甜菜制糖生產(chǎn)“零取水”工藝的應(yīng)用實踐

許德禮,馬素娟,高智利,趙金龍

(1.內(nèi)蒙古敕勒川糖業(yè)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 包頭 014100;2.包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014035)

1 甜菜制糖生產(chǎn)過程中用水情況

甜菜制糖在我國已有上百年歷史,目前我國甜菜糖廠主要分布在新疆、內(nèi)蒙古、東北三省等地區(qū),全國共有甜菜糖廠30多家。甜菜制糖的工藝過程主要包括洗滌、輸送、切絲、浸出、清凈、蒸發(fā)、結(jié)晶、分離等工序,整個生產(chǎn)工序都需要大量的冷水。過去近百年,制糖生產(chǎn)過程中的菜水比在1∶4.5左右,近幾年由于采用了干法輸送、噴淋洗滌、壓粕水回收、循環(huán)水部分回收利用等新工藝,用水量大幅減少,可達(dá)到1∶0.35。但即使按照這個比例進(jìn)行生產(chǎn),處理量在6 000噸的甜菜糖廠每個榨期仍然需要新鮮水20萬噸左右。對比國外先進(jìn)甜菜制糖企業(yè),我國甜菜制糖企業(yè)在水循環(huán)利用方面還有很大的空間和潛力。節(jié)約用水是企業(yè)綠色低碳發(fā)展的必由之路、是企業(yè)提檔升級的根本基礎(chǔ)。

《制糖行業(yè)“十二五”》發(fā)展規(guī)劃明確指出,要全面推廣清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),采用制糖生產(chǎn)過程工藝用水的循環(huán)利用系統(tǒng)和制糖廢水生化及深度處理技術(shù),減少新鮮水的用量,降低廢水及COD的排放。2021年頒布國家標(biāo)準(zhǔn)《取水定額第53部分 食糖》更是將各類糖廠的取水控制在一定范圍內(nèi)。2023年9月,國家發(fā)展改革委、水利部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、工業(yè)和信息化部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、自然資源部、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強水資源節(jié)約集約利用的意見》?！兑庖姟穱@重點領(lǐng)域,提出強化工業(yè)節(jié)水。打造節(jié)水型企業(yè)和園區(qū),鼓勵串聯(lián)用水、分質(zhì)用水,實現(xiàn)一水多用和梯級利用,可見工業(yè)用水的節(jié)水勢在必行。

但是我國制糖行業(yè)的整體科技水平提高緩慢,設(shè)備工藝技術(shù)落后于發(fā)達(dá)國家,能源消耗、廢水排放、資源綜合利用等關(guān)鍵指標(biāo)均落后于國際先進(jìn)水平。綜上所述,通過提高技術(shù)水平和改進(jìn)生產(chǎn)工藝,實現(xiàn)零取水生產(chǎn),對我國水資源合理利用意義重大。

2 甜菜制糖生產(chǎn)過程節(jié)水措施探討

2.1 甜菜制糖生產(chǎn)過程中用水存在的問題

2.1.1 生產(chǎn)工藝用水量大

甜菜制糖生產(chǎn)過程中,如果采用濕法輸送的方式又不使用循環(huán)水,流送、洗滌的用水量約是甜菜的7-8倍;切絲和滲出用水約為甜菜的1.2倍左右;清凈過程用水也約為甜菜的1.2倍左右。那么處理100噸甜菜將要有1 000噸左右的水參與生產(chǎn)過程[1],如此龐大的工藝用水量也是制糖企業(yè)共同面臨的問題,也是制糖生產(chǎn)過程節(jié)水措施中首先考慮的問題。

2.1.2 崗位操作員工節(jié)水意識不強

由于國家節(jié)水政策的實施,很多糖廠生產(chǎn)過程中非常重視節(jié)約用水,在生產(chǎn)過程中限制水的使用,甚至作為考核指標(biāo)進(jìn)行考核。但是傳統(tǒng)的師傅帶徒弟的方式,使得崗位操作人員不知道為什么進(jìn)行用水。工人們節(jié)約用水意識不強,忽視了一個糖廠的甜菜處理量有多大,多用這一點點水,將甜菜的處理量考慮進(jìn)去,消耗的水量會是一個龐大的數(shù)字。

2.1.3 補水量大

從整個制糖工藝過程的需水量看,生產(chǎn)過程的冷水量是非常大的,而熱水則是有多余的,那么要想使工藝用水量降下來,就需要有制冷系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)等參與生產(chǎn)。很多糖廠使用循環(huán)水、中水替代新鮮冷水使用,但存在一系列問題無法得到解決。

