气流染色机如何实现清洁生产

溢流气流染色清洁生产工艺

1 前言
溢流染色机和气流染色机目前正朝着高品质、手感好、适用性广、工艺流程短、节能、节水、小批量及大载量、自动化控制和符合生态环保等方面发展。
喷射染色机通常定义为喷嘴压力介于2-3kg／cm2之间的染色机。其特点是喷嘴压力大，喷射出的液流产生足够大的推力推动织物运行，导布辊仅起对织物导向和计速作用。由于布速快，在单位时间内染液与织物交换频繁，从而改善了匀染效果，能避免产生永久性皱印。这类设备较适用于纯化纤织物或梭织物的染色。对结构疏松的织物，由于产生较大的连续摩擦和拉力作用（织物受到液流较大推力的冲击并被夹带），易造成起毛起球和拉长现象。喷射染色机不但可用于织物的染色，还可用于织物的退浆、预缩和涤纶织物的碱减量处理等。
为了减少水对结构疏松织物的冲击，减少起毛起球现象，改善织物手感及外观，提升辊(导布辊)被广泛用来协助织物运行，并将喷嘴压力减小至0-1kg/cm2，此类低压力喷嘴染色机称为溢流染色机，而喷嘴压力介于1.2kg／Cm2的染色机，则通常称为缓流染色机。由于喷嘴液流对织物的冲击轻微，溢流染色机的应用较喷射染色机和缓流染色机更为广泛。
根据不同染色温度的需要，溢流染色机又可分为高温高压型和常温常压型。
气流染色机与溢流染色机的主要区别在于溢流染色的织物运行靠液流推动，而气流染色机则采用空气动力系统推动织物。织物的运行速度与织物的克重、透气性(与织物平方克重和组织结构有关)、干湿状态和干湿摩擦因数等参数有关。
气流染色也有独立的液流循环系统。气流雾化染色是将气流和溢流在喷嘴处混合，由于没有液流循环，因而可以实现超低浴比，织物在雾化状态的染液中进行染色。雾化染色适合加工超细纤维织物和化纤仿真类织物。
2 创新的环保型溢流染色机
溢流染色机从诞生之日起，就以其相对低的浴比（1：15左右）向环保染色迈出了一大步，当时六角盘拖拉式染色机（俗称拉缸）的浴比在1：25以上。目前常规的溢流染色机浴比虽已降至1：7-1：8，但仍偏高，染色周期也较长，不能达到生态环保的要求，生产成本也较高。由于浴比较大，织物在运行过程中会携带大量水分，增加了自重，也易造成过度拉伸及起毛现象。因此，进一步降低染色机的浴比，减少环境污染，缩短染色周期，实现生态环保染色，降低生产成本，是提高产品质量的关键，也是染色技术发展的方向和21世纪印染工业保持可持续发展的重要因素。
溢流染色机中的用水量主要包含：
(1)织物吸附的水量；
(2)储布槽中的水；
(3)循环管路，包括喷嘴、土泵、热交换器中的水：
(4)配制染料、助剂所需水量；
(5)为保证染色质量(如均匀、防皱等)，需适当增加水量。
上述5项之和即为染色浴比，其中前3项为染色机的可行性最小浴比。
对棉织物来讲，织物吸附水量大约为织物重的3倍，加上配制染料、盐、碱液用水量较大，因此染纯棉织物的浴比大于染纯涤纶等疏水性织物的浴比。
2．1 溢流染色机的改进
目前，溢流染色机已优化成长管L型及圆筒U型或O型两种主要形式。由于L型染色机的储布管为长型且平卧，浴比要略大于U型或O型染色机。
为降低溢流染色机的染色浴比，应尽量降低循环管路中的水量，特别是储布槽中的水量。U型或O型溢流染色机在降低浴比的发展历程经过了3个主要阶段。
2.1.1 织物全浸染型
织物几乎全浸渍在储布槽的染液中，浴比为1：10-1：15。
2.1.2 织物部分浸染型
20世纪90年代发展的布液分离技术，在储布槽底部增加了一个隔层(图1)，使织物在储布槽内运行，染液在隔层中快速循环，仅部分织物浸在染液中。因此，降低了染液的用量，使染色浴比降到1：7-1：10，但仍偏大。
2.1.3 布液完全分离

