糖廠改造低溫燃硫爐和中和反應器提高澄清質量的實踐探索

覃藝丹，盧英戰

(南寧糖業股份有限公司香山糖廠，廣西南寧530199)

0 引言

澄清工序是亞硫酸法制糖生產的關鍵工序，包括預灰→一次加熱→硫熏中和→二次加熱→沉降→過濾等處理過程，其目的是獲得清澈透明、色值和混濁度低的澄清汁[1-2]，其中硫熏中和是澄清工序的核心環節，決定著糖汁澄清質量的好壞，并直接影響了成品糖的品質和收回率[2]。該環節是蔗汁吸收SO2反應生成亞硫酸，亞硫酸與加入的氫氧化鈣反應生成亞硫酸鈣，沉淀吸附蔗汁中非糖雜質的過程。本研究對硫熏中和環節所涉及的硫磺爐和中和反應器設備采用新技術、新設備進行技術改造，以滿足高榨量生產和提高澄清質量的要求，幫助解決機收甘蔗帶來的頑性蔗汁難處理的問題。研究結果顯示，進行改造升級后，能有效地提升設備效能，消除安全隱患，提高澄清質量，提高白砂糖品質，同時可降低企業成本。

1 技術改造的原因

1.1 硫磺爐存在問題

原有的硫磺爐為高溫燃燒型自控式液態噴霧燃燒硫磺爐，于2013年投入生產使用，已運行7年，原設計能力為滿足7000 t/d榨量的要求，近2年隨著糖廠榨量提高到9000 t/d后，其設備能力不足的問題越發明顯。為適應生產要求，在爐體尺寸無法改變的情況下，企業通過增加液態硫供應量、加大風機增加空氣量來提高燃硫爐設備能力。但燃硫爐超負荷運行后存在以下問題：

(1)由于硫磺燃燒溫度由1100℃提高到1300℃，硫氣冷卻系統無法滿足冷卻要求，造成硫氣管道被燒紅，存在硫氣管道被熔化的安全隱患。臥式冷卻器和立式冷卻器使用壽命由原來的2年縮短到1年，年增加設備檢修費用約49萬元，對企業年度檢修費用控制形成很大壓力。

(2)硫熏強度偏低，且穩定性不足，影響了澄清質量。

(3)液態硫供應量過高時，形成的升華硫經冷卻后重新在硫熏中和器入口處析出，造成管路堵塞[3]。

(4)空氣供應量過大、過量空氣系數過高時，在1300℃高溫下，生成大量的SO3氣體，SO3進入生產流程后與鈣離子生成硫酸鈣，使糖汁非糖分增加，同時增加蒸發積垢[3]；SO3與水氣生成的硫酸還會嚴重腐蝕設備和管路[1]。

1.2 中和反應器存在問題

企業原有的2#中和反應器為2015年利用立式中和反應器進行改造，由立式改造為臥式，相對立式延長了蔗汁停留時間，中和反應效果有一定程度的提高。但近2年隨著機收甘蔗進廠比例的逐年增多和甘蔗品質的下降，臥式中和反應器對頑性蔗汁的中和反應能力欠佳問題日益突出：即蔗汁進入中和反應器后混合不夠均勻，反應不夠充分，澄清汁放汁浮渣多，吸附除去的雜質和色素少，澄清汁色值偏高，澄清效果不良。

2 技術改造的方案及內容

2.1 硫磺爐技術改造的方案及內容

2.1.1 技術改造方案

2019～2020年，企業先后到博宣糖廠、大橋糖廠實地考察2廠使用的低溫燃燒型環保高效汽化旋風式硫磺爐情況。該燃硫爐工作原理為：固體硫磺投入熔硫池，利用SO2氣體的余熱熔化成液態硫，輸送至一次燃燒室燃燒后形成硫蒸汽，進入二次燃燒室燃燒反應生成SO2氣體，經冷卻器冷卻后輸送至硫熏中和器。其特點為：①燃燒模式采用汽化燃燒，通過分級燃燒、硫磺汽化、旋風燃燒技術，實現均相高速旋流混合，快速達到組分均勻、溫度均勻，在過量空氣系數較低的條件下高效完全燃燒[3]。②低溫燃燒過程的同時進行冷卻和熱能回收，實現了在低溫條件下(≤550℃)硫磺的完全燃燒，提高硫磺爐效能和抗腐蝕能力[3]。③采用自動控制技術[3-4]，點火、調節全電腦控制；流量、濃度調節即時響應；溫度全程監控。④完全密閉燃燒，安全環保[3-4]。

