印染定型中使用熔鹽儲能系統產生的環保蒸汽
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：討論了熱定型工藝參數與工藝條件，分析了熔鹽儲能系統在紡織行業中的應用，夜晚用電低谷時采用電加熱熔鹽儲能，白天用電高峰時采用熔鹽加熱水產生“零碳”環保蒸汽，研究了熔鹽蒸汽發生器的結構和安裝以及自動保護裝置。
關鍵詞：熱定型工藝； 電加熱熔鹽； 熔鹽儲能系統； 熔鹽蒸汽發生器； 環保蒸汽
前 言
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。熱定型的目的主要是使滌綸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、排列，內應力相對穩定。
一、熱定型工藝參數及控制
1．配方
熱定型時的上料液配方，料液內各種化學藥品的使用比例，從而導致了熱定型后布面的手感、滑移、顏色等。
2．軋輥壓力
熱定型時上料的軋輥壓力決定了布面所帶料液的多少，對布面的手感、顏色有著重要的影響。
3．烘干溫度
熱定型時的烘干溫度是影響定型質量的主要因素之一，特別是在樹脂整理過程中，定型烘干溫度對織物尺寸的穩定性，表面平整性都有較大的影響，做柔軟整理時，烘溫控制在布面干為宜，烘干溫度不宜過高，否則會影響織物的手感。
4．超喂
超喂的大小直接影響織物的緯密，從而影響織物的縮水性能，同時為了兼顧織物生產時的張力，要求適當防止軋皺及緯斜。
定型拉幅的幅寬，決定織物定型后的幅寬，使熱定型后的織物幅寬達到工藝要求，使織物經過預縮后的幅寬達到客戶的要求。
二、熱定型工藝條件
織物熱定型通常是將織物保持一定的尺寸，在一定的溫度、濕度條件下，加熱一定時間后，再進行冷卻的過程。所以，熱定型的主要工藝條件不外乎溫度、時間、張力、溶脹劑。
1．定型溫度
定型溫度是影響熱定型質量最主要的因素。因為織物經過熱定型后，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和其他服用性能，都與熱定型溫度的高低有著密切的關系。
2．定型時間
定型時間是熱定型的另一個主要工藝條件?？椢镞M入加熱區域后，加熱定型所需要的時間大約可分為以下幾個部分：
①織物進入加熱區域后，將織物表面加熱到定型溫度所需要的時間，或稱為加熱時間。
②織物表面達到定型溫度后，使織物內外各部分的纖維，都具有相同的定型溫度所需要的熱滲透時間。
③織物達到定型溫度以后，纖維內的分子，按照定型條件進行調整所需要的時間，故稱為分子調整時間。
④織物出烘房，使織物的尺寸固定下來進行冷卻所需要的時間，故稱為冷卻時間。
通常所指的定型時間，往往是指前三項所需要的時間，而不包括第四項（冷卻時間）在內。如果把第一項（加熱時間）看成為是一種預熱作用，故熱定型時間僅指第二項、第三項所需要的時間，即熱滲透時間和分子調整所需要的時間。而關于加熱時間和熱滲透所需要的時間，決定于熱源的性能、織物單位面積的重量，纖維的導熱性和織物的含濕量等。
3．張力
熱定型過程中織物所受到的張力對定型質量，包括織物的尺寸熱穩定性、強力和斷裂延伸度都有一定的影響。經向尺寸熱穩定性隨著定型時經向超喂的增大而提高，而緯向尺寸熱穩定性則隨著門幅拉伸程度的增大而降低。
