dòng)機(jī)在引風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)和加彈機(jī)等設(shè)備中的電能消耗EMc：

(1)

式中，q代表的是電動(dòng)機(jī)在設(shè)備中的臺(tái)數(shù)；te代表的是起動(dòng)設(shè)備的時(shí)間；ts代表的是停止設(shè)備的時(shí)間；P代表的是電動(dòng)機(jī)在設(shè)備中的功率.

設(shè)EHc代表的是電能消耗在電輔助加熱系統(tǒng)中對應(yīng)的消耗量，其計(jì)算公式如下：

EHc=kPhh

(2)

式中，k代表的是發(fā)熱絲在電輔助加熱系統(tǒng)中存在的根數(shù)；h代表的是系統(tǒng)工作的時(shí)間；Ph描述的是發(fā)熱絲對應(yīng)的功率.

電能消耗在整個(gè)滌綸低彈絲加彈過程中對應(yīng)的能源排放量ECe可通過電能消耗量計(jì)算得到：

(3)

式中，fe描述的是電能的排放系數(shù)；EHci描述的是電加熱輔助系統(tǒng)在滌綸低彈絲加彈過程中存在的電能消耗；EMci描述的是電動(dòng)機(jī)電能在滌綸低彈絲加彈過程中的消耗.

2)物料碳排放

能源碳排放在滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中主要表現(xiàn)為DTY油劑的消耗，設(shè)OMt代表的是上油系統(tǒng)在t時(shí)間內(nèi)的DTY油劑消耗量，其計(jì)算公式如下：

OMt=SCpt

(4)

式中，Cp代表的是油輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一次在上油系統(tǒng)中對應(yīng)的油劑消耗量；S代表的是油輪轉(zhuǎn)速.

通過式(5)核算并分析生產(chǎn)滌綸低彈絲過程中的物料碳排放量CEm：

CEm=foOMt=foSCpt

(5)

式中，fo代表的是DTY油劑對應(yīng)的碳排系數(shù).

3)工藝碳排放

設(shè)NNFEd代表的是油劑廢氣在滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中的排放量，其計(jì)算公式如下：

NNFEd=NNFEd1+NNFEd2=CPOYqα

(6)

式中，CPOY代表的是POY絲在單位時(shí)間內(nèi)的消耗量；α代表的是以油劑廢氣形式排放的比例；q代表的是油劑在每噸POY絲中存在的含量.

設(shè)CEp代表的是油劑廢氣在生產(chǎn)過程中對應(yīng)的工藝碳排放量，其計(jì)算公式如下：

CEp=NNFEdfg

(7)

式中，fg代表的是油劑廢氣的生產(chǎn)過程中對應(yīng)的碳排系數(shù).

通過上述分析，構(gòu)建滌綸低彈絲生產(chǎn)的碳排放函數(shù)CE：

CE=ECe+CEm+CEp

(8)

在液體分散染料的基礎(chǔ)上結(jié)合碳排放函數(shù)，建立滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝參數(shù)優(yōu)化模型：

CE(X)=CE(Vo,Ho,Sm,Tf,Ts)

(9)

式中，X={Vo,Ho,Sm,Tf,Ts}，其中Ts、Tf均代表的是加熱箱溫度；Sm代表的是加工速度；Vo代表的是油輪速度；Ho代表的是油尺高度.

2.2 模型求解

基于液體分散染料的滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，利用粒子群算法，求解滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝參數(shù)優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體過程如下：

1)外部存檔

粒子的密度信息即為粒子在網(wǎng)格中存在的數(shù)量，當(dāng)網(wǎng)格中存在較多的粒子時(shí)，相對的粒子密度較大，反之粒子密度較小[9，10].非劣解在Archive集中存在的數(shù)量隨著算法的運(yùn)行不斷增加，通過調(diào)整網(wǎng)格的尺寸，對Archive集中存在的粒子進(jìn)行重新定位[11].

