染整清潔環保加熱烘干定型的綠色生產方式

汪琦，張慧芬，俞紅嘯，汪育佑

（上海熱油爐設計開發中心  上海  200042）

摘  要：討論了清潔能源在紡織印染熱定型機中的供熱方式，包括天然氣直燃式熱風爐供熱方式、天然氣導熱油爐供熱方式、熱電廠中壓中溫蒸汽供熱方式，分析了天然氣直燃式熱風爐的結構特性與操作方法，研究了天然氣導熱油爐的結構型式及在印染熱定型機中的應用方法，探討了熱電廠集中供熱的中壓中溫蒸汽在熱定型機中的使用方式，最后論述了在紡織印染行業中采用的太陽能供熱水系統。

關鍵詞：熱定型機；天然氣；中壓中溫蒸汽；熱風爐；導熱油爐；太陽能

前  言

染整定型時的烘干溫度是影響定型質量的主要因素之一，特別是在熱可塑性纖維定型胚布和樹脂整理過程中，定型烘干溫度對織物尺寸的穩定性與表面平整性都有較大的影響，做柔軟整理時，烘干溫度控制在布面干為宜，烘干溫度不宜過高，否則會影響織物的手感。

所以，烘干溫度是影響熱定型質量的最主要因素，因為織物經過熱定型之后，原來存在的皺痕被消除的程度、表面平整性的提高、織物的尺寸熱穩定性、其他舒適服用性能，都與熱定型溫度的高低有著密切的關系。滌綸是一種熱塑性纖維，在染色等一系列加工過程中，由于受到多次機械作用和多次拉伸，使織物原來的門幅和線圈幾何形狀有所變化，因而產生變形和收縮，甚至橫直絲縷歪斜，嚴重影響產品的質量。

因此，熱定型目的主要是使滌綸針織物在有張力狀態下加熱，織物在規定溫度下焙烘，使纖維分子間的次價鍵和分子鏈段的熱運動加劇，從而可使分子重新組合與排列，內應力相對穩定。

印染是提高紡織附加值的關鍵環節，是紡織行業轉型升級的重點。熱定型機是紡織印染后整理的關鍵設備，熱風拉幅定型機由預熱區、定型區、冷卻區三個部分構成。印染行業加工每1噸針織布，約需耗煤1.5噸，其中熱定型機占40%，而熱定型機工作中織物消耗的熱能僅占29%，機體熱能的消耗占10%，廢氣排放散發的熱能達到61%。

從2021年初以來，“碳達峰”、“碳中和”成為紡織行業的熱點，在紡織行業“十四五”發展綱要中，不僅明確提出我國紡織工業要成為世界紡織科技的主要驅動者、全球時尚的重要引領者、可持續發展的有力推進者，更將“紡織綠色制造”列為發展重點工程。重點實施能源綠色低碳轉型行動、節能減排行動、降低碳排放的增效行動，大力實施可再生能源替代，因地制宜采用生物質能清潔供熱方式，加快提高天然氣應用比重，積極推廣集中供汽供熱方式。

目前紡織印染熱定型機采用的清潔環保供熱方式有：天然氣直燃式熱風爐供熱方式、燃天然氣導熱油爐供熱方式、熱電廠中壓中溫蒸汽供熱方式等幾種常用方法^[1]。

1．天然氣直燃式熱風爐供熱

天然氣是從自然界直接收集和開采得到的，不需要經過再加工，即可投入使用的氣體燃料。氣田天然氣是儲集在地下巖石孔隙和裂縫中的純氣藏，氣田天然氣的主要成份是甲烷，體積分數大于90%；另外，還含有少量的乙烷、丙烷、丁烷和非烴氣體。因此，氣田天然氣有較高的熱值，標態下低位熱值約為35000～39000KJ/m³。油田天然氣是與原油共存的，或是石油開采過程中壓力降低析出的氣體燃料，油田天然氣的主要成份是甲烷，體積分數為80%左右；另外，還含有一些其他烴類，標態下低位熱值約為39000～44000KJ/m³，一般要高于氣田天然氣。

天然氣在燃燒過程中容易與空氣充分混合，使用最少的空氣就可以保證穩定燃燒，從而減少了排煙熱損失，提高了直燃式熱風爐的熱效率。并且由于天然氣在燃燒過程中與氧氣的混合及時充分，從而提高了混合氣體的燃燒速度，減少了燃燒室的空間尺寸；另外，天然氣中含有的灰分和硫分很少，故燃燒時不會出現高溫結渣和腐蝕現象。

