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黏胶短纤维优化设计论文

1黏胶短纤维生产工序能耗分析

黏胶短纤维生产工序共分为六大部分,包括原液、纺练、酸站、动力、污水及废气处理,各工序的综合能耗见表1。由表1可见,在黏胶短纤维生产中酸站的能耗占比最大,以单位产品耗标煤计,其能耗占比达到了50.2%。酸站的作用是进行酸浴的循环调配、加热、脱气、蒸发及硫酸钠结晶,以保持酸浴温度和浓度的稳定,供给纺练合格的酸浴进行纺丝。不同于原液和纺练已经固化的流程和专用设备,酸站系统的流程和设备可以灵活调整,开发先进的循环调配流程和蒸发结晶装置,有利于实现黏胶短纤维生产的节能改进。

2酸浴调配模式探讨

为保证黏胶纺丝质量,酸浴进出纺丝机的硫酸浓度差应小于8g/L,为此每吨黏胶短纤维需要约200m3的酸浴循环量,一条年产6万吨的生产线每小时的酸浴循环量约1440m3,酸浴调配流程的设计会直接影响纤维生产的能耗。毛雷尔模式和兰精模式,是当前黏胶短纤维生产中酸浴调配模式的两种代表,分别对其能耗作了研究探讨。

2.1毛雷尔模式

毛雷尔模式以国内引进的瑞士毛雷尔公司生产线为代表,工艺流程如图1。在毛雷尔模式中,纺丝后的酸浴在真空抽吸作用下进入脱气装置,靠重力落入混合槽,在此进行浓度调配。然后用泵送入过滤系统,过滤后的酸浴一部分去闪蒸蒸发水分,蒸发母液去结晶析出芒硝;另一部分经加热器调整到合格的温度后进入高位槽,靠重力自流到纺丝机。毛雷尔酸浴调配模式的优点主要表现为:酸浴在循环调配过程中只需用泵提升一次,处于高位的脱气装置靠真空吸入,闪蒸装置利用过滤后的余压进酸。该装置巧妙利用了重力位差,整个调配流程简洁,动力消耗低,吨纤维耗电178kWh。该模式存在的主要缺点有以下几方面。(1)酸浴先调配后闪蒸,由于酸浴浓度增加,沸点升比调配前升高1℃,蒸发能耗增大5%。(2)流程中酸浴过滤后并行供给纺丝机和闪蒸装置,造成闪蒸装置所供酸浴被重复过滤提升,过滤系统设备配台增加了40%。(3)为维持酸浴温度,需要设置单独的酸浴加热器,由于酸浴本身具有强腐蚀性,酸浴加热器故障率高。

2.2兰精模式

兰精模式以国内引进的奥地利兰精公司生产线为代表,工艺流程如图2。在兰精模式中,纺丝后的酸浴重力流入酸浴底槽,在泵和真空的双重作用下进入脱气装置,重力流入脱气回流槽。再用泵送去过滤,过滤后酸浴重力流回过滤回流槽,部分用泵送入闪蒸、结晶系统。最后酸浴在混合槽中调配合格后用泵送到纺丝机。兰精模式酸浴调配工艺的优点主要表现为:它的二级真空脱气装置可维持酸浴进出口0.5℃的温升,不需要设置单独的加热器;酸浴先蒸发后调配,闪蒸能耗低;闪蒸装置所供酸浴没有被重复过滤。该模式的缺点是在整个循环调配过程中,酸浴被泵反复提升了3次,与毛雷尔模式相比,泵的配置台数多1.6倍,每吨纤维耗电为243kWh,比毛雷尔模式增加了36.5%。

3酸浴调配系统的节能改进

3.1新型多级闪蒸装置的开发

黏胶短纤维的闪蒸装置经历了多效蒸发向多级闪蒸的更新换代,国内多级闪蒸近20年来经历了6级向11级的升级,其中11级闪蒸有每小时12t和20t蒸发量两种[14-17]。表3是当前几种新型多级闪蒸装置的指标对比表,由表3可见,随闪蒸级数增加其能耗降低,但所需预热器面积变大,设备投资大幅度增加。尽管如此,结合当今世界能源价格的不断上涨,开发更高级数的多级闪蒸具有一定现实意义。合作开发的25t14级和35t16级闪蒸,经生产检验,运行良好。16级闪蒸比11级闪蒸节能36%,节能效果显著。

