邵景峰，馬創(chuàng)濤，王蕊超，袁玉樓，王希堯，牛一凡

(1.西安工程大學(xué) 管理學(xué)院，陜西 西安 710048；2.咸陽紡織集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽 712000)

滌綸低彈絲(DTY)作為滌綸化纖的一種變形絲，與一般滌綸相比具有彈性模量高、易洗快干等特性，受到紡織企業(yè)以及消費(fèi)者的關(guān)注。然而，由于滌綸低彈絲的生產(chǎn)是由多種性能差異較大的纖維混紡而成，且這些不同組分混紡纖維因性能差異(比如吸濕、放濕性能)經(jīng)常相互作用并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這使得包括滌綸低彈絲在內(nèi)的差別化纖維的生產(chǎn)質(zhì)量和能耗難以有效控制。在此背景下，如何實(shí)現(xiàn)差別化纖維生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，從而做到其生產(chǎn)質(zhì)量的控制以及能耗的降低，成為制約我國(guó)差別化纖維生產(chǎn)的瓶頸問題。

國(guó)外對(duì)于差別化纖維工藝優(yōu)化的研究主要是探討工藝優(yōu)化方法和生產(chǎn)過程能耗測(cè)量技術(shù)：Khayyam等[1]提出了面向纖維生產(chǎn)過程中的隨機(jī)優(yōu)化模型，通過該隨機(jī)優(yōu)化模型在一定范圍內(nèi)提高了纖維的質(zhì)量；Raileanu等[2]提出了一種基于多Agent模型的制造車間資源消耗實(shí)時(shí)測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)制造過程工藝的優(yōu)化。近年來，隨著智能優(yōu)化理論技術(shù)與方法的成熟，其研究的焦點(diǎn)主要集中在基于智能優(yōu)化理論的工藝優(yōu)化方面：Wang等[3]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多目標(biāo)優(yōu)化算法提出了一種差別化纖維生產(chǎn)工藝參數(shù)及性能的雙向預(yù)測(cè)方法，該方法能夠有效建立差別化纖維生產(chǎn)工藝與產(chǎn)品性能的函數(shù)關(guān)系；Kiyono等[4]將正態(tài)分布函數(shù)引入到纖維取向優(yōu)化中，提出了一種基于正態(tài)分布函數(shù)的纖維取向優(yōu)化方法并實(shí)現(xiàn)了對(duì)纖維取向的優(yōu)化。

國(guó)內(nèi)對(duì)差別化纖維生產(chǎn)工藝優(yōu)化的研究，主要集中在基于具體生產(chǎn)實(shí)踐的差別化纖維生產(chǎn)工藝優(yōu)化方面：鄧志文等[5]提出了一種基于柔性梳理的差別化纖維生產(chǎn)工藝優(yōu)化路線，從而有效提高了差別化纖維梳理質(zhì)量和效率；高菁[6]在結(jié)合具體的甲殼素纖維與天絲精梳長(zhǎng)絨棉混紡紗生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對(duì)甲殼素纖維混紡紗線生產(chǎn)過程中的工藝流程進(jìn)行了優(yōu)化，提高了甲殼素纖維混紡成紗的質(zhì)量；劉夢(mèng)雨[7]針對(duì)梳理過程中棉結(jié)過高的問題，結(jié)合具體的生產(chǎn)工藝實(shí)踐對(duì)差別化纖維生產(chǎn)過程中清梳聯(lián)工序的工藝參數(shù)，并有效降低了棉結(jié)；劉笑瑩等[8]在對(duì)棉麻混紡前紡系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造的基礎(chǔ)上，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究提出了一種提高制成率的優(yōu)化工藝方案。近幾年，隨著紡織設(shè)備智能化程度的提高，基于數(shù)據(jù)的工藝參數(shù)優(yōu)化逐漸成為研究的熱點(diǎn)：孫成龍等[9]結(jié)合差別化纖維生產(chǎn)工藝，在生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)反饋的基礎(chǔ)之上提出了一種給進(jìn)速度的優(yōu)化方法，該方法通過工藝優(yōu)化提高了生產(chǎn)過程中的效率；舒服華等[10]提出了一種基于正交試驗(yàn)與灰色關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合的針刺滌綸生產(chǎn)工藝參數(shù)優(yōu)化方法，通過工藝數(shù)據(jù)的驗(yàn)證表明提高了針刺滌綸防水胎基的斷裂伸長(zhǎng)率。

