新型移動(dòng)床滲出器在甘蔗糖廠的應(yīng)用與分析

胡建諒

(中國成套設(shè)備進(jìn)出口集團(tuán)有限公司，北京100011)

0 前言

甘蔗制糖采用壓榨法提汁已有百年歷史，由于技術(shù)成熟、過程快速，提汁的純度穩(wěn)定，目前仍然是世界各產(chǎn)糖國的主流技術(shù)。然而近幾十年來尤其是最近幾年，節(jié)能降耗和生產(chǎn)成本控制已經(jīng)成為全球制糖業(yè)的首要課題，用滲出法替代壓榨法在甘蔗制糖生產(chǎn)中開始顯示出明顯的優(yōu)越性[1-3]。

從工藝過程上劃分，滲出法有甘蔗滲出法和蔗渣滲出法。甘蔗滲出法是甘蔗破碎后直接進(jìn)入滲出器，提出的滲出汁進(jìn)入澄清工段，蔗渣再進(jìn)入2座榨機(jī)脫水[4]；蔗渣滲出法是將破碎甘蔗先進(jìn)行一級(jí)壓榨，再進(jìn)入滲出器提汁，滲出汁與一級(jí)壓榨機(jī)的蔗汁混合，蔗渣仍用2座榨機(jī)脫水。也就是甘蔗滲出法替代了前3座榨機(jī)，適合新建廠配置；蔗渣滲出法替代了第2、3座榨機(jī)，適合老廠擴(kuò)建改造，因保留的第一座榨機(jī)已經(jīng)提出了大部分糖分，則滲出器的規(guī)模和尺寸要小很多。

從結(jié)構(gòu)形式上劃分，滲出器主要有固定床和移動(dòng)床2種形式。固定床的滲出器底部篩板固定，蔗料在數(shù)條鏈耙的拖動(dòng)下在篩板上滑動(dòng)，類似于壓榨法的中間耙齒機(jī)；移動(dòng)床滲出器的底部篩板在鏈輪的拖動(dòng)下承載蔗料向前移動(dòng)，類似于甘蔗主輸送機(jī)。不管是固定篩板還是移動(dòng)篩板，其逆流滲出的模式是相同的，在蔗料向前運(yùn)行過程中，從后端泵入滲透水，頂部淋灑穿過蔗料層，從篩板瀝出，底部隔室收集再逐級(jí)向前泵送，形成滲透汁的濃度梯度，蔗料中的糖分被逐步洗提。

通常滲透汁的循環(huán)泵送需要13級(jí)左右，原始滲出器的泵送是單循環(huán)，即逐級(jí)向前泵送噴淋，而新型移動(dòng)床滲出器將單循環(huán)改為隔級(jí)循環(huán)或稱兩組平行循環(huán)，即泵機(jī)送入的隔室位置形成 1/3/5/7/9和2/4/6/8/10，這種跨級(jí)泵送增大了滲透汁的濃度梯度，有利于蔗絲中的糖分被洗脫，進(jìn)一步提高了滲出器的提汁效果。

從2013年至今，筆者在非洲組織參建了3個(gè)大型現(xiàn)代化的甘蔗糖廠，包括建設(shè)、試車和運(yùn)營工作，其中1個(gè)6000 t/d可擴(kuò)建10000 t/d的糖廠采用了壓榨法，另2個(gè)12000 t/d的糖廠采用了滲出法。經(jīng)過招標(biāo)過程的技術(shù)比較，2個(gè)滲出法糖廠引進(jìn)了歐洲公司的專有技術(shù)，即新型移動(dòng)床滲出器，并授權(quán)國內(nèi)制糖裝備制造公司制造加工，是國內(nèi)首次自主采購、加工，并在海外安裝和運(yùn)行的大型滲出器設(shè)備。這2套新型滲出器的設(shè)計(jì)、加工和使用標(biāo)志著中國制糖業(yè)在甘蔗提汁方面有了一次新的突破，也為制糖行業(yè)工藝和裝備的升級(jí)換代提供了難得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和參考借鑒。

1 新型移動(dòng)床滲出器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

滲出器類似一個(gè)箱體，長(zhǎng)約60 m，寬約12 m。頭部上方呈直角安裝布料輸送機(jī)；中部上方有2排翻料螺旋，疏松逐漸壓實(shí)的蔗料，增加透水性；接近尾部設(shè)置壓力水鼓，對(duì)即將離開的蔗渣施加壓力，初步脫水，再用打散機(jī)排出蔗渣；尾部是出料皮帶輸送機(jī)，將提汁后的蔗渣送到脫水榨機(jī)。