定型后織物的平均單紗強力比未定型的略有提高，緯向的變化要比經向明顯。定型后織物的斷裂延伸度，緯向會隨著伸幅程度的增大而降低，但經向則隨著超喂的增大而變大。
因此，為了使織物獲得良好的尺寸熱穩定性和有利于提高織物的服用性能，熱定型時經向應有適當超喂，緯向伸幅不應太高。為此要求前處理中不采用較大的經向張力，以免經向過度伸長、并迫使緯向發生較大收縮，以致最后需要進行較大的伸幅。
①分子鏈的再折疊數量隨著熱處理溫度的提高而增多。
②張力阻礙分子鏈的再折疊。
③在溫度很高時，張力阻礙分子鏈折疊的作用大大減小。
張力對纖維結構有較顯著的影響，而纖維結構之間又有密切的關系，因此，在熱定型過程中注意張力的控制是很重要的。
4．溶脹劑
水分有“松散”纖維結構、增強大分子鏈段流體式運動的作用。水分在熱定型過程中的增塑作用，從而影響纖維的超分子結構和物理性能。
緯斜是面料生產工藝在高溫定型的時候不穩定而造成的，例如棉布可以用手撕開，但是撕開的自然痕跡不是水平的，而是斜線形式，這就是緯斜比較明顯了。一般布料有點緯斜問題不大，不會影響到正常使用，只有格子的面料，經向條子或緯向條子都不能出現緯斜，否則造成了生產裁剪的時候損耗會很大，甚至不能裁剪。
三、熔鹽儲能系統應用在印染行業
熔鹽有很好的傳熱和蓄熱儲能特點，常用的熔鹽是二元混合鹽和三元混合鹽[1]。二元混合鹽組成為60%硝酸鈉和40%硝酸鉀；另一種常用的二元鹽配比為40%硝酸鈉和60%硝酸鉀。二元鹽凝固點為207℃，在常壓條件下為液態，工作溫度范圍為290～600℃。二元鹽的主要特點是穩定性好、不可燃、無爆炸危險、泄漏蒸汽無毒。液體條件下溫度與壓力無關，即氣化溫度點在600℃以上。
三元混合鹽的組份為53%硝酸鉀、40%亞硝酸鈉和7%硝酸鈉，三元鹽的熔點溫度為142℃，工作溫度范圍為149～580℃，氣化溫度點為680℃。三元鹽具有不可燃、無爆炸危險、無毒的特點[2]。三元混合鹽在455℃以下時不分解，溫度為455～540℃時亞硝酸鈉會緩慢分解為硝酸鈉、氧化鈉和氮氣，若與空氣接觸還會產生亞硝酸鈉的氧化反應，故三元鹽在高溫下應注意運行的安全性，當溫度超過620℃時，三元鹽的分解過程將會非常迅速，甚至會產生熔鹽沸騰現象。
采用規?；G色電力與熔鹽儲能技術產出的“零碳”中壓蒸汽，利用熔鹽儲能系統，在電網用電底谷時段取電、轉化為熱能存儲于熔鹽貯罐內，在電網用電高峰時段熔鹽貯罐內的高溫熔鹽對外供熱或發電[3]，從而實現了電網削峰填谷，并且為化纖印染行業轉向低碳綠色發展提供了實踐路徑。年產50t/h綠色電力與熔鹽儲能項目投資約為2億元，占地約10余畝，每年可發電3200萬kw.h，年供給蒸汽量42萬噸，每年可節約標準煤7.75萬噸，減少CO2的排放約為14.5萬噸。
目前采用環保蒸汽的熱定型機每分鐘可完成40米左右的布料整型，而采用天然氣生產的熱定型機每分鐘的產能在35米左右，因此相比天然氣加熱，采用環保蒸汽后，一臺熱定型機每天每小時的用能源成本可以下降150元左右。除了使用能源成本優勢外，環保蒸汽的溫度、壓力輸出也更加穩定，可以讓熱定型機處于最佳參數工作狀態，進一步提升生產效率。在產能拉滿的情況下，該項目每小時可以供應50噸環保蒸汽，隨著低碳產業園內用戶企業數量的增加，環保蒸汽用能損耗就越小，未來有望進一步降耗提效。
