水刺非織造布行業能耗分析及節能措施

趙杰

（上海紡織建筑設計研究院有限公司，上海 200042）

0 前言

根據《“十四五”節能減排綜合工作方案》，到“十四五”末，全國單位GDP能源消耗將比2020年下降13.5%。合理控制能源消費總量，健全節能減排政策機制，使得重點領域的能源利用效率和主要污染物排放控制水平基本達到國際先進水平，經濟社會發展綠色轉型取得顯著成效。紡織工業是我國傳統支柱產業，同時也是能源消耗占比較大的行業，紡織行業節能減排形勢嚴峻、任務艱巨。

1 水刺非織造布行業能耗分析

非織造技術突破傳統的紡織原理，融合了紡織、塑料、化工和造紙等多種工業技術，充分利用現代物理學、化學和新材料等學科的有關知識，是諸多工業技術相互滲透結合的一門綜合學科。近年來，以針刺、紡黏、水刺工藝為代表的非織造布工業發展迅速，其中水刺法工藝是增長速度最快的非織造技術之一，但水刺非織造行業也是一個高能耗行業。

水刺非織造布工藝主要包括纖維準備、梳理成網、水刺纏結加固、脫脂漂白、烘干，以及卷取分切階段。根據近年來所參與的水刺非織造布項目，對水刺非織造布工藝用能情況進行了統計分析。在水刺非織造布生產過程中，水刺纏結加固階段的能耗占整個產線用能的40%左右，烘干階段的能耗占整個產線用能的45%左右。這兩個階段的用能比例與杭州蕭山航民非織造布有限公司朱立剛探索水刺法非織造布節能新思路中水刺能耗基本一致[1]。因此，水刺纏結加固和烘干階段工藝及設備的選擇以及生產運行管理是水刺非織造布生產過程中節能降耗需要關注的重點。

除生產系統用能外，輔助系統用能也是水刺非織造布行業能源消耗不容忽視的部分。水刺非織造布行業對車間溫濕度和潔凈度等有一定的要求。為了維持廠房必須的室內環境，空調系統、新風系統和除塵系統等需要常年運行。因此，在設備選型時，應注重設備的能效等級，在滿足生產需要的同時選擇高效節能設備，以減少電力消耗。同時，注重建筑保溫、隔熱、采光和通風等方面的設計，可降低電力成本，進而減少企業的生產成本，提高企業的市場競爭力。

2 水刺非織造布行業節能技術

水刺非織造布產品具有很大的市場潛力，有很廣闊的市場空間，采取有效措施，建設節能型非織造布工程，是促進非織造布行業持續健康發展的關鍵。工程設計階段，對總平面布置、建筑設計、圍護結構設計、工藝及設備的選擇及輔助工程設計方面，在符合GB 50514—2020《非織造布工程設計規范》要求的基礎上，要從節能設計的角度出發，避免設計出現方案不合理、設計缺陷等一系列問題，在保證產品質量的基礎上，實現節能降耗。

2.1 總平面布置節能

在總平面布置上，要充分考慮生產工藝流程和運行管理便捷，合理設定生產用房、辦公用房和公用工程用房等位置，緊湊合理布局，縮短運距，節約用地。廠區道路的設計，在滿足生產、生活條件的前提下，合理組織物流，避免人流和物流交叉，做到經濟合理分流?？偲矫娌贾靡紤]與周邊設施的銜接及周邊環境的影響，統籌安排，功能分區明確。另外，綠化植被的種植可以改善廠區的熱環境，進而降低空調、風機等設備的電力消耗。

2.2 建筑節能

2.2.1 建筑設計

（1）平面布局

平面布局要結合生產工藝流程，進行合理規劃。水刺非織造布工藝主要有纖維準備、梳理和成網、水刺纏結加固、脫脂漂白以及烘干等。車間的布局應結合工序流程。要考慮工序連貫，運輸便捷，提高生產效率等方面合理規劃整體布局，以減少勞動力和能源的消耗。