2)自適應(yīng)網(wǎng)格

對二維目標(biāo)空間進(jìn)行劃分，獲得K1×K2個(gè)網(wǎng)格，設(shè)dk代表的是網(wǎng)格第k維寬度，其計(jì)算公式如下：

(10)

3)Archive集的維護(hù)

當(dāng)粒子在Archive集中高于預(yù)設(shè)的最大值為M時(shí)，消除Archive集中存在的多余粒子[12,13]，設(shè)PN代表的是需要?jiǎng)h除的粒子總數(shù)，其計(jì)算公式如下：

(11)

式中，At+1代表的是Archive集在第t+1迭代時(shí)存在的粒子數(shù)；Grid(m)描述的是網(wǎng)格m中存在的粒子數(shù).

4)全局極值

將粒子集Si中密度最小的粒子作為全局極值gbest(i)，其表達(dá)式如下：

gbest(i)={Aj|min{Grid(Aj),j∈Si}}

(12)

式中，Grid(Aj)描述的是在網(wǎng)絡(luò)中存在的粒子數(shù)；Si描述的是優(yōu)于粒子i的粒子在Archive集中構(gòu)成的粒子集合，其表達(dá)式如下：

Si={Aj|j∈At,j>i|}

(13)

式中，At代表的是第t次迭代時(shí)對應(yīng)的Archive集；大于號(hào)描述的是Pareto優(yōu)先關(guān)系.

當(dāng)全局極值gbest(i)的個(gè)數(shù)高于1時(shí)，通過式(14)選擇粒子i的唯一全局極值gbest(i)*[14，15]：

(14)

利用粒子群算法，求解滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝參數(shù)優(yōu)化模型的求解流程如圖2所示.

圖2 粒子群算法求解流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證基于液體分散染料的滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的整體有效性，需要對基于液體分散染料的滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行測試，本次測試采用Windows操作系統(tǒng)完成.分別采用基于液體分散染料的滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、基于正交試驗(yàn)法的生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和基于多目標(biāo)遺傳算法的生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行測試，對比不同方法優(yōu)化后的電能消耗量，測試結(jié)果如圖3所示：

圖3 不同方法的電能消耗量

分析圖3可知，采用基于液體分散染料的滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝優(yōu)化方法優(yōu)化后的電能消耗量在多次迭代中均低于150 kW·h；采用基于正交試驗(yàn)法的生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法優(yōu)化后的電能消耗量在第二次迭代中高達(dá)200 kW·h；采用基于多目標(biāo)遺傳算法的生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法優(yōu)化后的電能消耗量在三次迭代中高達(dá)225 kW·h.對比基于液體分散染料的滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、基于正交試驗(yàn)法的生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和基于多目標(biāo)遺傳算法的生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的測試結(jié)果可知，基于液體分散染料的滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法優(yōu)化后的電能消耗量最小，將具有低能耗、低成本、操作簡單和無粉塵等優(yōu)點(diǎn)的液體分散染料技術(shù)引入滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝中，降低了電能消耗量.

通過SW-24A型耐洗色牢度試驗(yàn)機(jī)對基于液體分散染料的滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、基于正交試驗(yàn)法的生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和基于多目標(biāo)遺傳算法的生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行測試，對比不同方法的色牢度，測試結(jié)果如圖4所示.

圖4 不同方法的色牢度

分析圖4中的數(shù)據(jù)可知，在多次跌代中基于液體分散染料的滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的色牢度均高于基于正交試驗(yàn)法的生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和基于多目標(biāo)遺傳算法的生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的色牢度，基于液體分散染料的滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法通過粒子群算法，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，提高了工藝的色牢度.

4 結(jié)論

滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝合并了變形和拉伸，又被稱為滌綸拉伸變形絲，將滌綸預(yù)取向絲作為原絲通過連續(xù)拉伸變形工藝在加彈機(jī)上進(jìn)行假捻和拉伸變形，獲得滌綸低彈絲.為了獲得高質(zhì)量的滌綸低彈絲，需要對滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).當(dāng)前滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法存在電能消耗量高和色牢度低的問題，提出基于液體分散染料的滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，降低了生產(chǎn)滌綸低彈絲的電能消耗量，提高了滌綸低彈絲的色牢固，為滌綸低彈絲的發(fā)展奠定了基礎(chǔ).