提升糖廠蒸發(fā)效能的工藝技術(shù)探討

盤張利

（廣西來賓東糖鳳凰有限公司，廣西 來賓 546102）

0 前言

制糖行業(yè)的生產(chǎn)過程首先是從甘蔗中提取蔗汁，然后將其進行清凈、蒸發(fā)，再經(jīng)過結(jié)晶、分離等工序而制成成品。在糖廠的生產(chǎn)過程中，經(jīng)清凈處理后所得的清汁必須進行濃縮，這就是糖汁的蒸發(fā)過程。糖汁的蒸發(fā)過程需要消耗大量的加熱蒸汽，同時產(chǎn)生大量的二次蒸汽，也是鍋爐入爐熱水的主要來源，并為其他工段提供工藝用的熱水，因此，蒸發(fā)工段在糖廠是熱力系統(tǒng)的中心，熱工流程的核心。而蒸發(fā)系統(tǒng)傳熱效能即蒸發(fā)效能的優(yōu)劣直接影響到能夠合理、全面的利用熱能和生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。

蒸發(fā)效能的計算公式：

式中，Ey為進入蒸發(fā)系統(tǒng)的有效能，kJ/h；qD為第一效蒸發(fā)罐的汽耗量，kg/h；t為第一效蒸發(fā)罐的加熱蒸汽溫度，℃。

若第i效蒸發(fā)罐每小時所消耗的蒸汽量為qD，i，則該效罐的有效能消耗量為△Ey，i=qD，i（11.508+4.76△ti）。

從計算公式可知，減少有效能的消耗要做到兩點，一是要減少末效汁汽進入冷凝器的量；二是要盡量減少蒸發(fā)罐的壓力降。這樣可以提高汁汽的溫度，抽用的汁汽平均溫度越高，則有效能的消耗就越少。

1 影響蒸發(fā)效能的因素

蒸發(fā)罐的蒸發(fā)效能除受糖汁循環(huán)速度和加熱室中蒸汽的分布情況、不凝氣及汽凝水的排出、蒸發(fā)操作等因素的影響外，在很大程度上也受到糖汁進出汁裝置的影響。

1.1 蒸發(fā)操作水平

蒸發(fā)操作就是一個合理地控制和調(diào)節(jié)影響傳熱和生產(chǎn)穩(wěn)定的有關(guān)因素的過程，以保證蒸發(fā)系統(tǒng)在最佳的工作條件下進行。蒸發(fā)操作主要是“低液面”和“五定”操作，即罐內(nèi)糖汁沸騰時的假液面剛好蓋過上管板，維持第一效罐的加熱蒸汽壓力、各效罐汁汽壓力、罐內(nèi)液面高度、各閥門開度和抽取汁汽量的穩(wěn)定。各個穩(wěn)定因素之間都有一定的關(guān)系，任何一個因素的波動都會造成其他因素的波動，因此不能忽視任何一個因素。

蒸發(fā)操作的穩(wěn)定是保證蒸發(fā)效能提高的前提，即使外部條件再好，操作人員操作失誤，易使整個蒸發(fā)系統(tǒng)呈現(xiàn)混亂的狀態(tài)，直接影響著整個生產(chǎn)的順利進行。所以蒸發(fā)操作人員必須要做到“眼觀六路、早判斷、早解決”，自覺學(xué)習(xí)，不斷積累判斷經(jīng)驗，提升操作水平。

1.2 蒸發(fā)罐結(jié)構(gòu)

制糖企業(yè)的蒸發(fā)罐大多數(shù)采用循環(huán)式蒸發(fā)罐，部分設(shè)有內(nèi)、外循環(huán)管及中心降液管，進汁口在罐底一側(cè)由單管進入。糖汁在蒸發(fā)罐內(nèi)循環(huán)時，會出現(xiàn)部分已濃縮的糖汁與新入蒸發(fā)罐的清汁混合后又回到加熱列管中再進行蒸發(fā)處理，致使糖汁的沸點升高較大，減少該蒸發(fā)罐的傳熱溫差，降低其蒸發(fā)效能，同時延長了糖汁的停留時間，增加糖汁的色值。進汁管路僅由單管引至蒸發(fā)罐底一側(cè)，容易造成進汁不均衡，靠近進汁管一側(cè)的加熱列管能夠充分利用，而遠離進汁管一側(cè)的則會出現(xiàn)干管的現(xiàn)象，進汁管分布的糖汁不均勻會使得蒸發(fā)罐加熱列管沒有得到充分利用，傳熱效率低，增加了有效能的消耗。

