優(yōu)化管理和設(shè)備革新以降低糖廠百噸蔗汽耗的研究探討

陳 進(jìn)

（廣西來賓東糖鳳凰有限公司，廣西 來賓 546102）

0 引言

百噸蔗汽耗是指甘蔗糖廠榨蔗100噸需要消耗鍋爐的蒸汽量，是甘蔗糖廠一個重要指標(biāo)。國內(nèi)各糖廠之間百噸蔗汽耗差距比較大，一般滿負(fù)荷生產(chǎn)比例越大、榨季停機(jī)次數(shù)越少的糖廠百噸蔗汽耗越小，而規(guī)模較小的糖廠在這方面的潛力更大。一般國內(nèi)多數(shù)的甘蔗糖廠百噸蔗汽耗在40噸左右，先進(jìn)的糖廠可以控制在35噸左右，小部分糖廠甚至達(dá)到45噸以上。百噸蔗汽耗在糖廠出現(xiàn)這么大的差距，有客觀和主觀上的原因。如何降低百噸蔗汽耗是一個系統(tǒng)工程，關(guān)系到企業(yè)管理、現(xiàn)有技術(shù)與設(shè)備的優(yōu)化以及新工藝和新設(shè)備的研究開發(fā)與推廣等方面，也與管理者的重視程度有關(guān)。近年來隨著社會和國家對企業(yè)的要求提高，甘蔗渣價格上漲，企業(yè)對該指標(biāo)的重視程度也隨之提高。

糖廠百噸蔗汽耗高，首先是技術(shù)和設(shè)備的問題，其次是管理方面的問題，切實解決了這兩方面存在的問題，糖廠在汽耗方面將會取得更大的成效。本文主要從制煉車間蒸發(fā)、煮糖工序的設(shè)備技術(shù)革新和加強(qiáng)管理進(jìn)行探討。

1 蒸發(fā)工序

蒸發(fā)是一個通過熱量傳遞而進(jìn)行糖汁濃縮的過程，其主要有兩個推動力，即溫度差是傳熱的推動力；壓力差是前一效糖汁能自動流入下一效的推動力。蒸發(fā)過程一個關(guān)鍵考量指標(biāo)是蒸發(fā)工效，目前絕大多數(shù)甘蔗糖廠采用五效蒸發(fā)，蒸發(fā)工效高低與抽汁汽方案有直接的關(guān)系，即蔗汁加熱和抽用越多低品質(zhì)汁汽煮糖，則蒸發(fā)工效越高，百噸蔗汽耗就越低。

1.1 提高蒸發(fā)工效

蒸發(fā)工效指蒸發(fā)系統(tǒng)所蒸發(fā)的總水量與輸入蒸發(fā)站的加熱蒸汽量的比值，這個比值通常在1.7～2.4之間［1］。檢驗蒸發(fā)工效的一個關(guān)鍵指標(biāo)是蒸發(fā)末效糖漿濃度，糖漿濃度高，則煮糖用汽少，煮制時間短，節(jié)能效果好。國外先進(jìn)糖廠的糖漿濃度超過70 °Bx，國內(nèi)節(jié)能較好的糖廠為65～68 °Bx，但目前有小部分糖廠約為60 °Bx，節(jié)能效果差距比較大。在廣西來賓東糖鳳凰有限公司2021/2022年榨季生產(chǎn)，通過報表系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢，蒸發(fā)工效計算如下。

入罐清汁量440 m3/h，錘度15.8 °Bx，蒸發(fā)末效糖漿錘度68.5 °Bx，鍋爐供汽155 t/h。通過查糖液錘度對應(yīng)視密度、視比重表［2］，清汁錘度15.8 °Bx對應(yīng)視比重為1.065 t/m3。

