化纤长丝设备中节能环保技术的应用

毛育博

摘要：本文介绍了节能环保技术在化纤长丝设备的使用。通过对比的方法分析了不同结构的纺丝箱、冷却装置和加热系统的特点和节能减排效果，又从低碳循环利用的角度介绍了单体抽吸装置和油剂回收系统。

Abstract： This paper introduces the use of energy saving and environmentally friendly technologies in chemical fiber filament equipment. The characteristics of the spinning box， cooling device and heating system with different structures and energy saving and emission reduction effects were analyzed by contrast method. The monomer suction device and oil recovery system were introduced from the perspective of low carbon recycling.

关键词：节能减排;纺丝箱;冷却装置;联苯;导热油;单体抽吸;油剂回收

Key words： energy saving and emission reduction;spinning box;cooling device;biphenyl;heat transfer oil;monomer suction;oil recovery

中图分类号：TH122                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）24-0191-03

0  引言

在能源日趋紧张，环境日益恶化的今天，推动“节能减排”政策落实显得尤为重要，低碳循环、治污减排是未来环境政策的基调，所以节能环保产品必然受到越来越多客户的青睐。化纤纺织业一直是高耗能、高污染行业，随着国家环保政策的要求和企业降低成本、改善生产环境的内在需求，化纤厂家必然要从能源、设备、工程、工艺多方面综合考虑节能减排的实施。

化纤熔融纺丝的过程主要就是原料的熔化、熔体分配、成型、冷却、上油、牵伸、卷绕。在此过程需要耗费大量水电气能源，并制造大量污水废气废丝。本文主要从实际使用生产设备中部分节能环保技术做了介绍。

1  节能技术的应用

1.1 纺丝箱体

纺丝箱体是纺丝熔体分配单元，如果把该单元作为独立分析模块，则纺丝箱体从热媒吸收总热量等于熔体从纺丝箱体吸收热量加上纺丝箱体向空气散失热量，即：

QI=QO+QS

式中：QI-纺丝箱体从热媒吸收总热量（W）;QO-熔体从纺丝箱体吸收热量（W）;QS-纺丝箱体向空气散失热量（W）。一般情况QO为固定值，则纺丝箱体节能水平取决于向空气散失热量。纺丝箱体向空气散失热量计算公式如下：

QS=KSi（TW-TC）

式中：K-传热系数（W/m2·K）;Si-箱体外表面积（m2）;TW-箱体保温外表面温度（K）;TC-环境温度（K）。

根据公式，设备节约能量的方法可以从减小箱体外表面积、增加保温效果和减少温度差方面考虑。考虑到保温材料和环境温度可调节余量不大，节能技术改进只能在纺丝箱体结构入手。

几种纺丝箱体结构如图1所示，依次为普通矩形箱体、节能矩形箱体、节能圆形箱体。

在同样规格组件、计量泵和纺丝头数情况下，通过内部结构的优化布置和外部箱壳的形状改变可以减少箱体外表面积，根据计算和实践验证节能矩形箱体和节能圆形箱体节能效果分别为15%和25%左右。另外纺丝箱体虽然属于压力容器，但结构与受力非常复杂，GB150《压力容器》中非圆形容器计算公式并不适用。北京中丽制机公司一般选用企业标准《化纤纺丝机纺丝箱》中相关规定计算矩形纺丝箱壳体厚度，计算公式如下：

式中：Da-任意三点支撑所作无支撑圆最大圆直径平均值（mm）;C-支撑系数;PC-计算压力（MPa）;[σ]t-材料设计温度下许用应力（MPa）;？覫-焊接系数。

矩形箱体端板厚度可根据GB150《压力容器》中非圆形平盖公式计算。

圆形箱体受力不同于矩形箱体，也不同于GB150《压力容器》中圆筒的计算公式，并无可用公式。只能利用有限元分析方法，并根据JB4732《钢制压力容器-分析设计标准》中提供的失效准则进行强度评定。经ANSYS有限元分析软件分析，圆形箱体在受力上要优于矩形箱体，壳体厚度可以减少25%。所以圆形箱体无论在能耗方面还是制造成本上都要优于矩形箱体。