綜上，現(xiàn)有對(duì)于差別化纖維生產(chǎn)工藝優(yōu)化的研究，主要通過采用基于生產(chǎn)工藝實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和基于智能優(yōu)化理論的工藝建模優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)差別化纖維生產(chǎn)工藝流程以及關(guān)鍵工藝參數(shù)的優(yōu)化[1-2,4]，解決了差別化纖維生產(chǎn)制造過程中存在的效率低下以及產(chǎn)品質(zhì)量不合格率較高的問題[5-7]。然而，隨著綠色制造理念在紡織行業(yè)的不斷深入，還存在差別化纖維生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，以及生產(chǎn)過程能耗問題尚未徹底解決[11]。為此，本文以滌綸低彈絲綠色低碳生產(chǎn)工藝的優(yōu)化問題為切入點(diǎn)，以滌綸低彈絲纖維加彈工藝為研究對(duì)象，以提升滌綸低彈絲產(chǎn)品質(zhì)量和降低差別化滌綸低彈絲生產(chǎn)過程的能耗為目標(biāo)，提出了一種基于碳排放核算的滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝優(yōu)化方法，以實(shí)現(xiàn)滌綸低彈絲生產(chǎn)過程關(guān)鍵工藝參數(shù)的優(yōu)化。

1 能耗計(jì)量建模

碳足跡分析作為面向產(chǎn)品制造過程全生命周期的碳排放計(jì)量技術(shù)[12]受到學(xué)者們的關(guān)注：Nigam等[13]將碳足跡引入到棉紡生產(chǎn)過程中的能耗計(jì)量中，分析棉紗生產(chǎn)過程中能源投入與碳排放；李一等[14]在碳足跡理論的基礎(chǔ)上，對(duì)牛仔褲生產(chǎn)過程中的碳足跡進(jìn)行核算與評(píng)價(jià)；童慶蒙等[15]提出基于生命周期評(píng)價(jià)法的碳足跡核算體系等。為此，借助碳足跡理論從物料、能源、廢棄物 3個(gè)角度對(duì)差別滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中的能耗投入、產(chǎn)出關(guān)系進(jìn)行梳理，并對(duì)滌綸低彈絲利用輸入-處理-輸出(IPO)方法，構(gòu)建如圖1所示的滌綸低彈絲生產(chǎn)過程能耗計(jì)量模型。

對(duì)每個(gè)滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝流程i，定義輸入量為Ii、輸出量為Oi，這樣在圖1計(jì)量模型基礎(chǔ)上，建立式(1)所示的滌綸低彈絲生產(chǎn)過程碳排放函數(shù)，即：

(1)

式中：Ci(i=1,2,…,n) 為滌綸低彈絲維生產(chǎn)過程中的各項(xiàng)能源的碳消耗量，kg(以1 kg CO2碳含量基準(zhǔn)進(jìn)行核算，后同)；fci為各能源消耗對(duì)應(yīng)的碳排放系數(shù)。

2 能耗分析及碳排放核算

2.1 生產(chǎn)過程能耗分析

滌綸低彈絲的生產(chǎn)過程主要是將高速紡制滌綸預(yù)取向絲(POY)通過牽伸加捻工藝而成，具有流程短、效率高以及質(zhì)量好的特點(diǎn)。為此，對(duì)滌綸低彈絲加彈絲生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行分析，圖2示出其加彈工藝流程。

圖2 滌綸低彈絲加彈的工藝流程Fig.2 Texturing process flow

由圖2可知，滌綸低彈絲的加彈工藝生產(chǎn)流程主要為：首先將POY絲掛絲喂入加彈機(jī)中，并通過加熱箱對(duì)其進(jìn)行加熱變形拉伸處理；然后將加熱變形后的絲經(jīng)過冷卻板冷卻后進(jìn)行加捻，同時(shí)對(duì)冷卻加捻處理后的絲進(jìn)行二次加熱拉伸；然后通過上油處理以減少成型后紗線的靜電效應(yīng)；最后，經(jīng)過卷繞、落絲以及分級(jí)質(zhì)檢等工序后出廠。