天然氣直燃式熱風爐采用高速交叉回流旋卷的工作原理，爐體由燃燒室、保溫層、爐殼體等組合構成^[2]。燃燒室采用扇形耐火磚、耐熱層和保溫層砌筑而成，在尾部匯流成混合段。燃燒器選用低氮燃天然氣型，熱風溫度可以根據印染定型的工藝條件進行設定，升溫速度快、溫控精度高，可以滿足熱定型機的供熱需要。

天然氣燃燒時有一定的速度，當天然氣在空氣中的濃度處于燃燒極限濃度范圍內，而且天然氣在燃燒器出口的流速低于燃燒速度時，火焰就會向天然氣來源的方向傳播而產生回火。爐膛溫度越高，火焰傳播速度越快，越易產生回火?；鼗饘龘p燃燒器，嚴重時還會在燃氣管道內發生燃氣爆炸。

反之，若天然氣在燃燒器出口的流速高于燃燒速度時，會使著火點遠離燃燒器而產生脫火。低負荷運行時爐膛溫度偏低，更易產生脫火。脫火將會使燃燒不穩定，嚴重時可能會導致單只燃燒器或爐膛熄火。

天然氣的速度是由天然氣壓力轉換來的。如果天然氣管道壓力突然變化，或者調壓站的調壓閥、熱風爐天然氣調節閥的特性不佳，使得進入熱風爐的天然氣壓力忽高忽低，以及風量調節不當等因素，都可能造成燃燒器出口氣流的不穩定，引起回火或脫火。

防止出現回火及脫火主要應該控制天然氣的壓力，保持在規定的數值范圍內。為了預防回火可能產生的事故，在天然氣管道上應安裝設有阻火器（回火器）裝置。當天然氣的壓力過低而未能及時發現后，阻火器可使火焰自動熄滅，從而保證燃燒器和熱風爐的安全。

當發生回火或脫火的故障時，應迅速查明原因，并及時處理，首先應檢查天然氣壓力是否正常。若壓力過低，應對整個天然氣管道進行檢查。若是熱風爐的天然氣管道壓力降低了，則應先檢查調壓站的進氣壓力，如果是進氣壓力降低了，應該聯系供氣站提高供氣壓力。若是進氣壓力正常，則應檢查調壓閥是否有故障，并進行故障排除，同時可切換投入備用調壓閥，并開啟旁通閥。

若采取上述措施仍然沒有效果時，則應檢查整個天然氣管道中是否有泄漏現象，應該關閉的閥門（如排空閥）是否有未關好等情況，并應設法消除及糾正。若僅是熱風爐前的天然氣管道壓力降低了，則應檢查該段管道上的各閥門是否正常，開度是否合適，是否出現了泄漏現象，并應及時排除和糾正故障。

反之，若天然氣壓力過高，應該分段檢查整個天然氣管道上的各調節閥門是否正常，其次檢查各燃燒器的風門開度是否合適，最后檢查風道上的總風壓和各燃燒器前的風壓是否偏高等情況，并進行相應的調整和改善。

天然氣直燃式熱風爐的燃燒方法簡單，容易實現自動化與智能化，開車點火和停爐操作簡單，并可實現冷爐點火，過量空氣系數可以接近1.0，排煙熱損失小，無灰渣產生，有害氣體的排放量也較小，故有利于保護環境。應用天然氣直燃式熱風爐供熱印染定型機的能耗很低，這是因為天然氣直燃式熱風爐供熱定型機時，熱能沒有經過多次熱交換的過程，所以熱能利用效率最高^[3]。筆者設計開發的燃燒天然氣直接式熱風爐的主要性能參數如表1所示。

熱定型機采用天然氣燃燒供熱方式的優點是：天然氣可以在熱定型機烘箱內燃燒加熱，在熱定型機的每節烘箱內可以配置一個燃燒器接口，并安裝一臺天然氣燃燒器，加熱染整熱定型機各節烘箱內的空氣溫度可達到200℃左右，從而用于維持熱定型機各節烘箱內所要求的熱定型溫度。每節烘箱內的熱空氣溫度是通過控制天然氣流量大小來達到，并且每個燃燒器管道上安裝一個燃氣流量計來控制每節烘箱上燃燒器輸入的天然氣流量大小。

