造紙法再造煙葉MVR蒸發(fā)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究

蘇瑤 高軍 蘇曼

摘要 ?為降低造紙法再造煙葉機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)蒸汽消耗量，通過提高M(jìn)VR壓縮機(jī)功率來提高蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)溫度，分析了蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)真空度和蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)蒸發(fā)量的影響，研究MVR壓縮機(jī)功率對蒸汽消耗量的影響。結(jié)果表明，在設(shè)定的真空度和溫度范圍內(nèi)，真空度和蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)蒸發(fā)量的影響達(dá)到極顯著水平，降低系統(tǒng)內(nèi)真空度和提高蒸發(fā)溫度均可以提高單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的蒸發(fā)量;通過將MVR壓縮機(jī)功率由120 kW提高至151 kW，二次蒸汽溫差由0.6 ℃升至1.6 ℃，蒸汽消耗量由267 kg/h降至0 kg/h，壓縮機(jī)功率增加較使用蒸汽更具有經(jīng)濟(jì)性，可以降低蒸汽消耗量，年節(jié)約標(biāo)煤160 t，節(jié)能效果顯著。

關(guān)鍵詞 造紙法再造煙葉;蒸發(fā)溫度;壓縮機(jī)功率;節(jié)能

中圖分類號 TS 452? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）01-0217-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.01.059

Study on Energy Saving Technology of MVR Evaporation Process for Reconstituted Tobacco Leaves by Paper-making Method

SU Yao1， GAO Jun2， SU Man2

（1.Bengbu Cigarette Factory of Anhui China Tobacco Industrial Co.，Ltd.， Bengbu，Anhui? 233000; 2.Anhui Reconstituted Tobacco Leaves Technology Limited Liability Company， Bengbu， Anhui? 233000）

Abstract In order to reduce the consumption of raw stream in the mechanical vapor recompression （MVR） evaporation and concentration system of reconstituted tobacco leaves? by paper-making method， MVR compressor power was increased so as to increase the temperature in the evaporation system. The effects of vacuum and evaporation temperature in the evaporation system on the evaporation capacity of the system were analyzed， and the influences of MVR compressor power on the? consumption of raw steam were studied online. The results showed that the influences of vacuum and evaporation temperature on the evaporation capacity of the system reached extremely significant level in the range of set vacuum and evaporation temperature. The evaporation capacity of the system per unit time could be increased by decreasing the vacuum and increasing the evaporation temperature. The power of MVR compressor was increased from 120 kW to 151 kW online， the temperature difference of the secondary steam was increased from 0.6 ℃ to 1.6 ℃， and the steam consumption was decreased from 267 kg/h to 0 kg/h. It was more economical than the use of steam to increase the compressor power， and the steam consumption could be decreased. The standard coal could be saved 160 tons each year， the energy saving effect was? remarkable.

Key words Reconstituted tobacco leaves by paper-making;Evaporation temperature;Compressor power;Energy-saving

作者簡介 蘇瑤（1979—），女，安徽東至人，工程師，從事煙草類原料、加工、設(shè)備等方面的研究。

收稿日期 2021-05-17

機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）技術(shù)是利用少量的電能將系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的二次蒸汽升溫升壓反復(fù)利用，具有節(jié)能減排、工藝簡單等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于化工（生產(chǎn)氧化鋁、造紙、回收二氧化硫生產(chǎn)硫氨）、制鹽、食品（飲料、淀粉、乳制品、糖）、環(huán)保（工業(yè)廢水處理）、制藥和海水淡化等領(lǐng)域[1-6]。顧承真等[7]研究表明，MVR風(fēng)機(jī)的頻率影響系統(tǒng)的蒸發(fā)量和風(fēng)機(jī)的功耗，在MVR風(fēng)機(jī)額定范圍內(nèi)增大風(fēng)機(jī)頻率，單位能耗蒸發(fā)量增加;湯添鈞等[8]研究表明，蒸發(fā)壓力恒定時(shí)系統(tǒng)內(nèi)蒸發(fā)量、能效系數(shù)和單位耗電量均隨MVR風(fēng)機(jī)頻率的增加而增加;鞠婉蘭[9]研究表明傳熱溫差對壓縮機(jī)的工作工況以及性能有著重要影響，傳熱溫差從5 ℃增至10 ℃時(shí)，系統(tǒng)蒸發(fā)量增加了1倍。