根據(jù)滌綸低彈絲加彈工藝流程，加彈工藝可分為加熱拉伸系統(tǒng)、冷卻加捻系統(tǒng)、加熱定型系統(tǒng)、上油系統(tǒng)、卷繞系統(tǒng)。為此，結(jié)合滌綸低彈絲加彈工藝流程，對(duì)各系統(tǒng)的碳排放量進(jìn)行核算。

2.1.1加熱拉伸系統(tǒng)

在滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中，由于其在常溫下具有較高的拉伸應(yīng)力，所以為提高絲條的蓬松性和卷曲性，并降低拉伸過程中出現(xiàn)的毛絲和斷頭，在拉伸之前需對(duì)絲條進(jìn)行加熱，從而保證其在較高溫度下能夠充分拉伸與變形。加熱拉伸系統(tǒng)中的加熱系統(tǒng)采用的是真空密封聯(lián)苯蒸汽和電加熱復(fù)合加熱的方式，所以其碳排放主要為能源碳排放與工藝碳排放：能源碳排放具體表現(xiàn)為加彈機(jī)中牽伸系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)電能消耗EMc1與電加熱輔助系統(tǒng)中電加熱絲的電能消耗EHc1；工藝碳排放主要表現(xiàn)為DTY絲在加熱過程中產(chǎn)生的油劑廢氣(以非甲烷總烴計(jì)量)排放量NNFEd1。

2.1.2冷卻加捻系統(tǒng)

絲條在經(jīng)過加熱變形系統(tǒng)后，由于絲條的溫度較高而導(dǎo)致基剛性不足，所以為了固定絲條的熱變形、降低其熱塑性，以使絲條具有一定的剛性，需要將基通過冷卻板冷卻至80 ℃以下，才能保證絲條在假捻過程中的捻度傳遞。在冷卻加捻系統(tǒng)的冷卻過程中，主要是通過金屬板空氣冷卻方法，所以在該過程中的碳排放主要為能源碳排放，具體表現(xiàn)為空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的電能消耗EMc2引風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的電能消耗EMc3以及單錠驅(qū)動(dòng)的假捻裝置電動(dòng)機(jī)的電能消耗EMc4。

2.1.3加熱定型系統(tǒng)

對(duì)于冷卻后的絲條，由于其彈性較高而無法對(duì)其進(jìn)行定型，所以為降低其彈性以使絲條能夠具有較好的定型效果，需要將絲條通過加熱定型系統(tǒng)進(jìn)行加熱。在加熱定型系統(tǒng)中，主要通過非接觸型空氣加熱方式，所以該過程中其碳排放主要為能源碳排放與工藝碳排放：能源碳排放具體表現(xiàn)為空氣加熱器的電能消耗EHc2；工藝碳排放主要表現(xiàn)為DTY絲在加熱過程中產(chǎn)生的油劑廢氣(以非甲烷總烴計(jì)量)排放量NNFEd2。

2.1.4上油系統(tǒng)

由于加熱成型后的絲條會(huì)產(chǎn)生靜電效應(yīng)，導(dǎo)致其在卷繞、落絲的過程中出現(xiàn)僵死現(xiàn)象，所以在卷繞、落絲之前需要對(duì)絲條進(jìn)行上油，以減少絲條間靜電效應(yīng)、斷頭率等對(duì)絲條質(zhì)量造成的影響。所以，在滌綸低彈絲上油系統(tǒng)中的碳排放主要為物料碳排放，具體表現(xiàn)為DTY油劑消耗量。

2.1.5卷繞和落絲系統(tǒng)