1.3 蒸發(fā)罐用罐組合方式

隨著生產(chǎn)能力的不斷提升，部分企業(yè)初投入的蒸發(fā)罐設(shè)計加熱面積不足以滿足生產(chǎn)需求，但又由于生產(chǎn)成本不能全部更換蒸發(fā)罐，只能采取并罐的方式，既兩個蒸發(fā)罐組合成為某效罐，由前一效的糖汁通過出汁管路同時進入兩個蒸發(fā)罐中進行蒸發(fā)或者同一效的兩個蒸發(fā)罐的糖汁同時進入下一效的一個蒸發(fā)罐中。這種組合方式雖解決了蒸發(fā)罐加熱面積小的問題，但容易出現(xiàn)糖汁同時進入兩個蒸發(fā)罐時分配不均勻的情況，進汁多的蒸發(fā)罐液面高、對流不佳、蒸發(fā)效能低；進汁少的蒸發(fā)罐容易造成干罐的情況。常見的兩種蒸發(fā)罐并聯(lián)使用的示意圖，如圖1所示。

圖1 常見的兩種蒸發(fā)罐并聯(lián)使用的示意圖

1.4 蒸發(fā)罐汁汽抽用情況

正常情況下，同等數(shù)量的煮糖罐在保持進汽閥門開度一致的情況下，對蒸發(fā)各效汁汽的使用總量差異不大，主要使用的是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ效汁汽進行煮制，蒸發(fā)罐效能越往前，說明能耗越低，整體的蒸發(fā)效能就越高，反之則越低。從蒸發(fā)汁汽的抽用方式分析，減少Ⅰ效汁汽的使用，多抽用Ⅲ效汁汽對提高蒸發(fā)效能有較大的幫助。為了提高Ⅲ效汁汽的溫度，加大其抽用比例，除加大Ⅲ效蒸發(fā)罐的加熱面積之外，近年來出現(xiàn)了Ⅲ效汁汽加熱裝置，廣西有較多糖廠已增設(shè)該加熱裝置，效果比較明顯，但由于Ⅲ效汁汽壓力介于正壓和微負壓之間，尤其在糖膏煮制至2/3體積以上的位置時，會時常出現(xiàn)汽凝水排出不良和糖膏對流效果不佳的情況。

2 蒸發(fā)效能提升的技術(shù)改進

2.1 改進蒸發(fā)罐結(jié)構(gòu)

2.1.1 封堵內(nèi)外循環(huán)管

在連續(xù)生產(chǎn)過程中，蒸發(fā)罐內(nèi)原有糖汁從蒸發(fā)罐中排出的百分數(shù)與停留時間的關(guān)系，可用公式表示：

式中，η為原有糖汁排出的百分數(shù)；e為自然對數(shù)的底數(shù)；t為排出時間，單位為min；R為蒸發(fā)罐內(nèi)糖汁體積與每分鐘糖汁排出體積的比率。若以平均停留時間10min為例，在10min后蒸發(fā)罐內(nèi)原有糖汁只有62%左右被排出，20min鐘后約排出87%，46min后才能排出99%，而余下的1%的糖汁將停留更長的時間，對蒸發(fā)效能影響甚大。

為了減少糖汁循環(huán)時的停留時間，提高糖汁過汁速度，對循環(huán)的內(nèi)外管路進行兩頭封堵，并利用中心降液管進行輔助出汁。有兩種改造方法，第一種是將蒸發(fā)罐內(nèi)的中央降液管從下部封堵，在封堵處接一根出汁管到原有出汁管路上，作為輔助出汁；第二種是將蒸發(fā)罐中內(nèi)外循環(huán)管上下兩頭用鐵板封住，禁止糖汁在其內(nèi)循環(huán)。蒸發(fā)罐結(jié)構(gòu)的第一種改造方法，如圖2所示。蒸發(fā)罐結(jié)構(gòu)的第二種改造方法，如圖3所示，圖3為圖2中A-A剖面線處蒸發(fā)罐的俯視圖。

