水刺非织造布行业能耗分析及节能措施

赵杰

（上海纺织建筑设计研究院有限公司，上海 200042）

0 前言

根据《“十四五”节能减排综合工作方案》，到“十四五”末，全国单位GDP能源消耗将比2020年下降13.5%。合理控制能源消费总量，健全节能减排政策机制，使得重点领域的能源利用效率和主要污染物排放控制水平基本达到国际先进水平，经济社会发展绿色转型取得显著成效。纺织工业是我国传统支柱产业，同时也是能源消耗占比较大的行业，纺织行业节能减排形势严峻、任务艰巨。

1 水刺非织造布行业能耗分析

非织造技术突破传统的纺织原理，融合了纺织、塑料、化工和造纸等多种工业技术，充分利用现代物理学、化学和新材料等学科的有关知识，是诸多工业技术相互渗透结合的一门综合学科。近年来，以针刺、纺黏、水刺工艺为代表的非织造布工业发展迅速，其中水刺法工艺是增长速度最快的非织造技术之一，但水刺非织造行业也是一个高能耗行业。

水刺非织造布工艺主要包括纤维准备、梳理成网、水刺缠结加固、脱脂漂白、烘干，以及卷取分切阶段。根据近年来所参与的水刺非织造布项目，对水刺非织造布工艺用能情况进行了统计分析。在水刺非织造布生产过程中，水刺缠结加固阶段的能耗占整个产线用能的40%左右，烘干阶段的能耗占整个产线用能的45%左右。这两个阶段的用能比例与杭州萧山航民非织造布有限公司朱立刚探索水刺法非织造布节能新思路中水刺能耗基本一致[1]。因此，水刺缠结加固和烘干阶段工艺及设备的选择以及生产运行管理是水刺非织造布生产过程中节能降耗需要关注的重点。

除生产系统用能外，辅助系统用能也是水刺非织造布行业能源消耗不容忽视的部分。水刺非织造布行业对车间温湿度和洁净度等有一定的要求。为了维持厂房必须的室内环境，空调系统、新风系统和除尘系统等需要常年运行。因此，在设备选型时，应注重设备的能效等级，在满足生产需要的同时选择高效节能设备，以减少电力消耗。同时，注重建筑保温、隔热、采光和通风等方面的设计，可降低电力成本，进而减少企业的生产成本，提高企业的市场竞争力。

2 水刺非织造布行业节能技术

水刺非织造布产品具有很大的市场潜力，有很广阔的市场空间，采取有效措施，建设节能型非织造布工程，是促进非织造布行业持续健康发展的关键。工程设计阶段，对总平面布置、建筑设计、围护结构设计、工艺及设备的选择及辅助工程设计方面，在符合GB 50514—2020《非织造布工程设计规范》要求的基础上，要从节能设计的角度出发，避免设计出现方案不合理、设计缺陷等一系列问题，在保证产品质量的基础上，实现节能降耗。

2.1 总平面布置节能

在总平面布置上，要充分考虑生产工艺流程和运行管理便捷，合理设定生产用房、办公用房和公用工程用房等位置，紧凑合理布局，缩短运距，节约用地。厂区道路的设计，在满足生产、生活条件的前提下，合理组织物流，避免人流和物流交叉，做到经济合理分流。总平面布置要考虑与周边设施的衔接及周边环境的影响，统筹安排，功能分区明确。另外，绿化植被的种植可以改善厂区的热环境，进而降低空调、风机等设备的电力消耗。

2.2 建筑节能

2.2.1 建筑设计

（1）平面布局

平面布局要结合生产工艺流程，进行合理规划。水刺非织造布工艺主要有纤维准备、梳理和成网、水刺缠结加固、脱脂漂白以及烘干等。车间的布局应结合工序流程。要考虑工序连贯，运输便捷，提高生产效率等方面合理规划整体布局，以减少劳动力和能源的消耗。

