黏胶短纤维酸浴调配系统的节能优化设计

于捍江，张林雅

（1 唐山三友集团兴达化纤有限公司，河北 唐山 063305；2 河北科技大学化学与制药工程学院， 河北 石家庄 050018）

中国是世界上最大的化学纤维生产国，黏胶短纤维作为替代棉花的主要化纤品种，在当前石油资源紧张的形势下，因其原料可通过自然界生物质再生，成品可降解，穿着舒适，具有很好的发展空 间[1-3]。目前我国黏胶短纤维年产能350 万吨，占全球总产量的60%。黏胶短纤维生产工艺复杂，在化学纤维中属于高耗能品种，单位产品的综合能耗约为1000kg 标煤/t 纤维。通过技术进步，推动行业节能减排，一直是行业的重点研究课题，对于黏胶短纤维工业的健康发展至关重要[4-6]。

酸站的作用是进行酸浴的回收处理，供给纺练合格的酸浴进行纺丝。酸浴是9%硫酸、0.9%硫酸锌、26%硫酸钠的强腐蚀性混合溶液，经纺丝后的酸浴吸收了大量的水分、消耗了硫酸和硫酸锌，并且溶解了少量二硫化碳和硫化氢气体，因此需要经过闪蒸蒸发水分，脱气去除含硫气体，结晶析出硫酸钠，换热和调配以使温度和浓度稳定，然后进行循环使用。以上过程都是典型的化工操作单元，此前行业的研究多集中于本专业领域的专用设备和工艺[7-9]，忽略了跨行业的技术引进和创新。例如国内外的绝大多数工厂把11 级闪蒸作为标准配置用于酸浴蒸发[10-11]，用石墨加热器进行酸浴调温，用结晶、焙烧两步法工艺提取硫酸钠[12-13]，至于酸浴调配流程的研究则未见相关文章报道。

本文针对黏胶短纤维生产中的高能耗问题，分析其各生产工序的综合能耗，对比研究了不同的酸浴调配模式。通过优化酸浴调配流程，开发新型闪蒸装置及新型提硝装置，确定酸站工业化节能降耗的最优方案。其研究结果为黏胶短纤维生产节能提供了可行性技术依据，对于产业升级具有重要意义。

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。

表1 黏胶短纤维生产工序能耗

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。

图1 毛雷尔模式酸浴调配系统工艺流程

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178kW·h。

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。

图2 兰精模式酸浴调配系统工艺流程

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243kW·h，比毛雷尔模式增加了36.5%。

3 酸浴调配系统的节能改进

为进一步确定酸浴调配系统的节能空间，考察了系统中各工段能耗，如表2。

表2 酸浴调配系统各工段耗能

由表2 可见，闪蒸、结晶能耗占比较大，针对各工段能耗及工艺特性，分别研究提出改进方案。

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25t 14 级和35t 16 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。

表3 新型多级闪蒸装置指标对比

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。

图3 兰精模式酸浴加热工艺流程

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。

表4 3 种温度平衡方式耗能对比

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Na2SO4·10H2O（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。

表5 一步提硝与传统提硝耗能对比

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。

图4 酸浴调配系统优化设计工艺流程

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。

表6 优化模式与传统模式耗能对比

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。

[1] Li S，Ernst W，Martin K P. Environmental impact assessment of man-made cellulose fibres[J]. Conservation and Recycling，2010，55（2）：260-274.

[2] 邱有龙. 粘胶纤维行业新技术、新产品的发展现状及趋势（Ⅱ）[J]. 纺织导报，2010（10）：71-76.

[3] 陈丽嫚，汪涛. 生物质纤维材料的研究进展及发展前景[J]. 蚕学通讯，2014，34（2）：16-21.

[4] Elisabetta C，Kimberley M，Ashok K A. Morphological changes in textile fibres exposed to environmental stresses：Atomic force microscopic examination[J]. Forensic Science International，2009，191（1-3）：6-14.

[5] Gindl W，Keckes J. Strain hardening in regenerated cellulose fibres[J]. Composites Science and Technology，2006，66（13）：2049-2053.

[6] 彭志，周永超. 粘胶短纤行业发展分析[J]. 经济研究导刊，2012，152（6）：191-195.

[7] 赵伟，牛经敏，刘安亮. 粘胶纤维酸站多效蒸发工艺浅谈[J]. 黑龙江纺织，2014（2）：5-8.

[8] 翟丰都. 酸站闪蒸系统常见故障分析[J]. 人造纤维，2007，37（4）：14-16.

[9] 胡平华，叶庆胜. 粘胶纤维厂酸站循环水工艺流程优化设计[J]. 科技广场，2004（10）：36-37.

[10] 李玉翠. 11 效闪蒸装置的故障排除及节能措施[J]. 人造纤维，2008，38（2）：15-17.

[11] Majed M A. Multi stage flash desalination plant with brine-feed mixing and cooling[J]. Energy，2011，36（8）：5225-5232.

[12] 傅厚棠. 关于盐硝联产引进工程的认识和探讨[J]. 中国井矿盐，2006，37（5）：5-12.

[13] Colom X，Carrillo F. Crystallinity changes in lyocell and viscose-type fibres by caustic treatment[J]. European Polymer Journal，2002，38（11）：2225-2230.

[14] Hala A F，Andrea C，Hisham E，et al. Simulation of stability and dynamics of multistage flash desalination[J]. Desalination，2011，281：404-412.

[15] 李斌. 粘胶短纤维酸浴闪蒸工艺及其装备研究[D]. 南昌：江西农业大学，2012.

[16] Muthunayagam A E，Ramamurthi K，Paden J R. Low temperature flash vaporization for desalination[J]. Desalination，2005，180（1-3）：25-32.

[17] Aiman E A R，Seungwon I，Hirdesh V，Abdel N M. Scale formation model for high top brine temperature multi-stage flash (MSF) desalination plants[J]. Desalination，2014，350（2）：53-60.

[18] 龙秉文，周海鸽，杨祖荣，等. 多级连续闪蒸结晶过程的模拟与分析[J]. 北京化工大学学报，2006，33（3）：6-10.

[19] 于清. 提取硫酸钠型盐矿卤水中芒硝冷冻结晶设备研究[J]. 信息系统工程，2013（1）：121-123.

[20] 许达仁. 一步提硝-闪蒸结晶新技术[J]. 人造纤维，2012（6）：4-7.

[21] 夏添，郭宪英. 黏胶纤维生产中回收芒硝的综合利用[J]. 科学技术与工程，2010，17（6）：4349-4351.