2.1.4 使用循環(huán)水、中水面臨的問題

①糖廠最終循環(huán)水的冷卻溫度在28度左右(一級落水溫度40度,二級落水溫度34度,三級涼水塔后溫度28度)溫度較高,部分設(shè)備的冷卻得不到滿足。

②循環(huán)水多次循環(huán)有不溶物及雜質(zhì)存在。

③循環(huán)水多次循環(huán)有細(xì)菌滋生,循環(huán)水多次循環(huán)有機物增多。

④中水處理后溫度較高,最高達(dá)40度,直接用于甜菜流送、洗滌會增加甜菜的糖分損失。

⑤中水中有細(xì)菌滋生。

2.2 甜菜制糖生產(chǎn)過程中的節(jié)水措施

針對甜菜制糖生產(chǎn)過程中用水存在的問題,采取的措施主要包括以下三個方面。

2.2.1 使工藝用水循環(huán)起來,減少生產(chǎn)工藝用水量

首先將濕法輸送改為干法輸送,先將甜菜的土除掉,然后再進(jìn)行甜菜的洗滌,并將洗滌液進(jìn)行分級,少量多次的清洗。洗菜機采用中水洗滌,用撈菜絞龍將洗干凈的菜瀝水撈出后,再通過噴淋洗菜機用降溫后的循環(huán)水洗滌,這樣即保證了洗滌效果又節(jié)約了用水量。其次采用壓粕水回頭,將滲出過程中菜絲中的水回收利用,充分利用甜菜本身的水分,同時回收部分糖分。再次,加大熱水的冷卻程度,增加干凈的冷水量。通過以上措施減少了洗滌水量,同時大大減輕了污水處理的壓力,并通過回收壓粕水,其他工藝用水循環(huán)使用的措施減少了絕大多數(shù)的工藝用水[2]。

2.2.2 加強對崗位操作員工的管理培訓(xùn)

甜菜制糖生產(chǎn)過程的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)是環(huán)環(huán)相扣的,很多工段的生產(chǎn)操作都會對前工段或者后工段有影響,這就要求崗位操作員工具有生產(chǎn)全局意識,崗位操作員工的操作水平和生產(chǎn)意識是制糖生產(chǎn)能夠出好糖、提產(chǎn)量、控指標(biāo)非常關(guān)鍵的一個因素,制糖生產(chǎn)要求均衡、穩(wěn)定、連續(xù)、高效,任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都將影響物料水汽的平衡,因此減少生產(chǎn)的波動也是節(jié)水的關(guān)鍵因素。

2.2.3 設(shè)備改進(jìn)、控制補水

甜菜制糖生產(chǎn)的工藝流程非常長,甜菜要經(jīng)過洗滌、切絲、滲出、加灰、飽充、蒸發(fā)、過濾、結(jié)晶、分離及中間過程的輸送、加熱等等大大小小幾十個設(shè)備的參與才能最終成為成品糖。這些參與其中的設(shè)備有的需要用冷水冷卻、有的需要用熱水加熱、有的需要用溫水、有的需要生產(chǎn)過程中加水。通過控制或優(yōu)化流程實現(xiàn)水的分級使用,從而實現(xiàn)控制新鮮補水量。

3 敕勒川糖業(yè)的節(jié)水措施

敕勒川糖業(yè)是國家級綠色工廠、智能制造示范工廠,制糖行業(yè)質(zhì)量領(lǐng)軍企業(yè),具有先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備,完善的工藝流程,不斷創(chuàng)新的技術(shù)研發(fā)團隊。在制糖生產(chǎn)用水方面走在行業(yè)前列。團隊通過生產(chǎn)過程中用水存在的問題的解決方案進(jìn)行分析研究,發(fā)現(xiàn)在敕勒川糖業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備條件下,開機生產(chǎn)前需按要求準(zhǔn)備必要的生產(chǎn)用水量,等開機后,甜菜中的水分進(jìn)入系統(tǒng),中水能返回車間回用后,停止使用新鮮水。在2022年對生產(chǎn)系統(tǒng)的用水項目進(jìn)行細(xì)致梳理。根據(jù)糖菜的特性,每百噸糖菜約含有固形物25噸,固形物中包含蔗糖17噸,非糖分約8噸,剩下75噸為水的特點[3],充分利用這些水分就可能實現(xiàn)零取水。

