印染定型中使用熔盐储能系统产生的环保蒸汽


汪琦, 张慧芬, 俞红啸, 汪育佑

(上海热油炉设计开发中心  上海  200042)


摘  要:讨论了热定型工艺参数与工艺条件,分析了熔盐储能系统在纺织行业中的应用,夜晚用电低谷时采用电加热熔盐储能,白天用电高峰时采用熔盐加热水产生“零碳”环保蒸汽,研究了熔盐蒸汽发生器的结构和安装以及自动保护装置。

关键词:热定型工艺; 电加热熔盐; 熔盐储能系统; 熔盐蒸汽发生器; 环保蒸汽


前 言

涤纶是一种热塑性纤维,在染色等一系列加工过程中,由于受到多次机械作用和多次拉伸,使织物原来的门幅和线圈几何形状有所变化,因而产生变形和收缩,甚至横直丝缕歪斜,严重影响产品的质量。热定型的目的主要是使涤纶织物在有张力状态下加热,织物在规定温度下焙烘,使纤维分子间的次价键和分子链段的热运动加剧,从而可使分子重新组合、排列,内应力相对稳定。

一、热定型工艺参数及控制

1.配方

热定型时的上料液配方,料液内各种化学药品的使用比例,从而导致了热定型后布面的手感、滑移、颜色等。

2.轧辊压力

热定型时上料的轧辊压力决定了布面所带料液的多少,对布面的手感、颜色有着重要的影响。

3.烘干温度

热定型时的烘干温度是影响定型质量的主要因素之一,特别是在树脂整理过程中,定型烘干温度对织物尺寸的稳定性,表面平整性都有较大的影响,做柔软整理时,烘温控制在布面干为宜,烘干温度不宜过高,否则会影响织物的手感。

4.超喂

超喂的大小直接影响织物的纬密,从而影响织物的缩水性能,同时为了兼顾织物生产时的张力,要求适当防止轧皱及纬斜。

定型拉幅的幅宽,决定织物定型后的幅宽,使热定型后的织物幅宽达到工艺要求,使织物经过预缩后的幅宽达到客户的要求。

二、热定型工艺条件

织物热定型通常是将织物保持一定的尺寸,在一定的温度、湿度条件下,加热一定时间后,再进行冷却的过程。所以,热定型的主要工艺条件不外乎温度、时间、张力、溶胀剂。

1.定型温度

定型温度是影响热定型质量最主要的因素。因为织物经过热定型后,原来存在的皱痕被消除的程度,表面平整性的提高,织物的尺寸热稳定性和其他服用性能,都与热定型温度的高低有着密切的关系。

2.定型时间

定型时间是热定型的另一个主要工艺条件。织物进入加热区域后,加热定型所需要的时间大约可分为以下几个部分:

①织物进入加热区域后,将织物表面加热到定型温度所需要的时间,或称为加热时间。

②织物表面达到定型温度后,使织物内外各部分的纤维,都具有相同的定型温度所需要的热渗透时间。

③织物达到定型温度以后,纤维内的分子,按照定型条件进行调整所需要的时间,故称为分子调整时间。

④织物出烘房,使织物的尺寸固定下来进行冷却所需要的时间,故称为冷却时间。

通常所指的定型时间,往往是指前三项所需要的时间,而不包括第四项(冷却时间)在内。如果把第一项(加热时间)看成为是一种预热作用,故热定型时间仅指第二项、第三项所需要的时间,即热渗透时间和分子调整所需要的时间。而关于加热时间和热渗透所需要的时间,决定于热源的性能、织物单位面积的重量,纤维的导热性和织物的含湿量等。

3.张力

热定型过程中织物所受到的张力对定型质量,包括织物的尺寸热稳定性、强力和断裂延伸度都有一定的影响。经向尺寸热稳定性随着定型时经向超喂的增大而提高,而纬向尺寸热稳定性则随着门幅拉伸程度的增大而降低。

定型后织物的平均单纱强力比未定型的略有提高,纬向的变化要比经向明显。定型后织物的断裂延伸度,纬向会随着伸幅程度的增大而降低,但经向则随着超喂的增大而变大。

因此,为了使织物获得良好的尺寸热稳定性和有利于提高织物的服用性能,热定型时经向应有适当超喂,纬向伸幅不应太高。为此要求前处理中不采用较大的经向张力,以免经向过度伸长、并迫使纬向发生较大收缩,以致最后需要进行较大的伸幅。

