甘蔗糖廠熱力系統節能改造工程技術

楊偉紅，梁益宇，黃 珍，黃上遼

0 引言

隨著我國能源的日益緊張，要求各生產企業節約能源消耗，加之企業面對市場競爭和運行費用降低的成本要求，甘蔗糖廠的節能工作已成為了技改的重要內容之一。

蒸汽是糖廠主要消耗的二次能源，而蒸發系統是全廠熱力系統的中心，蒸發系統相當于一個減壓站，將較高溫度的蒸汽轉換成適合各個工藝部門使用的汁汽。合理的熱力方案應該是蒸發系統在實現物料蒸發濃縮功能的前提下，能耗最小化，減少汽凝水帶走熱量和降低進入冷凝器的汁汽量。在沒有外抽汁汽使用的老式蒸發系統，末效蒸發罐排入冷凝器的汁汽量約為13%～17%(對蔗比)，目前抽汁汽用于加熱和煮糖，這一數量已降至 1%～5%，理論上理想的狀態是趨近于零[1]。

我國甘蔗糖廠目前普遍使用末效為高真空的五效蒸發方案。末效的溫度很低，約52～55℃，這種低溫汁汽很難利用，汁汽只能排入冷凝器，否則就不可能獲得末效所需的真空度，而且它的第三、四效汁汽的溫度不高(通常低于100℃)，也難以大量外用，外抽汁汽主要是前兩效，這樣就難以取得理想的節能效果[1]。

傳統的蒸發熱方案與理想的效能相比尚有較大的差距。因此對傳統熱力方案進行技改優化，對糖廠節能非常有意義。本文主要針對大部分中小型企業在熱力方案存在的問題，以廣西某糖廠2019年節能技改為例，對熱力方案進行挖潛改造，優化用汽流程，優化多效蒸發蒸汽參數以及改造設備，使其達到節能降耗提產的目的。

1 熱力系統分析

1.1 熱力系統現狀

某糖廠生產能力為日處理甘蔗3700 t，產品為原糖。采用五效壓力-真空蒸發和三系煮糖制度。制煉主要設備為：標準式蒸發罐、列管式加熱器、間歇式煮糖罐。

制糖生產用汽，由汽輪發電機組的背壓廢汽供應，不足之數由鍋爐蒸汽減壓補充。背壓廢汽為過熱蒸汽(0.29 MPa(a)，溫度180℃)，經制煉間立式降溫器降溫為飽和蒸汽(0.25 MPa(a)，溫度127℃)即供給Ⅰ效蒸發罐，以后各效的蒸發罐加熱汽源均為使用前一效的汁汽。各種物料加熱均為兩級加熱。甲膏煮制80%使用Ⅱ效汁汽，20%使用Ⅰ效汁汽(有時使用少量Ⅲ效汁汽)；乙膏40%使用Ⅱ效汁汽，60%使用Ⅰ效汁汽；丙膏使用Ⅰ效汁汽。

1.2 熱力系統節能潛力分析

1.2.1 現狀分析

以上傳統的工藝用汽方案，抽取Ⅰ～Ⅳ效汁汽用于蔗汁加熱，Ⅰ～Ⅱ(少量Ⅲ)效汁汽用于煮糖，Ⅴ效汁汽全部進入冷凝器。末效汁汽完全沒有利用。

以盧隆飛在 2014年對小平陽糖廠用汽數據進行技改對比分析。對加熱和煮糖耗用蒸發汁汽分配和用量匯總，得到蒸發各效抽取汁汽合計為(對蔗比)Ⅰ效 13.35%、Ⅱ效 12.49%、Ⅲ效 3.11%、Ⅳ效2.58%[2]。數據表明，外抽汁汽主要是前兩效，Ⅲ、Ⅳ效汁汽利用率很低。

傳統的五效壓力-真空蒸發為高真空蒸發熱力方案，Ⅰ、Ⅱ效汁汽壓力為正壓狀態，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ效汁汽壓力為真空狀態，Ⅱ效汁汽壓力為0.12 MPa左右，Ⅲ效汁汽壓力一般為0.07～0.08 MPa、溫度90～94℃，Ⅴ效汁汽壓力為0.015 MPa、溫度54℃左右。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ效汁汽壓力過低，無法充分利用。

