黏膠短纖維酸浴調配系統的節能優化設計

于捍江，張林雅

（1 唐山三友集團興達化纖有限公司，河北 唐山 063305；2 河北科技大學化學與制藥工程學院， 河北 石家莊 050018）

中國是世界上最大的化學纖維生產國，黏膠短纖維作為替代棉花的主要化纖品種，在當前石油資源緊張的形勢下，因其原料可通過自然界生物質再生，成品可降解，穿著舒適，具有很好的發展空 間[1-3]。目前我國黏膠短纖維年產能350 萬噸，占全球總產量的60%。黏膠短纖維生產工藝復雜，在化學纖維中屬于高耗能品種，單位產品的綜合能耗約為1000kg 標煤/t 纖維。通過技術進步，推動行業節能減排，一直是行業的重點研究課題，對于黏膠短纖維工業的健康發展至關重要[4-6]。

酸站的作用是進行酸浴的回收處理，供給紡練合格的酸浴進行紡絲。酸浴是9%硫酸、0.9%硫酸鋅、26%硫酸鈉的強腐蝕性混合溶液，經紡絲后的酸浴吸收了大量的水分、消耗了硫酸和硫酸鋅，并且溶解了少量二硫化碳和硫化氫氣體，因此需要經過閃蒸蒸發水分，脫氣去除含硫氣體，結晶析出硫酸鈉，換熱和調配以使溫度和濃度穩定，然后進行循環使用。以上過程都是典型的化工操作單元，此前行業的研究多集中于本專業領域的專用設備和工藝[7-9]，忽略了跨行業的技術引進和創新。例如國內外的絕大多數工廠把11 級閃蒸作為標準配置用于酸浴蒸發[10-11]，用石墨加熱器進行酸浴調溫，用結晶、焙燒兩步法工藝提取硫酸鈉[12-13]，至于酸浴調配流程的研究則未見相關文章報道。

本文針對黏膠短纖維生產中的高能耗問題，分析其各生產工序的綜合能耗，對比研究了不同的酸浴調配模式。通過優化酸浴調配流程，開發新型閃蒸裝置及新型提硝裝置，確定酸站工業化節能降耗的最優方案。其研究結果為黏膠短纖維生產節能提供了可行性技術依據，對于產業升級具有重要意義。

1 黏膠短纖維生產工序能耗分析

黏膠短纖維生產工序共分為六大部分，包括原液、紡練、酸站、動力、污水及廢氣處理，各工序的綜合能耗見表1。

由表1 可見，在黏膠短纖維生產中酸站的能耗占比最大，以單位產品耗標煤計，其能耗占比達到了50.2%。酸站的作用是進行酸浴的循環調配、加熱、脫氣、蒸發及硫酸鈉結晶，以保持酸浴溫度和濃度的穩定，供給紡練合格的酸浴進行紡絲。不同于原液和紡練已經固化的流程和專用設備，酸站系統的流程和設備可以靈活調整，開發先進的循環調配流程和蒸發結晶裝置，有利于實現黏膠短纖維生產的節能改進。

表1 黏膠短纖維生產工序能耗

2 酸浴調配模式探討

為保證黏膠紡絲質量，酸浴進出紡絲機的硫酸濃度差應小于8g/L，為此每噸黏膠短纖維需要約200m3的酸浴循環量，一條年產6 萬噸的生產線每小時的酸浴循環量約1440m3，酸浴調配流程的設計會直接影響纖維生產的能耗。毛雷爾模式和蘭精模式，是當前黏膠短纖維生產中酸浴調配模式的兩種代表，分別對其能耗作了研究探討。

2.1 毛雷爾模式

毛雷爾模式以國內引進的瑞士毛雷爾公司生產線為代表，工藝流程如圖1。

圖1 毛雷爾模式酸浴調配系統工藝流程

在毛雷爾模式中，紡絲后的酸浴在真空抽吸作用下進入脫氣裝置，靠重力落入混合槽，在此進行濃度調配。然后用泵送入過濾系統，過濾后的酸浴一部分去閃蒸蒸發水分，蒸發母液去結晶析出芒硝；另一部分經加熱器調整到合格的溫度后進入高位槽，靠重力自流到紡絲機。

毛雷爾酸浴調配模式的優點主要表現為：酸浴在循環調配過程中只需用泵提升一次，處于高位的脫氣裝置靠真空吸入，閃蒸裝置利用過濾后的余壓進酸。該裝置巧妙利用了重力位差，整個調配流程簡潔，動力消耗低，噸纖維耗電178kW·h。

該模式存在的主要缺點有以下幾方面。

（1）酸浴先調配后閃蒸，由于酸浴濃度增加，沸點升比調配前升高1℃，蒸發能耗增大5%。

（2）流程中酸浴過濾后并行供給紡絲機和閃蒸裝置，造成閃蒸裝置所供酸浴被重復過濾提升，過濾系統設備配臺增加了40%。

（3）為維持酸浴溫度，需要設置單獨的酸浴加熱器，由于酸浴本身具有強腐蝕性，酸浴加熱器故障率高。

2.2 蘭精模式

蘭精模式以國內引進的奧地利蘭精公司生產線為代表，工藝流程如圖2。

圖2 蘭精模式酸浴調配系統工藝流程

在蘭精模式中，紡絲后的酸浴重力流入酸浴底槽，在泵和真空的雙重作用下進入脫氣裝置，重力流入脫氣回流槽。再用泵送去過濾，過濾后酸浴重力流回過濾回流槽，部分用泵送入閃蒸、結晶系統。最后酸浴在混合槽中調配合格后用泵送到紡絲機。

