聚酰胺聚合及紡絲一體化低碳技術(shù)研究

劉迪+李德和

摘要：為踐行節(jié)能低碳的國家發(fā)展戰(zhàn)略，北京三聯(lián)虹普公司開發(fā)了系列化的聚酰胺聚合及紡絲一體化技術(shù)，并實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。本文就該技術(shù)的原理、關(guān)鍵技術(shù)、工藝流程、減碳技術(shù)指標(biāo)及技術(shù)現(xiàn)狀等進(jìn)行了分析，并闡述了聚酰胺聚合中己內(nèi)酰胺回收利用技術(shù)和聚酰胺24頭高速紡高效減碳技術(shù)在行業(yè)中的推廣必要性。

關(guān)鍵詞：聚酰胺；一體化技術(shù)；低碳；聚合；紡絲

中圖分類號：TQ340.63；TQ340.64；TQ342+.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Research of Low-carbon Integration Technology of Polyamide Polymerization and Filament Spinning

Abstract： Low-carbon technology is more and more important in recent years. In order to implement the national low-carbon policy， Beijing Sanlian Hope Shin-Gosen Technical Service Co.，Ltd. explore a series of technologies including polyamide polymerization and filament spinning technologies， and all these technologies are used in industry production. This article introduces the principle， key technologies， process， low carbon technical index and operation status of the integration technology， and presents the importance of its promotion in chemical fiber industry.

Key words： polyamide； integration technology； low-carbon； polymerization； filament spinning

由于PA6纖維具有吸濕、彈性、耐磨及親膚等特性，是合成纖維中與棉花親膚性最為接近的品種之一，在棉花產(chǎn)量缺口日趨加大的嚴(yán)峻形勢下，大力發(fā)展PA6纖維對紡織原料的供給具有實際意義。然而化纖生產(chǎn)中，大量的電能消耗造成了能源的巨大浪費(fèi)，針對這一現(xiàn)狀，北京三聯(lián)虹普新合纖技術(shù)服務(wù)股份有限公司（以下簡稱“三聯(lián)虹普”）進(jìn)行了PA生產(chǎn)中減碳系列技術(shù)的整體攻關(guān)，開創(chuàng)了新一代己內(nèi)酰胺（CPL）回收利用及24頭聚酰胺高速紡絲全套技術(shù)，減碳量可達(dá)30%～40%。

1一體化技術(shù)的可行性

1.1PA聚合中CPL的回收利用技術(shù)

1.1.1技術(shù)原理

目前國內(nèi)已有小型CPL回收技術(shù)普遍存在回收率低、單耗高、低聚物無法回收、殘渣多等問題，為此，三聯(lián)虹普開發(fā)出以三效蒸發(fā)、齊聚物分離、解聚為一體的CPL單體全回收技術(shù)。

項目研究中，根據(jù)低聚物與水在物理特性上的差異，以串級三效蒸發(fā)為基礎(chǔ)，開發(fā)出高效的低聚物分離工藝。該工藝主要包括3個階段：（1）首先通過三效蒸發(fā)流程，將濃度為10%的萃取水濃縮至80%以上的濃度；（2）然后將其送入特殊設(shè)計的齊聚物分離和解聚反應(yīng)器，在合適工藝條件下，多聚體（如二聚體、三聚體等）、環(huán)聚體、齊聚物等低分子物發(fā)生解聚；（3）最后回收得到的CPL再送回聚合反應(yīng)器，以此實現(xiàn)循環(huán)利用，達(dá)到全回用的目的。

回收的CPL完全達(dá)到新鮮CPL品質(zhì)，保證了參加聚合反應(yīng)原料的質(zhì)量，實現(xiàn)了CPL單耗的大幅降低，每千克產(chǎn)品的CPL單耗由常規(guī)小聚合的1.040kg降至1.001kg。比如，對年產(chǎn)7萬t的生產(chǎn)線，該技術(shù)每年可節(jié)約新鮮CPL約2800t，顯著降低了原料成本，由于回收效率高，固體殘渣物的損失幾乎可以忽略不計，采用該工藝的綜合減碳量可達(dá)30%以上。

1.1.2關(guān)鍵技術(shù)及工藝流程

該項目CPL全回收利用技術(shù)中，首先將含CPL和低聚物濃度約10%的萃取水，泵送至回收工序?；厥展ば虬ㄈд舭l(fā)、濃縮液中間貯罐和齊聚物分離和解聚反應(yīng)器等。其中三效蒸發(fā)包括一效蒸發(fā)器組、二效蒸發(fā)器組和三效蒸發(fā)器組等多組套裝置。

