于捍江，張林雅

（1 唐山三友集團(tuán)興達(dá)化纖有限公司，河北 唐山 063305；2 河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院， 河北 石家莊 050018）

中國(guó)是世界上最大的化學(xué)纖維生產(chǎn)國(guó)，黏膠短纖維作為替代棉花的主要化纖品種，在當(dāng)前石油資源緊張的形勢(shì)下，因其原料可通過(guò)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(guó)黏膠短纖維年產(chǎn)能350 萬(wàn)噸，占全球總產(chǎn)量的60%。黏膠短纖維生產(chǎn)工藝復(fù)雜，在化學(xué)纖維中屬于高耗能品種，單位產(chǎn)品的綜合能耗約為1000kg 標(biāo)煤/t 纖維。通過(guò)技術(shù)進(jìn)步，推動(dòng)行業(yè)節(jié)能減排，一直是行業(yè)的重點(diǎn)研究課題，對(duì)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(jìn)行酸浴的回收處理，供給紡練合格的酸浴進(jìn)行紡絲。酸浴是9%硫酸、0.9%硫酸鋅、26%硫酸鈉的強(qiáng)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(guò)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(jìn)行循環(huán)使用。以上過(guò)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(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的專(zhuān)用設(shè)備和工藝[7-9]，忽略了跨行業(yè)的技術(shù)引進(jìn)和創(chuàng)新。例如國(guó)內(nèi)外的絕大多數(shù)工廠把11 級(jí)閃蒸作為標(biāo)準(zhǔn)配置用于酸浴蒸發(fā)[10-11]，用石墨加熱器進(jìn)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(jiàn)相關(guān)文章報(bào)道。

本文針對(duì)黏膠短纖維生產(chǎn)中的高能耗問(wèn)題，分析其各生產(chǎn)工序的綜合能耗，對(duì)比研究了不同的酸浴調(diào)配模式。通過(guò)優(yōu)化酸浴調(diào)配流程，開(kāi)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(duì)于產(chǎn)業(yè)升級(jí)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(dòng)力、污水及廢氣處理，各工序的綜合能耗見(jiàn)表1。

由表1 可見(jiàn)，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(biāo)煤計(jì)，其能耗占比達(dá)到了50.2%。酸站的作用是進(jìn)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(jìn)行紡絲。不同于原液和紡練已經(jīng)固化的流程和專(zhuān)用設(shè)備，酸站系統(tǒng)的流程和設(shè)備可以靈活調(diào)整，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的循環(huán)調(diào)配流程和蒸發(fā)結(jié)晶裝置，有利于實(shí)現(xiàn)黏膠短纖維生產(chǎn)的節(jié)能改進(jìn)。

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(jìn)出紡絲機(jī)的硫酸濃度差應(yīng)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(wàn)噸的生產(chǎn)線每小時(shí)的酸浴循環(huán)量約1440m3，酸浴調(diào)配流程的設(shè)計(jì)會(huì)直接影響纖維生產(chǎn)的能耗。毛雷爾模式和蘭精模式，是當(dāng)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(duì)其能耗作了研究探討。

2.1 毛雷爾模式

毛雷爾模式以國(guó)內(nèi)引進(jìn)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(jìn)入脫氣裝置，靠重力落入混合槽，在此進(jìn)行濃度調(diào)配。然后用泵送入過(guò)濾系統(tǒng)，過(guò)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(jìn)入高位槽，靠重力自流到紡絲機(jī)。

毛雷爾酸浴調(diào)配模式的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：酸浴在循環(huán)調(diào)配過(guò)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(guò)濾后的余壓進(jìn)酸。該裝置巧妙利用了重力位差，整個(gè)調(diào)配流程簡(jiǎn)潔，動(dòng)力消耗低，噸纖維耗電178kW·h。

該模式存在的主要缺點(diǎn)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(diǎn)升比調(diào)配前升高1℃，蒸發(fā)能耗增大5%。

（2）流程中酸浴過(guò)濾后并行供給紡絲機(jī)和閃蒸裝置，造成閃蒸裝置所供酸浴被重復(fù)過(guò)濾提升，過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)備配臺(tái)增加了40%。

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

2.2 蘭精模式

蘭精模式以國(guó)內(nèi)引進(jìn)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(jìn)入脫氣裝置，重力流入脫氣回流槽。再用泵送去過(guò)濾，過(guò)濾后酸浴重力流回過(guò)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(jī)。

蘭精模式酸浴調(diào)配工藝的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：它的二級(jí)真空脫氣裝置可維持酸浴進(jìn)出口0.5℃的溫升，不需要設(shè)置單獨(dú)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(méi)有被重復(fù)過(guò)濾。

該模式的缺點(diǎn)是在整個(gè)循環(huán)調(diào)配過(guò)程中，酸浴被泵反復(fù)提升了3 次，與毛雷爾模式相比，泵的配置臺(tái)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(jìn)

為進(jìn)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(jiàn)，閃蒸、結(jié)晶能耗占比較大，針對(duì)各工段能耗及工藝特性，分別研究提出改進(jìn)方案。

3.1 新型多級(jí)閃蒸裝置的開(kāi)發(fā)