另外，熱定型機安裝了兩臺排風機，從而可形成負壓進風方式。因為天然氣在燃燒過程中釋放的粉塵和SO₂的數量較少，所以熱定型機排放的廢氣中含硫量較低，產生的尾氣可以不進行脫硫處理而直接排放；但是由于天然氣在熱定型機內燃燒，產生的尾氣溫度較高，具有較高回收利用價值，因此熱定型機排出的熱廢氣需要安裝余熱回收利用裝置，從而達到節能減排的效果。

2．天然氣導熱油爐供熱

由于天然氣便于輸送，并且天然氣導熱油爐的燃燒容易調節及控制，大氣污染物的排放量相對于煤炭燃料更容易達到環保的要求；所以，天然氣導熱油爐目前在印染熱定型機中使用所占的比例也越來越高；同時由于天然氣直燃式熱風爐供熱定型機時，對漂白產品質量會有影響，所以為了保證漂白產品的質量要求，一般會采用天然氣導熱油爐供熱印染定型機。

天然氣導熱油爐本體結構通常采用圓形盤管結構，并且在盤管圈與盤管圈為并聯布置的情況下，使用立式結構的天然氣導熱油爐，在運行使用過程中，由于導熱油是在盤管中螺旋上升，故有利于氣體排氣；而在停爐檢修時，圓形盤管內導熱油可以自由流動，便于盤管內導熱油的排空。

立式天然氣導熱油爐的燃燒器采用爐頂布置結構形式，天然氣通過燃燒噴嘴在內圈盤管中的燃燒室內部向下噴燃，高溫煙氣在燃燒室的底部順流進入內圈盤管與中圈盤管之間的第二回程煙氣通道，并從上部折向外圈盤管與中圈盤管之間構成的第三回程煙氣通道；最后煙氣從爐體下部的出煙口排出。

三圈盤管是通過上、下集箱管并聯連接，導熱油是從下部的集箱管進入爐體內，并從上部的集箱管引出爐體外，因此，這種爐體結構是便利于氣體排氣和導熱油排空^[4]。

立式結構的天然氣導熱油爐各部分構件的重量一般是通過支撐件的支撐于爐體底座上，由于爐體燃燒室下部煙氣出口處的煙溫較高，故采用內圈盤管的支撐元件必須具有耐高溫的性能。因此在一些結構設計上通常在內圈盤管下部把管間節距拉開，來形成燃燒室的出煙窗，并使內圈盤管延伸至底部，直接支撐于底座上。也有通過底座上部的內圈盤管與中圈盤管之間設置固定支撐裝置，使內圈盤管支撐在中圈盤管上，重量由中圈盤管傳至底座上，這種支撐方式就使得固定支撐裝置處于煙氣低溫區域，從而降低了固定支撐裝置的耐溫要求^[5]。

在自動控制設計開發時，天然氣導熱油爐通常采用可編程控制器與觸摸屏、組態監控系統的智能化控制檢測系統，從而具有了完善的安全保護措施；同時要嚴格按照點火程序自動點火、以及進行天然氣燃燒的測控，并且采用PID調節導熱油出口溫度等多項功能。而智能化控制檢測系統包括熄火快速切斷天然氣控制、導熱油循環泵閉鎖控制、導熱油爐出口油溫調節和風機調速系統、高位膨脹槽內導熱油液位檢測控制系統等多個組成部分^[6]。

在印染生產工藝的中、后整理過程中需要進行導熱油加熱，尤其是熱定型機需要提供高達180℃～250℃定型溫度，用于化纖織造物定型工藝要求，因此采用天然氣導熱油爐進行循環供熱，完全可以滿足各類印染定型工藝所需。在天然氣導熱油爐的生產使用操作過程中，可根據導熱油爐出口油溫自動調節天然氣的流量及鼓風量，從而可以調節出口導熱油溫度達到印染生產工藝的要求。

而如果一旦發生了熄火現象，可以迅速切斷天然氣，從而保證了天然氣導熱油爐與印染熱定型生產線的安全性和可靠性，并且保證導熱油循環供熱系統在熱定型機中應用達到了最優化的控制^[7]。