圖2 蒸發(fā)罐結(jié)構(gòu)的第一種改造方法

圖3 蒸發(fā)罐結(jié)構(gòu)的第二種改造方法

2.1.2 改造進汁管路

原有的進汁管路在蒸發(fā)罐底一側(cè)設(shè)置單出口，糖汁分布不均勻，為了提高糖汁的分布面，將進汁管路由一個位置出口改造成通過“多個分支以環(huán)形布料的方式”進入蒸發(fā)罐底，從而均勻分布在加熱列管附近；為了提高進汁口的出汁壓力，還在進汁管上接一個具有一定流量的管道泵，通過管道泵的高壓力將糖汁快速泵入蒸發(fā)罐底。改造的進汁管路，充分利用蒸發(fā)罐內(nèi)加熱面積，提高了傳熱效率。改造后的蒸發(fā)罐進汁管路，如圖4所示。

圖4 改造后的蒸發(fā)罐進汁管路

2.2 調(diào)整組合蒸發(fā)罐的用罐方式

對于并聯(lián)組合蒸發(fā)罐中存在的分布不均勻的情況，采取的解決措施是在兩個蒸發(fā)罐之間用管道泵進行連接，將并聯(lián)方式轉(zhuǎn)為串聯(lián)方式，即是前一效蒸發(fā)罐的出汁全部泵入后一效串聯(lián)的第一個蒸發(fā)罐中，再用管道泵將第一個蒸發(fā)罐的糖汁分配泵入串聯(lián)的第二個蒸發(fā)罐中，目的是充分利用蒸發(fā)罐的傳熱面積，提高傳熱效能，避免局部糖汁過少造成干管現(xiàn)象。串聯(lián)組合蒸發(fā)罐的糖汁走向示意圖，如圖5所示。

圖5 串聯(lián)組合蒸發(fā)罐的糖汁走向示意圖

2.3 改變煮糖Ⅲ效汁汽汽凝水的排水路徑

糖廠煮制甲糖膏的各個煮糖罐的廢汽、Ⅰ效、Ⅱ效和Ⅲ效汁汽的汽凝水管路均為同一根管路，再排往同一個等壓罐中。當不同煮糖罐采用不同汁汽煮制時，各種汁汽壓力不同，Ⅰ效汁汽壓力＞Ⅱ效汁汽壓力＞Ⅲ效汁汽壓力；由于壓力差問題，介于微正壓與微負壓之間的Ⅲ效汁汽的汽凝水時常出現(xiàn)排出不順暢，從而出現(xiàn)煮糖罐汽鼓難進汽和糖膏難對流的情況。為了解決這一情況，在甲糖膏煮糖罐的汽鼓環(huán)管下部接一根排水管至新增的平衡水箱；這新增的平衡水箱與原有的汽凝水等壓罐在同一水平高度，通過管道泵將箱內(nèi)的汽凝水泵入原有的等壓罐中。

煮糖罐新增一根排水管后，在用Ⅲ效汁汽煮制時，將原有的汽凝水閥門關(guān)閉，打開新增的汽凝水閥門，使得Ⅲ效汁汽的汽凝水單獨排出，避免與其他在用的Ⅱ效汁汽汽凝水因共用管路造成的排出不良的情況。采取此措施后，甲糖膏在使用Ⅲ效汁汽煮制時，對流較好，煮糖罐抽用Ⅲ效汁汽的比例得到提高，達到節(jié)能減排的目的。

煮糖罐新增排水管和平衡水箱后汽凝水走向示意圖，如圖6所示。煮糖罐使用Ⅲ效汁汽煮制糖膏時，將閥門1關(guān)閉，閥門2打開，使用新增的汽凝水排出管路；當使用Ⅰ效或者Ⅱ效汁汽煮制時，將閥門2關(guān)閉，閥門1打開，使用原來的汽凝水排出管路。

圖6 煮糖罐新增排水管和平衡水箱后汽凝水走向示意圖

3 改進效果

廣西來賓東糖集團下屬的某一公司在經(jīng)過相類似的技術(shù)改進后，在蒸發(fā)罐效能的提升和節(jié)能降耗方面確實取得了一定的成績。

3.1 蒸發(fā)罐加熱面利用率

改造后的蒸發(fā)罐在加熱面積利用率上有明顯提高，從視鏡上觀察，加熱列管利用率可由2019/2020年榨季的60%提高至2020/2021年榨季的90%，如圖7所示。隨著傳熱效率的提高，蒸發(fā)過程的純度降也有所改善，經(jīng)統(tǒng)計，改進后的清汁與粗糖漿純度降與改進前相比，從0.90AP降至0.59AP，如圖8所示。