所以對用水設(shè)備進(jìn)行細(xì)化,使用生產(chǎn)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的凝結(jié)水替代冷水使用。通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝,發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)、結(jié)晶冷凝產(chǎn)生的循環(huán)水主要是溫度較高,多次循環(huán)后產(chǎn)生細(xì)菌、有機物等雜質(zhì)。只要采取必要的措施,對蒸發(fā)出來的水進(jìn)行一定處理后,完全可以全部回用到生產(chǎn)車間,如何利用好甜菜中這75%的水,就成了節(jié)水的關(guān)鍵。所以通過充分的研究和計算,制定出了符合敕勒川糖業(yè)的節(jié)水生產(chǎn)方案。

3.1 通過繪制系統(tǒng)用水流程分配圖,計算用水量,確定零取水方案切實可行。

圖1 系統(tǒng)用水流程分配圖

3.2 按照“分質(zhì)供水、一水多用、階梯使用、中水回用”的原則分配車間用水。

1)分質(zhì)供水

按照水溫及水的衛(wèi)生程度對車間用水進(jìn)行分配。前工段中洗菜、瓦斯泵、脫泥間主要使用中水,后工段煮糖及分蜜主要使用凝結(jié)水,其他工段主要使用循環(huán)水。

2)一水多用

循環(huán)水是指制糖生產(chǎn)過程中利用噴射試?yán)淠骰蚋舭謇淠魍ㄟ^冷水與末效蒸汽混合冷凝而成的水。由于提汁后糖水要通過蒸發(fā)將錘度要從15左右提高到65左右以后,再進(jìn)入結(jié)晶罐進(jìn)行煮糖,在蒸發(fā)和煮糖的過程中都需要冷卻,所以產(chǎn)生了大量的循環(huán)水。這些水的水溫一般在40℃左右,不能完全符合生產(chǎn)需求,通過車間生產(chǎn)還發(fā)現(xiàn),經(jīng)過降溫處理,可以實現(xiàn)循環(huán)水的多次循環(huán)使用。但在生產(chǎn)過程中又發(fā)現(xiàn)多次循環(huán)后的循環(huán)水有不溶性雜質(zhì)存在、微生物數(shù)量上升、有機物增多、堿度提高的現(xiàn)象。

團隊通過技術(shù)創(chuàng)新對循環(huán)水降溫、過濾除渣、殺菌、生物降解后,替代新鮮冷水,實現(xiàn)了循環(huán)水能夠滿足切絲機、冷凝器、真空泵、瓦斯泵、泵群、造粒機、壓榨機、離子脫鈣等生產(chǎn)各個階段設(shè)備對新鮮水的使用要求。

主要采取的措施包括

①通過加大冷卻換熱面積,使用溫度略高的循環(huán)水代替冷水。將壓榨冷卻器的冷卻面積由5平方米增大至10平方米,以前使用20度冷水降溫,現(xiàn)在使用25度循環(huán)水降溫,達(dá)到同樣的冷卻效果。在原有2 000立方晾水塔基礎(chǔ)上再加裝一套1 200立方晾水塔,水溫在原來基礎(chǔ)降低5度,增加循環(huán)泵功率90 KW一臺,冷卻風(fēng)機功率11*4=44 KW。

②加裝1臺能力200噸/小時薩爾過濾器,通過PP濾網(wǎng)75 um孔徑去除雜質(zhì)。有效去除循環(huán)水中的垢片、泥砂等微粒物質(zhì),保障了用水水質(zhì)。

③增加253.7 nm紫外消菌器1套消殺細(xì)菌。

④增加185 nm光譜儀一套分解有機物TOC,達(dá)到水質(zhì)凈化目的。

⑤泵浦機械冷卻水回收循環(huán)利用。

水循環(huán)流程如圖2。

圖2 循環(huán)水流程

3)階梯使用

將循環(huán)水降溫后,給浸出器泵群冷卻,壓機機冷卻后收集,用泵送至浸出用水箱,作為浸出用水(見圖3)。

圖3 循環(huán)水接替使用示意圖

圖4 中水循環(huán)流程圖

4)中水回用

在制糖生產(chǎn)過程中洗滌甜菜的污水通過污水處理、澄清后的水稱之為中水。中水的量很大,但是衛(wèi)生指標(biāo)相對較差,使用受限,在經(jīng)本次取水項目改造過程中針對中水回用主要采取殺菌、冷卻等措施,使得中水能夠循環(huán)使用。