天然氣導熱油爐智能化控制檢測系統可隨時將導熱油循環供熱系統中的熱油爐與每一個用熱設備的運行、停止、異常、測控參數、火焰點燃以及天然氣燃燒等情況顯示在電腦觸摸屏上，同時也可以進行遠程傳送，以備遠程監視和控制^[8]。筆者設計開發的燃燒天然氣臥式導熱油爐的主要性能參數如表2所示。

3．熱電廠中壓中溫蒸汽供熱

采用熱電廠集中供熱的方式直接供給中壓2.5～2.8MPa過熱蒸汽的溫度為260℃，可以滿足定型工藝溫度150℃～220℃區間要求，而在低壓0.5～0.8MPa時飽和蒸汽溫度較低，一般小于150℃烘燥溫度，故只能對棉布熱定型。而化纖織物定型溫度至少要達到180℃以上的烘燥溫度，對應的蒸汽飽和壓力為1.6MPa以上；氨綸等織物則需要220℃烘燥溫度，對應的蒸汽飽和壓力為2.6MPa以上，故需要利用其汽化潛熱來定型化纖織物。

因此，采用過熱蒸汽直接在定型機中進行熱交換，對織物進行加熱定型是安全可靠、且熱效率較高的方法，使用完后的蒸汽排放可通過集中整治的方式進行，故能很好地控制環境污染，綜上所述采用熱電廠中壓中溫蒸汽供熱定型機是一種比較好的節能減排方法^[1]。

以下是熱電廠中壓中溫蒸汽供熱定型機的能耗成本計算比較，如果按照中壓中溫過熱蒸汽價格為212元/噸，按照導熱油爐熱效率70%、導熱油傳輸熱效率95%，熱電廠蒸汽鍋爐熱效率88%、蒸汽傳輸熱效率90%測算，在以下三種情況下的能耗計算成本為：

3.1 蒸汽定型后的高溫凝結水全部回收利用

蒸汽定型后的高溫凝結水全部回收利用的情況下，即中壓中溫凝結水可通過凝結水回收裝置轉換成低壓蒸汽和100℃的凝結水加以回收利用，則中壓中溫蒸汽定型成本相比導熱油定型成本要低13.7%、節能29.42%。

3.2 蒸汽定型后的低壓蒸汽回收利用

蒸汽定型后的低壓蒸汽回收利用、100℃的凝結水熱量不回收利用的情況下，則中壓中溫蒸汽定型成本相比導熱油定型成本要低3.96%、節能18.24%。

3.3 蒸汽定型后的中壓中溫凝結水全部不回收利用

蒸汽定型后的中壓中溫凝結水全部不回收利用的情況下，則中壓中溫蒸汽定型成本比導熱油定型成本需要增加能耗7.7%、成本上升16.76%。

所以嗎，從100℃的凝結水回收利用的計算結果分析可知，印染企業通過安裝凝結水回收裝置后可以回收利用全部閃蒸汽、100℃凝結水的水量也可以全部回收利用，則中壓中溫蒸汽定型后的余熱可以全部或部分回收利用。

4．太陽能供熱水系統

4.1 印染使用的太陽能供熱水系統

在紡織印染行業中，采用的太陽能供熱水系統^[9]主要是由以下四個部分組成：

（1）太陽能集熱器

太陽能集熱器是吸收太陽光能，并把光能轉化為熱能的裝置，從而可以把冷水加熱成為熱水。

（2）熱水池

熱水池是用來儲存已經被太陽能集熱器加熱之后、并且溫度已經達標的熱水。

（3）余熱回收裝置

余熱回收裝置是用來吸收印染廢水中的余熱，從而使冷水升溫變為熱水的節能裝置。

（4）供水管道系統

4.2 太陽能供熱水系統的工作原理

晴天的時候，當太陽光把太陽能集熱器內的冷水加熱至溫度60℃（此溫度是可以進行標定設置）時，冷水管道上的電磁閥門會自動打開，冷水會被自來水的壓力壓入太陽能集熱板內，并把集熱板內已經被加熱好的熱水擠壓到熱水池中儲存待用，當冷水到達集熱板出口處的溫度探測器位置時，如果溫度探測器的溫度顯示低于60℃時，電磁閥門就會立刻關閉，冷水則會停留在太陽能集熱板內被太陽光能繼續加熱，1～3分鐘以后，水溫又會達到60℃，這時電磁閥門會再次打開，太陽能集熱板內的熱水會被擠壓進入到熱水池中，按照此規律不斷的運行，太陽能集熱器就會一次又一次產生熱水進入到熱水池中，這樣熱水池內的熱水就會逐漸增加，一直到熱水池內的熱水裝滿為止。

