刘江坚

文章从提高节能减排功效的角度,分析了筒子纱染色工艺和设备性能的影响,对其部分主要工艺参数和设备结构提出了优化设计方案,以实现在保证纱线染色品质的基础上,提高生产效率、降低能耗和减少污水排放的目的。

The article analyzed the effect of package dyeing process and machinery performance from the viewpoint of energy saving and discharge reduction, put forward the optimized design scheme about some main technological parameters and machine structure, in order to improve the production efficiency, save energy and reduce wastewater on the basis of ensuring the quality of package dyeing.

筒子纱染色与其它高能耗、高污染行业一样,也将节能减排作为未来发展的主要目标。通过染色工艺的改进、染色设备结构性能的提高和设计优化,降低加工过程中的水、蒸汽、电、染化料消耗,减少污水排放,是一条实现节能减排的有效途径。经过长期的实践应用,人们掌握了一些对染色性能有较大影响的参数,并对其采取相应的控制方式,既可满足染色的质量要求,又能在一定程度上达到节能减排的效果。例如,小浴比条件下的染色,不仅能够节省水和蒸汽、减少排放,而且还可提高活性染料的直接性,减少对盐类的依存性,降低盐类的消耗和污水助剂的含量。因此,小浴比是筒子纱染色节能减排的一个主要特征。

比流量是影响筒子纱染色质量的一个重要参数,过去一直认为取得越大越有利于匀染,但近年来的实际应用表明并非如此。过大的比流量,需要消耗很大的主循环泵功率,并且会使纱线产生毛羽,甚至将筒子纱冲垮塌,造成染液循环短路。实际上,过去提高比流量,很大程度上是为了弥补由于泄漏而造成的染液有效循环量不足。而现在,人们通过对筒子纱的装载接口密封性能的提高,减少了染液的泄露量,只要提供筒子纱染色实际所需的比流量,就完全可以保证染色质量。如果采用变频技术控制染液有效循环流量,实现同步染色,那么将更有利于节能。

除此之外,采取染液强制对流加热方式,可提高换热效率,减少蒸汽的消耗量。将传统的重力排放改为压力排放,减少纱线的带液量,可为水洗和脱水减少能耗。利用间接降温余热水进行同步水洗,既省水又省蒸汽。这些功能的出现,对染色加工的节能减排起到了不同程度的作用。

筒子纱染色实现节能减排的过程,与染色工艺和染色设备结构性能是分不开的。筒子纱染色在过去十几年的发展过程中有了很大技术进步,设备与染色工艺的密切结合,除了对部分影响染色工艺的参数,进行了深入研究并找出规律,提出新的要求和控制方法外,还涉及到与节能减排相关的其它影响因素。制造商通过染色设备结构和控制的优化设计,在染色应用中已经获得了一定成效,但还不能说达到了最佳效果,有些功效仍有待于进一步探索和改进。因此,本文仅就一些最基本的、已经得到应用或者可能实现的功效作一简述。

1 染色工艺参数优化

在筒子纱染色技术的发展过程中,染色工艺参数和设备结构性能的改进始终起着重要作用。在能够满足纱线染色质量的基础上,不断对染色工艺参数和设备结构性能进行优化,很大程度上提高了节能减排的功效,其中有 2 个最重要的参数,即浴比和比流量,是染色工作者多年来一直研究的对象。

1.1小浴比染色

传统的小浴比概念是:筒子纱染色浴比小于 1∶4 时就称为小浴比,它必须在一定的工艺和设备条件下才能够实现。在以水作为染色介质的筒子纱染色工艺中,采用小浴比是实现节能减排最直接也是最有效的手段,它不仅是在染色工艺的时间(最明显是升温时间)上,还是在能耗(水、蒸汽、染化料等)和排污上,都大为缩短和降低。因此,筒子纱实现小浴比染色具有十分重要的意义。