滲出器內(nèi)的底部是移動(dòng)型篩板，由軌道和輪子支撐并拖動(dòng)，篩板下面是12～14個(gè)收集滲透汁的隔室，再由12～16個(gè)泵機(jī)隔級(jí)向前泵送，管道連接至滲出器頂部，通過橫向溢流槽出汁并均衡噴淋。

滲出器中部靠近2排螺旋翻料器的位置有2排進(jìn)石灰乳的管道，噴淋石灰乳并中和滲透汁的 pH值至 6.5左右，避免糖汁在高溫和長(zhǎng)時(shí)間過程中的轉(zhuǎn)化。蔗渣用2座榨機(jī)脫水后的含微量糖分的壓出水也不斷循環(huán)回到滲出器，與尾端進(jìn)入的熱水同時(shí)作為滲透水。

滲透汁循環(huán)泵的最后兩級(jí)需要先泵送至兩級(jí)加熱器，加熱后再回到滲出器，通常稱為熱燙汁；同時(shí)滲出器的中部還有2根蒸汽管直接進(jìn)入滲出器底部糖汁收集槽內(nèi)，補(bǔ)充并調(diào)節(jié)滲出器溫度，這2種加熱方式維持了滲出器的溫度在恒定75℃左右。圖1是移動(dòng)床滲出器的結(jié)構(gòu)示意圖。

2 移動(dòng)床滲出器的工作原理及關(guān)鍵控制點(diǎn)

圖1 移動(dòng)床滲出器結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 逆流滲出原理

甘蔗經(jīng)過蔗刀和撕裂機(jī)破碎后，形成絲狀或細(xì)小纖維狀，通常破碎度達(dá)到90%以上，用入料輸送機(jī)均勻分布到篩板上，蔗料高度在 1.4～1.7 m，可通過篩板運(yùn)行速度調(diào)整。滲透水和榨機(jī)壓出水逆流泵送循環(huán)，噴淋浸泡，洗脫蔗料中的糖分。由于是隔級(jí)噴淋，加大了滲透汁的糖度濃度差，相當(dāng)于壓榨機(jī)的復(fù)式滲透法，只不過時(shí)間更長(zhǎng)、溫度高、復(fù)式次數(shù)多，所以不必施加壓力。

滲透汁經(jīng)過 10～14次循環(huán)后與前端新鮮低溫蔗料接觸，此時(shí)泵出的滲透汁需要經(jīng)過兩級(jí)加熱器加熱，熱燙汁再對(duì)首段蔗層進(jìn)行噴淋接觸，并在滲出器中段補(bǔ)充直接噴汽加熱，維持所需的恒定滲出溫度。圖2是移動(dòng)床滲出器的工藝流程效果圖。

圖2 移動(dòng)床滲出器工藝效果圖

2.2 滲出器關(guān)鍵控制點(diǎn)

⑴滲出溫度：由于滲出的原理是利用加熱甘蔗絲使其細(xì)胞變性才能保證滲出持續(xù)進(jìn)行，所以控制滲出器溫度是關(guān)鍵因素。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，滲出最佳溫度為 75℃±2℃。溫度過低會(huì)造成蔗渣糖分損失，影響抽出率，而且會(huì)有微生物感染的風(fēng)險(xiǎn)；溫度過高會(huì)造成過度滲出，導(dǎo)致滲出汁純度下降，影響澄清效果或糖分回收。

⑵滲出時(shí)間和蔗層高度：滲出時(shí)間是通過理論分析和長(zhǎng)時(shí)間操作總結(jié)的重要控制參數(shù)，目前最佳滲出時(shí)間應(yīng)該在60～70 min，可以用變頻器調(diào)整篩板運(yùn)行速度。時(shí)間過短或過長(zhǎng)都會(huì)出現(xiàn)與上述滲出溫度相似的影響。由于糖廠榨量是波動(dòng)的，在保證最佳時(shí)間控制也就是篩板恒定運(yùn)行速度的前提下，蔗層厚度隨榨量波動(dòng)將自行調(diào)節(jié)。一般蔗層厚度在1.4～1.7 m的范圍內(nèi)對(duì)滲出效果沒有影響，如果低于或高于這個(gè)范圍，仍可正常操作，比如曾出現(xiàn)過1.2m和2.0 m的情況，但此時(shí)最好考慮用篩板運(yùn)行速度調(diào)節(jié)過高或過低的料位。