在造紙法再造煙葉傳統(tǒng)蒸發(fā)工藝中，產(chǎn)生的二次蒸汽直接冷凝或排放大氣，其潛熱浪費(fèi)嚴(yán)重，造成能源的極大損失。近年來，MVR蒸發(fā)技術(shù)在造紙法再造煙葉蒸發(fā)工藝中逐步得到應(yīng)用[10]。生產(chǎn)中，萃取液經(jīng)過換熱器升溫，進(jìn)入一效效體，蒸發(fā)得到汽液混合物?；旌衔镌谄悍蛛x室產(chǎn)生二次蒸汽，進(jìn)入MVR壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮。壓縮后的二次蒸汽溫度升高，熱焓增大，作為高品位的蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器的殼程冷凝，釋放出潛熱后排出蒸發(fā)室。同時(shí)，管程內(nèi)的萃取液吸收殼程中蒸汽熱量，汽化并產(chǎn)生二次蒸汽，進(jìn)入上述循環(huán)過程。目前，對造紙法再造煙葉MVR蒸發(fā)系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)研究較少，MVR蒸發(fā)技術(shù)對蒸汽消耗量的影響尚未見報(bào)道。筆者對影響再造煙葉MVR蒸發(fā)系統(tǒng)蒸發(fā)量的主要控制參數(shù)進(jìn)行了研究，并在線考察了MVR壓縮機(jī)功率對蒸汽消耗量的影響，旨在為在線過程控制提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料和設(shè)備

1.1.1 材料。造紙法再造煙葉萃取液由安徽中煙再造煙葉科技有限責(zé)任公司提供，物料可溶性固含量[11]為6.0%～7.0%。

1.1.2 設(shè)備。

DMA4500M+Abbemat300+Xsample 452密度折光聯(lián)用儀（安東帕中國公司）;Rotavapor R-215旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（瑞士BUCHI公司）;煙草萃取液蒸發(fā)器（宜興市格蘭特干燥濃縮設(shè)備有限公司）;Exvel MVR壓縮機(jī)（瑞士Flkt Woods公司）。

1.2 方法

1.2.1 離線參數(shù)檢測方法。

稱取在線生產(chǎn)的再造煙葉萃取液500 g，使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀對萃取液進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀的控制面板來實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)溫度、真空度參數(shù)設(shè)置和控制。

1.2.1.1 真空度對蒸發(fā)量的影響。

設(shè)定蒸發(fā)溫度60 ℃、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀轉(zhuǎn)速120 r/min、蒸發(fā)時(shí)間為1 h，記錄不同真空度條件下蒸發(fā)后的剩余物料體積，得到萃取液蒸發(fā)量。

1.2.1.2 蒸發(fā)溫度對蒸發(fā)量的影響。

設(shè)定蒸發(fā)真空度11 kPa、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀轉(zhuǎn)速120 r/min、蒸發(fā)時(shí)間為1 h，記錄不同溫度條件下蒸發(fā)后的剩余物料體積，得到萃取液蒸發(fā)量。

1.2.1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方法。

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)平行，計(jì)算平均值。方差分析采用單因素方差分析F檢驗(yàn)，分析蒸發(fā)參數(shù)（真空度、蒸發(fā)溫度）對系統(tǒng)蒸發(fā)量的影響。

1.2.2 在線參數(shù)檢測方法。

進(jìn)料溫度和壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度分別使用熱電阻儀表實(shí)時(shí)監(jiān)測;系統(tǒng)真空度、壓縮機(jī)進(jìn)出口真空度使用壓力變送器和真空管路上破空閥進(jìn)行真空度控制;蒸汽流量使用渦街流量計(jì)與電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制;濃縮液密度使用質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，并通過蒸汽調(diào)節(jié)閥開度控制濃縮液濃度。MVR蒸發(fā)系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