滌綸低彈絲在加彈生產(chǎn)過程中通過上油提高了絲條及纖維的抱合力以及強(qiáng)度后，需要對(duì)絲條進(jìn)行卷繞和落絲，從而完成整個(gè)加彈生產(chǎn)的工藝流程。所以在該過程中，主要的碳排放為能源碳排放，具體表現(xiàn)為加彈機(jī)卷繞系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)能耗EMc5和絲條落絲系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的能耗EMc6。

2.2 滌綸低彈絲加彈過程的碳排放核算

在上述生產(chǎn)工藝及能耗分析的基礎(chǔ)上，從能源碳排放、物料碳排放以及工藝碳排放等3個(gè)方面，對(duì)滌綸低彈絲加彈過程的能源、物料以及工藝消耗進(jìn)行分析。

2.2.1能源碳排放

在滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中能源碳排放主要表現(xiàn)為電能消耗，其過程中加彈機(jī)、空壓機(jī)、引風(fēng)機(jī)等設(shè)備中電動(dòng)機(jī)的電能消耗采用式(2)進(jìn)行核算。

(2)

式中：EMc為設(shè)備電動(dòng)機(jī)的電能消耗量，kW·h；ts和te為設(shè)備啟動(dòng)和停止的時(shí)間，h；P為設(shè)備中電動(dòng)機(jī)的功率，kW；q為設(shè)備中電動(dòng)機(jī)的臺(tái)數(shù)。

與此同時(shí)，對(duì)于電輔助加熱系統(tǒng)中電能的消耗量，可采用式(3)進(jìn)行核算。

EHc=kPhh

(3)

式中：EHc為電輔助加熱系統(tǒng)中電發(fā)熱絲電能消耗量，kW·h；k為電輔助加熱系統(tǒng)中發(fā)熱絲的根數(shù)；Ph為發(fā)熱絲的功率，kW；h為電輔助加熱系統(tǒng)工作的時(shí)長(zhǎng)，h。

通過對(duì)電能消耗量核算，可得到整個(gè)滌綸低彈絲加彈過程中電能消耗對(duì)應(yīng)的能源碳排放量ECe，即：

(4)

式中：ECe為能源碳排放量，kg；fe為電能對(duì)應(yīng)的碳排放系數(shù)，kg/(kW·h)；EMci為滌綸低彈絲加彈過程中電動(dòng)機(jī)電能的消耗，kW·h；EHci為滌綸低彈絲加彈過程中電加熱輔助系統(tǒng)中電能的消耗，kW·h。

2.2.2物料碳排放

在滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中的能源碳排放主要表現(xiàn)為DTY油劑的消耗，其消耗量采用式(5)進(jìn)行核算。

OMt=SCpt

(5)

式中：OMt為t時(shí)間內(nèi)上油系統(tǒng)中DTY油劑消耗量，L；s為油輪轉(zhuǎn)速，r/min；Cp為上油系統(tǒng)中油輪每轉(zhuǎn)動(dòng)1次的油劑消耗量，L；t為上油系統(tǒng)的工作時(shí)間，min。

在此基礎(chǔ)上，利用式(6)對(duì)滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中物料碳排放進(jìn)行分析與核算。

CEm=foOMt=foSCpt

(6)

式中：CEm為上油系統(tǒng)中DTY油劑消耗對(duì)應(yīng)的碳排放量，kg；fo為DTY油劑的碳排系數(shù)，kg/(kW·h)。

2.2.3工藝碳排放

滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中的工藝碳排放主要表現(xiàn)為加熱拉伸系統(tǒng)中油劑廢氣的排放量NNFEd1(m3)與加熱定型系統(tǒng)中的油劑廢氣排放量NNFEd2(m3)，結(jié)合滌綸低彈絲加彈的生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)滌綸低彈絲加彈過程中的工藝碳排放進(jìn)行分析與核算。

