優(yōu)化煉糖廠蒸發(fā)用汽方案以降低全廠總汽耗的研究探討

賀 湘，姚志敏，鄭文輝

(中國(guó)輕工業(yè)廣州工程有限公司，廣東廣州 511447)

0 前言

鑒于國(guó)內(nèi)甘蔗種植面積的日漸萎縮，以原糖為原料生產(chǎn)精制白砂糖的煉糖廠逐年增多。而無(wú)論甘蔗糖廠還是煉糖廠，均是能耗大戶(hù)，每年的生產(chǎn)能耗量巨大，使企業(yè)在能耗上的成本非常高。近10年來(lái)我國(guó)在糖廠的節(jié)能降耗上一直在研究和探索，加強(qiáng)企業(yè)管理，改良能耗設(shè)備，研發(fā)和改革制糖工藝等[1]，并做出了一定的成績(jī)，使國(guó)內(nèi)煉糖廠的噸糖耗汽水平控制在1.0 t/t（以原糖計(jì)）左右，部分先進(jìn)的企業(yè)如大豐英茂糖廠和中糧營(yíng)口煉糖廠噸糖耗汽甚至達(dá)到0.8 t/t（以原糖計(jì)）。同時(shí)，2020年9月中國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上向世界宣布了2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，這直接對(duì)現(xiàn)代企業(yè)的節(jié)能降耗提出了更高的要求。

煉糖廠的耗能涉及到生產(chǎn)的各個(gè)工藝過(guò)程，最典型的為糖汁加熱過(guò)程、蒸發(fā)過(guò)程、結(jié)晶過(guò)程、干燥過(guò)程等。同時(shí)與使用的耗汽設(shè)備密切相關(guān)，如大豐英茂糖廠使用德國(guó)技術(shù)的立式連續(xù)煮糖罐煮精糖和優(yōu)級(jí)糖，能使煮糖能耗大大降低。

本文主要從煉糖廠蒸發(fā)工段著手，以理論計(jì)算不同的蒸發(fā)工藝對(duì)全廠耗能的影響。

甘蔗糖廠的蒸發(fā)系統(tǒng)需將錘度約為13°Bx的清汁濃縮到65°Bx，因此蒸發(fā)量巨大，需要消耗大量的蒸汽，故多采用五效壓力-真空蒸發(fā)，以便同時(shí)產(chǎn)生二次汁汽供加熱和煮糖。而煉糖廠的蒸發(fā)只需將60°Bx左右的糖漿濃縮到73°Bx左右，蒸發(fā)量相比甘蔗糖廠小很多。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和糖廠實(shí)際運(yùn)行查定得知，目前煉糖廠蒸發(fā)工段常用的工藝為帶煮水罐的二效或者三效板式蒸發(fā)，以及一效降膜蒸發(fā)工藝。

本文以產(chǎn)糖3000 t/d煉糖廠為背景，采用最常用的三效板式蒸發(fā)為例，與一效降膜蒸發(fā)作對(duì)比，進(jìn)行理論上的能耗計(jì)算，為煉糖廠蒸發(fā)工段的設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及能耗計(jì)算公式

1.1 煉糖廠的工藝流程及計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

作為產(chǎn)糖3000 t/d煉糖廠的工藝過(guò)程大體包括：原糖回溶、碳酸飽充澄清處理、全自動(dòng)板框壓濾機(jī)全汁過(guò)濾、離子交換提純脫色、三效板式蒸發(fā)濃縮（或者一效降膜蒸發(fā)濃縮）、六系(3+3)煮糖、流化床干燥冷卻、全自動(dòng)包裝等，產(chǎn)品為精制糖和優(yōu)級(jí)糖，總產(chǎn)量為3000 t/d。工藝流程詳見(jiàn)圖1。

圖1 產(chǎn)糖3000 t/d煉糖廠工藝流程簡(jiǎn)圖

以此為背景，得到熱量衡算的計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 產(chǎn)糖3000 t/d煉糖廠熱量衡算計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.2 熱量衡算計(jì)算公式

1.2.1 加熱耗汽量計(jì)算公式

糖漿加熱耗汽計(jì)算公式為：

其中：G-糖汁(%，以原糖計(jì))；t2、t1-加熱前后溫度(℃)；gn-熱輻射損失(%)；C-糖汁比熱(kJ/kg.℃)；A-加熱蒸汽潛熱(kJ/kg)；D-加熱耗汽量(t/h)。