⑶滲透水量控制：滲透水按設(shè)計(jì)要求控制在對(duì)甘蔗纖維分的 300%～350%，在實(shí)踐操作中為了減少蒸汽消耗，曾經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間在280%左右范圍內(nèi)，但抽出率仍然在97%以上?？梢姡瑵B透水量和滲出時(shí)間及滲出溫度這三者之間存在互為調(diào)節(jié)的情況，最終達(dá)到一個(gè)可以接受的抽出率。換句話說，當(dāng)糖廠擴(kuò)建的榨量遠(yuǎn)高于原設(shè)計(jì)的時(shí)候，通過上述3個(gè)參數(shù)的調(diào)整，仍能得到一個(gè)滿意的抽出率指標(biāo)。

⑷滲出汁 pH控制：設(shè)計(jì)要求滲出器內(nèi) pH在6.3～6.6之間，通過添加石灰乳實(shí)現(xiàn)，以求減少滲出汁的轉(zhuǎn)化率。pH控制非常重要，尤其是在 75℃高溫下，顯然提高 pH值不僅可以抑制糖汁轉(zhuǎn)化，也能減少滲出器及附屬設(shè)備的腐蝕。經(jīng)過幾個(gè)榨季的總結(jié)，下個(gè)榨季我們準(zhǔn)備試著將pH值控制在pH 7左右。

3 移動(dòng)床滲出器與傳統(tǒng)壓榨法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較分析

3.1 工藝指標(biāo)對(duì)比

根據(jù)我們公司對(duì)2個(gè)采用滲出器糖廠3個(gè)運(yùn)營榨季的生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)，新型移動(dòng)床滲出器運(yùn)行狀態(tài)良好，甘蔗糖分抽出率都比較理想，其它控制指標(biāo)也都基本達(dá)到要求。表1是2個(gè)采用滲出器糖廠的生產(chǎn)實(shí)際主要工藝指標(biāo)的累計(jì)平均值。其中，實(shí)際測(cè)試能力低于設(shè)計(jì)能力的原因是甘蔗供應(yīng)問題；蔗渣水分雖然達(dá)到合同要求，但相比壓榨法偏高，其原因不是滲出器本身的問題，而是后面的脫水榨機(jī)能力限制。

滲出器的優(yōu)點(diǎn)之一就是較高的抽出率，通常實(shí)際抽出率都高于 97%，更正抽出率對(duì)于纖維分在15%以上的情況下，折算達(dá)到 98%左右，相比壓榨法提高了近2個(gè)百分點(diǎn)。

3.2 能耗及加工成本指標(biāo)對(duì)比

3.2.1 設(shè)備節(jié)能比較

表1 2個(gè)采用滲出器糖廠的核心指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

實(shí)踐證明滲出器與傳統(tǒng)壓榨法比較體現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)，按照同等日處理甘蔗12000 t規(guī)模并且纖維分高達(dá)15%以上來比較，壓榨法采取6座大型榨機(jī)或5座帶雙輥喂料器的型式，加上中間耙齒機(jī)，其總的裝機(jī)負(fù)荷需要12500 kW左右。而采用滲出器在保留后2座榨機(jī)和一臺(tái)中間耙齒機(jī)的情況下，滲出器本身及各類轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備及循環(huán)泵機(jī)約1000 kW，總裝機(jī)負(fù)荷少于5000 kW。采用滲出器可以節(jié)省電能負(fù)荷達(dá)一半以上。

滲出法雖然需要增加 10%～15%的滲透水，導(dǎo)致蒸發(fā)系統(tǒng)總用汽多了5%左右，但總的節(jié)能效果仍然顯著。尤其是對(duì)于兩步法生產(chǎn)精糖的糖廠，精煉車間需要增加這5%的耗汽，因此用汽量的增加可以忽略不計(jì)。但節(jié)省的電能對(duì)于非洲糖廠都有對(duì)外發(fā)電的工況，可以增加對(duì)外賣電的附加值?？梢哉f在有對(duì)外發(fā)電要求的情況下，滲出器的使用是唯一正確的選擇。