黏膠短纖維的閃蒸裝置經(jīng)歷了多效蒸發(fā)向多級(jí)閃蒸的更新?lián)Q代，國(guó)內(nèi)多級(jí)閃蒸近20 年來(lái)經(jīng)歷了6級(jí)向11 級(jí)的升級(jí)，其中11 級(jí)閃蒸有每小時(shí)12t 和20t 蒸發(fā)量?jī)煞N[14-17]。表3 是當(dāng)前幾種新型多級(jí)閃蒸裝置的指標(biāo)對(duì)比表，由表3 可見(jiàn)，隨閃蒸級(jí)數(shù)增加其能耗降低，但所需預(yù)熱器面積變大，設(shè)備投資大幅度增加。盡管如此，結(jié)合當(dāng)今世界能源價(jià)格的不斷上漲，開(kāi)發(fā)更高級(jí)數(shù)的多級(jí)閃蒸具有一定現(xiàn)實(shí)意義。合作開(kāi)發(fā)的25t 14 級(jí)和35t 16 級(jí)閃蒸，經(jīng)生產(chǎn)檢驗(yàn)，運(yùn)行良好。16 級(jí)閃蒸比11 級(jí)閃蒸節(jié)能36%，節(jié)能效果顯著。

表3 新型多級(jí)閃蒸裝置指標(biāo)對(duì)比

3.2 酸浴溫度平衡方式的改進(jìn)

酸浴在循環(huán)過(guò)程中會(huì)散失熱量導(dǎo)致溫度降低，而紡絲機(jī)需要恒定的酸浴供應(yīng)溫度，因此在酸浴調(diào)配流程中必須設(shè)置加熱。毛雷爾模式采用以蒸汽為熱源的間壁式換熱器進(jìn)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(jìn)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(guò)一級(jí)脫氣罐和二級(jí)脫氣罐進(jìn)行兩次脫氣，二級(jí)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(jìn)入一級(jí)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(shí)有微量不凝氣體向上穿過(guò)酸浴逸出，與第一級(jí)的二次蒸汽一起進(jìn)入混合冷凝器。二級(jí)脫氣罐的落酸溫度比一級(jí)脫氣罐的進(jìn)酸溫度提高了0.5℃，保證酸液溫度略有提高，彌補(bǔ)了酸浴循環(huán)過(guò)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(guò)多級(jí)閃蒸去除，導(dǎo)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(lái)的弊端，研究設(shè)計(jì)了更加簡(jiǎn)便節(jié)能的閃蒸調(diào)溫模式來(lái)平衡酸浴溫度，即通過(guò)提高多級(jí)閃蒸落酸溫度調(diào)節(jié)循環(huán)酸浴的溫度。改進(jìn)后不需要設(shè)置單獨(dú)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(wàn)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(jìn)酸溫度提高7.4℃即可達(dá)到溫度平衡。3種模式的耗能對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 3 種溫度平衡方式耗能對(duì)比

由表4 可見(jiàn)，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(huì)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(kāi)發(fā)

在酸浴的循環(huán)調(diào)配過(guò)程中，除了維持酸浴溫度平衡外，還需要維持濃度平衡。通過(guò)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(bǔ)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(chēng)芒硝），然后再焙燒去掉結(jié)晶水得到無(wú)水硫酸鈉（俗稱(chēng)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(fù)雜，而且能耗高。針對(duì)傳統(tǒng)提硝的缺點(diǎn)，合作開(kāi)發(fā)了多級(jí)閃蒸一步提硝裝置，利用硫酸鈉溶液大于32.4℃時(shí)可直接結(jié)晶析出元明粉的性質(zhì)，將多級(jí)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(duì)比見(jiàn) 表5。

由表5 可見(jiàn)，多級(jí)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(dá)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(duì)比

3.4 酸浴調(diào)配系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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

圖4 酸浴調(diào)配系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工藝流程

改進(jìn)后酸浴調(diào)配系統(tǒng)采取酸浴過(guò)濾后脫氣，用以避免膠塊堵塞篩板。提硝流程采用多級(jí)閃蒸一步提硝裝置替代傳統(tǒng)結(jié)晶焙燒提硝，利用多級(jí)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(shè)計(jì)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(guò)濾設(shè)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(duì)比見(jiàn)表6。

表6 優(yōu)化模式與傳統(tǒng)模式耗能對(duì)比

由表6 可見(jiàn)，相對(duì)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(shì)，能耗最高可降低23%。

4 結(jié) 論

針對(duì)黏膠短纖維生產(chǎn)中的高能耗問(wèn)題，通過(guò)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(dāng)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(diǎn)，進(jìn)而分析了酸浴調(diào)配系統(tǒng)各工序的能耗指標(biāo)，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(jìn)方案，得到以下結(jié)論。

（1）開(kāi)發(fā)新型多級(jí)閃蒸裝置，采用更高級(jí)數(shù)的多級(jí)閃蒸，降低能耗。經(jīng)生產(chǎn)檢驗(yàn)，以16 級(jí)閃蒸取代11 級(jí)閃蒸，可節(jié)能36%。

（2）分析對(duì)比了毛雷爾模式和蘭精模式的酸浴加熱裝置及能耗，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)便節(jié)能的多級(jí)閃蒸調(diào)節(jié)循環(huán)酸浴的溫度。改進(jìn)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(kāi)發(fā)多級(jí)閃蒸一步提硝裝置替代傳統(tǒng)結(jié)晶焙燒提硝，將多級(jí)閃蒸、結(jié)晶、焙燒裝置合為一體。多級(jí)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(dá)到了節(jié)省投資、節(jié)約能源的目的。

（4）通過(guò)技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新，合理設(shè)計(jì)了節(jié)能改進(jìn)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(jiǎn)化，工藝先進(jìn)，節(jié)省了大量的土建和設(shè)備投資，能耗可降低23%。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的酸浴調(diào)配系統(tǒng)已在黏膠短纖維行業(yè)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化運(yùn)行，達(dá)到了很好的節(jié)能效果，具有極好的推廣前景。

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