（2）建筑朝向

建筑朝向主要影响采光、通风等，大多数建筑采用坐北朝南形式[2]，一般朝南建筑采光通风效果好。但在实际建设过程中，受多方面因素影响，建筑不能做到正朝南，通过结合实际情况，建筑宜选南或南偏东方向，以有效避免外墙“东西晒”现象。

（3）建筑体形系数

建筑体形对建筑空调和采暖耗电量有直接影响，严格控制建筑体形系数对建筑节能意义重大。建筑物体形系数为建筑与室外大气接触的外表面积与其包围的体积之间的比值。该比值越大，就说明建筑散热面积越大，不利于建筑节能；反之，比值越小，对建筑节能越有利。一般情况下，体形简单且体积大的建筑有利于节能，体形复杂且体积小的建筑不利于节能。

2.2.2 围护结构热工设计

（1）屋面

屋面设计主要考虑保温隔热，减少夏季室外热量通过屋顶传入室内和冬季室内热量通过屋顶流失。屋顶构造类型主要有正置式和倒置式，其中正置式为较传统的屋面构造，保温层在防水层以下，保温层吸水后大大降低了保温隔热性能。倒置式屋面构造与正置式屋面构造相反，防水层在保温层以下。该方法防水层不会发生热胀冷缩的情况，有效地延长了防水层的使用周期。同时，保温层为防水层提供物理性保护，但对保温层材料的选择有特殊要求。因此，在设计过程中，应综合考虑，选择合适的屋顶构造形式及防水、保温材料。

（2）外墙

外墙是建筑的主要围护结构，根据生产工艺对室内温湿度要求，根据项目所在地的环境条件，采取不同的方式，选择合适的材料和构造形式，在围护结构热稳定性能较好的前提下，尽可能降低传热系数。保温层一般选用外保温形式，避免冷凝现象，以延长厂房寿命周期。

（3）外窗

外窗是建筑能耗占比较大的部分，水刺非织造布行业对室内温湿度环境要求高，要更加严格把控外窗材料的选择、开口的大小等。同时，该行业噪声大，在玻璃的选择上应关注隔声效果。外窗可选用断热桥铝合金材料，玻璃选用双层中空Low-E（低辐射）玻璃，外窗开口大小要满足窗墙比要求，外窗间隙做好密封处理，以减少室内外冷热量散失。

2.3 工艺及设备节能

2.3.1 水刺工艺及设备节能

水刺法是指水经高压泵加压形成高压水流，利用高压喷射的水流形成水针所产生的穿刺力，使纤维在纤网中互相缠结，快速成网。水刺阶段是影响水刺非织造布性能的重要阶段。水刺系统能耗主要来自高压泵以及负压的抽吸用能，压力越大，消耗的能源越多。对于水刺非织造布而言，主刺前对纤网进行预湿处理，以便水针的能量被纤网更好地吸收，增强缠结。水针能量越大，对纤网的穿透性就越强，有利于纤维的缠结和消除纤网的分层现象[3]。目前，很多企业不断提高水刺压力，以便纤维更好地缠结[4]。水刺压力超过一定范围，纤维移动加大，最终会影响纤网质量[5]。实际生产要根据产品要求的不同，对纤网注入合适的水刺压力。因此，选择适合的压力点不仅能得到质量优良的产品，也是降低水刺系统能源消耗的关键。

水针板的排列形式也是影响能耗的因素，水针板有单排、双排和假双排。一般来说，真双排能耗加大，该类排列一般适用于网孔水刺布生产。喷水板喷空形式、水刺头形式和水针间距等也会影响系统的能耗[6]。

2.3.2 烘干工艺及设备节能

在水刺非织造布烘干工艺中，一般选用热风穿透式烘干。烘干机主要构件烘燥滚筒的支撑表面采用蜂窝式结构，热风穿透效率有较大的提高，透气率高达90%以上。该方式在提高产品质量、节能降耗等方面体现出优质特性[7]。