1.1.1小浴比的作用

实现小浴比染色,必须了解它对整个染色工艺产生的作用和影响,并采取相应的措施来保证。从实际应用来看,染料和助剂、染液与纱线的交换频率是产生最明显效果的部分。

(1)染料和助剂减少

等量的同种染料在不同浴比染浴中的浓度是不一样的。浴比高的颜色浅一些,浴比低的颜色要深一些。如果是浓度相等的不同浴比,那么,浴比高的染浴所含染料要多一些,而浴比低的染浴所含染料则要少一些,这是客观存在的事实。这里除了与染料的结构特性有关外,主要是与染料在不同浴比条件下所表现出的直接性有关。实验表明,活性染料在低浴比条件下,直接性就会提高,也就是上染率会提高。而活性染料的直接性提高,就意味着对促染剂(如盐)依存性的降低,这不仅有利于提升活性染料的上染率,同时还减少了盐对环境所造成的污染。

许多染料需在一定的碱性条件下与织物纤维发生反应,如活性染料在碱性条件下与织物纤维形成化学键而固着,还原染料在碱性浴中进行还原。碱将染浴的pH值控制在一定的范围内,高浴比要消耗大量的碱,而像活性染料类的直接性又低,在碱性浓度较高的染浴中,会产生大量的染料水解,染深色困难。相比之下,小浴比提高了染料的直接性,在相同碱性浓度下所消耗的碱量也小,染料的水解程度下降,有利于染深色,节省染料。

(2)染液与纱线的交换频率

通常染色工艺都是以时间来控制染色过程的每个工序,在一定染色工艺条件下所需的时间,实际上是完成染料上染和固色过程所需的时间。实践表明,温度、浴比、染液和纱线的相对运动,对完成上染和固色过程所需的时间是有影响的,其中影响最大的是染液与纱线的交换频率,而它又体现在二者的相对运动程度上。如果说染料上染和固色过程需要一定的染液和纱线的交换次数来实现,那么,完成一定交换次数所需的时间就反映出了染色时间的长短。

由此可见,要完成一定的染液和纱线的交换次数,交换频率高的比交换频率低的所需的时间肯定要短。因此,小浴比染色过程应通过染液与纱线交换次数来确定每个过程所需的时间,而不应套用大浴比的过程时间,否则,超出的时间里,只能做无用的运行,不仅纱线的表面容易产生毛羽,而且造成设备能力的浪费。

1.1.2染液单向循环

筒子纱为了保证纱层内中外的染料上染和固色达到均匀一致,染液循环通常都是采用内向外和外向内交替进行。染液双向循环要求主缸内的所有筒子纱必须被浸在染液之中,如果没有设备结构上的措施可以减少染液循环系统中的储液量,那么浴比至少要在 1∶8 以上才能满足染液双向循环的要求,否则,主缸内顶层筒子纱就会露出液面。染液单向循环只有内向外,而没有外向内的循环,因此,可以将筒子纱露出染液,这就意味着浴比可以大为降低。

采用染液单向循环时,必须保证筒子纱之间、顶锁等接口的密封性,同时,对染色工艺、筒子纱的密度、比流量以及主循环泵特性等方面都有一定要求。在设备结构上,采用高效离心泵可以提供稳定的比流量,每根筒子纱柱上加一个外套管,染液内向外穿过纱层后在筒子纱外部形成一定的静压腔,有利于外层纱的匀染性。染色工艺上,要注意温度和加料的控制。有了染色工艺和设备结构性能的保障,完全可以进行染液单向循环染色。

1.2比流量的分析与选择

在筒子纱染色技术中,涉及到一个非常重要的技术参数 — 比流量。它的基本概念是:每千克纱线在单位时间内所穿过的染液量,其单位是L/(kg・min)。完成染色工艺过程的目的就是在设定的时间内,让染料在纱线纤维上达到均匀的上染并固着在纱线纤维上。按照间歇式染色原理,被染物(这里指纱线)与染料必须在一定的接触次数中,才能完成上染的 3 个基本过程:吸附、扩散和固着。在这个过程中,除了以温度来控制上染速率的快慢外,主要是通过染液的循环,保证整个被染物(纱线)的温度均匀性和与染料接触均匀性等。