1.2 冷却装置

丝束的冷却是熔体固化结晶的过程，这个过程需要耗费大量电能。冷却空调风耗费制冷量占整个前纺所需制冷量2/3。一般化纤长丝需要一定风速、风温、相对湿度的空调风下进行冷却，三个参数中，以风速对纤维成型影响最大。风速的分布要求横向上风速保持一致，纵向上风速分布合理。现在常用的冷却装置分为侧吹风-冷却风经过滤整流后从丝束的一端向另一端运动。风速低时，风的穿透力不够，出风近端与远端丝冷却效果差异较大。风速高时，容易形成湍流风，严重影响丝的性能;外环吹风-喷丝板中心区域空白，喷丝孔圆周排列，冷却风从丝束的四周向丝束中心运动，丝束向喷丝板中心处靠拢，风穿透距离缩短，靠近丝束中心处换热效果稍差;中心环吹-喷丝孔排列与外环吹相近，冷却风从丝束中心向丝束四周运动，丝束向四周飘散，散热效果更好，缺点是受环境風影响较大。三种不同冷却装如图2所示。

以常規涤纶POY品种75-150D/144-288f，8头Ф95喷丝板面为例计算在不同冷却装置下的耗风量。

侧吹风风窗面积：1000mmW×1400mmH;

外环吹风筒规格：Ф90mm×160mmH;

内环吹风筒规格：Ф40mm×280mmH;

冷却风耗用量=风速×吹风面积;

侧吹风风量=0.4m/s×1m×1.4m=0.56m3/s;

外环吹风量=0.4m/s×π×0.09m×0.16×8头=0.144m3/s;

中心环吹风=0.4m/s×π×0.04m×0.28×8头=0.112m3/s。

通过以上计算和实践验证，外环吹和中心环吹提高了纤维的热交换效率，在耗风量方面分别是侧吹风的25%和20%，而且在丝束的指标不匀率等方面有了很大提高。

2  环保技术的应用

2.1 加热系统

传统化纤长丝加热介质为联苯及联苯醚混合物，沸点255℃，工作时气液两相并存，通过联苯温度差自然循环。联苯及联苯醚混合物属于低毒易爆有刺激性气味介质，闪点115℃，稍有泄露，容易引起火灾爆炸。工作温度300℃时工作压力为0.2MPa，属于II类压力容器，对压力容器的设计制造都提出很高的要求。

现在导热油作为一种优良的传热介质也开始用于化纤纺丝。导热油几乎可以在常压下运行，减少了泄露的风险。它温控范围广、温控精准、无毒无污染、安全高效。纺丝常用的高温导热油成分为改性三联苯，沸点392℃，最高工作温度可达345℃，液相常压或低压运行，传热较联苯更加稳定均匀，进出口温差20-30℃，对于温度控制要求精准的化纤纺丝是非常好的选择。另外低温导热油加热介质低温流动性非常好，可以实现纺丝温度在为200℃以下低熔点纤维纺丝。

两种加热介质工作原理图如图3所示。

联苯加热系统一般由联苯蒸汽加热器、被加热设备、冷凝罐、管道等组成。联苯加热器由电加热棒加热，分为基本加热、辅助加热和调节加热。联苯达到沸点后汽化沿管道进入纺丝箱等被加热设备，部分汽化联苯释放潜热后冷凝成液体后回到联苯加热器，其余联苯蒸汽继续沿管道前行进入冷凝罐冷凝后回到加热器。管道中为联苯汽体、联苯液体、空气的混合物，加热不够稳定。