（2）建筑朝向

建筑朝向主要影響采光、通風等，大多數建筑采用坐北朝南形式[2]，一般朝南建筑采光通風效果好。但在實際建設過程中，受多方面因素影響，建筑不能做到正朝南，通過結合實際情況，建筑宜選南或南偏東方向，以有效避免外墻“東西曬”現象。

（3）建筑體形系數

建筑體形對建筑空調和采暖耗電量有直接影響，嚴格控制建筑體形系數對建筑節能意義重大。建筑物體形系數為建筑與室外大氣接觸的外表面積與其包圍的體積之間的比值。該比值越大，就說明建筑散熱面積越大，不利于建筑節能；反之，比值越小，對建筑節能越有利。一般情況下，體形簡單且體積大的建筑有利于節能，體形復雜且體積小的建筑不利于節能。

2.2.2 圍護結構熱工設計

（1）屋面

屋面設計主要考慮保溫隔熱，減少夏季室外熱量通過屋頂傳入室內和冬季室內熱量通過屋頂流失。屋頂構造類型主要有正置式和倒置式，其中正置式為較傳統的屋面構造，保溫層在防水層以下，保溫層吸水后大大降低了保溫隔熱性能。倒置式屋面構造與正置式屋面構造相反，防水層在保溫層以下。該方法防水層不會發生熱脹冷縮的情況，有效地延長了防水層的使用周期。同時，保溫層為防水層提供物理性保護，但對保溫層材料的選擇有特殊要求。因此，在設計過程中，應綜合考慮，選擇合適的屋頂構造形式及防水、保溫材料。

（2）外墻

外墻是建筑的主要圍護結構，根據生產工藝對室內溫濕度要求，根據項目所在地的環境條件，采取不同的方式，選擇合適的材料和構造形式，在圍護結構熱穩定性能較好的前提下，盡可能降低傳熱系數。保溫層一般選用外保溫形式，避免冷凝現象，以延長廠房壽命周期。

（3）外窗

外窗是建筑能耗占比較大的部分，水刺非織造布行業對室內溫濕度環境要求高，要更加嚴格把控外窗材料的選擇、開口的大小等。同時，該行業噪聲大，在玻璃的選擇上應關注隔聲效果。外窗可選用斷熱橋鋁合金材料，玻璃選用雙層中空Low-E（低輻射）玻璃，外窗開口大小要滿足窗墻比要求，外窗間隙做好密封處理，以減少室內外冷熱量散失。

2.3 工藝及設備節能

2.3.1 水刺工藝及設備節能

水刺法是指水經高壓泵加壓形成高壓水流，利用高壓噴射的水流形成水針所產生的穿刺力，使纖維在纖網中互相纏結，快速成網。水刺階段是影響水刺非織造布性能的重要階段。水刺系統能耗主要來自高壓泵以及負壓的抽吸用能，壓力越大，消耗的能源越多。對于水刺非織造布而言，主刺前對纖網進行預濕處理，以便水針的能量被纖網更好地吸收，增強纏結。水針能量越大，對纖網的穿透性就越強，有利于纖維的纏結和消除纖網的分層現象[3]。目前，很多企業不斷提高水刺壓力，以便纖維更好地纏結[4]。水刺壓力超過一定范圍，纖維移動加大，最終會影響纖網質量[5]。實際生產要根據產品要求的不同，對纖網注入合適的水刺壓力。因此，選擇適合的壓力點不僅能得到質量優良的產品，也是降低水刺系統能源消耗的關鍵。

水針板的排列形式也是影響能耗的因素，水針板有單排、雙排和假雙排。一般來說，真雙排能耗加大，該類排列一般適用于網孔水刺布生產。噴水板噴空形式、水刺頭形式和水針間距等也會影響系統的能耗[6]。

2.3.2 烘干工藝及設備節能

在水刺非織造布烘干工藝中，一般選用熱風穿透式烘干。烘干機主要構件烘燥滾筒的支撐表面采用蜂窩式結構，熱風穿透效率有較大的提高，透氣率高達90%以上。該方式在提高產品質量、節能降耗等方面體現出優質特性[7]。