在線測試條件設(shè)定如下：

測試過程中，保持進(jìn)料濃度（6.5±0.2）%、進(jìn)料溫度（53±1）℃、進(jìn)料量（13.0±0.2）m3/h、蒸汽壓力（400±10）kPa、冷卻水溫度（23±1）℃、系統(tǒng)真空度（12.0±0.2）kPa、出料密度（1.20±0.01）g/cm3;蒸發(fā)器用清水進(jìn)行水洗后排空，按照操作規(guī)程運(yùn)行蒸發(fā)系統(tǒng)，設(shè)定MVR壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速2 600 r/min，通過蒸汽加熱使蒸發(fā)器出口密度達(dá)到設(shè)定值（1.20 g/cm3），穩(wěn)定運(yùn)行1 h后，每小時(shí)記錄蒸汽消耗量、MVR壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度、MVR進(jìn)出口壓力值，共記錄8 h，得到2 600 r/min轉(zhuǎn)速下平均蒸汽消耗量、MVR壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度、MVR進(jìn)出口壓力值、壓縮機(jī)功率;運(yùn)行8 h后對蒸發(fā)器水洗2 h，水洗完成后按照操作規(guī)程運(yùn)行蒸發(fā)系統(tǒng)，逐漸提高轉(zhuǎn)速（2 700、2 800、2 900、3 000、3 100 r/min），分別記錄蒸發(fā)系統(tǒng)各參數(shù)運(yùn)行值。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸發(fā)參數(shù)對蒸發(fā)量的影響

為了考察蒸發(fā)參數(shù)對蒸發(fā)量的影響，進(jìn)行了單因素方差分析，結(jié)果顯示不同真空度和蒸發(fā)溫度對蒸發(fā)量的影響達(dá)到極顯著水平（P值均小于0.001）。

在設(shè)定的真空度范圍內(nèi)，真空度與蒸發(fā)量呈線性相關(guān)（圖2），隨著系統(tǒng)內(nèi)真空度的降低，溶液沸點(diǎn)降低，單位時(shí)間蒸發(fā)量增大，真空度由14 kPa降至9 kPa，單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)水量由160.53 g提升至405.62 g，單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)水量增加152.68%。理論上蒸發(fā)過程應(yīng)在較高真空度下運(yùn)行，但蒸發(fā)系統(tǒng)真空度受冷凝水溫度及真空系統(tǒng)自身能力的限制，萃取液在蒸發(fā)過程中有溶解的氣體釋出，負(fù)壓設(shè)備系統(tǒng)亦難免有少量空氣吸入，為避免不凝性氣體在冷凝器內(nèi)積聚，需用真空泵持續(xù)將不凝性氣體抽除，以保持設(shè)備運(yùn)行所需的真空度。真空系統(tǒng)也消耗一定的設(shè)備費(fèi)和動力費(fèi)[12]。根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況和經(jīng)濟(jì)性，設(shè)定真空度為（12±1）kPa。

在設(shè)定的蒸發(fā)溫度范圍內(nèi)，蒸發(fā)溫度與系統(tǒng)蒸發(fā)量呈線性相關(guān)（圖3），隨著蒸發(fā)溫度的提高，蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)能量上升，系統(tǒng)蒸發(fā)量呈線性增大，蒸發(fā)溫度由52 ℃提升至62 ℃，單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)水量由66.81 g提升至371.62 g，單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)水量增加456.23%。實(shí)際生產(chǎn)過程中，蒸發(fā)溫度提升需要加大生蒸汽使用量或提高M(jìn)VR壓縮機(jī)做功，且煙草萃取液中含有易揮發(fā)性香味成分，較高的蒸發(fā)溫度對成品再造煙葉的感官品質(zhì)有較大影響[13]。生產(chǎn)過程中根據(jù)前后生產(chǎn)工序物料平衡，再造煙葉萃取液進(jìn)料量比較固定，從節(jié)能角度考慮，在保證出料濃度的情況下應(yīng)減少蒸汽使用量，提高M(jìn)VR壓縮機(jī)做功。

2.2 在線測試MVR壓縮機(jī)性能和蒸汽消耗量

2.2.1 壓縮機(jī)進(jìn)出口溫差與壓縮比隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。