總蒸發(fā)水量［1］計算如下。

蒸發(fā)工效為360.5 / 155 = 2.33

式中，W為總蒸發(fā)水量，t/h；qG，0為入罐清汁量，t/h；B0為入罐清汁錘度，°Bx；B5為末效糖漿錘度，°Bx。

提高蒸發(fā)工效是一個比較大的課題，是一個系統(tǒng)工程。需抓住兩個突破點，一是蒸發(fā)系統(tǒng)自身的潛力挖掘；二是煮糖抽用汁汽管理和技術(shù)革新，關(guān)鍵因素還在于管理者的重視程度，這是最大的推動力。

1.2 蒸發(fā)系統(tǒng)設(shè)備與技術(shù)改進(jìn)

蒸發(fā)系統(tǒng)自身的潛力深挖，在硬件上需要通過設(shè)備引進(jìn)和技術(shù)革新；在軟件上加強(qiáng)內(nèi)部管理，企業(yè)的各級管理人員都認(rèn)真重視節(jié)能，努力貫徹執(zhí)行各項節(jié)能措施，比如蒸發(fā)加熱管采用機(jī)械自動通洗、改造糖汁進(jìn)汁方式以提高加熱面積的有效利用率、提高末效真空度以及盡可能多地利用低品質(zhì)汁汽和熱源等。

1.2.1 蒸發(fā)加熱管積垢的清除

目前甘蔗糖廠蒸發(fā)罐、加熱器使用的加熱管絕大多數(shù)是不銹鋼304材質(zhì)，壁厚2 mm，理想狀態(tài)下加熱管單層壁進(jìn)行熱傳導(dǎo)。但實際使用過程加熱管內(nèi)外壁面或多或少會附一層積垢，傳熱過程就不是單層壁而是要再通過管壁面的積垢進(jìn)行熱傳導(dǎo)，形成的積垢導(dǎo)熱系數(shù)比金屬低很多，直接影響加熱管的傳熱效率［3］。附在管壁面的積垢成分比較復(fù)雜，外壁面上的積垢主要是乏汽的油漬和汁汽中的糖分，而內(nèi)壁面上的積垢則主要來自糖汁中未除去的懸浮物和非糖分溶質(zhì)。一般由于外壁形成積垢較少可忽略，所以糖廠通常說的“通洗罐”只是指清除加熱管內(nèi)壁面上的積垢。甘蔗糖廠各效蒸發(fā)罐積垢成分的一般規(guī)律為第一效罐積垢的有機(jī)組分及磷酸鹽含量比后面各效罐高，末效罐的硫酸鹽積垢比前面各效罐多。這可能是由于硫酸鹽的緣故，所以末效罐的積垢最堅實，難以除去［1］。

目前糖廠普遍用高壓水槍進(jìn)行機(jī)械除垢，工作壓力為600～1000 kg/cm2，有人工通洗和機(jī)械自動通洗兩種方式。人工通洗時由于高壓水槍噴射出來的水與加熱管內(nèi)壁接觸時間較短，所以通洗速度快，設(shè)備故障少，但是由于壓力過高，人力難以承受所以工作壓力較低，一般是600～800 kg/cm2；而機(jī)械自動通洗時與單根加熱管內(nèi)壁接觸時間是人工通洗的1.5倍以上，沖擊積垢力度大，積垢脫落比較完全，比人工通洗的干凈很多，有利于熱傳導(dǎo)，其工作壓力大，為900～1000 kg/cm2。

蒸發(fā)罐后面兩效積垢比較堅實，轉(zhuǎn)停罐后建議用乏汽通過加熱管對罐體進(jìn)行“烘罐”，每隔約2小時給加熱管淋一次冷水，條件允許時“烘罐”8小時以上，在熱漲冷縮作用下，積垢較松散、部分積垢甚至?xí)匀幻撀洹Ｍㄟ^實踐對比證明，“烘罐”后加熱管通洗得更加干凈。