在滌綸低彈絲加熱拉伸系統(tǒng)和加熱定型系統(tǒng)中的油劑排放，主要來源于POY絲中含有的油劑量。根據(jù)滌綸低彈絲生產(chǎn)項(xiàng)目的環(huán)境評(píng)估報(bào)告中數(shù)據(jù)表明，用于生產(chǎn)DTY絲的POY原料中，每噸POY絲中含有的油劑量q為3 kg。同時(shí)，在滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中約有α=30%的前紡油劑以油劑廢氣的形式排放，約10%的油劑會(huì)保留在最終的加彈絲中，50%的油劑會(huì)在加熱箱中結(jié)焦，10%的油劑會(huì)在油氣分離裝置中被回收利用。為此，對(duì)于滌綸低彈絲加彈過程中油劑廢氣排放量，可采用式(7)進(jìn)行分析與核算，即：

NNFEd=NNFEd1+NNFEd2=CPOYqα

(7)

式中：NNFEd為整個(gè)滌綸低彈絲加彈過程中油劑廢氣的排放量，m3；CPOY為單位時(shí)間內(nèi)POY絲的消耗量，t；q為每噸POY絲中的油劑含量，m3/t；α為以油劑廢氣形式排放的比例。

進(jìn)而，利用式(8)對(duì)油劑廢氣對(duì)應(yīng)的工藝碳排放量CEp進(jìn)行核算，即：

CEp=NNFEdfg=CPOYqαfg

(8)

式中：CEp為滌綸低彈絲加彈過程中油劑廢氣對(duì)應(yīng)的工藝碳排放量，kg；fg為滌綸低彈絲加彈過程中排放的油劑廢氣對(duì)應(yīng)的碳排系數(shù)，kg/m3。

基于上述分析，利用式(1)可得出整個(gè)滌綸低彈絲加彈生產(chǎn)過程中的碳排放函數(shù)，如式(9)所示：

foSCpt+CPOYqαfg

(9)

式中，CE為整個(gè)滌綸低彈絲加彈生產(chǎn)過程中的碳排放量，kg。

3 工藝優(yōu)化模型構(gòu)建

3.1 滌綸低彈絲生產(chǎn)過程碳排放參數(shù)確定

滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中與碳排放相關(guān)的能耗主要由物料、能源、廢棄物等3部分組成，故從物料、能源以及廢棄物3個(gè)角度入手，對(duì)滌綸加彈絲工藝中與碳排放相關(guān)的工藝參數(shù)進(jìn)行分析。

在物料消耗方面，滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中的原材料為POY絲以及油劑，其中：POY絲為滌綸低彈絲生產(chǎn)的主要原材料；油劑是滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中的輔助材料，其能夠提高絲條的集束性、增加絲條的平滑性、改善絲條的抗靜電性與退繞性能。進(jìn)而，根據(jù)化纖企業(yè)的生產(chǎn)的工藝實(shí)踐，影響POY絲、油劑消耗的工藝參數(shù)主要有牽伸比、油輪轉(zhuǎn)速、油尺高度。

在能源消耗方面，滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中的能源消耗主要可分為電能、水能以及油氣等方面的消耗。其中：電能消耗主要表現(xiàn)為加彈機(jī)拉伸、卷繞裝置的動(dòng)力消耗以及加熱箱中電加熱裝置的電能消耗；水能消耗主要表現(xiàn)為滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中加熱以及冷卻裝置中水資源的消耗；油氣消耗主要是指生產(chǎn)過程中對(duì)POY加彈絲中的前紡油劑消耗量(包含揮發(fā)量)。與此同時(shí)，根據(jù)滌綸低彈絲具體的工藝實(shí)踐可得與能源消耗相關(guān)的工藝參數(shù)主要有加工速度、加熱箱溫度、油輪轉(zhuǎn)速等。

在廢棄物排放方面，滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣物主要有廢絲、廢氣、廢水以及廢油等。其中：廢絲表現(xiàn)為滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中經(jīng)過分級(jí)質(zhì)檢出現(xiàn)的不合格品；廢氣主要表現(xiàn)為POY絲及油劑經(jīng)過加彈機(jī)中不同加熱箱后發(fā)揮產(chǎn)生的氣體；廢油主要表現(xiàn)為滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中經(jīng)過加熱、上油等工序后產(chǎn)生的廢棄油料。為此，與廢棄物排放相關(guān)的工藝參數(shù)主要有油輪轉(zhuǎn)速、油尺高度、加熱箱溫度。