因此,比流量在筒子纱染色中起着非常重要的作用,设备主泵流量选取的主要依据就是比流量。传统的观念认为,选择较大的比流量可以提高染液(确切地讲是染料)与纱线的交换次数,有利于纱线的匀染性。同时还认为,单个筒子纱的内、中、外色差,或者层与层之间的色差与比流量过小有关系。实践证明,过去主要考虑的是理想中纱线与染液的交换频率,也就是染液的循环频率(因为纱线是静止的),而忽略了染液循环流量受循环系统(包括纱线的穿透)阻力的影响而发生的变化。正是由于这种变化影响的存在,使得实际上的染液循环流量并不是当初设置的数值,而是减去泄漏(占的比例较大)和克服阻力损失后所剩余的那部分流量。如果在这种流量条件下能够将纱线染好,那么,假设将泄漏(通过结构的改进)降低到最低限度,并适当提高主泵扬程来克服阻力损失,是否可以降低当初设置的比流量呢?下面对此进行讨论。

1.2.1实际染液循环

在染液实际循环系统中,由于设备结构的影响,染液循环时不可避免地产生沿程和局部阻力损失,而克服这些损失必须消耗一定能量。同时,系统中还存在一个非常大的阻力损失,那就是穿透筒子纱层的阻力损失。这些阻力损失统称为压力降损失,都是由对流体(即染液)产生强制循环的动力源 — 主循环泵的扬程来提供的。由流体力学原理得知:系统中压力降与流体流速的平方成正比,也就是与流量的平方成正比(流量=过流面积×流速)。如果实际中能够实现较大的比流量,单从染色这方面来考虑,对匀染性是有利的,但对密度较大的纱层(如经轴纱的密度一般在 0.40 ～ 0.45 g/cm3),或者吸水后具有较大溶胀的纱线(如粘胶纤维),则会因为阻力增大而产生很大压力降。这种压力降必然会使主循泵特性曲线的工作点向较高扬程方向移动,流量也随之下降,也就是说实际产生的流量已经发生变化,并不是原设定的流量了,而且主泵有可能没有工作在特性曲线上的经济效率范围内(通常认为主泵在不低于最高效率的 7% 范围内工作是经济的)。出现这种情况时,纱线中的染液循环流量下降,整个循环系统压力增高,相当一部分染液可能从密封较差的接口泄漏,造成染液短路。因此,实际染液的循环是受到整个系统影响的。

1.2.2比流量的选择

传统筒子染色机的设计中普遍认为:纱线与染液的交换频率,主要取决于染液的循环流量,因此比流量的选取都比较大,而对扬程的选取并不看得那么重要。按照这个要求,一般都是选择混流泵,其特点就是大流量,低扬程。事实上,由于过去的设备结构上存在较大的缺陷,如顶锁、换向装置等容易产生很大的泄漏,造成染液循环短路,而为了保证一定的染液量必须穿过纱层,所以不得不将总流量的30% ～ 40% 用于补充这部分泄漏。从这一点可以说明,传统的比流量仅仅是一个名义值,并没有反映出纱线染色实际需要的比流量。

筒子染色机可以通过结构的改进,提高循环染液的利用率,省去曾经作为补偿泄漏的那部分流量,适当提高系统总体所需的扬程。这样不仅可以满足纱线密度或者容量增加而产生纱层阻力所需的能耗,而且还可以减少管路循环系统空间,提高主循环泵的使用效率。实践证明,在保证循环系统有效染液循环率 90% 以上筒子染色机的比流量,可以选择 20 L/(kg・min)(传统设计至少在 35 L/(kg・min)以上)。由于按此比流量所选取主泵的比转数小于 300,属于高比转数的离心泵,因此可以减小主泵进、出口管径,减少管路中的储水量,降低染液浴比。