烘干温度的选择是烘干工艺重要的工作，烘干温度决定烘干速率。但受烘干设备和纤维原料的影响，不能无限制地提高温度。温度过高，纤维可能变脆、变色，从而影响产品质量。因此，要结合生产实际确定烘干温度，在保证产品质量的前提下，降低能源消耗。另外，烘干前纤网的含水率可达90%，为了节省能源消耗，在烘干前可利用真空吸水或轧车压轧等方式进行脱水，以此来减少烘干工序的能耗。

2.4 辅助工程节能

2.4.1 电气系统节能

电气系统节能，主要包括供配电系统、机电设备选择、照明系统以及建筑设备监控系统。变电站设置从节能角度考虑，应尽量靠近负荷中心设置，缩短供电半径，减少线路损耗，达到节约能源的目的[8]。变压器容量和台数的选择是否合理相当关键。结合项目实际，合理分配负荷，选用容量与项目电力负荷相匹配的变压器设备，以确保在高效区内运行。通常情况下变压器的经济运行区的负荷率在30%～75%，高效区是负荷率在50%～60%[9]。变压器的效率与负荷的功率因数相关，一定负载的情况下，功率因素越高，变压器效率越高。因此，在选择变压器时应关注变压器的负荷率，保证在效率较高负荷下运行。变压器宜选用低噪声、低损耗的节能型产品，进而降低空载损耗及负载损耗。

功率因数偏低会使设备本身和电网附加相当大的无功电能，给设备的运行及寿命带来较大影响。在用户变电所低压配电柜内采用电力电容器进行集中自动补偿，无功补偿装置应具有抑制谐波和抑制涌流的功能，具有混合补偿的功能，分别采用电容集中自动补偿，一般补偿后功率因数要达到0.9以上。照明灯具采用电容器单灯就地补偿或使用电子整流器等措施，以提高功率因数。

鉴于谐波分布具有多变性，同时谐波工程计算具有复杂性，设计过程中在非线性设备较多的场所，可设置有源滤波器以消除谐波危害。在电能质量要求较高的场所，于强电预留的配电箱等处预留电气综合治理保护装置的设置空间，以防止电压骤降、谐波电流等对设备造成损害。在谐波源大的场所就地增设有源滤波器以消除谐波对内部电网的影响。

照明灯具的选择宜选用LED光源，厂房照明采用集中控制方式，其他区域宜采用就地控制。机电设备电动机采用高效节能产品，并具有节能拖动及节能控制装置。企业宜设置建筑设备监控系统，将生产系统、暖通系统、电气系统和给排水系统等相关设备集中监视、控制和管理。

2.4.2 暖通系统节能

暖通系统主要用能单元为冷源设备，空调系统冷源设计宜采用蒸发冷却和水蓄冷技术等，其中蒸发冷却技术在西北地区较适宜，水蓄冷技术在规模较小的企业或实行峰、谷分时电价政策的地区较适宜。供冷方式有集中式供冷和分散式供冷。相比集中式供冷，分散式供冷可以实现靠近负荷中心、调节灵活、缩短供回水距离，以及减少冷量散失等优点，对于车间数量较多，冷源需求点位多的项目，宜选用分散式供冷，采用此方式冷源系统能耗可降低10%以上[10]。

水泵和风机作为暖通系统主要耗能设备之一，选择高效节能型产品，可以达到节能降耗的目的。对于纺织企业大多现有轴流风机，西安工程大学赵阳等研究纺织企业风机节能潜力分析及改建措施时，提出使用先进翼型风机比传统风机更能提高通风效率，同时节能降耗效果也较为显著[11]。中原工学院杨瑞梁等研究纺织企业选用的高效冷源和节能设备，提出选用高效风机比传统风机节能10%以上。随着技术的不断进步，通常选用节能型水泵或小流量、低扬程的水泵，配合轻泵启动、高水位进水等方式以实现节能。