1.2.2 煮糖工段耗汽計(jì)算公式

蒸發(fā)水量(%，以原糖計(jì))：

耗汽量(%，以原糖計(jì))：

最大耗汽量：

其中：g-糖膏量(%，以原糖計(jì))；B1、B2-原料和糖膏濃度(°Bx)；E′-蒸發(fā)系數(shù)；k2-波動(dòng)系數(shù)，取1.2；D總-各種糖膏耗汽之和(%，以原糖計(jì))；D-煮糖耗汽量(t/h)；D′-最大耗汽量(t/h)；W-蒸發(fā)水量(t/h)。

1.2.3 蒸發(fā)工段計(jì)算公式

鑒于糖漿蒸發(fā)工段的熱力計(jì)算與糖汁濃度及靜壓效應(yīng)的沸點(diǎn)升高、管道溫度損失均相關(guān)，計(jì)算較為復(fù)雜，詳細(xì)原理見(jiàn)陳維鈞等編著的《甘蔗制糖原理與技術(shù)》的第三分冊(cè)《蔗汁加熱與蒸發(fā)》[2]，以下只列出基本公式。

1.2.3.1 三效蒸發(fā)計(jì)算公式

總蒸發(fā)水量：

蒸發(fā)工段耗汽量：

式中：G0-蒸發(fā)前糖漿(%，以原糖計(jì))；Bn-蒸發(fā)糖漿錘度(°Bx)；B0-蒸發(fā)前糖漿錘度(°Bx)；D-蒸發(fā)工段耗汽量(t/h)；E1-被抽取的一效汁汽量(t/h)；E2-被抽取的二效汁汽量(t/h)；W1-一效蒸發(fā)罐蒸發(fā)水量(t/h)；W2-二效蒸發(fā)罐蒸發(fā)水量(t/h)；W3-三效蒸發(fā)罐蒸發(fā)水量(t/h)。

1.2.3.2 一效蒸發(fā)計(jì)算公式

總蒸發(fā)水量：

蒸發(fā)工段耗汽量：

1.2.4 其他耗汽估算

干燥耗汽詳見(jiàn)《化工原理》物料干燥耗汽計(jì)算[3]。其他耗汽根據(jù)糖廠耗能經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取，如下：

干燥耗汽=2.26%原糖

溶糖機(jī)耗汽=1.50%原糖

分蜜耗汽=0.50%原糖

蒸汽吹掃用汽=0.50%原糖

其他耗汽=0.50%原糖

在信度和效度檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)本文的研究假設(shè)，以商品質(zhì)量、商品價(jià)格、企業(yè)聲譽(yù)、服務(wù)質(zhì)量、購(gòu)物便利性、網(wǎng)站安全性、物流快捷性和顧客轉(zhuǎn)換成本為外生潛變量，以顧客滿(mǎn)意度息和顧客忠誠(chéng)度作為內(nèi)生潛變量，利用AMOS17.0軟件構(gòu)建出B2C醫(yī)藥平臺(tái)顧客忠誠(chéng)度模型的路徑圖，如圖2所示。

2 全廠耗汽計(jì)算結(jié)果

2.1 加熱器耗汽量計(jì)算結(jié)果

各加熱器耗汽量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，計(jì)算得出的總耗汽量為28.22 t/h。

2.2 煮糖工段計(jì)算結(jié)果

煮糖工段計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，得出的煮糖總耗汽量為64.82%（以原糖計(jì)），即84.16 t/h。

表2 各加熱器耗汽量計(jì)算結(jié)果

表3 煮糖工段計(jì)算結(jié)果

2.3 三效蒸發(fā)計(jì)算結(jié)果

日產(chǎn)3000 t 煉糖廠三效蒸發(fā)方案計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 三效蒸發(fā)方案蒸汽系統(tǒng)圖

2.4 一效蒸發(fā)計(jì)算結(jié)果

日產(chǎn)3000 t 煉糖廠一效蒸發(fā)方案計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

3 結(jié)果分析與討論

通過(guò)以上一系列計(jì)算分析，采用三效蒸發(fā)方案，全廠工藝耗汽為1.03 t/t（以原糖計(jì)），而采用一效蒸發(fā)方案，全廠工藝耗汽為0.93 t/t（以原糖計(jì)），對(duì)比之下一效蒸發(fā)比三效蒸發(fā)噸糖耗汽減少了0.10 t/t（以原糖計(jì)）。其主要原因是：采用一效降膜蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)，蒸發(fā)器所產(chǎn)生的汁汽全部抽取供加熱和煮糖使用，無(wú)汁汽冷凝過(guò)程，從而提高了熱能的利用效率；而三效蒸發(fā)末效汁汽因溫度太低無(wú)法繼續(xù)利用，故被冷凝器冷凝，從而導(dǎo)致低溫蒸汽的浪費(fèi)。