由泵送來的萃取水溶液首先進(jìn)入第一效蒸發(fā)器組，第一效蒸發(fā)器組由一效蒸發(fā)塔、一效再沸器，循環(huán)泵等組成一個工作回路，第二和第三效蒸發(fā)器組類同。第一效蒸發(fā)器組所需加熱熱源由二效蒸發(fā)塔的蒸汽凝液提供，同理，二效蒸發(fā)器組所需加熱熱源由三效蒸發(fā)塔的高壓蒸汽凝液提供，三效蒸發(fā)器組的加熱熱源由廠區(qū)公用工程的高壓蒸汽提供。一效蒸發(fā)塔塔頂蒸出的水汽經(jīng)冷凝器冷凝后，與二效蒸發(fā)塔、三效蒸發(fā)塔頂?shù)乃淠簠R合后，經(jīng)冷凝回流總管回流到冷凝水收集罐中，該冷凝水將返回作萃取用水，從而在系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)水的閉路循環(huán)。這樣含低聚物的萃取水依次將進(jìn)入二效蒸發(fā)器組和三效蒸發(fā)器組進(jìn)行逐級濃縮，最終在第三效蒸發(fā)器組的出口低聚物含量將至少達(dá)到80%以上。

濃縮后的高濃度低聚物溶液將被送入濃縮液中間貯罐，然后按工藝要求泵入解聚反應(yīng)器中，進(jìn)行齊聚物高效分離過程。處理后達(dá)到工藝要求的CPL按比例與新鮮CPL混合后，再次進(jìn)入聚合系統(tǒng)，實現(xiàn)CPL的閉路循環(huán)。

1.1.3主要減碳技術(shù)指標(biāo)

CPL單耗：每生產(chǎn)1tPA6切片，傳統(tǒng)技術(shù)需消耗1040kg新鮮CPL，而該項目技術(shù)僅需1001kg新鮮CPL。該項目技術(shù)的CPL單耗比傳統(tǒng)技術(shù)降低了3.75%。

減碳方面：經(jīng)估算，每生產(chǎn)1tPA6切片，傳統(tǒng)技術(shù)的CO2排放量為63.75kg，而該項目為39.75kg，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，減少了37%的碳排放。

以單線年產(chǎn)7萬t的PA6聚合為例，可減少新鮮CPL消耗約2800t，減碳1680t，具有非?？捎^的成本效益，節(jié)能、循環(huán)經(jīng)濟(jì)特征顯著。具體如表1所示。

1.1.4技術(shù)現(xiàn)狀

該裝置及工藝技術(shù)自2009年推出至今，在國內(nèi)已得到廣泛應(yīng)用和推廣，主要用戶包括福建長樂、浙江蕭山、浙江桐鄉(xiāng)等大型PA切片生產(chǎn)企業(yè)。所有這些工程項目均一次開車成功，產(chǎn)品的各項性能指標(biāo)已與進(jìn)口切片水平相當(dāng)，產(chǎn)品投入市場后，在聚酰胺行業(yè)中得到廣泛使用，獲得一些高端客戶的認(rèn)可。

1.224頭高速紡PA6纖維的高效減碳技術(shù)

1.2.1技術(shù)原理

以新型紡絲箱體以及雙腔組件24頭紡絲、節(jié)能型計量泵驅(qū)動、電磁加熱、稀土保溫等技術(shù)手段形成的聚酰胺24頭高速高效紡絲技術(shù)，針對PA高速紡特點(diǎn)，以及單絲多、單絲細(xì)、單體揮發(fā)多、冷卻控制要求高、張力控制難等技術(shù)難點(diǎn)，實現(xiàn)了一個紡位24頭以及單臺組件同時噴出兩束真正獨(dú)立的絲束。據(jù)測算，該技術(shù)綜合節(jié)能減碳可達(dá)30%以上。

1.2.2關(guān)鍵技術(shù)及工藝流程

民用纖維級PA6干切片在氮?dú)獗Ｗo(hù)下依自重進(jìn)入專用螺桿擠壓機(jī)內(nèi)，經(jīng)過熔融、壓縮和計量后，形成的PA6熔體進(jìn)入熔體輸送及分配系統(tǒng)中，PA6熔體在等長熔體管道中由氣相熱媒進(jìn)行保溫，然后送入紡絲箱體內(nèi)，在紡絲計量泵精確計量后送往雙腔紡絲組件，每束熔體均獨(dú)立進(jìn)行分配，最后從雙腔紡絲組件底部的噴絲板噴出，形成熔體細(xì)流。在恒溫恒濕的側(cè)吹風(fēng)條件下，首先經(jīng)單體抽吸負(fù)壓抽走冷凝的單體后按工藝要求冷卻固化成形。根據(jù)工藝需要采用單向或雙向上油工藝后，進(jìn)入卷裝設(shè)備中卷裝成絲餅，最后得到紡絲加工所需的PA6纖維。

在整體工藝生產(chǎn)過程中，三聯(lián)虹普開發(fā)的PA6纖維雙腔組件技術(shù)，一個組件中有兩個獨(dú)立的腔體，各熔體之間互不干涉，實現(xiàn)了同一組件可紡出兩束完全獨(dú)立的絲束，有效解決了由于單紡位頭數(shù)過多造成紡絲位距過大、側(cè)吹風(fēng)裝配難以保證均勻冷卻的難題。與上一代單腔組件12頭紡生產(chǎn)線相比，其位距減少且節(jié)約空間達(dá)到35%，熱媒保溫系統(tǒng)節(jié)能近45%，側(cè)吹風(fēng)節(jié)能約30%，綜合節(jié)能減碳30%以上。