1.2.2 節能對策分析

1.2.2.1 提高二次蒸汽壓力和溫度

理論上，在等同蒸發水量條件下(糖漿濃度不變)，抽汽等級越往后效移，末效汁汽進入冷凝器的量越少，汁汽潛熱就利用得越多，則蒸發廢汽耗用量越低。但是傳統的高真空蒸發熱力方案，Ⅲ效汁汽由于壓力和溫度低(通常為真空狀態)很難達到煮糖用汽要求，Ⅳ、Ⅴ效汁汽也難以大量用于物料加熱。

要想提高低效汁汽的使用率，就必須提高其溫度和壓力，即提高低效汁汽品質。而機械蒸汽再壓縮技術是目前國內外公認的最高效節能技術之一，該技術可以將低品位蒸汽提高為高品位蒸汽。機械壓縮蒸發技術在國外已廣泛使用，但在國內尚處于開發階段，過程中需用的壓縮機等還未定型生產，因此使它的推廣應用受到一定的限制，在甘蔗糖廠運行使用還鮮有報道。

本技改結合國情，立足國內行業現狀，在原有多效蒸發系統的基礎上，本著少投入多產出的理念，提出蒸發采用低真空蒸發熱力方案，適當提高各效汁汽壓力和溫度(如Ⅲ效汁汽壓力提高到原來的Ⅱ效汁汽壓力即0.12 MPa、溫度為104℃以上，Ⅴ效汁汽溫度70℃以上)，使Ⅲ效汁汽為正壓以滿足煮糖要求，Ⅴ效汁汽和含糖汽凝水溫度均得到提高以滿足加熱溫差要求，從而使抽汽等級往后效移，減少進入冷凝器的汁汽量。

為了避免Ⅲ效汁汽在輸送去煮糖的管道中發生因管道熱量損失、少量蒸汽冷凝成水而引起壓力下降，導致入煮糖罐汁汽壓力降低，提出使用升溫器加熱Ⅲ效汁汽，使其溫度升高至120℃的過熱狀態，且升溫器安裝位置宜靠近Ⅲ效蒸發罐出汽口，這樣可以使汁汽在過熱狀態下被輸送至煮糖罐，因管道熱量損失而首先消耗的是由過熱狀態到飽和狀態的顯熱，從而保持入煮糖罐的Ⅲ效汁汽壓力為 0.12 MPa不變；另一方面，適度過熱的蒸汽作為加熱蒸汽有利于改善傳熱，因為它可以減少管外壁面上的冷凝水膜的厚度，這就是允許進入汽鼓的乏汽(汁汽)具有一定過熱度的原因。

利用汽輪機背壓廢汽加熱Ⅲ效汁汽，目前已有少數廣西糖廠實施該做法，并取得較好的換熱效果。糖廠自備電站的汽輪機背壓廢汽通常為過熱狀態輸送到制煉間，經降溫器降溫為飽和蒸汽后供給蒸發和加熱使用，背壓廢汽經降溫時部分熱量經疏水閥排水帶走而浪費了熱量。因此利用背壓廢汽作為加熱Ⅲ效汁汽熱源，使余熱得到充分利用。

1.2.2.2 減少用汽部門耗汽

理論上，如用汽部門采用了節能措施而用汽量減少，則需蒸發總抽汽量會減少。因此，減少用汽部門的耗汽量是節能的重點之一。如混合汁一級加熱采用含糖汽凝水為熱源而減少抽用汁汽量，煮糖罐采用加裝強制攪拌裝置，縮短煮糖實際時間，降低所需耗汽量。

其他采用的熱力節能措施還有很多，包括生產管理、工藝指標控制等措施，如減少煮水，分蜜打水量等措施；以及提高蒸發末效糖漿濃度(生產原糖時為68～72°Bx)，糖漿濃度是影響煮糖耗汽的最大因數，濃度高可以縮短煮糖時間，從而節省蒸汽量。

