水刺非織造布節(jié)能制造技術(shù)應(yīng)用

（福建福能南紡衛(wèi)生材料有限公司 福建南平 353000）

1 相關(guān)背景

隨著經(jīng)濟全球化的深度融合，節(jié)能減排也引起人們的高度關(guān)注，成為關(guān)系到社會發(fā)展和人類生存的重要問題。2016年，《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案的通知》明確提出，要求加快節(jié)能技術(shù)進步，引導用能單位采用先進節(jié)能新技術(shù)、新裝備、新工藝，促進能源資源節(jié)約集約利用，推進綠色發(fā)展。我國為世界制造大國，也是能源消耗大國，而紡織行業(yè)的能耗在制造業(yè)的能耗中占比較大。因此，許多研究單位和學者針對現(xiàn)代紡織技術(shù)和工藝流程等方面的節(jié)能減排工作做了大量探索和研究，該領(lǐng)域的節(jié)能正成為能源和環(huán)保領(lǐng)域的研究的熱門課題。

《2018/2019 中國產(chǎn)業(yè)用紡織品技術(shù)發(fā)展報告》表明，無紡即非織造是目前紡織行業(yè)由傳統(tǒng)紡織向現(xiàn)代紡織轉(zhuǎn)型升級的一個重要方向。隨著近幾年非織造布技術(shù)的發(fā)展，水刺法非織造布已成為非織造的一個新興行業(yè)，也是高耗能的產(chǎn)業(yè)。水刺非織造布在纏結(jié)工序的能耗通常為1.2 kWh/kg～2.5 kWh/kg，即每生產(chǎn)1 kg 的水刺非織造材料要消耗2 kWh 左右的電能，遠超過其他類非織造產(chǎn)品。水刺法非織造布生產(chǎn)工藝的主體結(jié)構(gòu)主要由以下5 個系統(tǒng)組成：梳理成網(wǎng)系統(tǒng)，包括給棉機、梳理機和鋪網(wǎng)機；水刺系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)鼓型水刺機、脫水機和水處理系統(tǒng)；烘干系統(tǒng)，包括烘筒干燥機或圓網(wǎng)干燥機；卷繞系統(tǒng)，包括成卷和橫切落卷裝置；檢驗分切系統(tǒng)，包括檢驗分切和包裝。一般水刺非織造生產(chǎn)線能耗分布為：梳理成網(wǎng)系統(tǒng)10%～15%，水刺系統(tǒng)35%～45%，烘干系統(tǒng)45%～50%，卷繞系統(tǒng)5%［1］。上述數(shù)值表明：水刺系統(tǒng)和烘干系統(tǒng)占了整條生產(chǎn)線總能耗的75%～85%。因此，這兩大能耗環(huán)節(jié)應(yīng)作為水刺工藝節(jié)能降耗的切入點。

2 水刺非織造布生產(chǎn)工藝的節(jié)能思路

2.1 水刺工藝節(jié)能思路

水刺法又稱射流噴網(wǎng)法或水力纏結(jié)法，其工作原理是由高壓泵將水加壓形成極細的高壓水流，通過水刺頭噴射成網(wǎng)后的纖維，穿刺纖網(wǎng)，從而使經(jīng)過梳理成網(wǎng)中的纖維相互纏結(jié)、抱合，達到一定的張力和強度，實現(xiàn)快速成網(wǎng)。水刺工藝系統(tǒng)是水刺生產(chǎn)線的核心部分，是影響水刺非織造布物性的主要工藝環(huán)節(jié)。一般水刺非織造布生產(chǎn)線水刺機配置5～7 個左右水刺頭，在高壓泵驅(qū)動下，通過控制器開啟一定數(shù)量的水針板，水刺頭的高壓水在不同方向射刺纖網(wǎng)，在細微水針的帶動下，穿刺數(shù)層平行纖網(wǎng)的纖維，使纖維相互抱合固結(jié)，與此同時真空抽吸風機對產(chǎn)品中的水份進行抽吸。水刺系統(tǒng)能耗主要集中在形成高壓水刺的高壓泵和負壓的抽吸上，生產(chǎn)過程中壓力越大，所需的能耗就越大。但對于水刺非織造布的水刺工藝而言，并非壓力越高，產(chǎn)品質(zhì)量就一定越好。過高的壓力不僅浪費能源，還會影響產(chǎn)品的品質(zhì)。因此，找準水刺恰好的壓力工藝點是節(jié)能的關(guān)鍵，這樣既保證產(chǎn)品品質(zhì)又起到了節(jié)能的效果。此外，選擇水針板型號、有效射流的寬度、水刺頭位置、水針間距也是在水刺工藝上有效節(jié)能的途徑。

