優化煉糖廠蒸發用汽方案以降低全廠總汽耗的研究探討

賀 湘，姚志敏，鄭文輝

(中國輕工業廣州工程有限公司，廣東廣州 511447)

0 前言

鑒于國內甘蔗種植面積的日漸萎縮，以原糖為原料生產精制白砂糖的煉糖廠逐年增多。而無論甘蔗糖廠還是煉糖廠，均是能耗大戶，每年的生產能耗量巨大，使企業在能耗上的成本非常高。近10年來我國在糖廠的節能降耗上一直在研究和探索，加強企業管理，改良能耗設備，研發和改革制糖工藝等[1]，并做出了一定的成績，使國內煉糖廠的噸糖耗汽水平控制在1.0 t/t（以原糖計）左右，部分先進的企業如大豐英茂糖廠和中糧營口煉糖廠噸糖耗汽甚至達到0.8 t/t（以原糖計）。同時，2020年9月中國在聯合國大會上向世界宣布了2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的目標，這直接對現代企業的節能降耗提出了更高的要求。

煉糖廠的耗能涉及到生產的各個工藝過程，最典型的為糖汁加熱過程、蒸發過程、結晶過程、干燥過程等。同時與使用的耗汽設備密切相關，如大豐英茂糖廠使用德國技術的立式連續煮糖罐煮精糖和優級糖，能使煮糖能耗大大降低。

本文主要從煉糖廠蒸發工段著手，以理論計算不同的蒸發工藝對全廠耗能的影響。

甘蔗糖廠的蒸發系統需將錘度約為13°Bx的清汁濃縮到65°Bx，因此蒸發量巨大，需要消耗大量的蒸汽，故多采用五效壓力-真空蒸發，以便同時產生二次汁汽供加熱和煮糖。而煉糖廠的蒸發只需將60°Bx左右的糖漿濃縮到73°Bx左右，蒸發量相比甘蔗糖廠小很多。根據經驗和糖廠實際運行查定得知，目前煉糖廠蒸發工段常用的工藝為帶煮水罐的二效或者三效板式蒸發，以及一效降膜蒸發工藝。

本文以產糖3000 t/d煉糖廠為背景，采用最常用的三效板式蒸發為例，與一效降膜蒸發作對比，進行理論上的能耗計算，為煉糖廠蒸發工段的設計提供理論參考。

1 計算基礎數據及能耗計算公式

1.1 煉糖廠的工藝流程及計算基礎數據

作為產糖3000 t/d煉糖廠的工藝過程大體包括：原糖回溶、碳酸飽充澄清處理、全自動板框壓濾機全汁過濾、離子交換提純脫色、三效板式蒸發濃縮（或者一效降膜蒸發濃縮）、六系(3+3)煮糖、流化床干燥冷卻、全自動包裝等，產品為精制糖和優級糖，總產量為3000 t/d。工藝流程詳見圖1。

圖1 產糖3000 t/d煉糖廠工藝流程簡圖

以此為背景，得到熱量衡算的計算基礎數據，結果見表1。

表1 產糖3000 t/d煉糖廠熱量衡算計算基礎數據

1.2 熱量衡算計算公式

1.2.1 加熱耗汽量計算公式

糖漿加熱耗汽計算公式為：

其中：G-糖汁(%，以原糖計)；t2、t1-加熱前后溫度(℃)；gn-熱輻射損失(%)；C-糖汁比熱(kJ/kg.℃)；A-加熱蒸汽潛熱(kJ/kg)；D-加熱耗汽量(t/h)。

1.2.2 煮糖工段耗汽計算公式

蒸發水量(%，以原糖計)：

耗汽量(%，以原糖計)：

最大耗汽量：

其中：g-糖膏量(%，以原糖計)；B1、B2-原料和糖膏濃度(°Bx)；E′-蒸發系數；k2-波動系數，取1.2；D總-各種糖膏耗汽之和(%，以原糖計)；D-煮糖耗汽量(t/h)；D′-最大耗汽量(t/h)；W-蒸發水量(t/h)。

1.2.3 蒸發工段計算公式

鑒于糖漿蒸發工段的熱力計算與糖汁濃度及靜壓效應的沸點升高、管道溫度損失均相關，計算較為復雜，詳細原理見陳維鈞等編著的《甘蔗制糖原理與技術》的第三分冊《蔗汁加熱與蒸發》[2]，以下只列出基本公式。

1.2.3.1 三效蒸發計算公式

總蒸發水量：

蒸發工段耗汽量：

式中：G0-蒸發前糖漿(%，以原糖計)；Bn-蒸發糖漿錘度(°Bx)；B0-蒸發前糖漿錘度(°Bx)；D-蒸發工段耗汽量(t/h)；E1-被抽取的一效汁汽量(t/h)；E2-被抽取的二效汁汽量(t/h)；W1-一效蒸發罐蒸發水量(t/h)；W2-二效蒸發罐蒸發水量(t/h)；W3-三效蒸發罐蒸發水量(t/h)。

