聚酯直接紡絲熱媒蒸發(fā)器節(jié)能設(shè)計(jì)探討

許賢才

摘要：利用聚酯裝置的熱媒站送出的一次高溫液相熱媒，經(jīng)過管道輸送到達(dá)紡絲車間，與熱媒蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換產(chǎn)生氣相熱媒，為紡絲箱體和部分管道進(jìn)行加熱。本文探討了一次高溫液相熱媒通過熱交換后產(chǎn)生氣相熱媒為紡絲箱體加熱的方案，與傳統(tǒng)的電直接加熱熱媒蒸發(fā)器產(chǎn)生氣相熱媒為紡絲箱體加熱的方案進(jìn)行了節(jié)能降耗和運(yùn)行成本方面的比較。

關(guān)鍵詞：一次熱媒系統(tǒng)；熱媒蒸發(fā)器；初投資；運(yùn)行成本；節(jié)能

中圖分類號： TQ342+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Energy-saving Design of Heating Media Evaporator for Polyester Melt Direct Spinning

Abstract： In polyester direct spinning process， the primary high-temperature heating media from the heating media station of polyester plant is transported via pipes to spinning workshop and after heat exchange with the heating media evaporator， vapor-phase heating media is generated which is used for heating spin beam and some pipes. The article discussed a process for turning primary high-temperature liquid heating media into vapor-phase heating media through heat exchange and compared it with traditional process in which electrically heated heating media evaporator is used with respect to energy-saving and operation costs.

Key words： primary heating media system； heating media evaporator； initial investment； operation cost； energy-saving

化纖生產(chǎn)一直以來是一個能耗較高的行業(yè)。隨著國家節(jié)能減排政策的全面貫徹和提高企業(yè)自身競爭力的內(nèi)在要求，探討化纖廠的節(jié)能降耗顯得尤為重要。目前主要是通過產(chǎn)品細(xì)化與設(shè)備優(yōu)化、開發(fā)新產(chǎn)品與新技術(shù)、工程用量的統(tǒng)籌設(shè)計(jì)與能源的綜合利用等方面來實(shí)現(xiàn)化纖廠的節(jié)能降耗，并取得了顯著的成績。

在紡絲生產(chǎn)流程中，一般采用加熱低沸點(diǎn)的導(dǎo)熱油產(chǎn)生蒸汽，從而實(shí)現(xiàn)紡絲箱體的加熱保溫。本文對直紡工程中為導(dǎo)熱油氣化提供能源的兩種方式進(jìn)行了探討，從而選出節(jié)能、綜合成本低的方案，為直紡化纖廠節(jié)能降耗提供技術(shù)支持。

1 兩種熱媒蒸發(fā)器系統(tǒng)介紹

熱媒蒸發(fā)器的工作原理，如圖 1 所示，低沸點(diǎn)導(dǎo)熱油在熱媒蒸發(fā)器中通過與高溫?zé)嵩吹膿Q熱得到熱能，該過程在本文中簡稱為換熱過程，熱媒蒸發(fā)器中的導(dǎo)熱油受熱氣化，經(jīng)過管路分配，進(jìn)入紡絲箱體，釋放潛熱后變?yōu)闊崦侥毫骰責(zé)崦秸舭l(fā)器，熱媒凝液經(jīng)過加熱后再次蒸發(fā)，形成熱媒蒸汽，又進(jìn)入紡絲箱體，如此循環(huán)，維持紡絲箱體內(nèi)恒定的溫度。本文主要比較換熱過程的兩種方式，即電加熱換熱系統(tǒng)和一次高溫液相熱媒換熱系統(tǒng)。

1.1 電加熱熱媒蒸發(fā)器

該系統(tǒng)為傳統(tǒng)加熱方式，采用加熱棒插入導(dǎo)熱油中（圖 2），通過PLC將熱媒蒸發(fā)器出口的溫度傳感器與加熱棒的開停連鎖來控制溫度，此控制精度高，系統(tǒng)配置簡單，切片紡和直接紡都適用。