1.2.3低比流量的功效

通过上述分析可以看出,采用低比流量,只要染色机的结构性能能够得到保证,不仅可以满足染色质量要求,而且还可带来节能减排的功效。具体有如下几方面。

(1)主泵工作效率。选择低比流量和较高扬程后,可以将过去采用的混流泵改为高比转数(ns = 200 ～ 300)离心泵,随之而来的特性曲线也发生了变化。根据叶片离心泵设计理论,在流量 – 功率特性曲线上,离心泵的功率变化随流量变化比混流泵快。由于现在筒子染色机主循环泵电机都采用了交流变频技术,在保证主泵效率不变的条件下,可通过转速变化给出不同的流量和扬程,所以基于离心泵的流量 – 功率变化特点,能够在不同流量下减少功率消耗。

离心泵与混流泵相比,其流量 – 效率特性曲线也比较平缓,在流量变化的范围内,偏离最高效率点的范围也不会太大。这对筒子纱在装载变化或者对遇水容易发生溶胀的纤维(如粘胶纤维)来说,流量在变化过程中,始终具有较高的工作效率。

(2)主循环系统容积。采用低比流量,主泵在相同总功率条件下,相对提高扬程可以增大克服纱层穿透阻力的能力。这样不仅能够充分保证被染物获得均等的上染机率,还可以减少循环管路系统的容积,因为相同功率的离心泵进出口管径一般比混流泵小。如果再通过结构的优化设计,又可达到进一步降低浴比的目的。

(3)筒子纱的匀染性。采用低比流量、高扬程后,密度较大的单个筒子纱(有经验表明,纯棉单个筒子密度可达0.45 g/cm3),由于染液主要从纱线纤维之间穿过,而不是从纱线之间穿过,所以可获得较好的匀染性和透染性。主泵的扬程相对提高,还可将纱杆的染液过流口面积相对减少,增加筒子纱层(在实际应用中最高可达 17 层纱),并能使上下层筒子纱获得均等流量。这对于大容量筒子纱染色来说,能够更好地保证上下层筒子纱的匀染性。因此,低比流量提高了筒子纱的染色质量,减少了因染色质量问题而返修所造成的能源和时间浪费。

2设备结构优化

筒子染色设备的结构性能,是染色工艺的根本保证。小浴比在满足染色工艺的条件下,主要是对染液循环系统空间尽可能缩小来降低浴比,近年来这方面也有了较大进步,主要体现在设备主结构和辅助功能的优化设计方面。

2.1设备主结构

筒子染色机主结构对整机性能起到至关重要的作用,长期以来,人们始终致力于染色质量和节能减排性能方面的改进和技术发展,并取得了一定成效。归纳起来有以下几种设备主结构形式。

(1)将换热器与主循环泵设计为一体并直联于换向装置,省去了相当一部分主循环管路,减少染液的储存量。这样即使不采用染液单向循环也可以降低浴比,并且具有较好的工艺操作性。目前,已经有越来越多的筒子染色机采用这种形式。

(2)对于容量不大(500 kg以下)筒子染色机,采用小螺旋管的盘管式换热器,并设置在主缸体下部封头内。小螺旋管具有强化传热的效果,并且占用空间不大。主循环泵为多级轴流泵(增加扬程),可正反转进行换向。不需要换向器,省去了所有的主循环管路。

(3)采用(卧式)管式筒体,每根筒子纱柱都有各自的管式筒体,通过一定的方式并联起来,形成不同容量的并联组合。这种形式的主循环系统容积大概是目前筒子染色机中最小的,因此浴比很小(据介绍最低浴比可达 1∶3)。这种形式的染色机需要配置一些自动装卸的辅助设备,否则,装卸的劳动强度大。这样一来,设备的总体投入成本提高,但从节能减排、提高生产效率(可采用自动装卸纱)方面来讲,是值得推广应用的。

(4)染笼纱杆采用非等同心圆分布,可在容积相等的条件下增加容纱量,减少筒子纱柱之间的空间,降低浴比。这实际上是染笼纱杆的优化排列。

2.2辅助功能

以上是对筒子纱染色的工艺或者设备结构性能的参数(浴比和比流量)提出的优化设计,在节能减排方面能够起到非常重要的作用,许多技术性能先进的设备已经得到了应用,并且也产生了明显效果。然而,一些辅助功能对节能减排产生的作用和影响,往往被人们所忽视。实际上,这一部分仍然可以进行结构和功能上的优化设计,达到节能减排的功效。