從圖4可以看出，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，二次蒸汽在壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮、蒸汽溫度升高，壓縮機(jī)進(jìn)出口溫差升高，壓縮機(jī)進(jìn)出口溫差由0.5 ℃升至1.6 ℃。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速提升使單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入壓縮機(jī)的二次蒸汽量增加，壓縮機(jī)壓縮比升高，壓縮比由1.205升至1.269。通過壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增加使二次蒸汽溫度升高，系統(tǒng)內(nèi)能量處于上升過程。

2.2.2 蒸汽消耗量與壓縮機(jī)功率隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速提升使壓縮機(jī)功率提高，壓縮機(jī)通過提高自身做功將電能轉(zhuǎn)換為蒸發(fā)系統(tǒng)所需的熱能，因進(jìn)料溫度、濃度和進(jìn)料流量都處于穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)系統(tǒng)真空度也處于設(shè)定值狀態(tài)，在提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速后，蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)能量處于上升狀態(tài)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速提升后如不及時(shí)降低生蒸汽閥門開度，則蒸發(fā)系統(tǒng)中物料濃度會一直上升，直到達(dá)到新的能量平衡。從圖5可以看出，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由2 600 r/min提高至3 100 r/min，壓縮機(jī)功率由110 kW提高至151 kW，蒸汽消耗量由380 kg/h降至0 kg/h。

蒸發(fā)的進(jìn)行是靠消耗能量來維持的，蒸發(fā)量與系統(tǒng)能量

消耗量成正比。調(diào)控蒸發(fā)量實(shí)際上就是調(diào)控系統(tǒng)的能量消耗量，是一個(gè)能量平衡的過程。因此，對系統(tǒng)的能量調(diào)控最關(guān)鍵，同時(shí)也是最重要的調(diào)控方式。向系統(tǒng)輸入能量有2個(gè)途徑，直接輸入蒸汽或輸入電能，該試驗(yàn)通過提高輸入MVR壓縮機(jī)功率使二次蒸汽溫度升高，提高了二次蒸汽的利用率，達(dá)到減少生蒸汽使用量的目的。

2.3 節(jié)能效果分析

在蒸發(fā)器使用過程中，依然需要補(bǔ)入飽和生蒸汽，蒸發(fā)器MVR壓縮機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速和功率較低，MVR壓縮機(jī)額定轉(zhuǎn)速3 100 r/min、最高轉(zhuǎn)速3 600 r/min，額定功率317 kW、按80%負(fù)載運(yùn)行功率254 kW，目前生產(chǎn)過程中MVR壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速2 700 r/min、功率120 kW。通過將MVR轉(zhuǎn)速由2 700 r/min提升至3 100 r/min，壓縮機(jī)功率由120 kW/h提高至151 kW/h，增加31 kW/h，蒸汽消耗量由267 kg/h降至0 kg/h，壓縮機(jī)功率增加較使用蒸汽更具有經(jīng)濟(jì)性，可減少蒸汽消耗量。按每天生產(chǎn)20 h、每年生產(chǎn)330 d計(jì)算，每年可節(jié)約標(biāo)煤160 t。

3 結(jié)論

采用單因素方差分析法分別考察了蒸發(fā)真空度、蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)蒸發(fā)量的影響，不同真空度和蒸發(fā)溫度對蒸發(fā)量的影響達(dá)到極顯著水平。降低蒸發(fā)系統(tǒng)真空度，使溶液沸點(diǎn)降低，單位時(shí)間蒸發(fā)量增大，系統(tǒng)蒸發(fā)能力提高，在蒸發(fā)系統(tǒng)能力范圍內(nèi)降低系統(tǒng)內(nèi)真空度有利于系統(tǒng)的節(jié)能;提高蒸發(fā)溫度使系統(tǒng)內(nèi)能量上升，物料汽化速率加快，蒸發(fā)量增大;壓縮機(jī)的功率直接影響系統(tǒng)的蒸發(fā)量和壓縮機(jī)的功耗，在壓縮機(jī)額定范圍內(nèi)提高壓縮機(jī)功率，使壓縮機(jī)輸入系統(tǒng)能量增加，壓縮機(jī)功率增加較使用蒸汽更具有經(jīng)濟(jì)性，可以節(jié)約生蒸汽耗用。該研究結(jié)果可為造紙法再造煙葉MVR蒸發(fā)工藝在線過程控制提供參考。

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