在射流管路設(shè)備的設(shè)計方面，奧特法公司設(shè)計一種V 型噴射器［2］，它將噴嘴與噴射器底端的距離減小至0.5 mm，使由于空氣摩擦、氣流紊亂和射流擴散引起的能量損失降到最低。見圖1。

圖1 標準水刺頭與V 型水刺頭的比較

經(jīng)過測試可知，設(shè)定相同的水刺機水針板水壓，V 型噴射器可使非織造布具有更高的拉伸強度。換句話說，使無紡布達到要求的物性，采用V 型噴射器需要的水壓更低，降低的幅度約為20%。且在使用相同直徑和螺距的噴嘴時，V 型噴射器的耗水量將減少10%，綜合可節(jié)約30%的能耗。

2.2 烘干工藝節(jié)能思路

經(jīng)水刺纏結(jié)形成的非織造布含水率非常高，要經(jīng)過烘干系統(tǒng)進行烘干處理。目前水刺非織造布生產(chǎn)線通常有直燃式烘干和間接式烘干兩種，間接式烘干又分為導熱油和蒸汽不同的介質(zhì)。直燃式烘干采用天然氣直燃所產(chǎn)生的熱能，環(huán)保而受到國家及各級政府的支持。直燃式烘干機如圖2。

間接式烘干在有集中供熱條件的地區(qū)，節(jié)能環(huán)保；通過導熱油鍋爐或蒸汽鍋爐供熱則會對空氣環(huán)境造成污染，見圖3。因此，因地制宜采取適應(yīng)的供熱方式是確定節(jié)能思路的前提。

圖2 直燃式烘干機原理圖

圖3 導熱油間接式烘干機原理圖

在進入烘干之前，要用軋輥將水刺布含水率盡可能軋低，含水率越小，后面烘干需要的能耗就越小。采用軋壓機械脫水，剩余的水分再由烘干系統(tǒng)去除。有關(guān)實踐數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過軋車機械擠壓脫水會比直接用烘干方法脫水費用下降50 倍～250 倍［3］，因此在生產(chǎn)線設(shè)計和配套時均建議盡量設(shè)置軋車機械擠壓脫水的工藝流程。以日產(chǎn)10 000 kg 水刺非織造布的生產(chǎn)線為例，其含水率每降低1%，則可減少蒸發(fā)水分110 kg。假設(shè)熱能利用率為80%，而室溫常壓下每蒸發(fā)1 kg 水需耗能約2 600 kJ（換算為電能約為0.72 kWh），減少蒸發(fā)110 kg 水，可節(jié)約工業(yè)用電79.2 kWh［4］。

水刺非織造工藝的烘干系統(tǒng)采用的烘干機一般有烘筒烘干機和圓網(wǎng)烘干機。烘筒烘干機是采用熱傳導原理，使水刺非織造布與高溫金屬表面直接接觸，從而獲得能量，使非織造布中水分氣化并從表面蒸發(fā)逸出，從而達到干燥的效果。圓網(wǎng)烘干機的原理是讓熱風穿透烘燥過程中熱風與纖網(wǎng)中的纖維相接觸，帶走纖維的水分。熱風接觸纖維面更廣，烘干效率較高，且產(chǎn)品柔軟性強，手感好。圓網(wǎng)烘干機的機體設(shè)計為圓鼓式，占地面積小，又減少機械部分運動部件，使設(shè)備便于維修，并利用蜂窩網(wǎng)設(shè)計之特殊間隙，使纏結(jié)的纖網(wǎng)均勻覆蓋于圓鼓表面。其蜂窩狀設(shè)計提供了均勻暢通的氣流，在極短時間內(nèi)使纖網(wǎng)完全干燥［5］。因此，從節(jié)能和產(chǎn)品物性考慮采用圓網(wǎng)烘干機。