①分子链的再折叠数量随着热处理温度的提高而增多。

②张力阻碍分子链的再折叠。

③在温度很高时,张力阻碍分子链折叠的作用大大减小。

张力对纤维结构有较显著的影响,而纤维结构之间又有密切的关系,因此,在热定型过程中注意张力的控制是很重要的。

4.溶胀剂

水分有“松散”纤维结构、增强大分子链段流体式运动的作用。水分在热定型过程中的增塑作用,从而影响纤维的超分子结构和物理性能。

纬斜是面料生产工艺在高温定型的时候不稳定而造成的,例如棉布可以用手撕开,但是撕开的自然痕迹不是水平的,而是斜线形式,这就是纬斜比较明显了。一般布料有点纬斜问题不大,不会影响到正常使用,只有格子的面料,经向条子或纬向条子都不能出现纬斜,否则造成了生产裁剪的时候损耗会很大,甚至不能裁剪。

三、熔盐储能系统应用在印染行业

熔盐有很好的传热和蓄热储能特点,常用的熔盐是二元混合盐和三元混合盐[1]。二元混合盐组成为60%硝酸钠和40%硝酸钾;另一种常用的二元盐配比为40%硝酸钠和60%硝酸钾。二元盐凝固点为207℃,在常压条件下为液态,工作温度范围为290~600℃。二元盐的主要特点是稳定性好、不可燃、无爆炸危险、泄漏蒸汽无毒。液体条件下温度与压力无关,即气化温度点在600℃以上。

三元混合盐的组份为53%硝酸钾、40%亚硝酸钠和7%硝酸钠,三元盐的熔点温度为142℃,工作温度范围为149~580℃,气化温度点为680℃。三元盐具有不可燃、无爆炸危险、无毒的特点[2]。三元混合盐在455℃以下时不分解,温度为455~540℃时亚硝酸钠会缓慢分解为硝酸钠、氧化钠和氮气,若与空气接触还会产生亚硝酸钠的氧化反应,故三元盐在高温下应注意运行的安全性,当温度超过620℃时,三元盐的分解过程将会非常迅速,甚至会产生熔盐沸腾现象。

采用规模化绿色电力与熔盐储能技术产出的“零碳”中压蒸汽,利用熔盐储能系统,在电网用电底谷时段取电、转化为热能存储于熔盐贮罐内,在电网用电高峰时段熔盐贮罐内的高温熔盐对外供热或发电[3],从而实现了电网削峰填谷,并且为化纤印染行业转向低碳绿色发展提供了实践路径。年产50t/h绿色电力与熔盐储能项目投资约为2亿元,占地约10余亩,每年可发电3200万kw.h,年供给蒸汽量42万吨,每年可节约标准煤7.75万吨,减少CO2的排放约为14.5万吨。

目前采用环保蒸汽的热定型机每分钟可完成40米左右的布料整型,而采用天然气生产的热定型机每分钟的产能在35米左右,因此相比天然气加热,采用环保蒸汽后,一台热定型机每天每小时的用能源成本可以下降150元左右。除了使用能源成本优势外,环保蒸汽的温度、压力输出也更加稳定,可以让热定型机处于最佳参数工作状态,进一步提升生产效率。在产能拉满的情况下,该项目每小时可以供应50吨环保蒸汽,随着低碳产业园内用户企业数量的增加,环保蒸汽用能损耗就越小,未来有望进一步降耗提效。

热定型机的加热方式是采用热风,采用强力鼓风机将空气送至蒸汽散热器内进行加热,在经过热风管喷射至织物上下面。因织物带有一定的水分进入烘房;因此热定型机的前部比较潮湿的空气可以排除出烘房室外,而后部比较干燥的空气则可以继续使用。通常把织物表面达到的所需要定型温度前面经过的距离称为预热区,而把预热区后面的一直到加热区的这段距离称为定型区。

如果热定型温度过低,时间过短均会造成织物表面不平整、不挺括、门幅收缩等疵病,失去定型作用;但如果定型温度过高或时间过长,会造成织物发硬变脆,强力下降,弹性降低,并能使某些分散染料升华而产生色差,严重的甚至能使纤维熔融。通常会根据织物品种和要求、机械设备情况等,控制定型区的温度与湿度等工艺条件,涤纶织物的合适定型温度为180~210℃,定型时间一般在20~90秒,冷却温度为50℃左右。

织物离开定型区后,便要设法将织物保持在定型时的状态进行强制冷却。冷却方法采用向织物吹冷风或者使用织物通过冷却辊,一般要求织物的落布温度在50℃以下。否则,织物堆落入布箱或打成卷之后,不仅因为散热的作用使得织物发生收缩,而且还可能产生难以消除的皱痕。

四、夜晚用电低谷时采用电加热熔盐储能

新能源相关的清洁电力能源建设领域,包括电源工程、电网系统建设,未来将从煤电到“绿电+储能”的模式,主要包括可再生发电和电力综合利用领域,例如风力发电、光伏发电、光热发电等上游清洁能源替代,比如新能源友好并网的新一代电网、新型储能等。进行新能源类的电源工程建设,可以均衡的能源结构,提高非化石能源在一次能源消费中的比重,有助于进一步提升国家能源安全。

