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色纺纱产品绿色设计的探讨

时间:2022-09-01 09:21来源:未知 作者:mac 点击:
摘 要: 为了实现色纺纱产品的绿色制造,以FZ/T07013-2021《绿色设计产品评价技术规范色纺纱》为依据,对比了2种色纺纱产品设计方案的实际生产数据与标准的量化指标,并将生命周期评价(LCA)方法引入到色纺纱整个生产过程,识别评价了生产边界内各阶段对环
  
摘    要:
 
为了实现色纺纱产品的绿色制造,以FZ/T07013-2021《绿色设计产品评价技术规范色纺纱》为依据,对比了2种色纺纱产品设计方案的实际生产数据与标准的量化指标,并将生命周期评价(LCA)方法引入到色纺纱整个生产过程,识别评价了生产边界内各阶段对环境影响的主要因素,针对主要因素优化了产品设计方案。结果表明:通过构建色纺纱生命周期模型,开展产品生命周期评价,针对性采取减小染色浴比、调整染色工艺、改进纺纱工艺、优化纱线原料配比,可以减少生产过程的单位产品水耗、能耗,减小对环境的影响。
 
关键词:色纺纱;绿色设计;生命周期;纺纱工艺;染色工艺;资源消耗;能源消耗;环境;
 
Discussion on green design of spun-dyed yarn
Hou Feng Yang Benxiao
Chen Chao
China Cotton Textile Association
 
Abstract:
in order to realize the green manufacturing of color spinning products, based on FZ / T 07013-2021 Technical specification for eco-design product assessment- spun-dyed yarn,the actual production data of two kinds of spun-dyed yarn product design schemes are compared with the standard quantitative indicators, and the life cycle assessment (LCA) method is introduced into the whole production process of spun-dyed yarn, and the main factors affecting the environment at each stage within the production boundary are identified and evaluated, The product design scheme is optimized according to the main factors. The results show that the water consumption and energy consumption per unit product in the production process can be reduced and the impact on the environment can be reduced by constructing the life cycle model of spun-dyed yarn, carrying out the product life cycle assessment, and taking targeted measures to reduce the dyeing bath ratio, adjust the dyeing process, improve the spinning process and optimize the yarn raw material ratio.
 
绿色制造是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下,综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式[1]。研究表明,产品全生命周期80%的资源环境影响和90%的制造成本取决于产品设计[2]。因此,纺织企业通过优化产品设计,提高资源能源的使用效率,是落实绿色制造的重要抓手之一。以色纺纱产品设计生产为例,以FZ/T 07013—2021《绿色设计产品评价技术规范 色纺纱》为依据,将色纺纱产品实际生产数据与标准的量化指标进行对比,并将生命周期评价(Life Cycle Assessment,简称LCA)方法引入到色纺纱全生产过程,识别生产边界内各阶段对环境影响的主要因素,通过改进设计方案,调整生产工艺,提升产品绿色性的量化指标,以期为色纺纱企业减少资源、能源消耗,降低生产阶段对环境影响,实现产品绿色化设计和生产提供参考。
 
1 色纺纱生产设计
1.1 产品要求及设计
要求纺制的色纺纱为针织用纱,颜色为麻灰色,要具备一定的吸湿排汗性,主要技术指标为:线密度14.5 tex,断裂强度≥13.5 cN/tex,强力CV≤14%,条干CV≤20%,耐皂洗色牢度(变色)≥4,耐皂洗色牢度(沾色)3-4,耐汗渍色牢度(变色)≥4,(沾色))3-4,耐摩擦色牢度(干摩擦)≥4,耐摩擦色牢度(湿摩擦)≥3。
 
根据色纺纱指标和性能要求,先设计了2种产品方案。
 
A方案设计原则:产品要穿着舒适,吸湿性较强,原料成本适中,可以选择棉和粘胶纤维,再混配一定量的腈纶,提高纱线的可纺性、强力和弹性。因此,产品A设计为粘胶/腈纶/棉 40/40/20 14.5tex(麻灰色)。原料规格原棉3128B级,粘胶纤维1.44 dtex×38 mm,腈纶1.44 dtex×38 mm。染料为活性黑K型。
 
B方案设计原则:原料生产成本经济,可纺性较好,产品具备一定的吸湿,条干较好;面料平整光洁、色彩鲜艳。因此,产品B设计为涤纶/粘胶 70/30 14.5tex(麻灰色)。原料规格涤纶1.56 dtex×38 mm,粘胶纤维1.44 dtex×38 mm。染料为活性黑K型。
 