熱定型機的加熱方式是采用熱風，采用強力鼓風機將空氣送至蒸汽散熱器內進行加熱，在經過熱風管噴射至織物上下面。因織物帶有一定的水分進入烘房；因此熱定型機的前部比較潮濕的空氣可以排除出烘房室外，而后部比較干燥的空氣則可以繼續使用。通常把織物表面達到的所需要定型溫度前面經過的距離稱為預熱區，而把預熱區后面的一直到加熱區的這段距離稱為定型區。
如果熱定型溫度過低，時間過短均會造成織物表面不平整、不挺括、門幅收縮等疵病，失去定型作用；但如果定型溫度過高或時間過長，會造成織物發硬變脆，強力下降，彈性降低，并能使某些分散染料升華而產生色差，嚴重的甚至能使纖維熔融。通常會根據織物品種和要求、機械設備情況等，控制定型區的溫度與濕度等工藝條件，滌綸織物的合適定型溫度為180～210℃，定型時間一般在20～90秒，冷卻溫度為50℃左右。
織物離開定型區后，便要設法將織物保持在定型時的狀態進行強制冷卻。冷卻方法采用向織物吹冷風或者使用織物通過冷卻輥，一般要求織物的落布溫度在50℃以下。否則，織物堆落入布箱或打成卷之后，不僅因為散熱的作用使得織物發生收縮，而且還可能產生難以消除的皺痕。
四、夜晚用電低谷時采用電加熱熔鹽儲能
新能源相關的清潔電力能源建設領域，包括電源工程、電網系統建設，未來將從煤電到“綠電+儲能”的模式，主要包括可再生發電和電力綜合利用領域，例如風力發電、光伏發電、光熱發電等上游清潔能源替代，比如新能源友好并網的新一代電網、新型儲能等。進行新能源類的電源工程建設，可以均衡的能源結構，提高非化石能源在一次能源消費中的比重，有助于進一步提升國家能源安全。
電加熱熔鹽是以電為能量源，將電能轉化為熱能[4]。電加熱元件本身的結構、電加熱元件的內部溫度場分布情況，是電加熱熔鹽貯罐以及電加熱元件本身的熱效率重要因素，也關系到電加熱元件本身的可靠性和安全性。電加熱元件在整個充滿熔鹽的貯罐內應該分布均勻，電加熱元件應該分成多組，電加熱元件的投入或切除要求分組延時進行，每組電加熱元件的功率越大，各組電加熱元件之間投入或切除時間的間隔越長，以避免全功率一次投入和切除對電網造成較大的沖擊。每組電加熱元件投入和切除要求采用先投先切、后投后切的循環投入切除方式進行，使每組電加熱元件使用時間大致相等，從而延長電加熱元件的使用壽命。
電加熱熔鹽貯罐的總熱負荷Q可用下式（1）計算：
Q = F?qcp （kJ/h） （1）
式中：F-電加熱元件的總放熱面積，m2 ；
qcp-放熱面積總的平均熱強度，kJ/h?m2或W/m2；
qcp是指單位放熱面積的每小時傳遞熱量，qcp愈大則表示熱通量愈大，相應的電加熱元件的表面平均溫度亦愈高，為了使熔融鹽的液膜溫度不超過設計值，首先應該考慮電加熱元件的qcp數值。
熔鹽儲能可以做到快速、穩定、精準的充放電調節，能夠為電網提供調峰、調頻、備用、需求響應等多種服務，是構建彈性電力系統建設的重要一環，實現“電網+儲能”的更友好互動。而隨著熔鹽儲能項目逐步參與電力現貨市場交易，未來除參與調峰調頻等輔助服務進行營收外，還可以利用在低電價和高電價不同時段購電與放電以獲得電量價差營收。解決電力烽谷價差大問題，減少用戶側電費成本，促進電力現貨交易市場化更進一步發展。