熱水池內的熱水裝滿之后，太陽能集熱器就會停止進入冷水，如果這時候天空之中還有太陽光，那么為了充分利用太陽能，循環熱水泵就會自動開啟運轉，把熱水池內的溫度為60℃的熱水抽取出來，并擠壓進入太陽能集熱器內，這樣經過太陽能集熱器的不斷循環加熱，就可以使熱水的溫度進一步升高。

在印染過程中使用熱水時，熱水會從熱水池中被抽取出來進入到染洗設備內，同時冷水管道和蒸汽管道也會向染洗設備內分別輸入冷水和蒸汽，以此用來調節染洗設備內的水溫。而經過染洗設備的染洗之后熱水就會變成為印染廢水，但是印染廢水的內部還是會具有較高溫度和熱能；所以為了充分利用印染廢水中的熱能，印染廢水將會通過污水管道輸入到平板式熱交換器內，這樣通過熱交換器就可以回收印染廢水中的熱能，把干凈的冷水加熱變成為干凈的熱水，而被加熱后的干凈熱水則會被輸入到熱水池中儲存。同時降溫之后的印染廢水則會通過排水管道排出，并進入到污水處理裝置內進行環保處理。

5．結語

隨著國家環境保護稅法從2018年1月1日起開始執行，根據該項法律，應稅大氣污染物的稅額幅度為每污染當量1.2元至12元，水污染物的稅額幅度為每污染當量1.4元至14元。具體稅額是由各地在法定稅額幅度內確定，環境保護稅的稅額標準相對較高的地方有：北京、上海、天津、河北、山東等地。因此綠色環保是推動印染行業高質量發展的理念引領，節能減排是實現印染行業可持續發展的關鍵力度；所以，清潔能源天然氣或熱電廠中壓中溫蒸汽在印染熱定型機中的應用，可以加快提升綠色創新能力，促進節能減排在印染行業中推廣及應用。

印染熱定型工藝流程是根據不同的織物、添加不同的化工助劑、加熱到織物定型所需的溫度，并將織物適當拉伸，達到工藝要求所需的尺寸、密度、克重，從而使得織物具有較好的穩定形態和品質。

熱定型機在對錦綸胚布進行定型整理的過程中，應當將定型溫度保持在160℃～180℃之間，定型速度應當控制在每分鐘20～25米之間；熱定型機在對滌綸布進行定型整理的過程中，一般是將定型溫度控制在170℃～200℃之間，定型速度應當保持在每分鐘20～28米之間。熱定型機加工棉制品的廢氣排放溫度一般為100℃～110℃，加工化纖制品的廢氣排放溫度一般為160℃～170℃，故熱能浪費十分嚴重。

所以，印染行業中能耗和水耗的降低、污染治理與達標排放、清潔環保的供熱方法使用，應該是保護環境的關鍵措施，而在紡織行業使用的太陽能供熱水系統是一種降低印染行業中能耗和水耗的綠色環保方法。

印染行業的發展方向是按照循環經濟的發展模式，實施能源綠色低碳轉型行動，推廣綠色清潔生產方式，采用節能減排技術，加快推進天然氣與生物質能清潔供熱技術裝備更新，保證生態環境和諧共存、協調發展。目前在紡織印染熱定型機中采用的清潔環保供熱方法是：天然氣直燃式熱風爐供熱、天然氣導熱油爐供熱、熱電廠中壓中溫蒸汽供熱等工藝技術成熟、經濟性實用性較好的幾種常用方法。

參考文獻：

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[3]汪琦,張慧芬,俞紅嘯等.天然氣熱風爐與燃燒器在熱定形機中的應用[J].染整技術,2021,43(1):53-57.

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[8]汪琦,俞紅嘯,張慧芬等.提高導熱油爐熱效率方法探討[J].染整技術,2018,40(3):31-35.

[9]汪琦,張慧芬,俞紅嘯等.太陽能光熱供水節能減排系統的研究[J].上海節能,2019,No.12(第12期):980-984.

作者簡介：

汪琦，碩士，高級工程師，長期從事熱載體加熱技術、新能源技術、節能減排技術、熱油爐、熱風爐、熱水爐、熔鹽爐、道生爐、聯苯爐、焚燒爐、生物質氣化爐的設計研究開發工作。

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