电加热熔盐是以电为能量源,将电能转化为热能[4]。电加热元件本身的结构、电加热元件的内部温度场分布情况,是电加热熔盐贮罐以及电加热元件本身的热效率重要因素,也关系到电加热元件本身的可靠性和安全性。电加热元件在整个充满熔盐的贮罐内应该分布均匀,电加热元件应该分成多组,电加热元件的投入或切除要求分组延时进行,每组电加热元件的功率越大,各组电加热元件之间投入或切除时间的间隔越长,以避免全功率一次投入和切除对电网造成较大的冲击。每组电加热元件投入和切除要求采用先投先切、后投后切的循环投入切除方式进行,使每组电加热元件使用时间大致相等,从而延长电加热元件的使用寿命。

电加热熔盐贮罐的总热负荷Q可用下式(1)计算:

Q = F?qcp    (kJ/h)          (1)

式中:F-电加热元件的总放热面积,m2 ;

qcp-放热面积总的平均热强度,kJ/h?m2或W/m2

qcp是指单位放热面积的每小时传递热量,qcp愈大则表示热通量愈大,相应的电加热元件的表面平均温度亦愈高,为了使熔融盐的液膜温度不超过设计值,首先应该考虑电加热元件的qcp数值。

熔盐储能可以做到快速、稳定、精准的充放电调节,能够为电网提供调峰、调频、备用、需求响应等多种服务,是构建弹性电力系统建设的重要一环,实现“电网+储能”的更友好互动。而随着熔盐储能项目逐步参与电力现货市场交易,未来除参与调峰调频等辅助服务进行营收外,还可以利用在低电价和高电价不同时段购电与放电以获得电量价差营收。解决电力烽谷价差大问题,减少用户侧电费成本,促进电力现货交易市场化更进一步发展。

熔盐储能一边连接了电力能源生产,一边连接了企业能源消费使用,覆盖了电力生产及调配的各个环节,实现了对传统电网系统服务升级和服务增值,为传统以“源网荷”为主体的产电/输电/用电系统提供了重要补充。在新能源占比率逐渐提高的电力系统中,起到了进一步优化电力系统资源配置的重要作用。

五、白天用电高峰时采用熔盐加热水产生“零碳”环保蒸汽

1.熔盐蒸汽发生器的结构

熔盐加热水产生蒸汽系统主要包括熔盐预热器、熔盐蒸汽发生器、熔盐过热器、熔盐贮罐、熔盐融化保温装置、熔盐输送管路预热保温装置、以及配套辅机和阀门、仪表电器控制系统、设备与管道系统等[5]。在预热器和过热器中熔盐均在壳程内流动,水和蒸汽在管程内流动;而在蒸汽发生器中熔盐在管程内流动,水和蒸汽在壳程内流动。熔盐蒸汽发生器采用带汽包的固定管板U型管式换热器,壳体材料为SA516Gr70钢,管子料材为20G;熔盐蒸汽发生器安装时应当高于熔盐贮罐,以便于当熔盐循环系统停止运行时能够放空排尽在熔盐蒸汽发器中的熔融盐。

U型管式单壳程的熔盐预热器将水加热到接近其饱和温度,再进入熔盐蒸汽发生器后,在熔融盐加热作用下,饱和状态的给水蒸发成为高品质的饱和蒸汽。随后饱和蒸汽进入到U型管式单壳程的熔盐过热器中,产生的过热蒸汽用于驱动汽轮机发电[6]。而高温的热熔融盐则提供了蒸汽生产系统所需要的热量,热熔融盐通过熔盐泵依次被送入过热器的壳侧、蒸汽发生器的管束、预热器的壳侧,熔融盐放出热量降低温度后再回流到熔盐贮罐内。

熔盐蒸汽发生器相当于一个管式换热器,常见的结构有管壳式、盘管式、套管式等几种类型,熔盐蒸汽发生器通过高温熔融盐来加热水并产生蒸汽。管式换热器的管程内流动的是高温熔融盐,壳程内为被加热水及蒸汽。壳程上的安全阀、压力表、水位计、给水阀、排污阀、主蒸汽阀等安全附件及阀门仪表根据《蒸汽锅炉安全技术监察规程》的规定进行设置。

2.熔盐蒸汽发生器的自动保护装置

熔盐蒸汽发生器在自动控制方面一般应该设置如下两个自动保护装置:

①熔融盐进口、出口压力差报警装置。该装置在出现了熔盐蒸汽发生器的管程内熔盐泄漏时发出报警,同时还自动切断熔融盐进口,并把熔盐切换至旁路管道内[7]