1.2 一次熱媒換熱蒸發(fā)器

以德國吉瑪公司和中國紡織工業(yè)設(shè)計(jì)院的聚酯工藝技術(shù)為代表，聚酯車間需要用高溫液相熱媒提供加熱能量，并要配套建設(shè)熱媒站，熱媒站最廣泛采用的導(dǎo)熱油為氫化三聯(lián)苯。熱媒站中320 ℃左右的一次高溫?zé)崦酵ㄟ^熱媒泵輸送到聚酯車間和紡絲車間。在紡絲車間，高溫液相熱媒進(jìn)入換熱器加熱低沸點(diǎn)的導(dǎo)熱油（通常是聯(lián)苯和聯(lián)苯醚的混合物），通過熱媒控制閥控制高溫液相熱媒的流量來保證氣相熱媒出口溫度控制在工藝需要的溫度范圍，典型配置見圖 3。由于是通過換熱器間接換熱，換熱器兩側(cè)的高溫?zé)崦胶偷蜏責(zé)崦蕉际仟?dú)立系統(tǒng)，工程適應(yīng)性非常好，控溫精度和電熱棒加熱系統(tǒng)一樣滿足工藝要求，此系統(tǒng)一經(jīng)推出就得到了廣泛的應(yīng)用。

為了便于對兩種熱媒系統(tǒng)的計(jì)算比較，需了解熱媒蒸發(fā)器的熱量平衡計(jì)算。由圖 1 熱媒蒸發(fā)器的工作原理可知，對熱媒蒸發(fā)器來說，不考慮熱媒蒸發(fā)器本身的熱量散失，換熱過程的總熱量等于紡絲保溫過程的總熱量，即

Qh = Qfs （1）

式中：Qh — 換熱過程總熱量（W）；Qfs — 紡絲保溫過程的總熱量（W）。

為便于研究，假設(shè)熔體溫度恒定無熱量損失，熱平衡方程如下：

Qfs = Q1 + Q2 （2）

式中：Q1 — 通過紡絲箱體保溫層壁面向周圍環(huán)境散失的熱量（W）；Q2 — 噴絲板板面向周圍環(huán)境散失的熱量（W）。

另有，通過設(shè)備壁面散失的熱量計(jì)算公式如下：

Qi = KSi（TW - TC） （3）

式中：i = 1，2；K — 傳熱系數(shù)（W/（m2？K））；Si — 設(shè)備外表面積（m2）；TW — 設(shè)備保溫層外表面溫度（K）；TC— 環(huán)境溫度（K）。

保溫層壁面向周圍環(huán)境散熱主要是以對流和輻射方式進(jìn)行的，當(dāng)缺少實(shí)驗(yàn)條件時，溫度在50 ～ 300 ℃范圍內(nèi)，聯(lián)合傳熱系數(shù)K可按下列經(jīng)驗(yàn)公式估算：

K = 9.3 + 0.058TW （4）

3 兩種熱媒系統(tǒng)初投資和運(yùn)行成本比較

為了量化計(jì)算，以年產(chǎn)20萬t的聚酯直接紡絲為例，配10條生產(chǎn)線，每線48個紡絲位，每12位為 1 個單元。采用？95的噴絲板，10頭，位距1 350 mm.

根據(jù)公式（1）、公式（2）及公式（3），以一個單元為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。保溫箱采用巖棉保溫，外表面溫度50 ℃，環(huán)境溫度35 ℃；聯(lián)合傳熱系數(shù)K = 28；每單元 4 個箱體，每個箱體尺寸4 200 mm × 680 mm × 780 mm，總表面積約52 m2，計(jì)算出Q1 = 21.8 kW。噴絲板表面溫度約280 ℃，環(huán)境溫度35 ℃；聯(lián)合傳熱系數(shù)K = 41.4；單個噴絲板面積7.85×10-3 m2，噴絲板的總表面積約 1 m2，計(jì)算出Q2 = 9.5 kW，故總Qfs = Q1 + Q2 = 31.3 kW，考慮到部分管道及蒸發(fā)器本體的散熱，取系數(shù)1.25，所以一臺蒸發(fā)器總散熱量約為39 kW。因此10條線紡絲40臺蒸發(fā)器所需要的總熱量大約為1 560 kW。