1.2.2 改造糖汁布料器

目前甘蔗糖廠常用的蒸發(fā)罐布料器有兩種，即環(huán)形管布料器和半橢圓形面布料器，都是根據(jù)進(jìn)汁量在環(huán)形管或半橢圓形面的外表面上，均勻的設(shè)置多個Φ40～Φ50 mm的小孔，目的是為了讓糖汁均勻分布到汽鼓加熱面。不管是哪種布料形式，通過觀察第三效罐以后的糖汁，能覆蓋到汽鼓面的越來越少，甚至到末效只可見汽鼓面局部有少量糖汁沸騰。這主要原因是隨著糖汁逐效增濃，糖汁量逐效減少；其次是后面幾效罐的液面控制也相對低一些。糖汁如果不能全部覆蓋加熱面甚至只覆蓋局部，那么蒸發(fā)罐加熱面積有效利用率就降低，甚至有少量糖汁滯留在加熱管內(nèi)增加了過程的轉(zhuǎn)化。因此，通過改造蒸發(fā)罐布料器，能夠充分讓糖汁均勻地分布在汽鼓面上。

廣西來賓東糖鳳凰有限公司是拆除原有的環(huán)形管布料器，在蒸發(fā)罐底部重新制作環(huán)形管布料器，進(jìn)汁總管上設(shè)置很多Φ50 mm的出汁支管，在支管上均勻的設(shè)置有Φ8 mm的出汁小孔，具體開孔數(shù)量按進(jìn)汁總管截面積的1.2～1.5倍設(shè)計。通過管道加壓泵將糖汁從出汁小孔噴出，使糖汁均勻的在汽鼓面上沸騰。通過實踐觀察，使用管道加壓泵強(qiáng)制對流后在汽鼓面的糖汁分布均勻，沸騰情況良好。改造后的蒸發(fā)罐布料器示意圖，如圖1所示。

圖1 改造后的蒸發(fā)罐布料器示意圖

1.2.3 提高末效蒸發(fā)罐的真空度

在一個密閉的容器內(nèi)，完全沒有氣體壓力或氣體壓力低于1個大氣壓力的狀態(tài)均可稱為真空。蒸發(fā)末效真空度通常要求-0.08～-0.09 MPa，蒸發(fā)末效真空度偏低直接影響蒸發(fā)工效及糖漿濃度，而影響蒸發(fā)末效真空度的因素有很多，比如蒸發(fā)罐或者被腐蝕的管道密封性較差、冷凝器的水溫度偏高、高效冷凝器噴嘴堵塞等，均會影響蒸發(fā)末效真空度。

糖廠在每個榨季開榨前都會進(jìn)行蒸發(fā)末效罐密封性（真空度）試驗，通過試驗可以對蒸發(fā)末效罐的相關(guān)設(shè)備、管道和閥門的密封性進(jìn)行檢查。而若只試驗?zāi)┬Ч廾芊庑赃€不夠嚴(yán)謹(jǐn)，因為第Ⅲ效罐的汁汽室壓力趨于正壓和真空之間，而后面三效密封性較差時會影響整個蒸發(fā)系統(tǒng)。建議第Ⅲ～第Ⅴ效罐應(yīng)該模擬榨季生產(chǎn)聯(lián)動試密封性試驗，其比末效罐進(jìn)行密封性試驗難度大一些，用時較長，但是通過該聯(lián)動試驗?zāi)軝z查出更多潛在的問題，能減少問題在榨季過程中出現(xiàn)的幾率，提高榨季末效真空度。廣西來賓東糖鳳凰有限公司2021/2022年榨季開榨前采用模擬榨季生產(chǎn)聯(lián)動試密封性試驗，通過整改，整個榨季末效真空度比往年高出很多。