根據低溫燃硫爐的原理和使用情況，經多方技術論證后，企業確定將高溫燃硫爐技術改造升級為低溫燃硫爐，主要技術參數要求為：①按照榨量≥9000 t/d的要求進行設備能力的設計。②硫氣燃燒溫度要求≤550℃，硫氣冷卻后溫度要求≤80℃。③SO2濃度要求在8%～12%的范圍，蔗汁硫熏強度要求≥28 mL。④硫氣冷卻系統壽命要求≥3年。⑤熔硫方式采用硫氣尾氣余熱進行加熱(開機階段采用蒸汽加熱)。⑥點火方式采用遠程電控點火，要求即開即停。⑦控制系統采用PLC微機遠程控制。⑧設備要求密封，耐高溫、耐化學腐蝕。⑨硫磺采用電動葫蘆吊鉤起運添加。⑩爐體設備壽命要求≥10年，耐高溫、耐化學腐蝕。

原高溫燃硫爐運行狀況示意圖見圖1，改造后低溫燃硫爐工作原理見圖2。

圖1 原高溫燃硫爐運行狀況示意圖

圖2 改造后低溫燃硫爐工作原理圖

2.1.2 技術改造的內容

(1)土建工程：①拆除原高溫燃硫爐址建筑。②新建熔硫池、一級燃燒室、二級燃燒爐、4臺風機、4個冷卻器基礎。③新建風機電纜溝。④新建冷卻水排水溝。⑤設備操作、維修面混凝土硬化找平。⑥廠房墻面修整。⑦新建控制室等。

(2)舊設備拆除工程：將原高溫燃硫爐成套設備拆除。

(3)新設備采購及安裝：新增及安裝1臺低溫燃硫爐成套設備，包括熔硫池、液態硫保溫池、液硫泵、蒸汽發生器、一級燃燒室、二級燃燒室、硫氣冷卻器、一次風機、二次風機、設備微機自動控制系統、配套溫度/壓力/流量檢測裝置等。

(4)新設備與生產線聯接工程：包括硫氣大管對接、冷卻水管路對接、加熱蒸汽管路對接和電器、儀表設備安裝。

(5)配套相應的安全、環保、職業病防護設施。

2.2 中和反應器技術改造的方案及內容

2.2.1 技術改造方案

近2年企業深入了解和考察到目前行業內使用的技術較先進的撞擊流中和反應器，其工作原理[5-6]為：液體從反應器兩端螺旋推進器推進，沿導流筒向容器中心流動并在中心處對撞形成撞擊流，撞擊后流體重新流向容器兩端并再次被推向容器中心循環撞擊運動。其運行特點為：①強化反應傳遞[5-6]，提高反應速度，混合更均勻、更充分，達到穩定加灰的目的。②強烈攪拌，均勻混合；多次循環撞擊，氣相和液相或液相間充分混合，同時伴有超聲效應[5-6]，反應完全。③減少滯后反應。④節約硫磺用量及提高成品糖質量[5]。

根據考察和論證結果，企業確定將原臥式中和反應器技術改造升級為撞擊流中和反應器，主要技術參數要求為：①按照榨量≥9000 t/d、蔗汁處理量≥420 t/h進行設備能力的設計。②具備相對強制攪拌功能，提高蔗汁反應速度。③強制攪拌裝置(含電機)設備運行安全率≥99%，運行過程器體密封良好，無泄漏。④強制攪拌裝置與蔗汁接觸的轉動部分，設計上考慮蔗汁中的泥沙、蔗糠對轉動部位的磨損影響，采取有效方法延長設備的使用壽命。撞擊流中和反應器的工作原理圖[5]見圖3。

圖3 撞擊流中和反應器的工作原理圖

2.2.2 技術改造的內容

(1)將原中和反應器(Ф1800 mm)長度由3800 mm增加到6000 mm，新增2臺強制攪拌裝置。

(2)新增Ф600 mm不銹鋼出汁管。

3 技術改造的效果

3.1 評價指標及評價方法

3.1.1 設備硬件運行狀況

設備硬件運行狀況評價包括設備主要性能參數完成情況、生產安全率及配套的安全、環保、職業病防護設施運行情況等。

3.1.2 生產指標的運行狀況

3.1.2.1 生產指標范圍

納入衡量澄清質量的指標包括硫熏強度、澄清汁色值和清混汁重力純度差等3個[1]，其中，衡量燃硫爐技術改造方案的主要指標為硫熏強度(檢測頻率：每小時1次，工藝指標要求范圍：20～30 mL)；衡量中和反應器技術改造方案的主要指標有2個：澄清汁色值(檢測頻率：每2小時1次，工藝指標要求范圍：≤90°st)和清混汁重力純度差(檢測頻率：每4小時1次，以差值高低衡量澄清質量的優劣，單位：%)。