3.1 電加熱換熱系統(tǒng)

采用電加熱形式的熱媒系統(tǒng)，每線需配置80 kW熱媒蒸發(fā)器 4 臺，故40臺熱媒蒸發(fā)器就可滿足要求（圖 4）。

3.2 一次熱媒換熱系統(tǒng)（圖 5）

采用一次熱媒加熱的熱媒系統(tǒng)，根據(jù)換熱公式Q = mC（T1-T2） （5）m = ρV （6）

式中：Q — 傳熱量（kJ）；m — 質(zhì)量（kg）；ρ — 熱媒密度（kg/m3）；V — 熱媒體積（m3）；C — 熱媒比熱容（kJ/（kg？℃））；T1 — 熱媒進(jìn)口溫度（℃）；T2 — 熱媒出口溫度（℃）。

3.4 兩種熱媒系統(tǒng)運(yùn)行成本比較

對一次熱媒換熱系統(tǒng)，使用煤作為燃料，要提供1 560 kW的紡絲用熱量及712 kW管道損失熱量，按煙煤5 000 kcal/kg，煤爐效率為75%，需要煤的量約為0.519 3 t/h。以當(dāng)?shù)孛?00元/t計(jì)，則煤成本約為311元/h，具體的費(fèi)用見表2。

對于電加熱系統(tǒng)，要提供1 560 kW的總熱量，一年消耗的電量為1 247萬kW？h電，一年的總電費(fèi)為873萬元，具體的費(fèi)用見表 2。

由表 1 可見，使用一次熱媒換熱蒸發(fā)器初投資成本雖然比電加熱換熱蒸發(fā)器費(fèi)用高出42.6%，但絕對值僅僅相差145萬元；通過表 2 可見，一次熱媒換熱蒸發(fā)器運(yùn)行成本只有電加熱換熱蒸發(fā)器運(yùn)行費(fèi)用的46%。計(jì)算表明，使用一次熱媒換熱蒸發(fā)器比電加熱蒸發(fā)器的加熱系統(tǒng)能夠明顯降低運(yùn)行成本。

4 結(jié)束語

當(dāng)今社會，企業(yè)要生存，節(jié)能降耗永遠(yuǎn)是不變的話題。在聚酯直接紡絲中，通過技術(shù)升級，聚合裝置的一次熱媒系統(tǒng)完全能夠滿足紡絲對加熱的要求。對于紡絲系統(tǒng)的加熱，一次熱媒換熱蒸發(fā)器比電加熱蒸發(fā)器運(yùn)行成本能節(jié)省50%以上。在聚酯直接紡絲中，應(yīng)大力推薦使用此方案。對聚合裝置一次熱媒的充分利用，真正實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗、節(jié)約成本的宗旨。

參考文獻(xiàn)

[1] 周全忠，沈瑋.化纖廠節(jié)能降耗新方法[J].紡織信息周刊，2005，375（33）：16.

[2] 郭大生，王文科.聚酯纖維科學(xué)與工程[M].北京：中國紡織科學(xué)出版社，2001.

K = 9.3 + 0.058TW （4）

3 兩種熱媒系統(tǒng)初投資和運(yùn)行成本比較

為了量化計(jì)算，以年產(chǎn)20萬t的聚酯直接紡絲為例，配10條生產(chǎn)線，每線48個紡絲位，每12位為 1 個單元。采用？95的噴絲板，10頭，位距1 350 mm.