保留了染液快速循环隔层，其创新之处是在隔板上辟有许多缝隙，使流入储布槽中的染液及织物上多余染液通过该缝隙快速回流到染液夹层中，即快速进入管路循环系统进行循环。此项创新技术显著降低了浴比，可达1：3.5-1：4，棉织物染色浴比降低至1：5。此项技术以香港立信公司开发的ECO系列生态环保溢流染色机(以下简称ECO)最具代表性。
E=C×F=C×(NF+NL) (1)
式中：E-染料上染速率；
C-织物单次循环的染料上染率；
F-染液循环频率总和；
NF-每分钟织物循环次数；
NL-每分钟染液循环次数。
式(1)表达了在染色过程中染料的上染速率(E)与织物单次循环的染料上染率(C)和染液循环频率总和(F)，每分钟织物循环次数NF+每分钟染液循环次数NL的关系。说明液流经分离结构的提速，对缩短染色周期效果明显。
ECO系列染色机，如ECO-38常温染色机（U型，图2)和ECO-6高温染色机(O型，图3)，其成功的关键是既降低了浴比，又通过优化设计及合理配置喷嘴、导布管和储布槽，使织物在染色过程中处于松弛及展开的状态，达到均匀染色的效果。应用布液完全分离原理，ECO-8也将L型染色机的浴比降低至1：6(图4)。

在染色过程中，由于ECO系列染色浴比低,织物在运行过程中所携带的水量少，大大降低了织物的运行重量，从而降低了织物所受的张力及因摩擦造成的起毛现象，改善了织物的表面效果，降低了缩水率。
缩短染色加工时间、降低能源消耗是生态环保染色的另一个重要方面。EC0-38、ECO-6和EC-8等染色机继承了香港立信GN28和GN6-Super等染色机缩短棉织物染色周期的成功经验，使棉织物的染色时间缩短至4～6h。
因此，ECO生态环保系列染色机既降低了染色浴比，减少水及染化料的消耗，又缩短了染色周期，降低了能耗，达到生态环保染色，同时又显著地提高了织物的布面质量。
2.2 ECO－6高温染色机
ECO-6高温染色机采用布液完全分离系统，降低了行机水位，减少了储布槽中的水量，进一步降低了染色浴比，其浴比可低至1：5，同时也降低了升降温所需的蒸汽和冷却水。ECO－6高温染色机还配备有蒸汽加热(汽、水混合器)快速升温系统，利用蒸汽直接加热染液，配合热交换器快速提高升温速率。EC－6高温染色机具有MSR及MIR快速水洗系统。MSR为节水的水洗系统，是指在冷却降温的过程中同时利用冷却水进行连续水洗，达到省时、省水和省电等目的 ；MIR多功能智能水洗系统为一强力连续水洗系统，通过优化控制进水量、机内水位、温度及水洗时间，达到最佳的水洗效果。例如，设定水温在50－60℃，可保持棉纤维的溶胀状态，加速杂质及未固色染料向外扩散。在MSR及MIR的水洗过程中，根据稀释原理，布槽内水位始终保持为最低行机水位，可加快污水与清水的交换，显著提高水洗效率。
综合应用高温漂白工艺(105－130℃×5~15min)、恒温定量加料染色技术(50—85℃)及连续高效MSR和MIR水洗，一般长达8-10h的棉织物染色时间，可以缩短至4-5 h。水的用量也显著降低，并节省蒸气、电能及化学助剂（图5，表1）。

3 小浴比气流染色机
气流染色机以其高速、小浴比的特点，己被越来越多的染整厂应用。喷嘴是气流染色机的核心部件，分圆形和方形两种，圆形喷嘴适合加工超细纤维、化纤仿真类针织物和机织物；方形喷嘴则适合加工厚重织物，以及易产生自转的绳状机织物。
气流染色机以鼓风机产生的气流作为输布介质，驱动织物在染槽中高速运行，织物出喷嘴后经过一扩展形的输布管，由于气体膨胀，使绳状织物展幅。在此基础上，有两组多喷淋管向织物表面喷淋染液，使染液在织物表面均匀分布，并可防止织物产生折皱和粘搭印。由于在升温过程中，空气密度随着温度升高而降低，若离心式鼓风机的转速保持不变，则气流量会相应减小，布速减慢。所以气流染色机采用电子控制变频器跟踪，以补偿温度对气流速度的影响，保证织物以一定速度运行。
气流传动的织物速率要高于液流系统，而且织物受到的张力较小。与常规喷射染色机相比，它具有如下优点：生产所需时间短，染色时间能缩短50％以上；蒸汽和水可节约50％（根据被处理织物的吸水能力，浴比平均为1：3或更低）；染色重现性好，洗涤处理用水能降低到最低程度。
Lyocell织物采用传统染色机加工时，不易使织物彻底原纤化而去除原纤；再者，当染色循环比较慢时，折叠的织物及未折叠织物与染液的交换不均匀，易造成染色鸡爪印。气流染色机染色织物运转速度一般都超过350m／min，当织物传送速度超过300m／min时，也不会产生不匀的问题，且立式染色机比卧式染色机具有更多的优势。因为立式机器的作用力更大，更有利于Lyocell织物的原纤化和原纤的分离。用常规喷射染色机有时还会造成织物擦伤，织物擦伤主要是由于织物运转速度快，以及在湿态下Lyocell织物硬挺造成的。解决擦伤的主要办法有：一是在空气斜管中用染液溢流减小摩擦；二是在空气斜管出口处加装喷淋装置，用染液推动织物摆动，避免高速运转的织物与机器内表面接触；三是用PTFE（聚四氟乙烯）涂覆织物储存区，减少织物与储存区表面的摩擦。
Lyocell织物经过原纤化后，会产生大量的毛羽，这些毛羽悬浮在染液中或漂浮在气流中易于堆积，不仅不利于染色交换，也容易堵塞喷气嘴。用于Lyocell织物的气流染色机除了原有的染液过滤系统外，还需加上一套空气过滤净化装置，这种空气过滤装置要易于更换，并可及时去除堆积的毛羽。
3.1Airsoft气流染色机
Airsoft气流染色机（见图6）由英国Longclose公司生产。它是在原有气流染色机的基础上，经改造添加织物抛松处理机构，专用于Lyocell织物,以及其它高性能织物染色和后整理的设备，它有AirsoflTD和AirsoftHT两种机型。
AirsoftTD染色机比AirsoftHT染色机多一个转笼烘燥机构，使Lyocell织物的染色和柔软烘干处理在一台机器上完成，实现了一机多用。