②熔盐蒸汽发生器的壳程上设置超压报警装置。壳程内蒸汽在超过压力时发出报警,同时还自动切断熔融盐进口,并把熔盐切换到旁路管道中。

3.熔盐蒸汽发生器的安装

熔盐蒸汽发生器的安装使用注意事项:

①熔盐蒸汽发生器的管程与其他用热设备应采用并联的方式连接,一方面可以降低整个熔盐循环系统的主循环回路内熔融盐流体的阻力,还可提高每个用热设备的各个使用热温度的稳定性。

②熔盐蒸汽发生器的壳程内水、蒸汽压力应该低于管程内熔融盐的压力。因为当发生管程泄漏时,如果大量的水、蒸汽进入高温熔盐循环系统中,则整个系统及设备的危险性非常大,反之则相对比较安全。

③熔盐蒸汽发生器的操作运行应按照蒸汽锅炉操作运行规程进行[8]

④熔盐蒸汽发生器的壳程内水质应符合《工业锅炉水质》标准的要求。

六、结束语

涤纶等合成纤维均属于热塑性纤维,在它们的大分子结构中亲水基团,纤维结构又紧密,吸湿性很低,湿润后纤维的膨胀程度小,在通常条件下的缩水现象并不显著。合成纤维织物尺寸和形态的稳定性主要是指织物在受热时,特别是在较高温度的条件下,发生收缩和变形。

这就降低了纤维的使用价值,因此织物要进行热定型加工。其加工原理是利用合成纤维的热塑性,将织物保持在一定的尺寸和形态,加热到所需要的定型温度,然后急速冷却,使受热后变化了微结构固定下来,从而使织物的尺寸和形态达到稳定。其本质上是由于纤维大分子链段的重排,从而消除内应力。

在定型时也不可忽视对织物的“张力”和“超喂”应相互配合的恰当。如果拉幅的幅宽超过织物所具有的门幅,将造成缩水率增大、强力下降等现象;如果“超喂”过大或“张力”大小不等则容易造成纬向波浪形(俗称“木耳边”),反之则会在织物的经向产生条纹。总之,在操作过程中要严格控制幅宽、张力、超喂等工艺条件。

针对电网削峰填谷、可再生能源并网等应用场景,发展大容量、长时间的熔融盐储能系统集成,属于能量型和容量型的热储能。熔盐储能系统使用后,弹性调度、能源电网负荷储能互动将成为可能。在风力发电、光伏发电、光热发电的发电高峰时段内,熔盐储能系统进行“充电”,消纳新能源电量,有效降低了光热发电的弃光率,而在无风、无光时,熔盐储能系统进行“放电”,支撑电力系统正常运行。

另外,在低碳产业园区内使用熔盐储能系统产出的环保蒸汽用于印染企业生产加工过程中,其核心在于其商业模式可以赢利且符合低碳环保的要求,熔盐储能通过容量租赁可以回收建设成本,并可参与电力现货市场,批发电价的峰谷价差套利;且还可以参与电力辅助服务市场,额定的调峰调频补偿,从而可以实现额外的收益。


参考文献:

[1]汪琦. 熔盐加热炉和熔盐加热系统的开发[J].化工装备技术,2000,21(2):40-43.

[2]汪琦,俞红啸,张慧芬.熔盐和导热油蓄热储能技术在光热发电中的应用研究[J].工业炉,2016,38(3):34-38,48.

[3]汪琦,俞红啸,张慧芬.太阳能光热发电中熔盐蓄热储能循环系统的设计开发[J].化工装备技术,2014,35(1):11-14.

[4]汪琦,张慧芬,俞红啸等.热载体蓄热储能技术在光热电站中的应用研究[J].上海节能,2020,No.8(第8期):866-871.

[5]汪琦,张慧芬,俞红啸等.熔盐塔式太阳能发电站与熔盐吸热器的研究[J].化工装备技术,2018,39(3):55-58.

[6]汪琦,张慧芬,俞红啸等.熔盐槽式光电发热电站与熔盐蓄热储能系统的研究[J].上海化工,2017,42(7):37-39.

[7]汪琦,俞红啸,张慧芬.太阳能光热熔盐发电技术的研究与开发[J].上海化工,2016,41(11):34-37.

[8]汪琦,张慧芬,俞红啸等.循环流化床电站锅炉在热定形机中的应用[J].染整技术,2022,44(11):50-53.


编辑概况:

汪琦,硕士,高级工程师,长期从事于热载体加热技术、新能源技术、节能减排技术、热油炉、热风炉、热水炉、熔盐炉、道生炉、联苯炉、焚烧炉、生物质气化炉的研究设计开发工作。

地  址:上海市长宁支路237弄1号504室 上海热油炉设计开发中心

手  机:13311629783    13817605032

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