水泵和风机采用变频控制和自控调节系统，PLC变频控制可以较好地改善空调风机仅存在高低速运行的状况，实现根据车间温湿度控制改变送风量，此方法下能耗也会发生较明显变化，节能量在20%以上[10]。

为了保持厂房温湿度要求，水刺非织造布车间空调系统24小时运行。空调水系统用水一般选用市政自来水，未经处理的自来水一般硬度大，常年运行的空调系统管道会结垢，甚至发生腐蚀。由于水垢导热系数小，传热效果差，空调水系统管道水垢层达到一定厚度，将会导致冷凝温度的上升。河南工程学院机械工程系李刚等在研究纺织厂空调节能探析中指出，冷凝温度的上升会导致制冷量下降，系统阻力增加，能耗增加。因此，空调水系统水源的水质是否达标也将影响空调系统的能源利用效率[12]。

2.4.3 动力系统节能

动力系统主要是空压系统，主要用能设备为空压机。选择空压机的基本原则是经济、安全与可靠。在满足排气压力和排气量的前提下选用输入比功率较低的设备。根据生产用气需求，合理设定空压机排气压力，在保证用风量的前提下尽可能设置较低的排气压力，排气压力越低，轴功率消耗越少，节能降耗效果越优。

采用先进的变频恒压调节技术，不但能改善供气质量，还能降低电力消耗，经济效益相当可观。空压机泄露问题也是一个不容忽视的问题，定期检查系统漏气与否，减少浪费，也是一个降低电力消耗的节能措施[13]。

2.5 能源计量器具的配备及管理

能源计量器具的配置是实现企业进行能源管理的重要前提。水刺非织造布行业能源消耗的种类主要有电力、蒸汽和耗能工质水等。根据《纺织企业能源计量器具配备及管理要求》，企业的能源计量器具配备要满足能源分类计量、能源分级考核、配备率以及准确度等级等要求。能源计量器具的管理要满足能源计量制度，能源计量人员要具备相应的资质。完善的能源计量系统可为企业能源管理提供保障。

我国现阶段仍存在企业能源管理工作不够仔细，能源利用效率低，能源浪费等一系列问题。因此，提高企业用能理念，精细化管理是解决能源问题最有效的途径。对工业企业用能进行信息化管理是实现企业能源消耗精细化管理的重要手段。结合企业自身能源消耗情况，建立完善的能源管理系统，对企业能源及耗能工质的消耗进行监测、分析，对企业实现节能降耗起到关键作用。

能源管理系统在能源供应、调度、用能分析、成本核算等方面起着关键作用。西安纺织集团有限责任公司赵小岗等利用能源管理系统降低纺织厂能耗成本的实践，研究了能源管理系统在降低电度电费、降低基本电费和提高功率因数调节电费中的作用。研究发现，EMS能源管理系统在企业能源管理中发挥重要作用，可以精准发现问题，企业可以根据系统采集数据采取有效的节能措施，降低能源消耗[14]。西安纺织集团有限责任公司赵小岗对能源监测系统在棉纺厂的错峰用电方面应用研究，发现DF8003型能源监测系统对分析能源消耗和节能诊断有重要作用[15]。

3 结语

非织造产业是纺织行业的新兴产业。在非织造产品中，水刺法产品增长最快，水刺非织造布在医疗、日用卫生领域应用广泛，新冠肺炎疫情以来，产能迅速增长。市场需求的快速增加导致产能的迅速增长，这也加剧了行业的市场竞争，因此降低能源消耗是企业降低生产成本的重要举措。在满足生产需求的同时，通过对厂区的总平面布置、建筑厂房设计、工艺及设备选择、辅助工程设计、能源计量器具的配备及管理等方面采取一定的节能措施，确保了企业运行期间高效利用各类能源及资源，可有效减少企业用能成本，提高企业竞争力。