烘干溫度的選擇是烘干工藝重要的工作，烘干溫度決定烘干速率。但受烘干設備和纖維原料的影響，不能無限制地提高溫度。溫度過高，纖維可能變脆、變色，從而影響產品質量。因此，要結合生產實際確定烘干溫度，在保證產品質量的前提下，降低能源消耗。另外，烘干前纖網的含水率可達90%，為了節省能源消耗，在烘干前可利用真空吸水或軋車壓軋等方式進行脫水，以此來減少烘干工序的能耗。

2.4 輔助工程節能

2.4.1 電氣系統節能

電氣系統節能，主要包括供配電系統、機電設備選擇、照明系統以及建筑設備監控系統。變電站設置從節能角度考慮，應盡量靠近負荷中心設置，縮短供電半徑，減少線路損耗，達到節約能源的目的[8]。變壓器容量和臺數的選擇是否合理相當關鍵。結合項目實際，合理分配負荷，選用容量與項目電力負荷相匹配的變壓器設備，以確保在高效區內運行。通常情況下變壓器的經濟運行區的負荷率在30%～75%，高效區是負荷率在50%～60%[9]。變壓器的效率與負荷的功率因數相關，一定負載的情況下，功率因素越高，變壓器效率越高。因此，在選擇變壓器時應關注變壓器的負荷率，保證在效率較高負荷下運行。變壓器宜選用低噪聲、低損耗的節能型產品，進而降低空載損耗及負載損耗。

功率因數偏低會使設備本身和電網附加相當大的無功電能，給設備的運行及壽命帶來較大影響。在用戶變電所低壓配電柜內采用電力電容器進行集中自動補償，無功補償裝置應具有抑制諧波和抑制涌流的功能，具有混合補償的功能，分別采用電容集中自動補償，一般補償后功率因數要達到0.9以上。照明燈具采用電容器單燈就地補償或使用電子整流器等措施，以提高功率因數。

鑒于諧波分布具有多變性，同時諧波工程計算具有復雜性，設計過程中在非線性設備較多的場所，可設置有源濾波器以消除諧波危害。在電能質量要求較高的場所，于強電預留的配電箱等處預留電氣綜合治理保護裝置的設置空間，以防止電壓驟降、諧波電流等對設備造成損害。在諧波源大的場所就地增設有源濾波器以消除諧波對內部電網的影響。

照明燈具的選擇宜選用LED光源，廠房照明采用集中控制方式，其他區域宜采用就地控制。機電設備電動機采用高效節能產品，并具有節能拖動及節能控制裝置。企業宜設置建筑設備監控系統，將生產系統、暖通系統、電氣系統和給排水系統等相關設備集中監視、控制和管理。

2.4.2 暖通系統節能

暖通系統主要用能單元為冷源設備，空調系統冷源設計宜采用蒸發冷卻和水蓄冷技術等，其中蒸發冷卻技術在西北地區較適宜，水蓄冷技術在規模較小的企業或實行峰、谷分時電價政策的地區較適宜。供冷方式有集中式供冷和分散式供冷。相比集中式供冷，分散式供冷可以實現靠近負荷中心、調節靈活、縮短供回水距離，以及減少冷量散失等優點，對于車間數量較多，冷源需求點位多的項目，宜選用分散式供冷，采用此方式冷源系統能耗可降低10%以上[10]。

水泵和風機作為暖通系統主要耗能設備之一，選擇高效節能型產品，可以達到節能降耗的目的。對于紡織企業大多現有軸流風機，西安工程大學趙陽等研究紡織企業風機節能潛力分析及改建措施時，提出使用先進翼型風機比傳統風機更能提高通風效率，同時節能降耗效果也較為顯著[11]。中原工學院楊瑞梁等研究紡織企業選用的高效冷源和節能設備，提出選用高效風機比傳統風機節能10%以上。隨著技術的不斷進步，通常選用節能型水泵或小流量、低揚程的水泵，配合輕泵啟動、高水位進水等方式以實現節能。

