工艺整合的资源管理

Stephan Kehry

环境意识长时间以来已不再是欧洲生产工厂的专属物了。在一些发展中国家,当局也愈加注意那些污染大户。但不幸的是,全世界都一直认为纺织染整在环境方面的名声很不好。但现在有些希望了,一种新的融入环保理念的装置由瑞士纺织机械制造商Benninger(贝宁格)公司创新生产,这种装置能使传统的生产加工不再排出任何废水。有了它,也许数年后印染行业在污染方面的坏名声会成为往事。

全球仅约 10% 的水是直接为人类所用。最大的份额,70% 用于农业,剩余的 20% 为工业用。地区性的差别则显示出不同国家经济体的工业化程度。例如,中国要用 80% 的水灌溉农田,而欧洲一半的水被送入工厂。形成鲜明对比的是所有这些只是“水”资源的地理分布。中国的排污约为全球的 20%,而它只得到全球的 5% 的新鲜水。因此,在该地区解决污染问题已列入议事日程。

在食品生产中要用大量的饮用水。例如,生产 1 kg肉制品要用 5 000 L水。素食者的食物也要用水:生产 1 kg面包或 1 L橙汁需要 1 000 L水。由此推算,瑞士家庭在其他方面的水消耗好像相当节俭,人均日用水约 162 L(例如,1 个瑞士家庭用水:洗浴 32 L,洗厕 48 L,洗衣机 30 L,烹饪饮用洗碗等约 20 L)。

水和能源总是纺织品生产中的两大主要要素,天然纤维产品的生产则消费了它们的大部分。不管是棉、羊毛还是亚麻,种植的整个阶段需要灌溉,羊也需要喂水和食物。以棉花种植为例,生产 1 kg棉花总共耗水约 2 万L(在苏丹则约 2.9 万L)。相对于全球资源日益短缺的大背景,这些数据令人担忧,虽然人们采用创新的灌溉技术能明显地降低消耗,但生产 1 kg棉花仍需 7 000 ～ 9 000 L水。当然,这种下降的趋势至少给人以希望。

水在中东长久以来就是政治斗争的不老药。棉花种植业的大量用水加剧了土耳其、伊拉克、以色列和叙利亚之间的紧张关系。相反,在西非,先进的棉田灌溉技术至今仍未普及。

这种灌溉导致全球出现土地受侵蚀,水储量降低,地下水受污。鉴于水资源愈加宝贵而预计它会愈加短缺,看来不可避免的是用于棉花生长的耗水量长期而言将不得不减少,特别是随着气候变化,越来越多的农田需要灌溉。

除了灌溉棉田以外,印染湿整理无可争议地成为第二大水污染大户。从上浆开始到退浆、水洗、练漂、丝光,然后染色印花、可能还需涂层,按此流程每道工序都涉及水洗,而每道工序每千克材料需 20 L耗水。结果是湿整理过程中每千克原棉的用水量加起来多达 200 L。当一件标准的男式衬衣定制后在商店橱窗展示时,超过 2 000 L水在生产加工它时被用掉了(布料:纯棉,125 g/m2)。

让水资源消耗最小化

上面描述的情形很清楚地表明,迅速采取措施是必需的。而且这些措施不仅需要在工业化国家,而且需在全球性贯彻执行。它们要容易理解方便操作。Benninger开发了一个新概念,将此类问题表述为两层含义:耗水最小化;循环利用。

使水资源消耗最小化是以优化工艺和设备为基础的。改进工艺修正配方,从而改进质量和工艺再现性,最终减少用水。将非连续浸染改为连续式染色就已证明是一个好的例证。

在优化消耗的基础上,水、能源及其他资源还能循环利用。这样的纺织生产在商业和环境两方面都是可持续发展的。

“千里之行,始于足下”。在资源管理中,第一步可迈得小些。湿整理中一个有效的节能办法是将蒸汽阀封置于一个汽房中(图 1)。这样的设计成本最小,因此回收期不到 8 个月。

接下来一步可以将整个锡林烘燥机装入一个房内。这种隔离不仅降低了热能的散发,同时也提高了烘燥效率。因此,用较少的烘筒就能达到相同的烘燥结果,烘筒自身的投资支出也减少了。这种方法能节约蒸汽 15%,因此整个的投资不到两年即可回收。

通过逆流结构的优化设计节约成本 15%

进一步降低成本的方法是改进水流路线,这就是“逆流”。坯布通过水洗槽,从前进从后出,而水在槽内从后流向前。这样,越来越干净的布总是与最干净的水接触。坚决应用这一逆流原理,就能节约水和热能。

可以举例:冷堆染色后水洗。冷堆染色是通过轧车进行的,轧车上有一对泳动辊(s – 辊),它们的加压线可控可调节,染化料经压辊按规定的方式施加给织物。经过一定的膨化反应时间(这取决于染料的特性)后,未固着的染料需清洗掉。这里,差别就出现在以下的工艺中:(1)清洗表面浮色;(2)皂洗(在这里,未反应的染料从纤维内部转移到表面);(3)中和;(4)清洗在中和阶段所产生的盐。

这段过程通常每千克布需用 20 L水和 1.6 kg蒸汽 (图 2)。

第一步将逆流原理严格应用在各道工序中。用于在后段清洗那些盐的水可绕过皂洗段,然后再被用来清洗表面浮色。由于尾部的水沾污较轻,它们在前段能有效地起作用。而且,皂洗阶段的水所需的加热也少了,节约了蒸汽 (图 3)。

