工藝整合的資源管理

Stephan Kehry

環境意識長時間以來已不再是歐洲生產工廠的專屬物了。在一些發展中國家,當局也愈加注意那些污染大戶。但不幸的是,全世界都一直認為紡織染整在環境方面的名聲很不好。但現在有些希望了,一種新的融入環保理念的裝置由瑞士紡織機械制造商Benninger(貝寧格)公司創新生產,這種裝置能使傳統的生產加工不再排出任何廢水。有了它,也許數年后印染行業在污染方面的壞名聲會成為往事。

全球僅約 10% 的水是直接為人類所用。最大的份額,70% 用于農業,剩余的 20% 為工業用。地區性的差別則顯示出不同國家經濟體的工業化程度。例如,中國要用 80% 的水灌溉農田,而歐洲一半的水被送入工廠。形成鮮明對比的是所有這些只是“水”資源的地理分布。中國的排污約為全球的 20%,而它只得到全球的 5% 的新鮮水。因此,在該地區解決污染問題已列入議事日程。

在食品生產中要用大量的飲用水。例如,生產 1 kg肉制品要用 5 000 L水。素食者的食物也要用水:生產 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當節儉,人均日用水約 162 L(例如,1 個瑞士家庭用水:洗浴 32 L,洗廁 48 L,洗衣機 30 L,烹飪飲用洗碗等約 20 L)。

水和能源總是紡織品生產中的兩大主要要素,天然纖維產品的生產則消費了它們的大部分。不管是棉、羊毛還是亞麻,種植的整個階段需要灌溉,羊也需要喂水和食物。以棉花種植為例,生產 1 kg棉花總共耗水約 2 萬L(在蘇丹則約 2.9 萬L)。相對于全球資源日益短缺的大背景,這些數據令人擔憂,雖然人們采用創新的灌溉技術能明顯地降低消耗,但生產 1 kg棉花仍需 7 000 ～ 9 000 L水。當然,這種下降的趨勢至少給人以希望。

水在中東長久以來就是政治斗爭的不老藥。棉花種植業的大量用水加劇了土耳其、伊拉克、以色列和敘利亞之間的緊張關系。相反,在西非,先進的棉田灌溉技術至今仍未普及。

這種灌溉導致全球出現土地受侵蝕,水儲量降低,地下水受污。鑒于水資源愈加寶貴而預計它會愈加短缺,看來不可避免的是用于棉花生長的耗水量長期而言將不得不減少,特別是隨著氣候變化,越來越多的農田需要灌溉。

除了灌溉棉田以外,印染濕整理無可爭議地成為第二大水污染大戶。從上漿開始到退漿、水洗、練漂、絲光,然后染色印花、可能還需涂層,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。結果是濕整理過程中每千克原棉的用水量加起來多達 200 L。當一件標準的男式襯衣定制后在商店櫥窗展示時,超過 2 000 L水在生產加工它時被用掉了(布料:純棉,125 g/m2)。

讓水資源消耗最小化

上面描述的情形很清楚地表明,迅速采取措施是必需的。而且這些措施不僅需要在工業化國家,而且需在全球性貫徹執行。它們要容易理解方便操作。Benninger開發了一個新概念,將此類問題表述為兩層含義:耗水最小化;循環利用。

使水資源消耗最小化是以優化工藝和設備為基礎的。改進工藝修正配方,從而改進質量和工藝再現性,最終減少用水。將非連續浸染改為連續式染色就已證明是一個好的例證。

在優化消耗的基礎上,水、能源及其他資源還能循環利用。這樣的紡織生產在商業和環境兩方面都是可持續發展的。

“千里之行,始于足下”。在資源管理中,第一步可邁得小些。濕整理中一個有效的節能辦法是將蒸汽閥封置于一個汽房中(圖 1)。這樣的設計成本最小,因此回收期不到 8 個月。

接下來一步可以將整個錫林烘燥機裝入一個房內。這種隔離不僅降低了熱能的散發,同時也提高了烘燥效率。因此,用較少的烘筒就能達到相同的烘燥結果,烘筒自身的投資支出也減少了。這種方法能節約蒸汽 15%,因此整個的投資不到兩年即可回收。

通過逆流結構的優化設計節約成本 15%

進一步降低成本的方法是改進水流路線,這就是“逆流”。坯布通過水洗槽,從前進從后出,而水在槽內從后流向前。這樣,越來越干凈的布總是與最干凈的水接觸。堅決應用這一逆流原理,就能節約水和熱能。

可以舉例:冷堆染色后水洗。冷堆染色是通過軋車進行的,軋車上有一對泳動輥(s – 輥),它們的加壓線可控可調節,染化料經壓輥按規定的方式施加給織物。經過一定的膨化反應時間(這取決于染料的特性)后,未固著的染料需清洗掉。這里,差別就出現在以下的工藝中:(1)清洗表面浮色;(2)皂洗(在這里,未反應的染料從纖維內部轉移到表面);(3)中和;(4)清洗在中和階段所產生的鹽。

這段過程通常每千克布需用 20 L水和 1.6 kg蒸汽 (圖 2)。

第一步將逆流原理嚴格應用在各道工序中。用于在后段清洗那些鹽的水可繞過皂洗段,然后再被用來清洗表面浮色。由于尾部的水沾污較輕,它們在前段能有效地起作用。而且,皂洗階段的水所需的加熱也少了,節約了蒸汽 (圖 3)。