导热油加热系统一般由导热油加热器、被加热设备、循环泵、过滤器、膨胀罐、冷凝罐等组成。导热油的加热炉可以由电加热棒加热-成本与联苯加热相当，也可以由燃气、燃油或水洗煤加热-成本降低。导热油的循环靠循环泵强制流动，可以提高换热效率，也可以防止导热油流速过低在加热装置上结焦。高温导热油进入纺丝箱体进行热交换后，低温导热油经过滤器返回加热炉。过滤器可以滤去高温运行形成的残渣，防止杂质进入加热器内。膨胀罐内一般存储1/3高度导热油可以保证系统内油量充盈并能够调节导热油高温膨胀引起的体积变化。另外系统中长期运行的导热油介质在高温下会产生低组分裂解气也可由膨胀罐溢出并经冷凝罐排至远离人和火源的安全区。膨胀罐一般在系统最高点，惰性气体密封，防止导热油氧化。通过比较，导热油系统与联苯系统相比并不复杂，设备投入价格不高，使用上更加安全环保，加热成本上也可以更低。

2.2 单体抽吸装置

在锦纶纺丝过程中，由于聚酰胺的聚合是可逆平衡过程，在纺丝过程会有一些白色己内酰胺单体析出。单体容易造成喷丝板面污染，堵塞喷丝孔，造成丝束断头。同时单体与高热、明火接触有引起燃烧的危险，高热分解的有毒氮氧化物对人体健康也有一定危害。己内酰胺单体易溶于水，可回收再利用。另外还要防止锦纶熔体的突然冷却，造成大分子键交缠，造成初生纤维的内外结构不一，进而影响拉伸倍数，最终影响成品丝强度。由于上述原因，在系统中设计了如图4所示装置。

在喷丝板下方设有过热蒸汽装置。过热蒸汽由蒸汽管路中0.01MPa的蒸汽经纺丝箱加热形成，可以向喷丝板下方均匀地喷射，稀释析出的己内酰胺单体。过蒸汽装置下方设有电加热缓冷器装置，有效的保护喷丝板表面温度，使得熔体在280-320℃下保留一段时间。缓冷器前端安装单体抽吸装置，由喷水装置形成的0.2MPa负压将单体、蒸汽和水的混合物吸出，由水吸收后进入蒸馏设备蒸馏进行回收再利用。通过以上的结构设计，很好的将纺丝工艺与环保节能要求相结合。

2.3 油剂回收系统

在纺丝时，为了减小丝束的摩擦力、消除静电、增加丝束的抱合力，需要对丝束进行上油处理。纺丝油剂一般由润滑剂、抗静电剂和乳化剂等组成，可以根据纺丝工艺和纺丝品种要求选择原液上油，或与水调配后使用。上油方式可以选择油嘴上油、油轮上油或者油唇上油。油嘴上油时，纺丝速度高，单丝纤度小，油剂泵精确控制油嘴的供给量，回油槽中基本没有多余的油剂。使用其它两种上油方式时，丝束经过挂满油剂的油轮或油唇切线，上油率比较均匀，但会产生多余油剂在回油槽中。纺丝油剂如果直接排放会污染环境，并且纺丝油剂价格较高会增加纺丝成本。因此在油轮和油唇上油系统中增加一套油剂回收系统是必要的，原理图如图5所示。

多余油剂由回油槽中流入沉淀池进行沉淀。沉淀的杂质定期排放，经过沉淀的返回油剂进入储油槽，经过40目过滤网过滤后再进行冷却或加热-由纺丝工艺决定，再经过过滤网二次过滤后达到使用条件，由循环泵输送至供油槽。通过以上油剂回收系统，实现了油剂的循环回收利用，环保节约。

3  结束语

化纤纺丝生产过程还有很多可以利用的节能减排的技术方法，比如利用二次热媒的加热系统;新保温材料和结构的使用;冷冻水的来源利用深井水等。但要实现重大节能减排还是需要采用新工艺、新技术、新材料的产业发展模式。比如建立原液着色体系可以做到真正的低能耗、零排放，低温纺丝技术的发展可以大幅度降低纺丝设备制造成本和使用成本等等。

参考文献：

[1]董纪震，等.合成纤维生产工艺学[M].北京：纺织工业出版社，1993，6.

[2]蒙文.纺丝箱应力与评定[J].石油化工设备技术，2009，30（5）：23-27.

[3]侯国华，郑久彬.导热油加热系统设计[J].化工设备与维修，2012，49（2）：31-33.