熔鹽儲能一邊連接了電力能源生產，一邊連接了企業能源消費使用，覆蓋了電力生產及調配的各個環節，實現了對傳統電網系統服務升級和服務增值，為傳統以“源網荷”為主體的產電/輸電/用電系統提供了重要補充。在新能源占比率逐漸提高的電力系統中，起到了進一步優化電力系統資源配置的重要作用。
五、白天用電高峰時采用熔鹽加熱水產生“零碳”環保蒸汽
1．熔鹽蒸汽發生器的結構
熔鹽加熱水產生蒸汽系統主要包括熔鹽預熱器、熔鹽蒸汽發生器、熔鹽過熱器、熔鹽貯罐、熔鹽融化保溫裝置、熔鹽輸送管路預熱保溫裝置、以及配套輔機和閥門、儀表電器控制系統、設備與管道系統等[5]。在預熱器和過熱器中熔鹽均在殼程內流動，水和蒸汽在管程內流動；而在蒸汽發生器中熔鹽在管程內流動，水和蒸汽在殼程內流動。熔鹽蒸汽發生器采用帶汽包的固定管板U型管式換熱器，殼體材料為SA516Gr70鋼，管子料材為20G；熔鹽蒸汽發生器安裝時應當高于熔鹽貯罐，以便于當熔鹽循環系統停止運行時能夠放空排盡在熔鹽蒸汽發器中的熔融鹽。
U型管式單殼程的熔鹽預熱器將水加熱到接近其飽和溫度，再進入熔鹽蒸汽發生器后，在熔融鹽加熱作用下，飽和狀態的給水蒸發成為高品質的飽和蒸汽。隨后飽和蒸汽進入到U型管式單殼程的熔鹽過熱器中，產生的過熱蒸汽用于驅動汽輪機發電[6]。而高溫的熱熔融鹽則提供了蒸汽生產系統所需要的熱量，熱熔融鹽通過熔鹽泵依次被送入過熱器的殼側、蒸汽發生器的管束、預熱器的殼側，熔融鹽放出熱量降低溫度后再回流到熔鹽貯罐內。
熔鹽蒸汽發生器相當于一個管式換熱器，常見的結構有管殼式、盤管式、套管式等幾種類型，熔鹽蒸汽發生器通過高溫熔融鹽來加熱水并產生蒸汽。管式換熱器的管程內流動的是高溫熔融鹽，殼程內為被加熱水及蒸汽。殼程上的安全閥、壓力表、水位計、給水閥、排污閥、主蒸汽閥等安全附件及閥門儀表根據《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》的規定進行設置。
2．熔鹽蒸汽發生器的自動保護裝置
熔鹽蒸汽發生器在自動控制方面一般應該設置如下兩個自動保護裝置：
①熔融鹽進口、出口壓力差報警裝置。該裝置在出現了熔鹽蒸汽發生器的管程內熔鹽泄漏時發出報警，同時還自動切斷熔融鹽進口，并把熔鹽切換至旁路管道內[7]。
②熔鹽蒸汽發生器的殼程上設置超壓報警裝置。殼程內蒸汽在超過壓力時發出報警，同時還自動切斷熔融鹽進口，并把熔鹽切換到旁路管道中。
3．熔鹽蒸汽發生器的安裝
熔鹽蒸汽發生器的安裝使用注意事項：
①熔鹽蒸汽發生器的管程與其他用熱設備應采用并聯的方式連接，一方面可以降低整個熔鹽循環系統的主循環回路內熔融鹽流體的阻力，還可提高每個用熱設備的各個使用熱溫度的穩定性。
②熔鹽蒸汽發生器的殼程內水、蒸汽壓力應該低于管程內熔融鹽的壓力。因為當發生管程泄漏時，如果大量的水、蒸汽進入高溫熔鹽循環系統中，則整個系統及設備的危險性非常大，反之則相對比較安全。
③熔鹽蒸汽發生器的操作運行應按照蒸汽鍋爐操作運行規程進行[8]。
④熔鹽蒸汽發生器的殼程內水質應符合《工業鍋爐水質》標準的要求。
六、結束語