①強化污水處理手段。

由帕克公司提供技術(shù)建造的污水處理廠,自有污水處理能力7 200立方/日。處理污水指標(biāo)CODcr<100 mg/L,BOD<20 mg/L,完全達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。給中水回用提供必要的基礎(chǔ)。

②增加中水冷卻塔,實現(xiàn)中水溫度降低達(dá)到生產(chǎn)需求。

中水可以在進(jìn)入中水箱前加晾水塔1級,選用SR200系列,單級能力200方/小時,溫度由35度降低到22度。單臺功率5.5 KW,同時增加紫外消菌器1套。

3.3 通過技術(shù)改造與對車間用水設(shè)備的重新分配,各用水分配見表1。

表1 技術(shù)改造后車間用水設(shè)備的重新分配表

3.4 其他措施

1)過自主創(chuàng)新,獲得專利技術(shù)的《顆粒粕干燥爐熱能循環(huán)節(jié)能裝置》回收尾氣中的80度熱水1000KG/小時。

2)干法上菜,干法除土,噴淋洗菜的基礎(chǔ)上。壓粕水除渣、硫漂除菌工藝節(jié)約大量新鮮水。

3)車間員工進(jìn)行技能提升培訓(xùn)及企業(yè)新型學(xué)徒制培訓(xùn),不斷提高員工的專業(yè)素質(zhì)。

4 效果分析

4.1 敕勒川糖業(yè)耗水分析

從圖中我們可以看出,敕勒川糖業(yè)作為新廠在第一年開機生產(chǎn)時每噸菜的耗水量為0.72 t水,由于剛開始用水量非常大,隨著每年不斷的技改用水量基本呈逐年下降趨勢,但是下降并不顯著,噸菜耗水量在0.2 t以上,以處理量5 000 t計算,整個榨期的耗水量也要在10萬噸以上。2022年項目改造后,2023年榨期開始儲水1萬多噸水后不在補充新鮮水,整個榨期實現(xiàn)“零取水”生產(chǎn)(見圖5)。

圖5 敕勒川糖業(yè)噸菜耗水變遷

4.2 零取水的經(jīng)濟效益分析

項目改造前:

按照敕勒川糖業(yè)2021年的生產(chǎn)數(shù)據(jù),每年60萬噸菜,百噸菜耗水28噸,處理及使用新鮮水費用6元/噸。每年消耗費用:600 000*0.28*6=100.8萬元

項目改造后:

①運行成本為總功率消耗:泵90 KW,風(fēng)機47.5 ,薩爾及紫外線燈7.5 KW,運行120天,用電成本0.52元/度。90+47.5+7.5=145 KW 145*24*120*0.52=21.715萬元

②固定資產(chǎn)投資合計87萬元,按10年折舊算:每年87/10=8.7萬元

③合計費用:21.715+8.7=30.415萬元

④2023年開機時儲水1萬多噸,開機后基本不再補充新鮮水,噸菜耗水0.05噸。水費:600 000*0.05*6=18萬元

每年節(jié)約費用:100.8-30.415-18=52.385萬

同時可節(jié)約地下水資源:16.8萬噸。

4.3 “零取水”的社會效益分析

如果按百噸甜菜耗水35噸計算,2021年北方甜菜共計加工620多萬噸,累計新鮮水用量217萬噸。2020年北方甜菜共計加工1 000萬多噸,累計新鮮水用量就是350多萬噸。我國屬水資源貧乏的國家,大部分企業(yè)直接從地下取水,與當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)爭奪地下水,很多地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)無水可取的情況。噸菜耗水量的減少,既可減少工業(yè)用水又可減少廢水排放,降低生產(chǎn)成本,節(jié)約水資源、減輕環(huán)境污染,同時提供可推廣可應(yīng)用的節(jié)能減排、低碳環(huán)保的生產(chǎn)模式,對整個甜菜制糖行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重要貢獻(xiàn),具有廣泛的社會效益和可觀的經(jīng)濟效益。

5 小結(jié)

制糖生產(chǎn)“零取水”項目的實施,摘下了甜菜糖廠用水大戶的帽子,在制糖史上是一次新的突破。為甜菜制糖可綠色、低碳、環(huán)保、節(jié)能、持續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。此技術(shù)在北方制糖企業(yè)推廣應(yīng)用,可改寫食糖取水定額的國家標(biāo)準(zhǔn),在國際甜菜制糖行業(yè)處于領(lǐng)先水平。