圖7 改進前后蒸發(fā)罐加熱面利用率的對比

圖8 改進前后清汁與粗糖漿純度降的對比

3.2 煮糖Ⅲ效汁汽的抽用

煮糖Ⅲ效汁汽的抽用比例及使用效果得到明顯改善，2019/2020年榨季時甲糖膏開煮4個煮糖罐時，只能1個煮糖罐抽用Ⅲ效汁汽，且對于80 m3的煮糖罐，甲糖膏煮至55~60 m3時對流較難；經(jīng)過檢修期技改后，2020/2021年榨季甲糖膏可同時使用2個煮糖罐抽取Ⅲ效汁汽，且對于80 m3的煮糖罐煮至65 m3時，糖膏對流較好。

改進后能多抽取Ⅲ效汁汽用于煮甲糖膏，Ⅲ效汁汽的抽用比例上升，該公司在節(jié)約能耗方面也取得相應(yīng)的進步，百噸蔗耗汽量由改進前的39.82噸降至38.04噸。

3.3 蒸發(fā)有效能的損耗

在同等加熱蒸汽量的情況下，Ⅱ效汁汽改進后的溫度與改進前的溫度相比提高了3~5℃，計算Ⅱ效蒸發(fā)罐的有效能損失。

計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為榨量420噸/小時，清汁錘度15°Bx，Ⅰ效糖汁錘度26°Bx，Ⅱ效糖汁錘度38°Bx，Ⅲ效糖汁錘度48°Bx，清汁量對蔗比為0.96。

清汁量qG，0=420×0.96=403.2（噸/小時）。

Ⅰ效出口糖漿量qG，1=qG，0×清汁錘度/Ⅰ效糖汁錘度=403.2×15/26=232.62（噸/小時）。

Ⅱ效出口糖漿量qG，2=qG，0×清汁錘度/Ⅱ效糖汁錘度=403.2×15/38=159.16（噸/小時）。

Ⅲ效出口糖漿量qG，3=qG，0×清汁錘度/Ⅲ效糖汁錘度=403.2×15/48=126（噸/小時）。

則Ⅱ效汁汽抽用量qE，2=Ⅱ效蒸發(fā)水量W2－Ⅲ效蒸 發(fā) 水 量W3=（qG，1－qG，2）－（qG，2－qG，3）=（232.62-159.16）-（159.16-126）=40.3（噸/小時）。

由蒸發(fā)效能計算公式可知，在Ⅱ效汁汽溫度提高3℃的情況下，Ⅱ效蒸發(fā)罐的蒸發(fā)有效能損失減少量為△Ey，2=qE，2×4.76×△t=qE，2×4.76×3=40.3×1000×4.76×3=5.75×105（kJ/h），有效能損失的減少對于降低傳熱溫差和節(jié)能降耗起到至關(guān)重要的作用。

3.4 存在問題及下一步改進措施

改造蒸發(fā)罐底進汁管后，雖然出汁口數(shù)量多了，但是出汁口孔徑小，易堵，影響了進汁。改進措施為在該罐停機通洗時，工人進入蒸發(fā)罐在罐底的進汁管位置進行敲打，并用清洗機高壓沖洗管路。

蒸發(fā)罐由并聯(lián)改成串聯(lián)，特別是串聯(lián)蒸發(fā)罐使用在末效蒸發(fā)罐時，受管道泵流量、進出汁管路管徑和汁汽室壓力的影響，易出現(xiàn)前一個蒸發(fā)罐糖汁較難進入下一個蒸發(fā)罐的情況。改進措施為重新核算糖汁過汁量，增大管道泵的進出汁管徑，根據(jù)糖汁量重新評估管道泵的選型是否合適等。

4 結(jié)語

通過對現(xiàn)有蒸發(fā)系統(tǒng)的工藝現(xiàn)狀進行分析，探討得出要提高蒸發(fā)效能，減少蒸發(fā)罐有效能的消耗，除了抓牢崗位操作之外，還需要對蒸發(fā)罐本身結(jié)構(gòu)上的缺陷、普遍的組合蒸發(fā)罐方式、后效汁汽的合理利用率等方面進行技術(shù)研究。通過改進蒸發(fā)罐的內(nèi)外循環(huán)結(jié)構(gòu)、重新對進汁管路進行環(huán)形布管，將組合蒸發(fā)罐的并聯(lián)形式改成串聯(lián)、提高糖汁對加熱面的利用率。設(shè)置旁路解決煮糖使用Ⅲ效汁汽時汽凝水排出不良、影響其利用率的情況，從而達到提高前效汁汽溫度，將蒸發(fā)效能往前，避免其往后走，達到節(jié)能降耗和降低糖分損失的目的。