1.2 生产工艺流程
对粘胶纤维进行染色,浴比1:7,染色工艺流程如图1所示。
 
采用环锭纺纱生产流程,经开清棉、梳棉、预并、三道混并、粗纱、细纱、络筒生产工序,最后打包。
 
1.3 绿色设计评价依据
将2种色纺纱产品A和B的实际生产数据与FZ/T 07013—2021标准中生产指标的限额值和符合性要求进行对比。
 
1.4 色纺纱生命周期模型的构建
生命周期评价是对某一产品系统或服务,从获取原材料直至最终废弃处理的整个生命周期的输入、输出及潜在环境影响进行汇编和评价的技术[3]。通过识别和量化各阶段能源和物料的消耗以及环境释放,继而评估对环境的影响,最后寻找减少这些影响的方案[4]5。
 
色纺纱生产的生命周期模型应以整个生产过程为系统边界,包括原料获取、生产和包装3个阶段。原料获取阶段包括腈纶、粘胶纤维、棉花等原材料的消耗;生产阶段包括纤维染色、纺纱2个生产单元的原料、能源等消耗;包装阶段包括色纺纱成品所用的各种包装材料的消耗。
 
1.5 生命周期评价方法
将3个阶段的相关数据输入至LCA软件,可以测算出各阶段对环境影响的量化数据,能够较完整反映出各阶段对环境的影响程度。
 
2 生产指标对比及分析
色纺纱绿色设计产品对生产过程中的资源、能源、环境、产品4个指标有明确的定量和符合性要求。将2种色纺纱的实际生产数据经过统计、计算、汇总后,与标准中规定的限额值和符合项进行对比,结果如下。
 
(1)资源属性指标:标准明确了有害染料含量,要求禁用有害芳香胺染料,致癌染料含量≤30 mg/kg,致敏性分散染料含量≤50 mg/kg,产品A、产品B均未采用该3类染料。要求纤维染色工序单位产品取水量指标≤90 m3/t,纺纱工序单位产品取水量指标≤15 m3/t,产品A实际分别为70 m3/t、6.8 m3/t,产品B实际分别为70 m3/t、7.5 m3/t。要求印染企业水重复利用率≥40%,2个产品实际均为41%。要求纯棉普梳纱或混纺纱原料消耗比率≤1.10,产品A、产品B分别为1.08、1.06。
 
(2)能源属性指标:标准要求纤维染色工序单位产品综合能耗≤630 kgce/t,纺纱工序单位产品综合能耗≤550 kgce/t,产品A实际分别为620 kgce/t、388 kgce/t,产品B实际分别为619 kgce/t、393 kgce/t。
 
(3)环境属性指标:对于纤维染色、纺纱全生产过程单位产品污染物排放量,标准要求废水排放量≤75 m3/t,产品A、产品B实际均为70 m3/t。要求CODCr≤26.2 kg/t,产品A、产品B实际均为20 kg/t;氨氮排放量≤900 g/t,产品A、产品B实际均为800 kg/t;总氮排放量≤1500 g/t,产品A、产品B实际均为1 200 g/t;总磷排放量≤75 g/t,产品A、产品B实际均为22 g/t。污泥、化学原料桶、包装材料等固体废物处置率为100%,产品A、产品B实际均为100%。
 
(4)产品属性指标:要求产品应符合GB 18401、GB/T 18885和T/CNTAC 8的有关规定,产品A、产品B均符合。
 
从产品A和产品B实际生产的各项数据来看,均能够符合标准的相关指标要求。从产品设计的角度来看,可以通过降低染色浴比、更换染料类型、降低固色温度及优化纺纱工艺等,实现资源、能源属性生产指标的持续改进。
 
3 产品生命周期评价指标分析
本生产选择了7种环境影响类型,利用LCA软件Gabi[5],输入3个阶段的资源、能源消耗等相关数据,计算出每生产1 t产品A或B对环境的影响情况,结果如下。
 
从计算结果看,色纺纱在生产过程中,气候变化、初级能源消耗和水资源消耗这3个指标对环境影响较大。
 
气候变化指标代表生产各阶段温室气体排放对环境的影响,以二氧化碳当量的形式表示[6]。产品A温室气体排放总量为8 651 kg CO2 eq.,其中染色过程排放量为764 kg CO2 eq.,环锭纺纱过程排放量为7572 kg CO2 eq.,包装过程排放量为315 kg CO2 eq.。产品B温室气体排放总量为12 176 kg CO2 eq.,其中染色过程排放量为764 kg CO2 eq.,环锭纺纱过程排放量为11 097 kg CO2 eq.,包装过程排放量为315 kg CO2 eq.。从生产过程来看,环锭纺纱过程的温室气体排放量最大,占到87%以上。从原料消耗来看,原料的生产方式不同,对环境的影响和程度不同[4]25。棉花的种植需要各种生产要素投入,例如消耗水、农药化肥等;化学纤维的生产要消耗石油、电能等,都会对环境产生影响,导致生产不同的原料对环境CO2eq的贡献是不同的。企业生产消耗原料,间接对环境产生了影响。通过Gibi软件计算,纺纱过程中所用的4种原料单位产品温室气体排放从大到小依次为腈纶、涤纶、棉纤维、粘胶纤维。在产品设计中,选择排放较小的纤维作为生产原料,以有效减少产品的排放总量,降低对环境的影响。
 