對應納入衡量終產品白砂糖質量指標包括3個：①白砂糖殘留的二氧化硫含量，根據GB 2760-2014《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》要求≤0.10 g/kg；②白砂糖色值，根據GB/T 317-2018《白砂糖》要求≤150 IU(一級)；③白砂糖電導灰分，根據GB/T 317-2018要求≤1.0 g/kg。3個指標檢測頻率均為：次/每個編號。

榨季期間受甘蔗供應量不穩定因素影響，榨量呈波動狀態。本研究選取2019/20年榨季1月18～22日(5天)和2020/21年榨季1月5～9日(5天)期間甘蔗質量相當、持續保持9000 t/d高榨量、工況穩定運行的生產指標進行對比，共納入硫熏強度2組指標各120例、澄清汁色值各60例、清混汁重力純度差各30例；白砂糖二氧化硫、白砂糖色值、白砂糖電導灰分均為對照組101例、驗證組110例。

3.1.2.2 統計學分析

采用SPSS 22.0軟件進行統計學分析。以2019/20年榨季為對照組，2020/21年榨季為驗證組。正態分布計量資料用均值±標準差(±s)表示，非正態分布計量資料用中位數(四分位數間距)表示；正態分布且方差齊性2組比較采用假設檢驗的t檢驗，不符合正態分布或方差不齊2組比較采用假設檢驗的秩合檢驗。P＜0.05為差異有統計學意義。

3.2 技術改造效果的驗證

3.2.1 設備硬件運行狀況

3.2.1.1 低溫燃硫爐

低溫燃硫爐于2020年11月18日投入榨季生產運行，電控點火一次成功，蔗汁硫熏強度20 min內可達到18 mL左右，40 min可達到28 mL左右，實現了快速點火、快速燃燒的技改目標，較好地解決了原高溫燃硫爐人工點火時間長、蔗汁硫熏強度提升速度慢、開榨初期蔗汁硫熏強度低的問題。硫磺燃燒溫度能夠控制在450℃左右，滿足項目設計≤550℃的要求。硫氣冷卻溫度可控制在50℃以下，滿足項目設計≤80℃要求。

2020/21 年榨季運行期間，硫磺加熱熔解、硫泵輸送、液態硫磺氣化、硫磺燃燒、硫氣冷卻、硫熏強度自動控制系統運行正常，設備運行安全率100%。

配套的燙傷防護設施(保溫工程)、機械傷人防護設施、硫氣泄漏防護設施、安全防護帶、環保設施(設置有酸液專用排放溝，可加入石灰乳中和后排放)、職業病防護設施(遠程控制)、消防設施等運行正常。

3.2.1.2 撞擊流中和反應器

撞擊流中和反應器于2020年11月20日投入榨季生產運行，設備運行平穩，配套的2臺強制攪拌裝置(帶變頻)運行正常，攪拌軸與器體接觸部分密封良好，無泄漏現象，設備運行安全率100%。設備傳動部位配套安裝的安全防護設施運行正常。

3.2.2 生產指標的對比

3.2.2.1 生產指標的正態分布和方差齊性檢驗

使用SPSS概率圖P-P圖，對樣本數據正態性分布特征進行考察，結果顯示：驗證組和對照組的硫熏強度、白砂糖二氧化硫、白砂糖色值、白砂糖電導灰分指標，均不符合正態分布；2組的澄清汁色值和清混汁重力純度差指標，均符合正態分布。

驗證組硫熏強度P-P圖考察結果，見圖4。由圖4可知，散點與對角線不重合，即實際分布與正態分布的理論分布相差較大；去趨勢P-P圖顯示，最高分布殘差絕對值＞0.05，由此可判斷驗證組硫熏強度不服從正態分布。

圖4 驗證組硫熏強度P-P圖

對符合正態分布的澄清汁色值和清混汁重力純度差指標分別進行方差齊性檢驗。檢驗結果顯示：澄清汁色值方面，驗證組澄清汁色值方差相等(P＞0.05)，對照組澄清汁色值方差不齊(P＜0.05)；清混汁重力純度差方面，驗證組和對照組均方差相等(P均＞0.05)，見表1。