此外，烘干系統(tǒng)的節(jié)能潛力還在于二次能源的發(fā)掘和利用，分析烘干系統(tǒng)工藝存在的節(jié)能潛力。采用天然氣燃燒加熱的導熱油有大量的煙氣余熱，溫度高達170 ℃，煙氣直接排放到空中是熱鍋爐的主要熱損失之一。這些煙氣余熱可以通過換熱器將煙氣的熱量轉(zhuǎn)換成可以烘干系統(tǒng)所需要的熱量，達到挖掘節(jié)能潛力的目的。同樣采用蒸汽加熱的烘干系統(tǒng)也可以利用蒸汽余熱，在烘干工序中，空氣經(jīng)過蒸汽的熱交換器升高溫度，烘干產(chǎn)品上的水分。

烘干系統(tǒng)的另一節(jié)能方法就是對現(xiàn)有烘干排氣管進行改道。通過風機驅(qū)使原外排熱風流向固定預烘抽吸裝置，抽吸裝置裝在箱體頂部，及時進行空氣置換，布面進入預烘抽吸裝置時，熱風由下向上均勻吹向布面，保持預烘溫度的穩(wěn)定性。這種利用回流余熱而形成的漸進式烘干，不僅達到一定的節(jié)能效果，也有利于產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

3 節(jié)能效果評估

現(xiàn)階段水刺無紡布產(chǎn)品多以衛(wèi)材產(chǎn)品為主。以擦拭布的產(chǎn)品為例，現(xiàn)僅以利用軋壓和烘干機余熱預烘干該產(chǎn)品來評估節(jié)能效果。以50%粘膠50%滌綸原料成分配比的水刺布為例，經(jīng)過水刺抽吸后，實驗測得水刺布的含水率為170%左右，經(jīng)過軋壓和預烘抽吸裝置后，該布的含水率下降為130%左右，含水率迅速下降了40%；也就是說每生產(chǎn)1 t 產(chǎn)品可減少烘干蒸發(fā)約400 kg 的水，可以減少1 040 000 kJ 的能耗（蒸發(fā)1 kg 水需要2 600 kJ 的熱量），每噸產(chǎn)品可節(jié)約烘干燃料成本0.035 t 標準煤（每1kg 標準煤產(chǎn)生29 307 kJ 的熱量），數(shù)據(jù)計算如下：

煤按市場價550 元/t 來計算，一條產(chǎn)能15 t/d 的水刺生產(chǎn)線能節(jié)約成本288.75 元/d。在福建福能南紡衛(wèi)生材料有限公司推廣（全公司水刺產(chǎn)品100 t/d），可每天節(jié)約成本1 925 元，按每年350 個生產(chǎn)日計算，可節(jié)約生產(chǎn)成本67 萬元/a，具有較好的經(jīng)濟效益。同時，也減少了碳排放，具有較好的社會效益。

上述節(jié)能措施估算只是對一項具體的節(jié)能方法進行的。作為水刺非織造布生產(chǎn)線的節(jié)能方法還有很多種，還可以進一步深挖，諸如改善布進流程、改善風道路徑、縮短風管間距、利用烘干余熱、降低熱能損耗等，規(guī)模化企業(yè)還可以通過能源的綜合利用，如熱電聯(lián)產(chǎn)、利用預熱產(chǎn)生蒸汽來供熱等措施達到節(jié)能的目的。

4 結(jié)論

非織造產(chǎn)業(yè)是紡織業(yè)的朝陽產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)階段水刺非織造又是非織造產(chǎn)業(yè)中增長最快的產(chǎn)業(yè)。尤其是新冠肺炎疫情期間，水刺非織造生產(chǎn)線井噴式增長，產(chǎn)能增長僅次于熔噴生產(chǎn)線的增長速度。這種短期急速增長的產(chǎn)能在后疫情時代必然加劇水刺非織造產(chǎn)業(yè)的市場競爭，節(jié)能降耗是水刺生產(chǎn)線降低成本的有效途徑。所以，必須早做打算，未雨綢繆。企業(yè)管理層應(yīng)在尋求產(chǎn)品創(chuàng)新的同時，進行有針對性成本挖潛，不斷提高企業(yè)的競爭力。