3.2 滌綸低彈絲的生產(chǎn)工藝優(yōu)化模型

在3.1節(jié)的基礎(chǔ)上可以得出，與碳排放相關(guān)的可控工藝參數(shù)主要有油輪轉(zhuǎn)速Vo、油尺高度Ho、加工速度Sm、第一加熱箱溫度Tf、第二加熱箱溫度Ts。進(jìn)而，構(gòu)建如式(10)所示的碳排放函數(shù)與各工藝參數(shù)之間的黑箱函數(shù)關(guān)系，即：

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

(10)

式中，X={Vo,Ho,Sm,Tf,Ts}表示與滌綸低彈絲加彈工藝碳排放相關(guān)的可控工藝參數(shù)。

黑箱函數(shù)作為產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)中工藝優(yōu)化的一種方法，由于其沒有明確的解析式，所以無法采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法對(duì)黑箱函數(shù)進(jìn)行求解。而響應(yīng)曲面法由于具有較少的函數(shù)，成為優(yōu)化黑箱函數(shù)主要工具之一[16]。為此，本文采用響應(yīng)曲面優(yōu)化方法，對(duì)上述構(gòu)建的碳排放函數(shù)及工藝優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化與求解。

3.2.1確定實(shí)驗(yàn)因子及區(qū)間

根據(jù)滌綸低彈絲加彈生產(chǎn)工藝，選取油輪轉(zhuǎn)速Vo、加工速度Sm、變形熱箱溫度Tf以及定型熱箱溫度Ts等，將其作為響應(yīng)曲面優(yōu)化模型的實(shí)驗(yàn)因子，同時(shí)確定如表1所示的實(shí)驗(yàn)因子的區(qū)間。

表1 滌綸低彈絲加彈工藝實(shí)驗(yàn)因子區(qū)間Tab.1 Interval of the experimental factors in texturing process

在表1中，由于不同因子具有不同的單位，故需要采用編碼編號(hào)方法對(duì)因子區(qū)間進(jìn)行線性變換處理，以消除不同區(qū)間及單位的影響，具體變換后的工藝實(shí)驗(yàn)因子水平編碼表如表2所示。

表2 線性變換后的實(shí)驗(yàn)因子水平編碼表Tab.2 Table of experimental factors horizontal coding after linear transformation

3.2.2響應(yīng)曲面模型構(gòu)建

通過上述5個(gè)實(shí)驗(yàn)因子的線性變換處理，可建立5因素3水平的滌綸低彈絲加彈工藝的響應(yīng)曲面分析模型，具體過程如下。

首先，在文獻(xiàn)[17-18]的基礎(chǔ)之上，結(jié)合滌綸低彈絲的生產(chǎn)工藝以及環(huán)境評(píng)估報(bào)告，得到了如表3所示的滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中的電能、油劑以及油劑廢氣的碳排放系數(shù)。

表3 滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中碳排放系數(shù)Tab.3 Coefficient of carbon emission in polyester drawn texturing yarn production process

然后，利用Design Expert軟件，獲取46組3水平的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行核算電能碳排放量，并利用式(9)計(jì)算不同工藝參數(shù)條件下1 h內(nèi)滌綸低彈絲加彈過程的碳排放量CE(x)，同時(shí)對(duì)滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中的電能消耗的碳排放量進(jìn)行核算，得到如表4所示的結(jié)果。

表4 加彈工藝中的電能消耗參數(shù)Tab.4 Electricity consumption parameters for texturing process

由表4可知，1 h內(nèi)滌綸低彈絲的電能消耗量CEe核算結(jié)果如式(11)所示。

240.342 kWh

(11)

最后，借助 Design Expert軟件中的隨機(jī)實(shí)驗(yàn)，對(duì)滌綸低彈絲加彈過程中5個(gè)實(shí)驗(yàn)因子與碳排放量間的關(guān)系進(jìn)行分析與優(yōu)化。進(jìn)而得到滌綸低彈絲加彈過程中碳排放量與油輪轉(zhuǎn)速x1、油尺高度x2、加工速度x3、變形熱箱溫度x4、定型熱箱溫度x5間的二次回歸方程。