2.2.1高效换热

目前比较先进的筒子染色机都是采用外置管壳式换热器,其主要目的是为了提高换热效率。从传热学来讲,高温流体(如蒸汽)走壳程,而低温流体(被加热的染液)走管程,并且将换热器设置在主循环管路中,加快管程中低温流体的流速,非常有利于换热效率的提高和减少蒸汽的浪费。当然,这种结构形式会提高设备的制造成本,使用者一次性设备成本投入可能较高,但能够获得长久经济效益。

小浴比筒子染色机所采用的管壳式换热器,还可考虑缩小换热列管的通径,以获得较高的主循环染液在列管中的流速,这样做将有利于传热的强化,提高换热效率;甚至有可能将壳程外表面(与大气接触散热)再增加一夹层,利用这部分换热面积来加热染液,减少热量的损失。

2.2.2水洗受控

水洗效果是小浴比染色的关键技术,水洗是否充分关系到色牢度的好坏。传统的溢流水洗方式是通过溢流稀释残留染液来达到要求的,往往耗水量非常大。小浴比如果采用传统的稀释水洗,不但耗水量更大,而且水洗的效果也很差,失去了小浴比节水的意义。因此,小浴比的水洗应采用连续式水洗,将水洗过程分阶段,分别以水流速度、温度变化的不同组合进行控制,以最少的耗水和最短的时间达到最佳的水洗效果,实际上是对水洗进行受控。

2.2.3压力脱水

压力脱水是利用压缩空气多次挤压(或称为压榨)筒子纱,将所含带的液体分离出去,具有节能减排的效果。首先,在染色完毕并排放主体废液后,纱线中还含带或吸附大量残余染液,要通过后续的水洗进行去除。通常是采用溢流式水洗,大量的残余染液浓度比较高,需要多次进行稀释,耗水耗时间。其次,水洗完毕排液后出纱,吸附大量水的纱线增加了脱水的能耗。然而,如果在这些后续工序之前增加一道压力脱水过程,那么可以排除大量残余染液或水,提高了水洗效果(增加水洗梯度),降低消耗。目前,比较先进的筒子染色机配置了这项功能,但因密封的原因还没有达到最佳效果。

2.2.4余热回用

染色的加热过程中,提高换热效率,减少热能消耗,是实现节能减排的一项有效措施,在设备结构性能和工艺过程中已经得到了一定程度的体现。那么,在染色过程中某个程序(如染色程序结束)完成之后,既要排放废液又要加入热水来进行水洗,是怎样进行的呢?若按传统的做法是:先排放废液(热量被浪费),然后再需要热量来加热冷水,其结果造成了很大的热能浪费。

如何充分利用废液(包括间接换热的冷凝水)中的余热,已经引起了设备制造商和使用者的高度重视。只要通过设备的辅助装置,余热可以有效地加以利用。例如,热交换器的同步降温,就是将保温后的降温冷水与废液的余热交换后用于水洗,而降温后废液还省去了排入污水处理池之前的降温处理过程。可谓一举两得。

3同步染色

同步染色的概念是:根据染料在被染物上的上染和固色规律,以及温度、流量、浴比和助剂产生的影响,给予一个合理的染液循环流量,以最少的能耗达到染色质量要求。显然,采用同步染色能够有效地利用能源。通过分析染色过程的流量变化规律,可以设置同步染色的控制功能。

