糖廠新型自動調節硫熏中和系統的應用

王晉平，梁積勛，黃進英，劉清林

（廣西吉然科技有限公司，廣西 南寧 530007）

糖廠新型自動調節硫熏中和系統的應用

王晉平，梁積勛，黃進英，劉清林

（廣西吉然科技有限公司，廣西 南寧 530007）

文章主要介紹新型自動調節硫熏器與撞擊流中和反應器配套在亞硫酸法糖廠應用的特點、工作原理、工作流程及應用效果。該系統具有操作維護簡便、適應較大榨蔗量波動、硫熏強度穩定、硫熏中和反應較完全，節省硫磺使用量等優點。

硫熏器；撞擊流；中和反應器

0 前言

亞硫酸法糖廠的蔗汁硫熏中和是整個澄清生產流程的關鍵技術之一，目前國內大多數糖廠使用的硫熏中和器系統主要是立式管道硫熏器和立式中和反應器、帶攪拌的臥式中和反應器。

傳統的硫熏中和器存在較多問題，受榨量波動受影響大、硫熏強度穩定性差、中和pH值波動大等。傳統的中和反應器主要是立式中和反應器或者帶攪拌的臥式中和反應器，其設計的結構主要放在化學反應的理論分析上，忽略化工相間傳遞的研究，故中和反應速度慢，均無法在短時間內迅速完成氣液傳遞和界面的更新，易造成蔗汁局部過酸或過堿，造成反應滯后，進而影響中和指標的控制和后工序的蔗汁沉降效果。

近年來，國家標準對白砂糖的質量要求越來越高，特別是二氧化硫含量，總的趨勢是降低二氧化硫含量。但部分糖廠生產的白砂糖二氧化硫含量較高，接近甚至超過國家標準，成為糖廠迫切需要解決的重大難題。

為了解決傳統硫熏中和設備使用過程中存在的上述問題，有必要對傳統的硫熏中和器進行創新性改進。

1 新型自動調節硫熏中和系統方案

傳統的多噴嘴硫熏器設計的流量是固定的，其噴嘴不能適應榨蔗量的較大波動，硫熏強度、中和pH值受榨量的波動影響大。而傳統的單噴嘴硫熏器只能適應低榨量的變化要求，如果蔗汁流量不穩定，則吸硫不穩定，影響了硫磺爐的正常燃燒，導致溢出大量的二氧化硫氣體污染環境和增加硫磺的用量。另外噴嘴易堵塞，清理疏通噴嘴困難。針對上述問題，我公司研究開發了新型的自動多噴嘴調節硫熏器，主要適用于日處理甘蔗5000T/D及以上生產規模較大的糖廠。

而針對傳統的中和反應器存在反應不完全、易積垢、影響硫熏強度等問題，我公司基于撞擊流理論研究開發了新型的臥式中和反應器即撞擊流中和反應器。撞擊流中和反應器集化學反應和化工傳遞為一體，可有效解決傳統中和反應器的缺陷。

新型的自動調節硫熏器及撞擊流中和反應器組成的硫熏中和系統，有效的解決了傳統硫熏中和器存在的諸多缺點。下面就新型的硫熏中和系統的相關內容及應用效果進行簡要的介紹。

1.1 系統的組成和特點

新型自動調節硫熏中和系統主要由自動調節硫熏器及撞擊流中和反應器組成。

自動調節硫熏器主要由進汁管口、汁室、手動球閥、氣動球閥、導流管、可拆裝噴嘴、二氧化硫氣管口、抽吸室、喉管、反應管口等部件組成（見圖1），其具有以下特點。

圖1 自動調節硫熏器結構圖

第一，自動硫熏器本體的汁室及抽吸室為分體式設計，之間采用多噴嘴多管式結構連接，每根蔗汁導流管分別對應裝上一個閥門和噴嘴后，分別與汁室和抽吸室上的噴嘴座上的噴嘴孔聯接。多個抽吸噴嘴由一定比例的手動及氣動球閥控制，在一定的榨量波動范圍內根據蔗汁來汁壓力由一定數量的氣動球閥自動控制噴嘴的開關。這樣設計有利于噴射的蔗汁聚焦形成穩定負壓，穩定噴嘴蔗汁流速，穩定吸硫，適應榨量的較大變化波動，二氧化硫抽吸效率高，有利于節約硫磺消耗。