1.2.4 盡可能多地利用低品質(zhì)汁汽和熱源

蔗汁加熱時盡可能使用低品質(zhì)熱源對蒸發(fā)工效影響很大。條件允許時建議混合汁加熱采用三級加熱，即第一級加熱源用蒸發(fā)末效汁汽；第二級用蒸發(fā)第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ效的混合汽凝水；第三級用Ⅳ效汁汽。混合汁三級加熱示意圖，如圖2所示。

圖2 混合汁三級加熱示意圖

根據(jù)南寧糖業(yè)博宣公司和來賓湘桂小平陽公司的實際生產(chǎn)經(jīng)驗，混合汁經(jīng)蒸發(fā)末效汁汽、蒸發(fā)第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ效混合汽凝水加熱后溫度可提至45℃左右，再通過第三級Ⅳ效汁汽加熱到工藝要求的溫度，可以有效地降低糖廠百噸蔗汽耗。

2 煮糖工序

煮煉工序是糖廠實際消耗能量最大的工序，是糖廠節(jié)能的重點，煮糖用汽量是影響糖廠能耗的關(guān)鍵。目前國內(nèi)甘蔗糖廠煮糖用汽量對甘蔗的比例，很多廠超過20%，國內(nèi)較先進(jìn)的為16%～18%［4］。在沒有條件投入較大設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造的情況下，建議煮糖圍繞不用乏汽、少用Ⅰ效汁汽、多用Ⅱ效和Ⅲ效汁汽的原則進(jìn)行，具體就是丙糖膏煮制用Ⅰ效汁汽為主，Ⅱ效汁汽為輔；甲乙糖膏煮制只用Ⅱ效和Ⅲ效汁汽。對于煮糖用汽量對甘蔗比例高的糖廠，如果按該用汽原則進(jìn)行，可能較難降低能耗，需循序漸進(jìn)。糖廠在使用該用汽原則的過程中，將可能遇到的一些問題進(jìn)行探討。

2.1 汽凝水的排除

很多糖廠煮糖汽凝水沒有單獨按效分開排除，大多是混合排除。雖然汽凝水先排往等壓罐再匯總到排水總管，但如果某個等壓罐自力式液位控制閥密封性不好或故障就會出現(xiàn)“串汽”，從而造成排水不順暢。建議使用Ⅰ效、Ⅱ效和Ⅲ效汁汽的煮糖罐的汽凝水應(yīng)分開排除到對應(yīng)管道中。目前很多糖廠為了減少汽耗都在嘗試抽用Ⅲ效汁汽用于煮糖，但是糖膏煮制時對流不好，影響煮制效果。抽用Ⅲ效汁汽時最忌諱的是不能連續(xù)性抽用時，如出現(xiàn)停抽用一段時間，部分Ⅲ效汁汽在管道內(nèi)會凝結(jié)成水，不疏水直接抽用時，糖膏較長時間會出現(xiàn)不對流的情況，既影響煮糖罐時又容易出現(xiàn)糖膏“坐底”現(xiàn)象。

抽用Ⅲ效汁汽煮糖時，除了單獨排除汽凝水還應(yīng)給Ⅲ效汁汽一個加速力。廣西來賓東糖鳳凰有限公司通過在抽用Ⅲ效汁汽的煮糖罐單獨的汽凝水總管道上附加一個真空即-0.04～0.06 MPa，通過真空作用使汽鼓內(nèi)的汽凝水及時排除，同時給Ⅲ效汁汽一個“拉力”，反向加快它的流速。通過實踐對比，增加真空后汽凝水排除量是原來的2倍以上。而單位時間內(nèi)汽凝水排除量增加，意味著Ⅲ效汁汽填充加快，熱交換自然也加快，糖膏對流情況比原來好很多。煮糖Ⅲ效汽凝水排除示意圖，如圖3所示。