根據(jù)公式（1）、公式（2）及公式（3），以一個單元為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。保溫箱采用巖棉保溫，外表面溫度50 ℃，環(huán)境溫度35 ℃；聯(lián)合傳熱系數(shù)K = 28；每單元 4 個箱體，每個箱體尺寸4 200 mm × 680 mm × 780 mm，總表面積約52 m2，計(jì)算出Q1 = 21.8 kW。噴絲板表面溫度約280 ℃，環(huán)境溫度35 ℃；聯(lián)合傳熱系數(shù)K = 41.4；單個噴絲板面積7.85×10-3 m2，噴絲板的總表面積約 1 m2，計(jì)算出Q2 = 9.5 kW，故總Qfs = Q1 + Q2 = 31.3 kW，考慮到部分管道及蒸發(fā)器本體的散熱，取系數(shù)1.25，所以一臺蒸發(fā)器總散熱量約為39 kW。因此10條線紡絲40臺蒸發(fā)器所需要的總熱量大約為1 560 kW。

3.1 電加熱換熱系統(tǒng)

采用電加熱形式的熱媒系統(tǒng)，每線需配置80 kW熱媒蒸發(fā)器 4 臺，故40臺熱媒蒸發(fā)器就可滿足要求（圖 4）。

3.2 一次熱媒換熱系統(tǒng)（圖 5）

采用一次熱媒加熱的熱媒系統(tǒng)，根據(jù)換熱公式Q = mC（T1-T2） （5）m = ρV （6）

式中：Q — 傳熱量（kJ）；m — 質(zhì)量（kg）；ρ — 熱媒密度（kg/m3）；V — 熱媒體積（m3）；C — 熱媒比熱容（kJ/（kg？℃））；T1 — 熱媒進(jìn)口溫度（℃）；T2 — 熱媒出口溫度（℃）。

3.4 兩種熱媒系統(tǒng)運(yùn)行成本比較

對一次熱媒換熱系統(tǒng)，使用煤作為燃料，要提供1 560 kW的紡絲用熱量及712 kW管道損失熱量，按煙煤5 000 kcal/kg，煤爐效率為75%，需要煤的量約為0.519 3 t/h。以當(dāng)?shù)孛?00元/t計(jì)，則煤成本約為311元/h，具體的費(fèi)用見表2。

對于電加熱系統(tǒng)，要提供1 560 kW的總熱量，一年消耗的電量為1 247萬kW？h電，一年的總電費(fèi)為873萬元，具體的費(fèi)用見表 2。

由表 1 可見，使用一次熱媒換熱蒸發(fā)器初投資成本雖然比電加熱換熱蒸發(fā)器費(fèi)用高出42.6%，但絕對值僅僅相差145萬元；通過表 2 可見，一次熱媒換熱蒸發(fā)器運(yùn)行成本只有電加熱換熱蒸發(fā)器運(yùn)行費(fèi)用的46%。計(jì)算表明，使用一次熱媒換熱蒸發(fā)器比電加熱蒸發(fā)器的加熱系統(tǒng)能夠明顯降低運(yùn)行成本。

4 結(jié)束語

當(dāng)今社會，企業(yè)要生存，節(jié)能降耗永遠(yuǎn)是不變的話題。在聚酯直接紡絲中，通過技術(shù)升級，聚合裝置的一次熱媒系統(tǒng)完全能夠滿足紡絲對加熱的要求。對于紡絲系統(tǒng)的加熱，一次熱媒換熱蒸發(fā)器比電加熱蒸發(fā)器運(yùn)行成本能節(jié)省50%以上。在聚酯直接紡絲中，應(yīng)大力推薦使用此方案。對聚合裝置一次熱媒的充分利用，真正實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗、節(jié)約成本的宗旨。

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K = 9.3 + 0.058TW （4）

3 兩種熱媒系統(tǒng)初投資和運(yùn)行成本比較

為了量化計(jì)算，以年產(chǎn)20萬t的聚酯直接紡絲為例，配10條生產(chǎn)線，每線48個紡絲位，每12位為 1 個單元。采用？95的噴絲板，10頭，位距1 350 mm.