蘭精模式酸浴調配工藝的優點主要表現為：它的二級真空脫氣裝置可維持酸浴進出口0.5℃的溫升，不需要設置單獨的加熱器；酸浴先蒸發后調配，閃蒸能耗低；閃蒸裝置所供酸浴沒有被重復過濾。

該模式的缺點是在整個循環調配過程中，酸浴被泵反復提升了3 次，與毛雷爾模式相比，泵的配置臺數多1.6 倍，每噸纖維耗電為243kW·h，比毛雷爾模式增加了36.5%。

3 酸浴調配系統的節能改進

為進一步確定酸浴調配系統的節能空間，考察了系統中各工段能耗，如表2。

表2 酸浴調配系統各工段耗能

由表2 可見，閃蒸、結晶能耗占比較大，針對各工段能耗及工藝特性，分別研究提出改進方案。

3.1 新型多級閃蒸裝置的開發

黏膠短纖維的閃蒸裝置經歷了多效蒸發向多級閃蒸的更新換代，國內多級閃蒸近20 年來經歷了6級向11 級的升級，其中11 級閃蒸有每小時12t 和20t 蒸發量兩種[14-17]。表3 是當前幾種新型多級閃蒸裝置的指標對比表，由表3 可見，隨閃蒸級數增加其能耗降低，但所需預熱器面積變大，設備投資大幅度增加。盡管如此，結合當今世界能源價格的不斷上漲，開發更高級數的多級閃蒸具有一定現實意義。合作開發的25t 14 級和35t 16 級閃蒸，經生產檢驗，運行良好。16 級閃蒸比11 級閃蒸節能36%，節能效果顯著。

表3 新型多級閃蒸裝置指標對比

3.2 酸浴溫度平衡方式的改進

酸浴在循環過程中會散失熱量導致溫度降低，而紡絲機需要恒定的酸浴供應溫度，因此在酸浴調配流程中必須設置加熱。毛雷爾模式采用以蒸汽為熱源的間壁式換熱器進行加熱，而蘭精模式則是采用蒸汽噴射制造真空將酸浴脫氣進而加熱的方式。蘭精模式的酸浴加熱流程如圖3 所示。

酸浴依次通過一級脫氣罐和二級脫氣罐進行兩次脫氣，二級脫氣的真空由新鮮的引射蒸汽產生，脫除的不凝氣體、二次蒸汽與引射蒸汽一起進入一級脫氣罐的底部，在這里新蒸汽被落酸冷凝后與之混合，落酸被新蒸汽加熱，同時有微量不凝氣體向上穿過酸浴逸出，與第一級的二次蒸汽一起進入混合冷凝器。二級脫氣罐的落酸溫度比一級脫氣罐的進酸溫度提高了0.5℃，保證酸液溫度略有提高，彌補了酸浴循環過程中的部分熱損失。這種方式雖然省去了酸浴加熱器，但脫氣廠房高度增加，并且新鮮蒸汽直接冷凝在酸浴中，這部分冷凝水在后續流程中需要通過多級閃蒸去除，導致能耗增加。

圖3 蘭精模式酸浴加熱工藝流程

為克服上述模式帶來的弊端，研究設計了更加簡便節能的閃蒸調溫模式來平衡酸浴溫度，即通過提高多級閃蒸落酸溫度調節循環酸浴的溫度。改進后不需要設置單獨的加熱器，也不需要增加廠房，節能效果明顯。以一條年產6 萬噸的生產線為例，如酸浴需要升溫2℃，以閃蒸調節溫度，則閃蒸出酸溫度比進酸溫度提高7.4℃即可達到溫度平衡。3種模式的耗能對比見表4。

表4 3 種溫度平衡方式耗能對比

由表4 可見，閃蒸調溫模式的能耗明顯降低，比毛雷爾模式節汽58%，比蘭精模式節汽68%。需注意的是此模式會使閃蒸能力降低10%，要求閃蒸配合得有余量。

3.3 新型提硝裝置的開發

在酸浴的循環調配過程中，除了維持酸浴溫度平衡外，還需要維持濃度平衡。通過蒸發去除多余的水分，利用結晶和焙燒去除多余的硫酸鈉，然后在混合槽補加硫酸和硫酸鋅。傳統的提硝流程是將閃蒸的落酸送去低溫真空結晶，析出Na2SO4·10H2O（俗稱芒硝），然后再焙燒去掉結晶水得到無水硫酸鈉（俗稱元明粉）[18-21]。傳統提硝常用的方法為水冷結晶和酸冷結晶兩種，不僅流程復雜，而且能耗高。針對傳統提硝的缺點，合作開發了多級閃蒸一步提硝裝置，利用硫酸鈉溶液大于32.4℃時可直接結晶析出元明粉的性質，將多級閃蒸、結晶、焙燒裝置合為一體。一步提硝與傳統提硝耗能對比見 表5。