水泵和風機采用變頻控制和自控調節系統，PLC變頻控制可以較好地改善空調風機僅存在高低速運行的狀況，實現根據車間溫濕度控制改變送風量，此方法下能耗也會發生較明顯變化，節能量在20%以上[10]。

為了保持廠房溫濕度要求，水刺非織造布車間空調系統24小時運行?？照{水系統用水一般選用市政自來水，未經處理的自來水一般硬度大，常年運行的空調系統管道會結垢，甚至發生腐蝕。由于水垢導熱系數小，傳熱效果差，空調水系統管道水垢層達到一定厚度，將會導致冷凝溫度的上升。河南工程學院機械工程系李剛等在研究紡織廠空調節能探析中指出，冷凝溫度的上升會導致制冷量下降，系統阻力增加，能耗增加。因此，空調水系統水源的水質是否達標也將影響空調系統的能源利用效率[12]。

2.4.3 動力系統節能

動力系統主要是空壓系統，主要用能設備為空壓機。選擇空壓機的基本原則是經濟、安全與可靠。在滿足排氣壓力和排氣量的前提下選用輸入比功率較低的設備。根據生產用氣需求，合理設定空壓機排氣壓力，在保證用風量的前提下盡可能設置較低的排氣壓力，排氣壓力越低，軸功率消耗越少，節能降耗效果越優。

采用先進的變頻恒壓調節技術，不但能改善供氣質量，還能降低電力消耗，經濟效益相當可觀?？諌簷C泄露問題也是一個不容忽視的問題，定期檢查系統漏氣與否，減少浪費，也是一個降低電力消耗的節能措施[13]。

2.5 能源計量器具的配備及管理

能源計量器具的配置是實現企業進行能源管理的重要前提。水刺非織造布行業能源消耗的種類主要有電力、蒸汽和耗能工質水等。根據《紡織企業能源計量器具配備及管理要求》，企業的能源計量器具配備要滿足能源分類計量、能源分級考核、配備率以及準確度等級等要求。能源計量器具的管理要滿足能源計量制度，能源計量人員要具備相應的資質。完善的能源計量系統可為企業能源管理提供保障。

我國現階段仍存在企業能源管理工作不夠仔細，能源利用效率低，能源浪費等一系列問題。因此，提高企業用能理念，精細化管理是解決能源問題最有效的途徑。對工業企業用能進行信息化管理是實現企業能源消耗精細化管理的重要手段。結合企業自身能源消耗情況，建立完善的能源管理系統，對企業能源及耗能工質的消耗進行監測、分析，對企業實現節能降耗起到關鍵作用。

能源管理系統在能源供應、調度、用能分析、成本核算等方面起著關鍵作用。西安紡織集團有限責任公司趙小崗等利用能源管理系統降低紡織廠能耗成本的實踐，研究了能源管理系統在降低電度電費、降低基本電費和提高功率因數調節電費中的作用。研究發現，EMS能源管理系統在企業能源管理中發揮重要作用，可以精準發現問題，企業可以根據系統采集數據采取有效的節能措施，降低能源消耗[14]。西安紡織集團有限責任公司趙小崗對能源監測系統在棉紡廠的錯峰用電方面應用研究，發現DF8003型能源監測系統對分析能源消耗和節能診斷有重要作用[15]。

3 結語

非織造產業是紡織行業的新興產業。在非織造產品中，水刺法產品增長最快，水刺非織造布在醫療、日用衛生領域應用廣泛，新冠肺炎疫情以來，產能迅速增長。市場需求的快速增加導致產能的迅速增長，這也加劇了行業的市場競爭，因此降低能源消耗是企業降低生產成本的重要舉措。在滿足生產需求的同時，通過對廠區的總平面布置、建筑廠房設計、工藝及設備選擇、輔助工程設計、能源計量器具的配備及管理等方面采取一定的節能措施，確保了企業運行期間高效利用各類能源及資源，可有效減少企業用能成本，提高企業競爭力。