綜上所述，提出技術改造思路如下：①參照國外一些糖廠，采用低真空的蒸發熱力方案，適當提高各效汁汽壓力和溫度，為盡量多抽后面幾效汁汽用于加熱和煮糖提供條件；②采用汁汽升溫系統，提升Ⅲ效汁汽溫度供煮糖使用；③末效汁汽用于混合汁加熱，減少進入冷凝器汁汽量；④用含糖汽凝水作為混合汁一級加熱熱源，回收汽凝水熱量。

2 熱力系統節能技術改造實施方案

2.1 熱力系統優化的方案設想

2.1.1 確定合理蒸發熱力方案，提高各效汁汽溫度與壓力

蒸發熱力方案是節能的基礎，本技改蒸發熱力方案的確定原則如下：

⑴蒸發熱力方案的制定必須考慮加熱和煮糖所抽取的汁汽情況，提供的汁汽不僅要在數量上達到要求，而且在品質上也要有保證[2]。

⑵合理確定第Ⅰ效溫度。較高溫度有利于各效汁汽的利用，但要防止高溫導致蔗糖轉化和糖汁色值增加。甘蔗糖廠因糖汁含還原糖較多，高溫的影響較大，一般第Ⅰ效加熱蒸汽的溫度很少超過 125℃，還有不少糖廠不到120℃。在設備傳熱性能好、糖汁停留時間短時，可以用較高的溫度，但如設備過大或操作液面高，糖汁停留時間長，則溫度高會有較大的不良影響[1]。

⑶合理設計末效溫度和有效溫度差，合理提高汁汽壓力和溫度。既滿足傳熱所需的有效溫差，又要使得汁汽溫度有所提高。建議前三效的每效傳熱溫差控制在5～8℃，后面兩效控制在7～15℃。

⑷合理安排各效蒸發面積，保證末效物料蒸發濃縮錘度為68～72°Bx。由傳熱公式Q=KSΔt可知，采用低真空蒸發，則總有效溫度差變小，為了保證蒸發量不變，需適當加大各效蒸發面積。

根據以上原則和實際情況，經熱力平衡計算，確定技改后末效真空度、第Ⅰ效溫度、各效的有效溫度差(總溫度差36℃)，各效的推薦參數見表1。

2.1.2 優化加熱系統，增加加熱級數和抽取低效汁汽

增加物料各級加熱級數，縮小各級物料加熱的溫度范圍，增加Ⅴ效汁汽和汽凝水余熱利用。級數方案為混合汁四級加熱，加灰汁三級加熱，清汁三級加熱，詳見表2。

2.1.3 利用含糖汽凝水加熱冷物料，回收余熱

根據杜勝娟[3]的研究表明，使用含微糖汽凝水溫度 90℃，將混合汁從 20℃加熱到 45℃，是可行的[3]。經技改后的蒸發熱力方案含微糖汽凝水溫度達到90℃，故采用傳熱系數較高的板式換熱器，利用汽凝水作為混合汁一級熱源。

表1 技改后各效蒸發罐操作參數

表2 技改后物料加熱各級抽汁汽分配

2.1.4 配套汁汽升溫系統提升Ⅲ效汁汽溫度

為了盡可能多抽用低效汁汽用于煮糖，國內外糖廠多為采用先進的連續煮糖罐，而對于我國的一步法生產工藝，尤其是中小型糖廠多采用間歇式煮糖罐，很難做到利用Ⅲ效汁汽煮糖。如前所述，以優化蒸發熱力方案為先決條件，在適當提高Ⅲ效汁汽壓力后，再通過升溫器提升Ⅲ效汁汽的溫度，使其滿足煮糖的用汽要求。