針對PA紡絲中熱能需求和消耗大的系統(tǒng)，三聯(lián)虹普將高頻電磁加熱技術(shù)成功應(yīng)用于PA6螺桿擠壓機(jī)系統(tǒng)中，形成了穩(wěn)定高效的螺桿加熱形式。針對PA6紡絲對紡絲溫度敏感、穩(wěn)定性要求高的難點(diǎn)，這種新式加熱技術(shù)從控制技術(shù)、工程化等方面很好地解決了高頻電磁加熱在PA6紡絲系統(tǒng)中的穩(wěn)定性、均勻性問題，確保了PA6生產(chǎn)線的長期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。這種新型加熱系統(tǒng)根據(jù)高頻感應(yīng)原理將高頻產(chǎn)生的磁力線直接作用于被加熱的套筒和螺桿，并在它們內(nèi)部產(chǎn)生渦流，使金屬原子自身直接發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生熱量使金屬熱度上升。由于高頻線圈不直接發(fā)熱，高頻線圈的自身溫度只是來源于電流通過芯部電纜自身產(chǎn)生的熱量，因而只略高于周圍的環(huán)境溫度，與傳統(tǒng)的電加熱套相比，高頻線圈的外表面溫度幾乎沒有熱量損失。從整體節(jié)能效果上比較，它比傳統(tǒng)的電加熱套方法節(jié)能30%以上，且螺桿溫度控制更精確穩(wěn)定，升溫速度快，平衡時間短，符合PA6紡絲精細(xì)化生產(chǎn)的要求。

另外，由于整個PA紡絲系統(tǒng)必須符合熔體輸送和分配的特點(diǎn)，輸送熔體的保溫條件——溫度的均勻性對PA紡絲而言非常關(guān)鍵，三聯(lián)虹普將高溫稀土保溫運(yùn)用于其中，很好地解決了這個問題，為高端PA6紡絲提供了更加可靠的技術(shù)保障。這種技術(shù)的特點(diǎn)是在紡絲熱媒管道保溫系統(tǒng)中采用稀土高效保溫技術(shù)，以精選的礦產(chǎn)保溫材料配以多種有機(jī)、無機(jī)及稀土添加劑復(fù)合而成新一代的保溫材料，它比傳統(tǒng)的硅酸鋁保溫節(jié)能效果更顯著，高溫管道和設(shè)備表面溫度降低10℃左右，有效地保證了輸送與分配系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性，降低了輸送系統(tǒng)的熱量損失。

1.2.3主要減碳技術(shù)指標(biāo)

CO2排放方面，每生產(chǎn)1tPA纖維，傳統(tǒng)技術(shù)需排放1350kgCO2，新一代技術(shù)僅需排放845kgCO2，減少了30%的碳排量。以年產(chǎn)10萬tPA纖維為例，采用新技術(shù)可實現(xiàn)減碳4050t，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。具體如表2所示。

1.2.4技術(shù)現(xiàn)狀

24頭高速紡PA6纖維高效節(jié)能技術(shù)于2014年11月在浙江某大型PA6企業(yè)成功實施工業(yè)化生產(chǎn)，實際產(chǎn)能為10萬t/a，迄今已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行7個月。該項目采用的單紡位24頭高效節(jié)能成套新型PA高速紡絲技術(shù)可在有限的廠房內(nèi)大幅提升產(chǎn)能，降低了綜合能耗，節(jié)約了廠房面積，降低了土建成本；成品優(yōu)等品率和染色性能均達(dá)到或超過常規(guī)產(chǎn)品的水平；與常規(guī)生產(chǎn)線相比，該生產(chǎn)線所需操作人員數(shù)量大幅減少，降低了人工成本，節(jié)能效果顯著。

2發(fā)展建議

中國作為世界最大的化纖生產(chǎn)國，在全行業(yè)推廣綠色環(huán)保技術(shù)勢在必行。如以上述兩項技術(shù)為基礎(chǔ)，2020年P(guān)A切片節(jié)能技術(shù)預(yù)計可推廣至80萬t產(chǎn)量，進(jìn)而實現(xiàn)當(dāng)年減碳1.92萬t。2020年聚酰胺24頭紡絲節(jié)能技術(shù)預(yù)計可新增30萬t產(chǎn)量，進(jìn)而實現(xiàn)當(dāng)年減碳12.15萬t。

作者簡介：劉迪，女，1961年生，教授級高工，研究方向為聚酰胺新材料的聚合及紡絲產(chǎn)業(yè)化。

作者單位：北京三聯(lián)虹普新合纖技術(shù)服務(wù)股份有限公司。

基金項目：國家科技支撐計劃課題基金（2013BAE01B00）。