对于初级能源消耗指标,2种产品的染色和包装过程相同,初级能源消耗相同,纺纱过程最大,均占到80%以上。从环锭纺纱生产用电来看,2种产品纺纱工艺相同,生产过程中的电耗和水耗量相差较小,初级能源消耗基本相同。从环锭纺纱原料消耗来看,不同原料的产生对初级能源的消耗是不同的。腈纶和涤纶是以初级能源石油为原料,由于生产工艺差异较大,获得同等质量的腈纶初级能源消耗量大于涤纶。而粘胶纤维和棉纤维的获取初级能源的消耗较小,可以忽略不计。因此,在产品设计中,减少化学纤维中合成纤维的用量可以有效减少初级能源消耗。
 
对于水资源消耗,2种产品染色、纺纱、包装3个阶段选择的工艺是相同的,单位产品的取水量大致相当,在产品设计中可以通过降低染色浴比等方案来降低水资源消耗。
 
4 产品设计方案改进及效果
为实现资源、能源属性生产指标的持续改进,在保证符合产品性能和指标要求的前提下,综合原2个色纺纱产品方案,最终产品规格优化调整为粘胶/棉/涤纶 70/20/10 14.5tex,麻灰色。同时对纺纱流程、染色工艺作以优化。在保证色纺纱产品质量和终端使用要求的前提下,将原染色方案中的浴比由1:7调整为1:6,减少水耗;染料由K型改用KN型,KN型与K型相比,染色温度高,固色温度低,将染色温度由40 ℃,保温30 min,固色温度90 ℃,保温30 min,调整为染色温度60 ℃,保温30 min,固色温度60 ℃,保温30 min,降低能耗;染色升温由1 ℃/min调整为1.5 ℃/min,缩短升温时间,降低能耗;简化纺纱流程,取消预并条工序,优化配置工艺保证纺纱指标达到要求,以降低能耗;调整原料混纺比例,减少涤纶用量,降低资源、能源消耗。
 
色纺纱生产方案改进后,成纱质量指标均达到产品要求,经过实际生产统计数据显示,纤维染色工序单位产品取水量降至65 m3/t,约下降7.1%;单位产品综合能耗降至605 kgce/t,约下降2.4%;纺纱工序单位产品综合能耗降至380 kgce/t,约下降2.1%。气候变化指标为6 139 kg CO2 eq.,比产品A下降29.0%,比产品B下降49.6%。初级能源消耗为65 019 MJ,分别比产品A下降41.3%,比产品B下降65.2%。水资源消耗为77 900 kg,比产品A下降0.5%,比产品B基本相当。C产品满足绿色设计产品的指标要求,同时面料的色牢度、强力、吸湿性、颜色及风格等满足用户要求,达到了绿色设计的目的。
 
5 结语
将色纺纱实际生产数据与FZ/T 07013—2021中对生产指标的限额或符合性要求进行对比,将生命周期评价方法引入到色纺纱整个生产过程,可以识别色纺纱生产边界内各阶段对环境影响的主要因素。通过优化产品设计方案,可以实现相关指标的优化。在染色方面,通过降低染色浴比、筛选染料,调整染色工艺,可以降低单位产品的水耗和综合能耗;在纺纱生产阶段,取消预并条,精简生产流程,可以减少单位产品综合能耗,从而实现生产的绿色化;在保持产品风格前提下,适当增加粘胶纤维或棉纤维在纱线中的占比,可以降低产品生命周期中的气候变化、初级能源消耗和水资源消耗指标的数值,减小对环境的影响。
 
参考文献
[1] 路甬祥.走向绿色和智能制造[J].制造技术与机床,2010(2):8.
[2] 卢阳春.浅谈绿色设计产品评价[J].上海节能,2020(3):200.
[3] ISO. Environmental management- life cycle assessment: princi-ples and framework (ISO 14040)[R]. Geneva: International Orga-nization for Standardiz. ation,2006.
[4] 郭燕,陈丽华,郝淑丽,等.服装全生命周期碳足迹[M].北京,人民出版社,2013:5
[5] 杨鸣.机电产品模块化生命周期评价方法研究及其软件开发[D].上海:上海交通大学,2011.
[6] 王来力,吴雄英,丁雪梅,等.棉针织布的工业碳足迹和水足迹实例分析初探[J].印染2012,38(7):43-46.
 
(责任编辑:mac)
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