滌綸等合成纖維均屬于熱塑性纖維，在它們的大分子結構中親水基團，纖維結構又緊密，吸濕性很低，濕潤后纖維的膨脹程度小，在通常條件下的縮水現象并不顯著。合成纖維織物尺寸和形態的穩定性主要是指織物在受熱時，特別是在較高溫度的條件下，發生收縮和變形。
這就降低了纖維的使用價值，因此織物要進行熱定型加工。其加工原理是利用合成纖維的熱塑性，將織物保持在一定的尺寸和形態，加熱到所需要的定型溫度，然后急速冷卻，使受熱后變化了微結構固定下來，從而使織物的尺寸和形態達到穩定。其本質上是由于纖維大分子鏈段的重排，從而消除內應力。
在定型時也不可忽視對織物的“張力”和“超喂”應相互配合的恰當。如果拉幅的幅寬超過織物所具有的門幅，將造成縮水率增大、強力下降等現象；如果“超喂”過大或“張力”大小不等則容易造成緯向波浪形（俗稱“木耳邊”），反之則會在織物的經向產生條紋?？傊?，在操作過程中要嚴格控制幅寬、張力、超喂等工藝條件。
針對電網削峰填谷、可再生能源并網等應用場景，發展大容量、長時間的熔融鹽儲能系統集成，屬于能量型和容量型的熱儲能。熔鹽儲能系統使用后，彈性調度、能源電網負荷儲能互動將成為可能。在風力發電、光伏發電、光熱發電的發電高峰時段內，熔鹽儲能系統進行“充電”，消納新能源電量，有效降低了光熱發電的棄光率，而在無風、無光時，熔鹽儲能系統進行“放電”，支撐電力系統正常運行。
另外，在低碳產業園區內使用熔鹽儲能系統產出的環保蒸汽用于印染企業生產加工過程中，其核心在于其商業模式可以贏利且符合低碳環保的要求，熔鹽儲能通過容量租賃可以回收建設成本，并可參與電力現貨市場，批發電價的峰谷價差套利；且還可以參與電力輔助服務市場，額定的調峰調頻補償，從而可以實現額外的收益。
參考文獻：
[1]汪琦. 熔鹽加熱爐和熔鹽加熱系統的開發[J].化工裝備技術,2000,21(2):40-43.
[2]汪琦,俞紅嘯,張慧芬.熔鹽和導熱油蓄熱儲能技術在光熱發電中的應用研究[J].工業爐,2016,38(3):34-38,48.
[3]汪琦,俞紅嘯,張慧芬.太陽能光熱發電中熔鹽蓄熱儲能循環系統的設計開發[J].化工裝備技術,2014,35(1):11-14.
[4]汪琦,張慧芬,俞紅嘯等.熱載體蓄熱儲能技術在光熱電站中的應用研究[J].上海節能,2020,No.8(第8期):866-871.
[5]汪琦,張慧芬,俞紅嘯等.熔鹽塔式太陽能發電站與熔鹽吸熱器的研究[J].化工裝備技術,2018,39(3):55-58.
[6]汪琦,張慧芬,俞紅嘯等.熔鹽槽式光電發熱電站與熔鹽蓄熱儲能系統的研究[J].上?；?2017,42(7):37-39.
[7]汪琦,俞紅嘯,張慧芬.太陽能光熱熔鹽發電技術的研究與開發[J].上?；?2016,41(11):34-37.
[8]汪琦,張慧芬,俞紅嘯等.循環流化床電站鍋爐在熱定形機中的應用[J].染整技術,2022,44(11):50-53.
作者簡介：
汪琦，碩士，高級工程師，長期從事于熱載體加熱技術、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、生物質氣化爐的研究設計開發工作。
地 址：上海市長寧支路237弄1號504室 上海熱油爐設計開發中心
手 機：13311629783 13817605032
郵 箱：13817605032@163.com