第二，在噴嘴設計上。首先，噴嘴抽吸段采用12°角設計、擴散段為圓柱體設計，這樣有利于噴射的蔗汁聚焦形成負壓，二氧化硫抽吸效率高，有利于節約硫磺消耗；其次，噴嘴采用可拆卸式設計，噴嘴堵塞時，可拆卸疏通，拆裝維護方便；最后，可根據榨量的變化自動調節硫熏器的噴嘴，不需要因為榨量的變化而更換噴嘴。

第三，通過PLC自控系統控制混汁泵流量穩定混合汁箱的液位，避免混合汁箱抽空，保證蔗汁來汁量穩定，保證硫熏強度穩定，從而節約硫磺消耗。

第四，由于系統的穩定性調節，澄清工藝指標易于控制，中和反應充分不易積垢，澄清效率大大提高，減少了因pH值控制不穩定而造成的蔗糖轉化或還原糖分解，一定程度上提高了產糖率和產品質量。

第五，硫熏強度穩定，則中和易反應完全，形成的亞硫酸鈣沉淀顆粒多，有利于沉降器沉降過程中的色素吸附和沉降分離，有效降低清汁二氧化硫含量，提高清汁質量。

第六，設備結構緊湊、安裝容易，可在原基礎上安裝，維護簡單。

撞擊流理論最早在20世紀50年代提出，現已廣泛應用于醫藥、化工及環保等行業。撞擊流是強化相間傳遞尤其是外擴散控制的傳遞過程最有效的方法之一，傳遞系數可比一般方法提高數倍到十幾倍。撞擊造成的另一結果是極大地促進混合，尤其是微觀混合。撞擊流中和反應器（見圖2）正是利用液相或者液體連續相撞擊流促進微觀混合的特性，為蔗汁的中和反應創造很高且均勻的過飽和環境，提供較長的蔗汁反應停留時間，滿足蔗汁的中和反應需要。

圖2 撞擊流中和反應器結構圖

1.2 系統的原理

蔗汁經過自動硫熏器的噴嘴后，產生高速射流形成負壓，抽吸二氧化硫氣體并壓縮于硫熏器反應管，形成氣液混合體進入撞擊流反應器，在二氧化硫氣體和蔗汁的混合過程中發生一系列的化學反應如下。

以上一系列的化學反應過程中，硫熏中和吸收二氧化硫氣體的最終目的是要形成足夠多的亞硫酸鈣沉淀來吸附蔗汁中的膠體和色素，從而降低蔗汁清凈過程的混濁度和色值。而要達到產生足夠多的亞硫酸鈣沉淀，就必須要求吸收的二氧化硫氣體充分反應和離解。

循環撞擊流反應就是使二氧化硫氣體、蔗汁和石灰乳滿足充分混合和相間傳遞的作用，其原理是：撞擊流中和反應器是在臥式長圓柱形容器內兩端裝有導流筒和螺旋推進器，兩個螺旋推進器分別從兩端輸送蔗汁流體沿導流筒內部向容器中心的撞擊區流動，并在撞擊區中心處對撞，形成柱面；撞擊后蔗汁流體分別從導流筒外的環室分別流向容器兩端，再次被螺旋推進器輸送經導流筒內部向容器中心運動，如此多次循環撞擊形成液體連續相。在柱面上，由于兩股流體對撞，加上螺旋推進器的轉動引起的旋流，導致流團間和液固間劇烈的相對運動，使該區發升強烈混和反應。由于撞擊提供了一種能創造良好微觀混和條件，使混和、反應等過程有效進行，保證蔗汁有足夠的停留時間。撞擊流中和反應器內部的兩端螺旋推進器除了具有攪拌反應器的功能外，還具有強烈的微觀混合，加速液相間反應及界面更新，提高中和反應效果。

1.3 系統的工作流程

糖廠開榨有混合汁后，啟動混合汁泵變頻柜啟動混合汁泵。現場液位變送器將混和汁箱液位測量信號傳送到中和崗位的控制柜，控制柜內PLC系統接受信號后經過運算輸出，通過自動調節變頻器從而調節混合汁泵的轉速來穩定混和汁箱的液位，從而保證進入硫熏器的混汁流量的穩定，達到硫熏器穩定吸硫的目的。一次加熱后的混合汁以0.30～ 0.60MPa的壓力進入自動調節硫熏器汁室，然后被分配到各個蔗汁導流管，導流管通過一定比例的多個手動球閥開關或者氣動球閥的自動開關來控制蔗汁通過噴嘴的流量及流速，蔗汁以21～24m/s的流速通過噴嘴射向抽吸室形成穩定負壓，進而穩定的抽吸二氧化硫氣體，蔗汁和二氧化硫氣體在抽吸室混合形成氣液混合流順利進入喉部，進一步排向反應管，與添加的石灰乳一起進入撞擊中和反應器進行中和反應。同時，根據來汁的壓力大小自動調節自動硫熏器的多個氣動閥門的開關來調節進入噴嘴蔗汁的流量及流速，滿足生產工藝要求。吸硫后的蔗汁進一步排向反應管，與添加的石灰乳一起進入撞擊中和反應器進行中和反應。然后反應完成的中和汁排去中和汁箱，整個系統工作流程完成，如圖3所示。