3.1.1织物运动和染色交换系统
Airsoft气流染色机的心脏和技术关键部分是位于染色机内部的一个空气滑管。织物的运送动力来源于这个空气滑管内气流对织物的推力。推力大小主要取决于织物湿态下的透气性。透气性越差，推力越大，织物运送速度越快。织物的运送还与重量有关，重量越轻，织物运送速度越快。Airsoft空气滑管结构简单，对织物的推力大，具有防堵塞和防擦伤等功能，适用范围广。
由于Airsoft气流染色机运用了气体动力技术，染液使用量大幅减少，单位时间染液的循环次数大大增加，避免了染浴波动，以及染痕和纠缠的形成。织物提取过程是指染布从染槽最后一个折叠点到提取盘的长度。它的长短直接影响到织物的运送速度，要尽量减小这个长度。Airsoft气流染色机缩短了织物从堆积处的提取过程，织物不是由染液直接提起，而是在提取点部分排除染液，大大减少了织物在提取过程产生的过度拉伸，并避免了折皱的形成。
织物以60-600m／min速度喂入空气滑管，与从高效鼓风机系统吹出的循环定向气流相遇。空气将染液雾化生成高速空气垫，并将织物运送至空气滑管单元。这时织物被高压气流控制，在管内充分舒展、打开，在气流雾化条件下进行染液交换。织物在可控状态下被直接送到储存区，从而保证染液与织物进行高效的染液内部交换，浴比进一步减小，保证了染色织物的质量。

3.1.2空气循环系统
空气循环系统是Airsoft气流染色机的主要动力来源，风由大功率鼓风机产生，经过专用空气管道输送至空气滑管的4个空气喷嘴与染液相遇。通过变频电动机调整鼓风机的转速，从而达到调整织物运行速度的目的。
织物运送系统的空气由高效、多速轴流风机提供，风扇采用不锈钢制造。风扇装配了一个多阶涡轮式曲径碳密封，保证了风机的耐久性。

3.1.3快速清洗系统
快速清洗系统(见图7)是专门为多次排放和注入的染色工序而设计的，具有高效、节能、节水的特点，可用于染色工艺的各个环节，如预洗、染后洗、清洗或皂洗。该快速清洗系统的主要特征是允许染液高温排放和注入，使织物在染色等处理后能及时得到相同温度的清洗，大大节省了清洗用水量，减少了染色循环时间、水耗和排放，改善了织物性能和染色效果，节省热能40％以上。该快速清洗系统解决了Lyoeeil织物染整加工多工序、多排放和升降温时间长等问题，是Lyocell织物及其它高性能织物染色理想的绿色环保装置。
1-与主泵吸入端连接；2-过滤器；3-排放流量控制阀；4-主机排放；5-进水口；6-流量表；7-注入泵；8-注入流量控制阀；9-排放；10-传导率监测器；11-热交换器
图7 RapidWash快速清洗系统
在系统中部有盘状热交换器，它利用排出染缸废液中的热量来加热进入染缸的清洗用水，以达到节能的目的。在盘状热交换器的出水管处装有一个探测溶液中电解质含量的传感器，此传感器能自动探测排水溶液中的电解质含量，一旦达到设定值便停止清洗，既节约了用水，又缩短了时间。利用液位控制装置，能控制水洗的液位，达到洗液高效交换的目的。

3.1.4转笼烘干和柔软系统
染色机配备后整理功能是染色设备向多功能化发展的一个方向。Longelose公司成功地将转笼柔软技术应用到气流染色机上，使Lyocell织物的染色和后整理在一台机器上完成。