由表5 可見，多級閃蒸一步提硝能耗大幅降低，較之傳統水冷結晶節汽77%，較之傳統酸冷結晶節汽45%，達到了節省投資、節約能源的目的。

表5 一步提硝與傳統提硝耗能對比

3.4 酸浴調配系統的優化設計

針對毛雷爾模式和蘭精模式的優缺點，為進一步降低能耗，完善當前黏膠短纖維的生產工藝，綜上所述，對酸浴調配系統進行了節能改進，工藝流程如圖4。

圖4 酸浴調配系統優化設計工藝流程

改進后酸浴調配系統采取酸浴過濾后脫氣，用以避免膠塊堵塞篩板。提硝流程采用多級閃蒸一步提硝裝置替代傳統結晶焙燒提硝，利用多級閃蒸調節循環酸浴溫度，閃蒸供酸采用真空吸入調配前稀酸浴方式。優化設計后的模式比毛雷爾模式節省了酸浴高位槽、酸浴加熱器、40%的過濾設備、結晶和焙燒系統，較之蘭精模式節省了62.5%的泵、結晶和焙燒系統。3 種模式的耗能對比見表6。

表6 優化模式與傳統模式耗能對比

由表6 可見，相對于毛雷爾模式和蘭精模式，優化模式在節能方面顯示出極大的優勢，能耗最高可降低23%。

4 結 論

針對黏膠短纖維生產中的高能耗問題，通過分析黏膠短纖維生產工序的能耗，提出了酸浴調配系統節能的可行性。毛雷爾模式和蘭精模式是當前代表性的酸浴調配系統，探討了兩種酸浴調配系統的優缺點，進而分析了酸浴調配系統各工序的能耗指標，確定了黏膠短纖維生產中酸浴調配系統的節能改進方案，得到以下結論。

（1）開發新型多級閃蒸裝置，采用更高級數的多級閃蒸，降低能耗。經生產檢驗，以16 級閃蒸取代11 級閃蒸，可節能36%。

（2）分析對比了毛雷爾模式和蘭精模式的酸浴加熱裝置及能耗，設計了簡便節能的多級閃蒸調節循環酸浴的溫度。改進后的閃蒸調溫模式能耗明顯降低，比毛雷爾模式節汽58%，比蘭精模式節汽68%。

（3）開發多級閃蒸一步提硝裝置替代傳統結晶焙燒提硝，將多級閃蒸、結晶、焙燒裝置合為一體。多級閃蒸一步提硝可大幅降低能耗，較之傳統水冷結晶節汽77%，較之傳統酸冷結晶節汽45%，達到了節省投資、節約能源的目的。

（4）通過技術進步和創新，合理設計了節能改進的酸浴調配系統工藝流程。優化模式較之毛雷爾模式和蘭精模式，流程簡化，工藝先進，節省了大量的土建和設備投資，能耗可降低23%。優化設計后的酸浴調配系統已在黏膠短纖維行業實現了工業化運行，達到了很好的節能效果，具有極好的推廣前景。

[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] 邱有龍. 粘膠纖維行業新技術、新產品的發展現狀及趨勢（Ⅱ）[J]. 紡織導報，2010（10）：71-76.

[3] 陳麗嫚，汪濤. 生物質纖維材料的研究進展及發展前景[J]. 蠶學通訊，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. 粘膠短纖行業發展分析[J]. 經濟研究導刊，2012，152（6）：191-195.

[7] 趙偉，牛經敏，劉安亮. 粘膠纖維酸站多效蒸發工藝淺談[J]. 黑龍江紡織，2014（2）：5-8.

[8] 翟豐都. 酸站閃蒸系統常見故障分析[J]. 人造纖維，2007，37（4）：14-16.

[9] 胡平華，葉慶勝. 粘膠纖維廠酸站循環水工藝流程優化設計[J]. 科技廣場，2004（10）：36-37.

[10] 李玉翠. 11 效閃蒸裝置的故障排除及節能措施[J]. 人造纖維，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. 關于鹽硝聯產引進工程的認識和探討[J]. 中國井礦鹽，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. 粘膠短纖維酸浴閃蒸工藝及其裝備研究[D]. 南昌：江西農業大學，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] 龍秉文，周海鴿，楊祖榮，等. 多級連續閃蒸結晶過程的模擬與分析[J]. 北京化工大學學報，2006，33（3）：6-10.

[19] 于清. 提取硫酸鈉型鹽礦鹵水中芒硝冷凍結晶設備研究[J]. 信息系統工程，2013（1）：121-123.

[20] 許達仁. 一步提硝-閃蒸結晶新技術[J]. 人造纖維，2012（6）：4-7.

[21] 夏添，郭憲英. 黏膠纖維生產中回收芒硝的綜合利用[J]. 科學技術與工程，2010，17（6）：4349-4351.