根據(jù)公式（1）、公式（2）及公式（3），以一個單元為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。保溫箱采用巖棉保溫，外表面溫度50 ℃，環(huán)境溫度35 ℃；聯(lián)合傳熱系數(shù)K = 28；每單元 4 個箱體，每個箱體尺寸4 200 mm × 680 mm × 780 mm，總表面積約52 m2，計(jì)算出Q1 = 21.8 kW。噴絲板表面溫度約280 ℃，環(huán)境溫度35 ℃；聯(lián)合傳熱系數(shù)K = 41.4；單個噴絲板面積7.85×10-3 m2，噴絲板的總表面積約 1 m2，計(jì)算出Q2 = 9.5 kW，故總Qfs = Q1 + Q2 = 31.3 kW，考慮到部分管道及蒸發(fā)器本體的散熱，取系數(shù)1.25，所以一臺蒸發(fā)器總散熱量約為39 kW。因此10條線紡絲40臺蒸發(fā)器所需要的總熱量大約為1 560 kW。

3.1 電加熱換熱系統(tǒng)

采用電加熱形式的熱媒系統(tǒng)，每線需配置80 kW熱媒蒸發(fā)器 4 臺，故40臺熱媒蒸發(fā)器就可滿足要求（圖 4）。

3.2 一次熱媒換熱系統(tǒng)（圖 5）

采用一次熱媒加熱的熱媒系統(tǒng)，根據(jù)換熱公式Q = mC（T1-T2） （5）m = ρV （6）

式中：Q — 傳熱量（kJ）；m — 質(zhì)量（kg）；ρ — 熱媒密度（kg/m3）；V — 熱媒體積（m3）；C — 熱媒比熱容（kJ/（kg？℃））；T1 — 熱媒進(jìn)口溫度（℃）；T2 — 熱媒出口溫度（℃）。

3.4 兩種熱媒系統(tǒng)運(yùn)行成本比較

對一次熱媒換熱系統(tǒng)，使用煤作為燃料，要提供1 560 kW的紡絲用熱量及712 kW管道損失熱量，按煙煤5 000 kcal/kg，煤爐效率為75%，需要煤的量約為0.519 3 t/h。以當(dāng)?shù)孛?00元/t計(jì)，則煤成本約為311元/h，具體的費(fèi)用見表2。

對于電加熱系統(tǒng)，要提供1 560 kW的總熱量，一年消耗的電量為1 247萬kW？h電，一年的總電費(fèi)為873萬元，具體的費(fèi)用見表 2。

由表 1 可見，使用一次熱媒換熱蒸發(fā)器初投資成本雖然比電加熱換熱蒸發(fā)器費(fèi)用高出42.6%，但絕對值僅僅相差145萬元；通過表 2 可見，一次熱媒換熱蒸發(fā)器運(yùn)行成本只有電加熱換熱蒸發(fā)器運(yùn)行費(fèi)用的46%。計(jì)算表明，使用一次熱媒換熱蒸發(fā)器比電加熱蒸發(fā)器的加熱系統(tǒng)能夠明顯降低運(yùn)行成本。

4 結(jié)束語

當(dāng)今社會，企業(yè)要生存，節(jié)能降耗永遠(yuǎn)是不變的話題。在聚酯直接紡絲中，通過技術(shù)升級，聚合裝置的一次熱媒系統(tǒng)完全能夠滿足紡絲對加熱的要求。對于紡絲系統(tǒng)的加熱，一次熱媒換熱蒸發(fā)器比電加熱蒸發(fā)器運(yùn)行成本能節(jié)省50%以上。在聚酯直接紡絲中，應(yīng)大力推薦使用此方案。對聚合裝置一次熱媒的充分利用，真正實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗、節(jié)約成本的宗旨。

參考文獻(xiàn)

[1] 周全忠，沈瑋.化纖廠節(jié)能降耗新方法[J].紡織信息周刊，2005，375（33）：16.

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