對(duì)全年生產(chǎn)的煉糖廠來(lái)說(shuō)，耗汽為0.10 t/t（以原糖計(jì)）的節(jié)能效果是極具意義的。從企業(yè)經(jīng)濟(jì)上來(lái)說(shuō)，日產(chǎn)糖3000 t/d的煉糖廠消耗原糖約3115 t/d，采用一效蒸發(fā)則每日可節(jié)約311.5 t蒸汽，若蒸汽為外購(gòu)，外購(gòu)價(jià)格為180元/t，則企業(yè)每日可節(jié)約近5.6萬(wàn)元，每年可節(jié)約1600萬(wàn)元左右。而從政策上講，耗汽1.0 t/t（以原糖計(jì)）的節(jié)能同時(shí)也為國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)做出了一定的貢獻(xiàn)。

此外，一效蒸發(fā)無(wú)汁汽冷凝過(guò)程，從而無(wú)需配套蒸發(fā)冷凝器，無(wú)需消耗蒸發(fā)工段循環(huán)冷卻水。

需要說(shuō)明的是，文中僅對(duì)比了一效降膜蒸發(fā)和常見(jiàn)的三效板式蒸發(fā)，未對(duì)二效降膜蒸發(fā)作計(jì)算比較。理論上，從節(jié)能角度考慮，二效降膜應(yīng)比一效降膜更節(jié)能。但因目前國(guó)內(nèi)降膜蒸發(fā)罐的設(shè)計(jì)和制造效果不穩(wěn)定，糖廠使用的降膜蒸發(fā)罐均為進(jìn)口設(shè)備，一套進(jìn)口的降膜蒸發(fā)罐及其控制系統(tǒng)，根據(jù)面積不同造價(jià)約為300萬(wàn)～400萬(wàn)人民幣，因此，二效降膜蒸發(fā)是否比一效更經(jīng)濟(jì)，還需根據(jù)企業(yè)規(guī)模作進(jìn)一步核算。

圖3 一效蒸發(fā)方案蒸汽系統(tǒng)圖

當(dāng)然，以上計(jì)算僅僅為純理論分析，企業(yè)要做到盡可能節(jié)能還需要采取其他方面的措施，如：

(1)加強(qiáng)能源管理制度，保持均衡生產(chǎn)，穩(wěn)定各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)。

(2)保持物流量和各工段用汽量的均勻穩(wěn)定，安排好物流與設(shè)備的調(diào)配，減少用汽量的波動(dòng)。

(3)在保證煮糖順利的情況下，盡可能提高入罐糖漿濃度，尤其是煮制精制糖的糖漿，以減少煮糖過(guò)程中的蒸發(fā)水量，這是降低工藝耗汽最行之有效且最明顯的節(jié)能措施。

(4)煮糖罐、蒸發(fā)器及換熱器的汽凝水排放采用等壓排水，充分利用壓力差進(jìn)行自蒸發(fā)回收熱能。

(5)換熱器及煮糖罐設(shè)計(jì)上充分考慮利用低溫汁汽進(jìn)行加熱。換熱器采用板式換熱器，蒸發(fā)器采用板式或者降膜蒸發(fā)器，傳熱系數(shù)高；煮糖罐采用帶攪拌裝置的結(jié)晶罐，加強(qiáng)糖膏的對(duì)流，經(jīng)濟(jì)條件允許可考慮連續(xù)煮糖罐；離心機(jī)擬選用先進(jìn)的高效離心機(jī)，節(jié)能節(jié)汽。

(6)加強(qiáng)設(shè)備的管理，防止跑、冒、滴、漏、散。對(duì)主要傳熱設(shè)備加強(qiáng)清洗、減少積垢的生成，以提高傳熱系數(shù)。

(7)提高生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化控制水平，以穩(wěn)定生產(chǎn)過(guò)程主要技術(shù)參數(shù)、提高工效和產(chǎn)品質(zhì)量，從而降低能耗。

(8)加強(qiáng)設(shè)備、管線的保溫工作，以節(jié)約各種能耗損失。

(9)各主要生產(chǎn)工藝系統(tǒng)中，設(shè)置一定數(shù)量的介質(zhì)計(jì)量裝置，為加強(qiáng)管理、節(jié)約能源創(chuàng)造條件。

(10)如汁汽一定需要冷凝，可考慮采用板式冷凝器，減少一組熱水泵和熱水收集池，并回收蒸汽冷凝液用于工藝熱水，達(dá)到節(jié)能的目的。