CE(x)= 8392.4+1 467.05x1+2.631 15x2+0.380 21x3-27.124 2x4-89.423 3x5+0.753x1x2-0.035 7x1x3+0.065 333 3x1x4-9.046 67x1x5+0.000 960 5x2x3-0.013 266 7x2x4-0.014 933 3x2x5-0.002 1x3x4-0.020 39x3x5+0.204 889x4x5-250.313x12+0.002 102 83x22+0.002 141 29x32+0.003 281 48x42+0.252 807x52

4 優(yōu)化模型的驗(yàn)證

基于3.2節(jié)，借助Design Expert軟件，對(duì)滌綸低彈絲加彈工藝中的碳排放量與油輪轉(zhuǎn)速x1、油尺高度x2、加工速度x3、變形熱箱溫度x4、定型熱箱溫度x5之間的二次回歸方程進(jìn)行擬合，得到碳排量最小時(shí)的最優(yōu)工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)滌綸低彈絲加彈生產(chǎn)過程的工藝優(yōu)化，得到如圖3、4所示的碳排放量與油輪轉(zhuǎn)速、油尺高度、加工速度、變形熱箱溫度以及定型熱箱溫度擬合關(guān)系的擬合效果殘差分布圖，以及碳排放量與油輪轉(zhuǎn)速、油尺高度間的響應(yīng)曲面。

圖3 殘差分布圖Fig.3 Graph of residuals distribution

圖4 響應(yīng)曲面分析結(jié)果Fig.4 Results of response surface analysis

由圖3可知，滌綸低彈絲加彈過程中的碳排放量與油輪轉(zhuǎn)速x1、油尺高度x2、加工速度x3、變形熱箱溫度x4、定型熱箱溫度x5間殘差的正態(tài)概率逼近直線的兩側(cè)，說明建立的二次回歸方程具有較好的擬合性能。

由圖4可知，在滌綸低彈絲加彈過程中，油尺高度以及油輪轉(zhuǎn)速2個(gè)因素間具有顯著的交互作用關(guān)系，碳排放量隨著油尺高度以及油輪轉(zhuǎn)速的增大而增大，而且當(dāng)油輪轉(zhuǎn)速高于0.6 r/min時(shí)碳排放量逐漸減小。

進(jìn)而，在3.2節(jié)碳排放量擬合效果的基礎(chǔ)上，對(duì)該二次回歸方程求一階偏導(dǎo)，并令偏導(dǎo)等于0，得到如表5所示的碳排放量最小時(shí)對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)優(yōu)化值。

表5 優(yōu)化工藝參數(shù)值Tab.5 Optimized technical parameters

將表5的優(yōu)化結(jié)果代入到3.2節(jié)中的二次回歸方程，可以得到：在滌綸低彈絲加彈工藝中，當(dāng)油輪轉(zhuǎn)速為0.55 r/min、油尺高度為230 mm、加工速度650 m/min、變形熱箱溫度為177.5 ℃、定型熱箱溫度為147.5 ℃時(shí)，整個(gè)滌綸低彈絲加彈生產(chǎn)過程中的碳排放量為208.233 kg CO2，實(shí)現(xiàn)了對(duì)滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中與碳排放量相關(guān)工藝參數(shù)的優(yōu)化。

5 結(jié) 論

借助碳足跡理論，從能源碳消耗、物料碳消耗以及工藝碳排放等方面對(duì)滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中的碳排放進(jìn)行了核算，并建立了面向滌綸低彈絲生產(chǎn)過程的碳排放函數(shù)。然后，以碳排放函數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建了基于碳排放核算的滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝優(yōu)化模型，并借助響應(yīng)曲面法對(duì)工藝優(yōu)化模型進(jìn)行求解。最后，通過算例分析與驗(yàn)證，結(jié)果表明構(gòu)建的基于碳排放核算的滌綸低彈絲生產(chǎn)工藝優(yōu)化模型，能夠通過對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)的優(yōu)化，降低滌綸低彈絲生產(chǎn)過程中的碳排放量。

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