圖3 自動調節硫熏中和器系統圖

圖4 自動控制系統監控界面

1.4 配套自動控制系統

配套自動控制系統是設備工作穩定、操作方便的前提保證。自動控制系統采用PLC作為整個自控系統的控制內核，監視/操作界面采用觸摸屏或者工控機作為控制系統的人機交互界面。系統還配置后備手操器以增強系統的可靠性。整個硫熏中和工藝流程圖在顯示界面上實時顯示混合汁箱液位、混合汁壓力、各閥門、泵的開度及轉速等設備運行參數，如圖4所示。

儀表控制柜上可準確顯示混汁箱液位變化、反映噴嘴控制閥門關閉狀態或閥門開度狀態，以及對給定數據進行設定。控制顯示屏上設有自動和手動轉換開關，可方便地轉換控制狀態，當控制氣動閥發生故障時可以手動打開閥門，保證生產的連續正常運行。

自動控制有如下功能。

一是混合汁箱液位控制。混合汁箱安裝液位變送器，用于測量混合汁的液位高度，混合汁泵配置變頻器對泵的輸出流量進行變頻調節。通過液位變送器測量出液位高度信號傳送至PLC系統，先預先將設定值設為混合汁箱某一液位高度，并設置一定的輸出下限，系統通過PID運算得到輸出控制量至變頻器來控制混合汁泵的轉速。使混合汁箱液位平穩的保持在設定值。

二是混合汁壓力的控制。PLC系統通過檢測到的混合汁入汁壓力，自動控制幾組對稱噴嘴上的氣動調節球閥的開與關，從而調節混合汁的噴射壓力，穩定混合汁流速，進而穩定抽吸效果。

三是撞擊流中和反應器攪拌電機轉速控制。通過操作臺上給定信號的調節來控制攪拌電機轉速。

2 應用效果

新型的自動調節硫熏中和系統已在廣西百色萬林糖業有限公司、廣西百色甘化股份有限公司等多家制糖企業推廣使用，使用前后數據的對比表，如表1所示。糖廠使用后可達到如下效果。

第一，硫熏器抽吸效率高，蔗汁與二氧化硫氣體反應較完全，硫熏強度穩定，硫熏強度可達18～30 mg/mL。

第二，系統操作控制方便，能適應榨蔗量的波動。

表1 新型硫熏中和系統使用前后數據對比表

第三，硫熏器噴嘴采用可拆卸式設計，維護方便。

第四，撞擊流中和反應器內，蔗汁中和反應完全、積垢少，減少了沖洗時間，且中和pH穩定。

第五，后工序沉降澄清汁二氧化硫含量低，平均2.7以下。

第六，節省了硫磺使用量，使用后比使用前節約10%的硫磺使用量。

第七，亞硫酸鈣沉淀顆粒結實，粒度均勻。由于二氧化硫與石灰乳發生中和反應完全，能夠產生顆粒大小均勻、結構致密的亞硫酸鈣沉淀，其吸附能力強、易于沉降。

3 結論

新型自動調節硫熏中和系統因創新性地將自動多噴嘴調節硫熏器與撞擊流中和反應器結合在一起使用，具有設備結構緊湊、操作維護簡便等優點。該系統可以有效提高吸硫效率，減少硫磺使用量，提高蔗汁的清凈效率，降低糖廠清汁中二氧化硫殘留量，減少蔗汁中和的可溶性鈣鹽，降低生產成本和白砂糖含硫量，是取代傳統硫熏中和器的最佳方案之一。

［1］ 沈參秋，李天義.蔗汁清凈.北京：中國輕工業出版社，2001.

［2］ 黃福五，鐘耀南，李揚訓等.甘蔗制糖機械設備.北京：中國輕工業出版社，1992.

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［4］ 伍沅.撞擊流性質及其應用.化工進展，2001（11）.

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TS243.2

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2095-820X（2016）03-06

2016-06-02