涤纶短纤维后纺能源梯级利用的清洁生产方案设计

时间：2024-07-28

陆琪戚雁俊

(1.上海市环境科学研究院，上海 200233；2.上海环科环境认证有限公司，上海200233)

清洁生产方案设计可从源头上削减涤纶短纤维相关生产工序蒸汽和工业用水的消耗，提高蒸汽能源和水资源利用效率，达到生产流程节能减排、降低生产成本和环境友好之目的。能源梯级利用作为一种能源高效使用和节能减排的方式，现已广泛地应用于制冷、深冷、化工、冶金等各种工业过程[1-2]。文章以涤纶短纤维后加工流程为背景，依据生产单元的工艺技术特点，针对蒸汽能源和水资源供给和消耗现状，尝试通过能量梯级综合利用来降低能耗。

1 基本概念

1.1 能源梯级利用

首先，不管是一次能源还是余能资源，均可按其品位(质)高低逐级加以利用，进而提高整个系统的能源利用效率；其次，能源梯级利用包括按质用能和逐级多次利用两个方面[3]。

(1)按质用能就是指尽可能不使高品位能源去做低质能源可完成的工作，在一定要用高温热源来加热时，也尽可能减少传热温差。

(2)逐级多次利用就是指高质能源的能量不一定要在一个设备或过程中全部用完，因为在使用高质能源的过程中，能源的温度是逐渐下降(即能质下降)的，而每种设备在消耗能源时，总是处于一个最经济合理的使用温度范围。

1.2 水资源梯级利用

(1)水资源是能源的一种表现形式，因此能源梯级利用的概念和原理同样适合水资源综合利用。只是评价水资源高质(高品位)的指标体系，主要按照水资源中所含杂质(尤其是污染物质)的种类和数量的多少来加以区分，如通常所言的一级水质或三类水质等。

(2)通常的节水减排策略主要是通过直观定性分析，往往着眼于单个工序操作或局部用水系统。水资源梯级利用以循环经济思想和工业生态学理论为指导，将用水系统作为一个有机的整体来对待，考虑如何合理分配各用水单元的水量和水质，以使水资源的重复利用率达到最大，同时废水的排放量减至最小[4]。

(3)水资源梯级利用不同于传统意义上的污水回用，这主要是指资源利用的理念、方法和过程不同。比如污水回用是指经二级处理和深度处理，去除对生产及生活有害或不利杂质之后，重新成为可以回用于生产系统或生活设施的清洁水。显然，梯级利用突出水资源等级，强调从高至低的梯次利用，而污水回用的特征是处理后重新使用。

1.3 涤纶短纤维分类

(1)根据涤纶短纤维原料来源和产品特征将其分为常规普通涤纶短纤维和再生涤纶短纤维两大类别。普通涤纶短纤维主要是指以聚合产生的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)熔体为原料，通过直接纺丝，或者以PET等级产品粒子为原料，通过切片纺丝以及拉伸定型等后加工制得的涤纶短纤维[5]；再生涤纶短纤维主要是指以纺丝废丝、浆块、聚酯瓶片、涤纶布料和泡泡料等PET废弃物为原料，经过粉碎、清洗、混合、干燥和造粒等处理后，按照常规的生产加工方式，如熔融、纺丝、卷绕、集束、牵伸、卷曲、定型和切断后形成不同长度的涤纶短纤维[6]。

(2)涤纶短纤维后加工流程涉及的能源结构及其形式主要有：不同规格的电力、不同压力等级的蒸汽和不同纯度(或水质)的工业用水。文章基于能源梯级利用理论，研究涤纶短纤维后加工流程的清洁生产方案，仅指蒸汽和水两种能源结构及其形式。

2 设计要领

2.1 设计原则

以蒸汽和水资源梯级利用作为清洁生产方案设计目标，通过具体技术装备的清洁生产审核，推进涤纶短纤维后加工流程、技术装备和生产企业的能源利用水平，提高蒸汽和水资源的综合利用效率[7-8]。

2.2 设计思路

一是依据能源梯级利用的特征，突出蒸汽能源和水资源的按质用能，强调梯级多次利用蒸汽能源和水资源；二是新的方案应当既能符合创新开发的建设高效节能环保型涤纶短纤维技术装备，也可满足目前正在生产运行之后加工流程的清洁生产和技术进步改造。

2.3 设计程序

(1)将涤纶短纤维后加工流程中各个生产单元或生产工序的能源使用状况，按具体的能源品种和品质要求细分成多个等级，为实现蒸汽能源和水资源利用的按质用能和梯级利用提供基础性的设计依据。

(2)依据循环经济理论、产业生态学原理及清洁生产要求，按照已经确定的能源品种和品质等级，建立一种新型的、符合生态共生的能源梯级利用设计方案或体系框架，尽量涵盖所有生产单元、生产工序、辅助设施和生活设施。

(3)依据清洁生产审核及其能源平衡测试，在扩初设计阶段从数量上补充和完善能源梯级利用设计方案或体系框架。

3 清洁生产方案设计

通过两个典型案例来阐述能源梯级利用在涤纶短纤维后加工流程中的应用：案例一是基于蒸汽能源的梯级利用，研究设计对象为常规普通涤纶短纤维后加工流程；案例二是基于水资源的梯级利用，研究设计对象为再生涤纶短纤维后加工流程。