采用一種新型的升溫器裝置，使用過熱的背壓廢汽和Ⅲ效汁汽進行熱交換，經升溫器換熱后，Ⅲ效汁汽溫度達120℃。其交換前后的參數見表3。

2.2 優化的熱力方案工藝流程

根據熱力系統優化的方案設想，優化后的熱力方案工藝流程見圖1。

表3 升溫器進出介質參數

圖1 優化制糖工藝熱力方案汽流程簡圖

2.3 熱力方案優化后抽汽方案

優化后，進入冷凝器的蒸汽量為1.0%(對蔗比)，達到國內較好水平；各效抽取汁汽量與前述小平陽糖廠數據(對蔗比)Ⅰ效13.35%、Ⅱ效12.49%、Ⅲ效3.11%、Ⅳ效2.58%比較，Ⅰ效抽汽量減少8.18%、Ⅲ效抽汽量增加6.63%、Ⅴ效抽汽量增加1.65%；煮糖甲乙膏使用Ⅱ、Ⅲ效，丙膏使用Ⅰ、Ⅱ效汁汽。各效抽汽量詳見表4和表5。

2.4 配套主要設備方案

2.4.1 帶自動控制升溫裝置

表4 技改后抽汁汽方案

表5 汁汽分配方案對比

新增Ⅲ效升溫裝置(升溫器)，結構為列管式換熱器，臥式安裝形式。器身圓筒管狀，筒體由換熱管、管板、管箱、封頭組成(圖2)。工作原理：二次蒸汽由升溫器端部進入管程，從另一端管程輸出，過熱蒸汽從一端的側面進入殼程，中部側面流出殼程，通過間壁進行熱交換。廢汽出入口采用電動控制閥，以升溫后二次蒸汽溫度自動控制進出廢汽量，確保二次蒸汽溫度值的穩定。

圖2 調試運行中的帶自動控制升溫裝置

2.4.2 帶強制攪拌器煮糖罐

原有間歇式結晶罐吊鼓式改平鼓式，并對煮糖罐汽帶、進汽口改造，加裝強制攪拌裝置。使用帶強制攪拌器的循環煮糖罐，能夠加速物料的循環和改善對流狀況，提高結晶質量，縮短煮糖實際時間，降低所需的蒸汽壓力和耗汽量。

2.4.3 板式換熱器

汽凝水余熱回收加熱混合汁采用新型高效板式換熱器1臺，采用寬縫式和帶反洗裝置減少積垢，傳熱系數高，換熱效果好。

2.4.4 蒸發罐

合理設計和安排各效蒸發面積。由于抽汽位置后移，Ⅰ、Ⅱ效罐有效溫差減少，Ⅲ效抽汽量增加，故蒸發面積均需增加。考慮利用舊設備，采用的方案是增加1臺2700 m2蒸發罐用作Ⅰ效罐，Ⅱ、Ⅲ效利用舊設備并罐，并罐后五效蒸發罐面積為2700、3200、2400、1200、850 m2。

3 項目實施效果

采用以上節能技改措施后，蒸發系統熱力方案分配更加合理，達到降低制糖生產耗汽的目的。某糖廠2019年4月開始設計實施，2019年11月投入試機運行使用，經過1個多月的運行，全廠汽耗由原來的42%(對蔗比)降到了38%(對蔗比)以下，節省一次蒸汽4%(對蔗比)。按年處理甘蔗60萬t，蒸汽價格120元/t計，預計每年可節約耗汽成本288萬元；按產糖率12%計，噸糖成本下降40元。由此可見，技改節能效果明顯，產能也得到提升，達到預期的目標。

4 小結

采用提高蒸發系統各效汁汽壓力和溫度的低真空熱力方案，利用過熱廢汽提升供煮糖用Ⅲ效汁汽溫度，使Ⅲ效汁汽可以更充分、更有效地應用于煮糖，增加物料加熱級數及低效汁汽等級使用，Ⅴ效汁汽用于混合汁加熱，以及設備升級改造等措施，減少了Ⅰ效汁汽的抽用量和煮糖耗汽量，實現抽汽等級往后效移，減少Ⅰ效蒸發罐耗汽量和減少進入冷凝器的蒸汽量；以及回收利用汽凝水余熱。某糖廠實施節能方案后，有效地降低全廠汽耗和生產成本，以上工藝技術方案經濟適用，值得推廣應用。