3．2 Then-airflow气流染色机
Then-airflow气流染色机(图8)由德国Then公司制造，该机特别适合超绍纤维和Lyocell纤维等高品质织物的加工。由空气与蒸汽混合而成的气流，经鼓风机加压带动染槽中的织物运行，通过调节气流的压力和流量以改变织物的运行速度，染料与各种化学助剂也混合于气流之中。由于压缩空气的作用，使液体雾化，通过喷嘴均匀地喷射在织物表面，并在织物表面迅速冷凝、扩散，达到快速上染的目的。
根据加工织物的品种和容量，织物在染槽中的运行速度可调节为150-700m/min，一般只需50-90s，织物就可以在染槽内作一次循环。由于车速快，织物与染槽内的染液交换快，故易达到匀染效果。

3.2.1 Then-airflow气流染色机浴比小，通常染棉类织物时的浴比为1：4，染涤纶织物时的浴比为1：2。另外，织物在染槽内的运行速度快，且浴比小，使染化料助剂用量可以相对减少，染色升温时间也缩短，并提高了工艺稳定性。此外，废水的排放与清水的注入可以同时进行，这样缩短了染色时间。故与常规的染色机相比，可节时40％-60％，真正达到了节能、高效和环保的目的。
传统染色机的织物染后清洗，需先将染槽内的染色残液排尽，再注入清洗液。但往往染槽内的染色残液不能马上全部排尽，故清洗液注入时，还会与部分染色残液混合，既浪费时间，又降低水洗效率。Airflow气流染色机采用独特的清洗系统，即清洗液通过喷嘴直接喷射在织物表面。在整个清洗过程中，排水阀始终打开，污水直接排放，而不与织物接触。由于洗液交换速度快，故清洗速度快。
织物在染槽中如遇温度突然下降，则将快速冷却，极易造成永久性皱印和折痕。而Airflow气流染色机装有高温排放系统。该系统可使织物在染槽排液时继续保持循环运动，从而防止织物由于快速冷却而造成皱印和折痕，同时减少加工时间，提高了生产效率，并可在高温条件下加入分散染料。
目前，“桃皮绒”、“水洗”等改善视觉和手感的加工己成为一种时尚。在Airflow AFS气流染色机中还装有一附加的转笼式滚筒，用于织物的绳状整理（酶处理、抛光、柔软、烘干等），因此能做到一机多用。
3.2.2 Airflow气流染色机装有HFN-System特殊喷嘴。它最显著的特点是在染色和水洗时，可大大提高织物通过喷嘴的流速，使加工织物的品质得到改善，如针织物的收缩性和机织物的丰满度等，使织物变得更为松弛，手感更好，故该机的品种适应性也大大提高。

3.2.3 Airflow气流染色机还装有DQC系统。该系统使染色具有更高的重现性，有利于实现一次染准性，使染色加工更为环保，且能降低染色成本。
传统染色机染色工艺条件是根据预先贮存在计算机中的程序进行的，加工不同织物时，可根据织物的门幅和克重等因素预先设定。新的DQC系统可通过选配的探测装置，根据基础数据和预设的参数，制订最佳的工作时间和工艺条件(包括水的用量和蒸汽压力)，并根据织物的克重、规格及匹长，自动设定车速和浴比等，从而达到均匀的染色效果。

3.2.4 Airflow染色机配备有最新的Lonworks装置。该系统在原有每个传感器需要4条导线的基础上，采用一条自由结构的导线联成网络，并增加了多种自行测试功能。维护人员可以在远程对这些基于Lonworks的机器进行诊断，因而节约了维护和修理费用。故障发生处的确定，可以精确到某个传感器或执行器，使维护人员能迅速地针对问题进行修复工作，节省时间。例如，阀门垫圈的老化过程可以通过设备上所包含的预测维护系统来跟踪和监视。此外，操作人员可以通过操作简便的触摸式屏幕，直接控制车间中的每台设备。
4 结束语
4．1 溢流染色机喷嘴压力低（0-1kg/cm2），运行过程中喷嘴液流对结构疏松织物的冲击轻微，减少起毛起球现象，改善织物的手感及外观。立信公司ECO系列生态环保溢流染色机最低行机浴比可降至1：3.5-1：4，棉织物的染色浴比降至1：5；EGO-6由于具有MSR管水型水洗系统及MIR多功能智能水洗系统，使棉织物漂白和染色全工艺比常规节省化学助剂量28.6％、节水25.8％、缩短染色时间51.9％。

4．2 气流染色机平均浴比1：3：自动化程度高：与常规喷射染色机相比，节约蒸汽和水50％，缩短染色时间50％以上，染色重现性好。

4．3 溢流染色机和气流染色机工艺实践表明，织物的加工质量优，手感好，设备的适用性广，流程短，节电、节水，自动化程度高，符合生态环保要求