3.1 蒸汽能源梯级利用

3.1.1 设计交底及先期准备

在相关生产单元功能描述的基础上，列举了常规普通涤纶短纤维后加工流程中，若干生产单元中蒸汽能源的使用和等级划分(见表1)。

表1 部分生产单元蒸汽能源等级划分

由表1可知：根据用汽要求不同，可以将生产单元划分成1～5个能源等级，即依据蒸汽能源的品质(位)和加工温度的高低，将紧张定型1和紧张定型2生产单元的用能状况划定为1级；将蒸汽加热箱和第三拉伸机生产单元的用能状况划定为2级；将其他生产单元的用能状况依次划定为3～5级。这意味着不同等级蒸汽能源之间存在相互共生关系，也就为常规普通涤纶短纤维后加工流程实现蒸汽能源的按质用汽和梯级利用提供了基础性的设计依据。

3.1.2 蒸汽能源梯级利用清洁生产方案设计

按照表1确定的蒸汽能源等级，建立一种新型的、符合生态共生的蒸汽能源梯级，既包括了按质用能，也体现了逐级多次利用，具体如图1所示。

图1 蒸汽能源梯级利用清洁生产方案设计

(1)图1中紧张定型1和2生产单元采用1.5 MPa高品质(位)的一次蒸汽，可满足干燥定型的加工需求；蒸汽加热箱和第三拉伸机生产单元采用闪蒸的0.8 MPa副产蒸汽,并辅以补充的0.8 MPa一次蒸汽，可满足喷汽加热和拉伸干燥的加工需求；蒸汽预热箱和卷曲辊生产单元采用闪蒸的0.3 MPa 副产蒸汽,并辅以补充的0.3 MPa一次蒸汽，可满足喷汽加热和卷曲辊内热水的加工需求；水浴槽、浸渍槽和上油槽采用闪蒸的0.3 MPa 副产蒸汽，满足相应的加工需求。

(2)图1中实线部分是指按表1的蒸汽能源等级划分的用能及其梯级利用；虚线部分是指可能存在的其他等级蒸汽能源的补充；点划线部分是指上一等级的蒸汽能源也可以越级供给。

(3)图1中闪蒸1或2是依据闪蒸原理将高压的饱和液体部分地转变成低压的饱和蒸汽和饱和液体[9]。溴化锂制冷是指以75 ℃以上的热水作为热源，溴化锂水溶液为工质的制冷技术装备[10]。

3.1.3 构成新的用汽平衡

图1表征的具有创造性、新颖性和风险性并举的清洁生产方案[11]，应当在扩大初步设计阶段，通过蒸汽平衡测试和热平衡计算并完善该蒸汽能源梯级利用设计方案，以此构成常规普通涤纶短纤维后加工流程新的用汽平衡。

3.2 水资源梯级利用

3.2.1 设计交底及先期准备

(1)再生涤纶短纤维产品的质量标准不同于常规普通涤纶短纤维，所以在加工技术和生产单元设置方面会有一些明显的区别[6]，主要包括：不设置紧张定型加工单元、第三拉伸机工作辊筒无蒸汽加热功能、第四拉伸机工作辊筒不通软化水且无夹套式换热。

(2)软化水通常是蒸汽锅炉的主要用水，倘若不考虑管道腐蚀等因素，蒸汽冷凝水或凝结水的水质应当高于软化水，即蒸汽冷凝水中钙、镁离子的含量应当低于软化水中钙、镁离子的含量。

(3)将再生涤纶短纤维后加工流程中各个生产单元或生产工序的水资源使用状况，按具体的品质要求细分为多个等级，如表2所示。

表2 部分生产单元水资源等级划分

根据表2，具体的水资源等级划分包括：蒸汽加热箱和蒸汽预热箱以蒸汽冷凝水为水资源介质，划定为1级；卷曲辊以软化水为水资源介质，划定为1级；水浴槽以软化水为水资源介质，划定为2级；浸渍槽、上油槽、喷油水机和原料初级清洗，分别划定为3～4级，其中上油槽以油剂为加工介质，其他生产单元则以软化水为水资源介质。

3.2.2 水资源梯级利用清洁生产方案设计

依据表2确定的水资源水质等级，尤其是所构成的相互共生关系，建立一种新型的、符合生态共生的水资源梯级利用清洁生产方案或体系框架，从而再生涤纶短纤维后加工流程实现水资源的按质用水和梯级利用，具体如图2所示。

图2 水资源梯级利用清洁生产方案设计

(1)图2采用一定温度的蒸汽冷凝水和软化水共同构成再生涤纶短纤维后加工的水资源梯级利用的清洁生产方案设计。

(2)水浴槽等水资源的梯级利用采用直接注入式，上油槽的水资源梯级利用采用夹套式，而原料清洗则取浸渍+喷淋的组合方式。

(3)图2中实线部分是指按表2的水资源等级划分用能及其梯级利用；虚线部分是指一次软化水可以对各个等级用水进行补充及其水温调节；点划线部分是指上一等级的水资源也可以越级供给。

(4)该清洁生产方案设计也体现了水资源梯级利用与污水处理及其回用的关联。即水资源强调从高至低的梯次利用，而污水回用的特征是处理后重新使用，且通常是在水资源梯级利用之后进行污水处理。

3.2.3 构成新的用汽平衡

图2表征的清洁生产方案设计也应当在扩大步初设计阶段，通过水平衡测试和热平衡计算并完善该水资源梯级利用设计方案，由此构成再生涤纶短纤维后加工流程新的用水平衡。