表1 方差齊性檢驗

3.2.2.2 技術改造前后生產指標的比較

(1)2組硫熏強度比較

技術改造后，驗證組的硫熏強度中位數為30.0 mL，四分位數間距(即P75與P25之差)為1.1 mL；對照組硫熏強度中位數為27.0 mL，四分位數間距為3.425 mL，顯示技術改造后硫熏強度指標呈集中趨勢，離散程度呈變小趨勢，指標穩定性明顯提升，波動范圍減少，顯著優于對照組，基本達到項目設計要求的9000 t/d榨量條件下硫熏強度≥28 mL的要求。秩合檢驗顯示，標準正態變換u值統計結果為9.038，P＜0.001，差異有統計學意義，表明差異結果非抽樣誤差引起，樣本的差異反映了總體的差異，見表2。

表2 硫熏強度技術改造前后比較

(2)2組澄清汁色值比較

技術改造后，驗證組澄清汁平均色值為63.606°st，優于對照組71.128°st；秩合檢驗顯示，u值統計結果為-5.727，單側P＜0.001，差異有統計學意義，見表3。

表3 澄清汁色值技術改造前后比較

(3)2組清混汁重力純度差比較

技術改造后，驗證組清混汁重力純度差平均達到3.522%，優于對照組1.917%；t檢驗顯示，t分布標化后t統計量統計結果為7.363，P＜0.001，差異有統計學意義，見表4。

表4 清混汁重力純度差技術改造前后比較

(4)2組白砂糖二氧化硫、色值、電導灰分比較

技術改造后，驗證組終產品白砂糖二氧化硫中位數低于對照組，四分位數間距相當；電導灰分中位數低于對照組，四分位數間距顯示穩定性有所增強。2組色值比較，中位數無顯著差異，四分位數間距顯示離散程度呈變大趨勢。

秩合檢驗顯示，白砂糖二氧化硫、電導灰分的u值統計結果分別為-11.524、-11.507，單側P值均＜0.001，差異有統計學意義；白砂糖色值u值統計結果為0.974，單側P值=0.165，差異無統計學意義，見表5。

表5 白砂糖二氧化硫、色值、電導灰分技術改造前后比較

4 討論

企業針對9000 t/d高榨量生產、機收甘蔗含雜質多、甘蔗純度下降條件下，硫熏中和過程存在設備能力不足和安全隱患的高溫燃硫爐和臥式中和反應器，結合目前糖業發展的新技術，制定了技術改造的方案。新型低溫燃硫爐的投入使用，有效解決了高溫燃硫爐的安全隱患問題，節省了每年高額的設備維修費用。低溫燃硫爐的汽態硫通過鼓入空氣壓力送入爐內旋風燃燒，不需要噴槍、噴嘴等部件，設備維護費用較低；硫氣溫度低，設備材料使用壽命較長，硫氣冷卻系統可使用3年以上，維修費用明顯降低。新型撞擊流中和反應器運行成本與原臥式中和反應器相當；且撞擊流反應器具有反應充分、混和均勻、強化反應等優點，除了具有攪拌功能外，還具備強烈的微觀混和，加速相間反應，提高了中和反應效率。

技術改造項目運行結果顯示：①項目設備性能、生產安全率及配套的安全、環保、職業病防護設施，均能滿足項目設計的要求。②生產指標運行結果顯示，技術改造后，澄清效率明顯提升：驗證組硫熏強度、澄清汁色值、清混汁重力純度差均優于對照組，差異有統計學意義(P均＜0.05)。終產品白砂糖指標中，驗證組二氧化硫、電導灰分均優于對照組，差異有統計學意義(P均＜0.05)；但2組色值差異無統計學意義(P＞0.05)，與企業經營決策有關，在國標一級白砂糖色值≤150 IU指標范圍內，企業將色值內控指標由≤120 IU調整為≤130 IU，不單純追求低色值糖，而是綜合平衡低色值糖占比和降低廢蜜產率問題，以提高企業的綜合效益。

綜上所述，企業實施的低溫燃硫爐和撞擊流中和反應器技術改造項目，不僅有效地解決了高榨量下的設備效能問題，而且提高了澄清質量，提升了白砂糖品質，取得良好的經濟和社會效益，值得推廣應用。