圖3 煮糖Ⅲ效汽凝水排除示意圖

2.2 安裝汁汽升溫裝置

目前很多糖廠在煮糖抽用的Ⅲ效汁汽總管上用降溫前的乏汽進(jìn)行溫升，即是在乏汽降溫前分接乏汽，讓其經(jīng)過加熱器給煮糖預(yù)備抽用的Ⅲ效汁汽升溫，熱交換降溫后的乏汽再回到乏汽總管，Ⅲ效汁汽升溫可達(dá)6℃以上，該技術(shù)已比較成熟，但投資較大。廣西來賓東糖鳳凰有限公司研究嘗試給煮糖預(yù)備抽用的Ⅱ效汁汽進(jìn)行電加熱升溫，即把電能轉(zhuǎn)化為熱能，通過熱力衡算，電加熱總功率取為240 kW·h，電加熱管為20 kW·h/組，設(shè)計使用12組，溫升約2 ℃，如選擇在Ⅲ效汁汽進(jìn)行電加熱升溫，而Ⅲ效汁汽單位時間內(nèi)抽用量相對Ⅱ效汁汽少很多，提升溫度也會高一些。電加熱升溫投資比較少，發(fā)電量有富裕的糖廠建議考慮此方案。煮糖預(yù)備抽用的Ⅱ效汁汽電加熱升溫示意圖，如圖4所示。

圖4 煮糖預(yù)備抽用的Ⅱ效汁汽電加熱升溫示意圖

2.3 煮糖罐強(qiáng)制攪拌裝置

目前廣西區(qū)內(nèi)大部分糖廠在煮糖罐中安裝強(qiáng)制攪拌裝置，目的是加強(qiáng)糖膏在煮糖罐中的對流循環(huán)，提高傳熱效率和結(jié)晶速度，從而縮短煮糖時間；而良好的攪拌裝置還可以提高晶體質(zhì)量，降低所需的蒸汽壓力，減少了10%～30%的用汽量［5］。

2.4 罐時和用汽的管理

糖廠均有各自的罐時和用汽方案。煮糖工序的罐時和用汽方案應(yīng)以“最少的罐時和用汽量完成煮糖任務(wù)”為目標(biāo)。這是理想目標(biāo)，要想無限接近目標(biāo)是一個長期而艱巨的課題。

罐時的調(diào)配以盡可能減少“煮水待料”為原則，關(guān)鍵控制點在班組和崗位。把控好物料情況，按時開煮，理想狀態(tài)是開煮的罐按規(guī)定的煮制方法，能夠保持連續(xù)性。若出現(xiàn)“煮水待料”就意味著罐時的調(diào)配不夠理想。

用汽管理方面，煮糖用汽管理制度一般以“用最少的汽完成煮糖任務(wù)”為目標(biāo)。嚴(yán)格執(zhí)行用汽制度，開罐罐時調(diào)控合理，在同樣用汽制度下，可以減少用汽量。如果節(jié)能效果與職工績效直接掛鉤，成為企業(yè)職工的重要任務(wù)，這也將會成為節(jié)能降耗的推動力。

3 結(jié)語

總之，蒸發(fā)和煮糖工序從節(jié)約用汽的角度看，它們是一個整體、一個系統(tǒng)。提高蒸發(fā)工效除了深挖蒸發(fā)系統(tǒng)自身潛力，還可以在煮糖工序盡可能多用低品質(zhì)汁汽，比如不用乏汽、少用Ⅰ效汁汽、多用Ⅱ效和Ⅲ效汁汽。多使用低品質(zhì)汁汽可以促使蒸發(fā)各效的汁汽溫度和壓力提高。蒸發(fā)末效糖漿濃度、各效汁汽溫度和壓力有保障就有利于糖膏的煮制，縮短糖膏煮制時間。強(qiáng)化企業(yè)管理，用好現(xiàn)有的技術(shù)和設(shè)備，研究應(yīng)用新技術(shù)和新設(shè)備，認(rèn)真做好節(jié)能工作，可以顯著增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，是科學(xué)發(fā)展的重要關(guān)鍵，又是社會和國家對企業(yè)的要求。