3.2酸浴温度平衡方式的改进

酸浴在循环过程中会散失热量导致温度降低,而纺丝机需要恒定的酸浴供应温度,因此在酸浴调配流程中必须设置加热。毛雷尔模式采用以蒸汽为热源的间壁式换热器进行加热,而兰精模式则是采用蒸汽喷射制造真空将酸浴脱气进而加热的方式。兰精模式的酸浴加热流程如图3所示。酸浴依次通过一级脱气罐和二级脱气罐进行两次脱气,二级脱气的真空由新鲜的引射蒸汽产生,脱除的不凝气体、二次蒸汽与引射蒸汽一起进入一级脱气罐的底部,在这里新蒸汽被落酸冷凝后与之混合,落酸被新蒸汽加热,同时有微量不凝气体向上穿过酸浴逸出,与第一级的二次蒸汽一起进入混合冷凝器。二级脱气罐的落酸温度比一级脱气罐的进酸温度提高了0.5℃,保证酸液温度略有提高,弥补了酸浴循环过程中的部分热损失。这种方式虽然省去了酸浴加热器,但脱气厂房高度增加,并且新鲜蒸汽直接冷凝在酸浴中,这部分冷凝水在后续流程中需要通过多级闪蒸去除,导致能耗增加。为克服上述模式带来的弊端,研究设计了更加简便节能的闪蒸调温模式来平衡酸浴温度,即通过提高多级闪蒸落酸温度调节循环酸浴的温度。改进后不需要设置单独的加热器,也不需要增加厂房,节能效果明显。以一条年产6万吨的生产线为例,如酸浴需要升温2℃,以闪蒸调节温度,则闪蒸出酸温度比进酸温度提高7.4℃即可达到温度平衡。3种模式的耗能对比见表4。由表4可见,闪蒸调温模式的能耗明显降低,比毛雷尔模式节汽58%,比兰精模式节汽68%。需注意的是此模式会使闪蒸能力降低10%,要求闪蒸配合得有余量。

3.3新型提硝装置的开发

在酸浴的循环调配过程中,除了维持酸浴温度平衡外,还需要维持浓度平衡。通过蒸发去除多余的水分,利用结晶和焙烧去除多余的硫酸钠,然后在混合槽补加硫酸和硫酸锌。传统的提硝流程是将闪蒸的落酸送去低温真空结晶,析出Na2SO410H2O(俗称芒硝),然后再焙烧去掉结晶水得到无水硫酸钠(俗称元明粉)[18-21]。传统提硝常用的方法为水冷结晶和酸冷结晶两种,不仅流程复杂,而且能耗高。针对传统提硝的缺点,合作开发了多级闪蒸一步提硝装置,利用硫酸钠溶液大于32.4℃时可直接结晶析出元明粉的性质,将多级闪蒸、结晶、焙烧装置合为一体。一步提硝与传统提硝耗能对比见表5。由表5可见,多级闪蒸一步提硝能耗大幅降低,较之传统水冷结晶节汽77%,较之传统酸冷结晶节汽45%,达到了节省投资、节约能源的目的。

3.4酸浴调配系统的优化设计

针对毛雷尔模式和兰精模式的优缺点,为进一步降低能耗,完善当前黏胶短纤维的生产工艺,综上所述,对酸浴调配系统进行了节能改进,工艺流程如图4。改进后酸浴调配系统采取酸浴过滤后脱气,用以避免胶块堵塞筛板。提硝流程采用多级闪蒸一步提硝装置替代传统结晶焙烧提硝,利用多级闪蒸调节循环酸浴温度,闪蒸供酸采用真空吸入调配前稀酸浴方式。优化设计后的模式比毛雷尔模式节省了酸浴高位槽、酸浴加热器、40%的过滤设备、结晶和焙烧系统,较之兰精模式节省了62.5%的泵、结晶和焙烧系统。3种模式的耗能对比见表6。由表6可见,相对于毛雷尔模式和兰精模式,优化模式在节能方面显示出极大的优势,能耗最高可降低23%。

4结论

针对黏胶短纤维生产中的高能耗问题,通过分析黏胶短纤维生产工序的能耗,提出了酸浴调配系统节能的可行性。毛雷尔模式和兰精模式是当前代表性的酸浴调配系统,探讨了两种酸浴调配系统的优缺点,进而分析了酸浴调配系统各工序的能耗指标,确定了黏胶短纤维生产中酸浴调配系统的节能改进方案,得到以下结论。(1)开发新型多级闪蒸装置,采用更高级数的多级闪蒸,降低能耗。经生产检验,以16级闪蒸取代11级闪蒸,可节能36%。(2)分析对比了毛雷尔模式和兰精模式的酸浴加热装置及能耗,设计了简便节能的多级闪蒸调节循环酸浴的温度。改进后的闪蒸调温模式能耗明显降低,比毛雷尔模式节汽58%,比兰精模式节汽68%。(3)开发多级闪蒸一步提硝装置替代传统结晶焙烧提硝,将多级闪蒸、结晶、焙烧装置合为一体。多级闪蒸一步提硝可大幅降低能耗,较之传统水冷结晶节汽77%,较之传统酸冷结晶节汽45%,达到了节省投资、节约能源的目的。(4)通过技术进步和创新,合理设计了节能改进的酸浴调配系统工艺流程。优化模式较之毛雷尔模式和兰精模式,流程简化,工艺先进,节省了大量的土建和设备投资,能耗可降低23%。优化设计后的酸浴调配系统已在黏胶短纤维行业实现了工业化运行,达到了很好的节能效果,具有极好的推广前景。

作者:于捍江 张林雅 单位:唐山三友集团兴达化纤有限公司 河北科技大学化学与制药工程学院


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