3.2.2 設(shè)備加工成本比較

一般傳統(tǒng)壓榨法，壓榨機(jī)需要專業(yè)制造廠家特殊技術(shù)制造，過程復(fù)雜，造價(jià)較高，尤其是配套的重型減速機(jī)和電機(jī)電器柜等都是價(jià)格不菲。移動(dòng)床滲出器經(jīng)過國內(nèi)技術(shù)消化和自主設(shè)計(jì)，其制造較為容易，一般機(jī)械廠就可制造，其他設(shè)備皆可配套。滲出器的關(guān)鍵構(gòu)件主要是移動(dòng)床或固定床的篩板和主軸及傳動(dòng)鏈條等，這部分制造要求較高，可以由專業(yè)制造廠家加工并提供。因此，去掉一次性技術(shù)引進(jìn)費(fèi)用后的直接設(shè)備制造成本比壓榨機(jī)減少30%左右。

3.2.3 設(shè)備維修成本比較

傳統(tǒng)的壓榨機(jī)由于采用壓力摩擦擠壓甘蔗絲，對(duì)機(jī)械部件磨損較大，維修技術(shù)條件要求較高，必須更換大量備件，每年的費(fèi)用大約相當(dāng)于整體維修費(fèi)的25%～30%；而滲出法只用2座壓榨機(jī)以脫水為目的，機(jī)械磨損程度小，每年維修量較少，而滲出器本身的維修費(fèi)用非常少，整體維修費(fèi)用相當(dāng)于壓榨法的一半。

3.2.4 工藝操作比較

壓榨法提汁時(shí)間短，設(shè)備系統(tǒng)少，操作簡(jiǎn)單，工藝線路短；滲出法提取時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)的輔助設(shè)備較多，操作相對(duì)復(fù)雜些、工藝線路長(zhǎng)。

4 采用滲出法替代壓榨法的應(yīng)用前景分析

通過對(duì)我國壓榨法制糖的長(zhǎng)期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)分析，對(duì)比我們?cè)诤Ｍ?個(gè)糖廠滲出法的實(shí)踐總結(jié)，使用滲出法替代壓榨法具有一定的優(yōu)勢(shì)和可行性。

⑴隨著國內(nèi)糖廠生產(chǎn)規(guī)模逐漸加大，對(duì)設(shè)備的負(fù)荷和機(jī)械強(qiáng)度要求越來越高，壓榨法的制造成本和每年的維修費(fèi)也越來越高。而縱觀國際上大型甘蔗糖廠已經(jīng)多傾向于采用滲出法提汁，從節(jié)能和降耗以及增加糖分回收率的角度出發(fā)，采用滲出器會(huì)越來越引起糖業(yè)界的重視。

⑵滲出法不僅適用于新建大型化糖廠，也適合老廠改擴(kuò)建的情況，比如保留原來1、4、5號(hào)榨機(jī)，將開口加大，在目前壓榨間外安裝“小型”滲出器，用輸送帶將蔗渣送出送回，或可達(dá)到 30%以上的擴(kuò)建能力。尤其是對(duì)于目前自發(fā)電裝機(jī)容量受到擴(kuò)容限制，但仍需要擴(kuò)大產(chǎn)能的糖廠，滲出器可以解決用電負(fù)荷問題。目前泰國的某些糖廠擴(kuò)建就是采用這種外接“蔗渣滲出器”的模式。

⑶對(duì)于那些有對(duì)外賣電要求的糖廠，采用滲出器是最好的選擇，這是非洲和巴西很多糖廠采用滲出器的直接理由，對(duì)外多賣電是這些糖廠產(chǎn)生效益的主要手段。目前國內(nèi)有些糖廠也是靠對(duì)外賣電來增加糖廠的綜合效益。

5 結(jié)語

無論是移動(dòng)床還是固定床的滲出器，在世界范圍的大型甘蔗糖廠已成為提汁設(shè)備選擇的主流趨勢(shì)。主要原因第一是節(jié)省電能，尤其是對(duì)外發(fā)電的糖廠，滲出器的使用產(chǎn)生更多的對(duì)外賣電附加值，是新建糖廠提汁設(shè)備的首選；第二是節(jié)省設(shè)備維修費(fèi)用和操作費(fèi)用，這是糖廠賴以生存的根本；第三是提高了近2個(gè)百分點(diǎn)的抽出率，最終導(dǎo)致產(chǎn)糖率的提高。

目前國內(nèi)再新建大型糖廠的可能性不大，但老廠的擴(kuò)建仍有很大需求，建議在老廠擴(kuò)建30%產(chǎn)能以內(nèi)的情況，并且熱電站的發(fā)電負(fù)荷不易擴(kuò)容的條件下，可以研究采用“蔗渣滲出法”或“甘蔗滲出法”對(duì)目前的壓榨間進(jìn)行擴(kuò)建改造。