在此工序中,每千克布需消耗的水為 9 L、蒸汽 0.95 kg。而且,由于溫度比傳統工藝的高約 40 ℃ ,其后的烘燥所需能源也少了。

基于平均成本計算,采用這種水洗方法可以:節約用水 55%;節約用汽 41%;總的生產成本節約 15%。

從這里可清楚地看到,不需新增投資,就可以明顯地改善內部的成本結構。這些改善的關鍵是對工藝的技術竅門以及現代的平幅水洗概念。

加工針織物的創新理念

選擇正確的工廠概念在下面的例子中也起了重要的作用。過去,針織物絕大部分采用繩狀加工,因為織物張力和卷邊問題而無法連續化處理,因而也無法高效處理。但現在,Benninger公司的TRIKOFLEX所采用的新型傳動技術和適宜的導布系統讓針織公司可以采用這種平幅加工方法。

平幅處理在質量方面的益處從布面的質地和光澤等一致性上就能感覺到。噴射處理是一種機械方法,在TRIKOFLEX水洗機上做連續處理則是一種更輕柔的方法,不會出現起皺或布面磨損(起毛)的現象。而且,各道工序分得清楚,運用現代工廠管理,任何時候都能看清各道加工情況。除了改善操作人員的操作條件外,還可獲得優異的工藝重演性,改善質量,降低后道工序的損失。

但是,連續處理的節約主要是在可變成本方面。浸染 1 kg針織布平均耗水約 70 ～ 90 L水,而同樣的工序TRIKOFLEX水洗機僅用水 18 L,也即節水約 75%。更令人印象深刻的是能源的消耗:染 1 kg針織布,原來是 19 100 kJ,平幅連續處理則是 4 500 kJ。

但是,若想像上面列舉的資源節約已達到極限就錯了。在取得這些節約成果后,一個優化措施是水回收和循環再利用。只要優化還未完全開發,處理用水量就仍然被認為是過大了。

紡織整理廠的水流流向

系統對于紡織品加工中產生的污水,其處理和回用系統包括以下組件:超濾;反滲透。

這兩種系統的差別主要在于過濾系統的芯材尺寸。超濾所截留的粒子直徑小于 10 ～ 100 nm(相當于 0.000 01 ～ 0.000 1 mm),而反滲透則過濾掉尺寸小于 1 nm的粒子。作為對比,香煙煙霧粒子約 1 000 nm大,人體毛發則約 10 萬nm粗。

此類系統的排列如圖 4 所示。水洗階段排出的污水被通向超濾裝置。它是由細微的自清潔的管狀陶瓷材料組成,這些陶瓷材料具有很高的耐化學性,使用壽命約為 10 年。高溫對它也無影響。這種超濾能降低化學需氧量(COD),此數據代表了水中的生物物質量,對退漿能降低約 63%,漂白約 80%,活性染色約 48%。圖 4 中,它的處理效果對應于 圖 5 的樣品 1(原污水)和樣品 2 之間的差別。

超濾后,污水通過反滲透。在此階段,超濾留下的染料分子和溶解的鹽被分離出來。它通過呈螺旋狀盤卷的聚合物在 25 bar的壓力下進行處理。它的使用壽命是 3 年,內部元件采用“原位清洗法”(CIP)做清洗,即,清洗系統接觸的表面,不需達到拆卸。反滲透的效果可參見圖5中的樣品 2 和 3 之間的差別(作為對比,樣品 4 顯示的是城市自來水)。

為了保護反滲透膜,水洗槽排出的熱廢水在超濾后需經熱交換器冷卻。反滲透后,水可用此熱量再加熱。因此,70%的熱能可再使用。視水污程度,85% 以上的水可被回用。只是對那些會堵塞膜的物質要限制使用。這些物質包括pH值低于 7 的硅酸鹽、印花糊料、硅油、碳氟化合物以及其它一些特殊性質的材料,這些來自不同的制造商材料性質不同,需要對各化學品逐一查核。

“零”排放

在如今紡織工業的價格壓力下,不同地區和國家制定的環境法規會給企業帶來或成功或失敗的不同結果。每個就排放要求做出的自主性措施也是經濟自主方面的措施。將超濾和反滲透結合應用,整個工廠甚至能無污水排放 — 這就是“零排放”的概念。兩級過濾所收集的致污物經高度濃縮、收集,再送去固化。形成的固體通常為有機成分,常常具有極好的熱值。無疑,這是改善紡織印染形象的機會,同時,也降低了工廠自身生產與社會公益要求之間的矛盾。

那么,這種過濾技術對上面討論的成本計算有怎樣的影響?以前面提及的水洗為例,處理每千克織物使用的新鮮水量減為 1.5 L,也就是節約近 92%。采用現代平幅加工技術生產針織物,并結合應用超濾和反滲透,那么所節約的潛在成本將更加讓人激動。非連續生產 1 kg針織物用水 70 ～ 90 L,用現代的高效水洗機TRIKOFLEX則用 4 L水,節水 94%。

培育可持續的環境意識,以負責任的態度對待大自然

毫無疑問,現在全世界日益增長的環境意識來源于純粹的商業考慮:污染了的江河讓旅游者走開,干枯的田野很難吸引投資者,過度鹽化的湖泊無助于發展資助的介入。但是,即使主要的動機來自于商業本能,行動起來的時機已經到了。如前面所述的原因,紡織染整作為“耗水工業”有著特殊的責任。現在是負起這個責任的時候了。過去以來,在面臨創新或大的、基礎性的改革時,歐洲都是擔當領頭羊的角色,因此,今天去建立有關的標準比過去任何時候都 重要。

現在這種技術已可行,其應用是有利的,也有很好的商業意義,即使與化學品和助劑的使用有所沖突,但是,通過客戶和供貨商的對話溝通,很多障礙都能克服,特別是當這種事與保護我們及我們的后代所生存的世界休戚相關的 時候。