1.2.3.2 一效蒸發計算公式

總蒸發水量：

蒸發工段耗汽量：

1.2.4 其他耗汽估算

干燥耗汽詳見《化工原理》物料干燥耗汽計算[3]。其他耗汽根據糖廠耗能經驗進行選取，如下：

干燥耗汽=2.26%原糖

溶糖機耗汽=1.50%原糖

分蜜耗汽=0.50%原糖

蒸汽吹掃用汽=0.50%原糖

其他耗汽=0.50%原糖

在信度和效度檢驗的基礎上，根據本文的研究假設，以商品質量、商品價格、企業聲譽、服務質量、購物便利性、網站安全性、物流快捷性和顧客轉換成本為外生潛變量，以顧客滿意度息和顧客忠誠度作為內生潛變量，利用AMOS17.0軟件構建出B2C醫藥平臺顧客忠誠度模型的路徑圖，如圖2所示。

2 全廠耗汽計算結果

2.1 加熱器耗汽量計算結果

各加熱器耗汽量計算結果見表2，計算得出的總耗汽量為28.22 t/h。

2.2 煮糖工段計算結果

煮糖工段計算結果見表3，得出的煮糖總耗汽量為64.82%（以原糖計），即84.16 t/h。

表2 各加熱器耗汽量計算結果

表3 煮糖工段計算結果

2.3 三效蒸發計算結果

日產3000 t 煉糖廠三效蒸發方案計算結果如圖2所示。

圖2 三效蒸發方案蒸汽系統圖

2.4 一效蒸發計算結果

日產3000 t 煉糖廠一效蒸發方案計算結果如圖3所示。

3 結果分析與討論

通過以上一系列計算分析，采用三效蒸發方案，全廠工藝耗汽為1.03 t/t（以原糖計），而采用一效蒸發方案，全廠工藝耗汽為0.93 t/t（以原糖計），對比之下一效蒸發比三效蒸發噸糖耗汽減少了0.10 t/t（以原糖計）。其主要原因是：采用一效降膜蒸發器進行蒸發，蒸發器所產生的汁汽全部抽取供加熱和煮糖使用，無汁汽冷凝過程，從而提高了熱能的利用效率；而三效蒸發末效汁汽因溫度太低無法繼續利用，故被冷凝器冷凝，從而導致低溫蒸汽的浪費。

對全年生產的煉糖廠來說，耗汽為0.10 t/t（以原糖計）的節能效果是極具意義的。從企業經濟上來說，日產糖3000 t/d的煉糖廠消耗原糖約3115 t/d，采用一效蒸發則每日可節約311.5 t蒸汽，若蒸汽為外購，外購價格為180元/t，則企業每日可節約近5.6萬元，每年可節約1600萬元左右。而從政策上講，耗汽1.0 t/t（以原糖計）的節能同時也為國家碳達峰、碳中和的目標做出了一定的貢獻。

此外，一效蒸發無汁汽冷凝過程，從而無需配套蒸發冷凝器，無需消耗蒸發工段循環冷卻水。

需要說明的是，文中僅對比了一效降膜蒸發和常見的三效板式蒸發，未對二效降膜蒸發作計算比較。理論上，從節能角度考慮，二效降膜應比一效降膜更節能。但因目前國內降膜蒸發罐的設計和制造效果不穩定，糖廠使用的降膜蒸發罐均為進口設備，一套進口的降膜蒸發罐及其控制系統，根據面積不同造價約為300萬～400萬人民幣，因此，二效降膜蒸發是否比一效更經濟，還需根據企業規模作進一步核算。

圖3 一效蒸發方案蒸汽系統圖

當然，以上計算僅僅為純理論分析，企業要做到盡可能節能還需要采取其他方面的措施，如：

(1)加強能源管理制度，保持均衡生產，穩定各項技術指標和參數。

(2)保持物流量和各工段用汽量的均勻穩定，安排好物流與設備的調配，減少用汽量的波動。

(3)在保證煮糖順利的情況下，盡可能提高入罐糖漿濃度，尤其是煮制精制糖的糖漿，以減少煮糖過程中的蒸發水量，這是降低工藝耗汽最行之有效且最明顯的節能措施。

(4)煮糖罐、蒸發器及換熱器的汽凝水排放采用等壓排水，充分利用壓力差進行自蒸發回收熱能。

(5)換熱器及煮糖罐設計上充分考慮利用低溫汁汽進行加熱。換熱器采用板式換熱器，蒸發器采用板式或者降膜蒸發器，傳熱系數高；煮糖罐采用帶攪拌裝置的結晶罐，加強糖膏的對流，經濟條件允許可考慮連續煮糖罐；離心機擬選用先進的高效離心機，節能節汽。

(6)加強設備的管理，防止跑、冒、滴、漏、散。對主要傳熱設備加強清洗、減少積垢的生成，以提高傳熱系數。

(7)提高生產過程中的自動化控制水平，以穩定生產過程主要技術參數、提高工效和產品質量，從而降低能耗。

(8)加強設備、管線的保溫工作，以節約各種能耗損失。

(9)各主要生產工藝系統中，設置一定數量的介質計量裝置，為加強管理、節約能源創造條件。

(10)如汁汽一定需要冷凝，可考慮采用板式冷凝器，減少一組熱水泵和熱水收集池，并回收蒸汽冷凝液用于工藝熱水，達到節能的目的。