3.1染色过程的流量作用

固定的染液循环流量在同一染色过程中,并非总是能够发挥最佳效果。分散染料在聚酯纤维的玻璃温度以下几乎不上染,剧烈运动的染液会使它产生凝聚,染浅色的保温固色阶段几乎没有再多的染料上染,都说明始终不变的染液循环流量只会消耗更多的功率,并且频繁穿过纱线表面会产生毛羽。此外,经轴纱以及在水中溶胀性较大的纤维或收缩性大的长丝,由于纱线密度在染色过程中发生的变化会对影响到染液循环流量,如果是发生在上染最快的时间段里,就有可能造成动力边界层内染料供应不足而出现上染不均匀。由此可见,染液循环流量作用的效果,对保证纱线质量,减少无效染液循环起着很重要的作用,必须通过同步染色来控制。

3.2同步染色的控制

对于流量的作用和影响,可根据染料在不同温度或者不同密度上染的规律,给予相应的染液循环流量控制,在染料上染快和慢的时间内增减染液循环流量,就能够有效地保证纱线染色质量,同时又可节能。同步染色在设备上主要是通过主循环泵的交流变频控制循环染液流量来实现的,循环染液流量最好是采用流量计检测并可反馈信号给电脑,再由PLC实时控制主循环泵转速。不过,目前大部分还是由时间或者压差的变化量检测,效果肯定有差异,其原因可能是成本价格。主循环泵应充分考虑其特性曲线,从目前的使用效果来看,选择高比转数的离心泵比较适合,特性曲线平缓,有利于纱层压力的稳定性。

4筒子纱络筒密度和重量

筒子纱的松式络筒密度和重量对染色质量有很大影响,是保证筒子纱染色质量的前提。过去的筒子染色机由于技术水平和结构性能的限制,设计者没有真正了解和掌握循环染液在筒子纱中流动规律,普遍认为:筒子纱的松式络筒密度不宜过大,否则会影响染液的穿透力,造成单个筒子纱内中外色差。而现在的应用表明,在低比流量条件下,由于有较高的染液循环系统压力(前面讲到的主泵扬程),并且染液泄漏很少,染液完全可以穿透密度较大的纱层。筒子纱络筒密度的提高,染液是从纱线的纤维之间穿过,并且纱线各点与染液可获得均等的接触(尤其是圆柱形两端最外圈部分),为整体筒子纱纤维提供了均匀上染的条件。因此,只要有设备性能的保证,纯棉筒子纱密度在 0.40 g/cm3以上可得到更好的匀染性。

在筒子纱染色中,单个筒子纱的纱层厚度通常不大于 50 mm(主要是考虑到染液的穿透能力),络筒密度也是有限制的,所以单个重量在1 kg左右。一般容量大的筒子染色机,筒子纱的数量也多,形成了很多筒管之间的接口,不仅增加了泄漏口,而且装卸纱的劳动强度高。如果是长丝类的筒子纱,单个重量为 1.2 kg,那么纱线接头增多,会给下游工序带来了一定的工作量。为此,现在已有向大筒子纱染色发展的趋势(单个重量达到 2 ～ 5 kg),通过增加长度(纱层厚度基本不变)来加大重量,减少泄漏口和纱线接头。这样有利于降低比流量和提高生产效率。当然,这对松式络筒机和染色机的性能有更高的要求。

5结语

上述筒子纱染色节能减排的一些功效,仅仅是从优化设计方面来考虑的。节能减排是一项涉及面较广而复杂的工作,尤其是有水染色过程,不断将取用的新鲜水(有限的资源)变成被污染的水,就注定了是个污染工艺。面对这种状况,只能一方面寻找其他加工途径(如超临界CO2染色),另一方面必须对目前的设备和工艺进行不断改进,求得能耗和污染的降低,并且对废水处理后的二次回用。

由此可见,筒子纱染色在没有彻底摆脱以水作为染色介质的工艺阶段,设备结构性能和染色工艺过程起着较大作用,只有将二者密切地结合起来,对每一个功能或者过程进行优化设计,找出具有节能减排的功效,才能够达到节能减排的最终目的。为此,一方面设备制造商要不断设计出具有节能减排功效的机器,另一方面需要使用者具有高度的节能减排意识和强烈的社会责任感,尽快淘汰那些能耗高污染大的工艺设备,积极采用先进的工艺技术装备。

参考文献(略)