在此工序中,每千克布需消耗的水为 9 L、蒸汽 0.95 kg。而且,由于温度比传统工艺的高约 40 ℃ ,其后的烘燥所需能源也少了。

基于平均成本计算,采用这种水洗方法可以:节约用水 55%;节约用汽 41%;总的生产成本节约 15%。

从这里可清楚地看到,不需新增投资,就可以明显地改善内部的成本结构。这些改善的关键是对工艺的技术窍门以及现代的平幅水洗概念。

加工针织物的创新理念

选择正确的工厂概念在下面的例子中也起了重要的作用。过去,针织物绝大部分采用绳状加工,因为织物张力和卷边问题而无法连续化处理,因而也无法高效处理。但现在,Benninger公司的TRIKOFLEX所采用的新型传动技术和适宜的导布系统让针织公司可以采用这种平幅加工方法。

平幅处理在质量方面的益处从布面的质地和光泽等一致性上就能感觉到。喷射处理是一种机械方法,在TRIKOFLEX水洗机上做连续处理则是一种更轻柔的方法,不会出现起皱或布面磨损(起毛)的现象。而且,各道工序分得清楚,运用现代工厂管理,任何时候都能看清各道加工情况。除了改善操作人员的操作条件外,还可获得优异的工艺重演性,改善质量,降低后道工序的损失。

但是,连续处理的节约主要是在可变成本方面。浸染 1 kg针织布平均耗水约 70 ～ 90 L水,而同样的工序TRIKOFLEX水洗机仅用水 18 L,也即节水约 75%。更令人印象深刻的是能源的消耗:染 1 kg针织布,原来是 19 100 kJ,平幅连续处理则是 4 500 kJ。

但是,若想像上面列举的资源节约已达到极限就错了。在取得这些节约成果后,一个优化措施是水回收和循环再利用。只要优化还未完全开发,处理用水量就仍然被认为是过大了。

纺织整理厂的水流流向

系统对于纺织品加工中产生的污水,其处理和回用系统包括以下组件:超滤;反渗透。

这两种系统的差别主要在于过滤系统的芯材尺寸。超滤所截留的粒子直径小于 10 ～ 100 nm(相当于 0.000 01 ～ 0.000 1 mm),而反渗透则过滤掉尺寸小于 1 nm的粒子。作为对比,香烟烟雾粒子约 1 000 nm大,人体毛发则约 10 万nm粗。

此类系统的排列如图 4 所示。水洗阶段排出的污水被通向超滤装置。它是由细微的自清洁的管状陶瓷材料组成,这些陶瓷材料具有很高的耐化学性,使用寿命约为 10 年。高温对它也无影响。这种超滤能降低化学需氧量(COD),此数据代表了水中的生物物质量,对退浆能降低约 63%,漂白约 80%,活性染色约 48%。图 4 中,它的处理效果对应于 图 5 的样品 1(原污水)和样品 2 之间的差别。

超滤后,污水通过反渗透。在此阶段,超滤留下的染料分子和溶解的盐被分离出来。它通过呈螺旋状盘卷的聚合物在 25 bar的压力下进行处理。它的使用寿命是 3 年,内部元件采用“原位清洗法”(CIP)做清洗,即,清洗系统接触的表面,不需达到拆卸。反渗透的效果可参见图5中的样品 2 和 3 之间的差别(作为对比,样品 4 显示的是城市自来水)。

为了保护反渗透膜,水洗槽排出的热废水在超滤后需经热交换器冷却。反渗透后,水可用此热量再加热。因此,70%的热能可再使用。视水污程度,85% 以上的水可被回用。只是对那些会堵塞膜的物质要限制使用。这些物质包括pH值低于 7 的硅酸盐、印花糊料、硅油、碳氟化合物以及其它一些特殊性质的材料,这些来自不同的制造商材料性质不同,需要对各化学品逐一查核。

“零”排放

在如今纺织工业的价格压力下,不同地区和国家制定的环境法规会给企业带来或成功或失败的不同结果。每个就排放要求做出的自主性措施也是经济自主方面的措施。将超滤和反渗透结合应用,整个工厂甚至能无污水排放 — 这就是“零排放”的概念。两级过滤所收集的致污物经高度浓缩、收集,再送去固化。形成的固体通常为有机成分,常常具有极好的热值。无疑,这是改善纺织印染形象的机会,同时,也降低了工厂自身生产与社会公益要求之间的矛盾。

那么,这种过滤技术对上面讨论的成本计算有怎样的影响?以前面提及的水洗为例,处理每千克织物使用的新鲜水量减为 1.5 L,也就是节约近 92%。采用现代平幅加工技术生产针织物,并结合应用超滤和反渗透,那么所节约的潜在成本将更加让人激动。非连续生产 1 kg针织物用水 70 ～ 90 L,用现代的高效水洗机TRIKOFLEX则用 4 L水,节水 94%。

培育可持续的环境意识,以负责任的态度对待大自然

毫无疑问,现在全世界日益增长的环境意识来源于纯粹的商业考虑:污染了的江河让旅游者走开,干枯的田野很难吸引投资者,过度盐化的湖泊无助于发展资助的介入。但是,即使主要的动机来自于商业本能,行动起来的时机已经到了。如前面所述的原因,纺织染整作为“耗水工业”有着特殊的责任。现在是负起这个责任的时候了。过去以来,在面临创新或大的、基础性的改革时,欧洲都是担当领头羊的角色,因此,今天去建立有关的标准比过去任何时候都 重要。

现在这种技术已可行,其应用是有利的,也有很好的商业意义,即使与化学品和助剂的使用有所冲突,但是,通过客户和供货商的对话沟通,很多障碍都能克服,特别是当这种事与保护我们及我们的后代所生存的世界休戚相关的 时候。