造紙法再造煙葉MVR蒸發系統節能技術研究

蘇瑤 高軍 蘇曼

摘要 ?為降低造紙法再造煙葉機械蒸汽再壓縮（MVR）蒸發濃縮系統蒸汽消耗量，通過提高MVR壓縮機功率來提高蒸發系統內溫度，分析了蒸發系統內真空度和蒸發溫度對系統蒸發量的影響，研究MVR壓縮機功率對蒸汽消耗量的影響。結果表明，在設定的真空度和溫度范圍內，真空度和蒸發溫度對系統蒸發量的影響達到極顯著水平，降低系統內真空度和提高蒸發溫度均可以提高單位時間內系統的蒸發量;通過將MVR壓縮機功率由120 kW提高至151 kW，二次蒸汽溫差由0.6 ℃升至1.6 ℃，蒸汽消耗量由267 kg/h降至0 kg/h，壓縮機功率增加較使用蒸汽更具有經濟性，可以降低蒸汽消耗量，年節約標煤160 t，節能效果顯著。

關鍵詞 造紙法再造煙葉;蒸發溫度;壓縮機功率;節能

中圖分類號 TS 452? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2022）01-0217-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.01.059

Study on Energy Saving Technology of MVR Evaporation Process for Reconstituted Tobacco Leaves by Paper-making Method

SU Yao1， GAO Jun2， SU Man2

（1.Bengbu Cigarette Factory of Anhui China Tobacco Industrial Co.，Ltd.， Bengbu，Anhui? 233000; 2.Anhui Reconstituted Tobacco Leaves Technology Limited Liability Company， Bengbu， Anhui? 233000）

Abstract In order to reduce the consumption of raw stream in the mechanical vapor recompression （MVR） evaporation and concentration system of reconstituted tobacco leaves? by paper-making method， MVR compressor power was increased so as to increase the temperature in the evaporation system. The effects of vacuum and evaporation temperature in the evaporation system on the evaporation capacity of the system were analyzed， and the influences of MVR compressor power on the? consumption of raw steam were studied online. The results showed that the influences of vacuum and evaporation temperature on the evaporation capacity of the system reached extremely significant level in the range of set vacuum and evaporation temperature. The evaporation capacity of the system per unit time could be increased by decreasing the vacuum and increasing the evaporation temperature. The power of MVR compressor was increased from 120 kW to 151 kW online， the temperature difference of the secondary steam was increased from 0.6 ℃ to 1.6 ℃， and the steam consumption was decreased from 267 kg/h to 0 kg/h. It was more economical than the use of steam to increase the compressor power， and the steam consumption could be decreased. The standard coal could be saved 160 tons each year， the energy saving effect was? remarkable.

Key words Reconstituted tobacco leaves by paper-making;Evaporation temperature;Compressor power;Energy-saving

作者簡介 蘇瑤（1979—），女，安徽東至人，工程師，從事煙草類原料、加工、設備等方面的研究。

收稿日期 2021-05-17

機械蒸汽再壓縮（MVR）技術是利用少量的電能將系統內產生的二次蒸汽升溫升壓反復利用，具有節能減排、工藝簡單等特點，已被廣泛應用于化工（生產氧化鋁、造紙、回收二氧化硫生產硫氨）、制鹽、食品（飲料、淀粉、乳制品、糖）、環保（工業廢水處理）、制藥和海水淡化等領域[1-6]。顧承真等[7]研究表明，MVR風機的頻率影響系統的蒸發量和風機的功耗，在MVR風機額定范圍內增大風機頻率，單位能耗蒸發量增加;湯添鈞等[8]研究表明，蒸發壓力恒定時系統內蒸發量、能效系數和單位耗電量均隨MVR風機頻率的增加而增加;鞠婉蘭[9]研究表明傳熱溫差對壓縮機的工作工況以及性能有著重要影響，傳熱溫差從5 ℃增至10 ℃時，系統蒸發量增加了1倍。

在造紙法再造煙葉傳統蒸發工藝中，產生的二次蒸汽直接冷凝或排放大氣，其潛熱浪費嚴重，造成能源的極大損失。近年來，MVR蒸發技術在造紙法再造煙葉蒸發工藝中逐步得到應用[10]。生產中，萃取液經過換熱器升溫，進入一效效體，蒸發得到汽液混合物?；旌衔镌谄悍蛛x室產生二次蒸汽，進入MVR壓縮機進行壓縮。壓縮后的二次蒸汽溫度升高，熱焓增大，作為高品位的蒸汽進入蒸發器的殼程冷凝，釋放出潛熱后排出蒸發室。同時，管程內的萃取液吸收殼程中蒸汽熱量，汽化并產生二次蒸汽，進入上述循環過程。目前，對造紙法再造煙葉MVR蒸發系統的節能技術研究較少，MVR蒸發技術對蒸汽消耗量的影響尚未見報道。筆者對影響再造煙葉MVR蒸發系統蒸發量的主要控制參數進行了研究，并在線考察了MVR壓縮機功率對蒸汽消耗量的影響，旨在為在線過程控制提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料和設備

1.1.1 材料。造紙法再造煙葉萃取液由安徽中煙再造煙葉科技有限責任公司提供，物料可溶性固含量[11]為6.0%～7.0%。

1.1.2 設備。

DMA4500M+Abbemat300+Xsample 452密度折光聯用儀（安東帕中國公司）;Rotavapor R-215旋轉蒸發儀（瑞士BUCHI公司）;煙草萃取液蒸發器（宜興市格蘭特干燥濃縮設備有限公司）;Exvel MVR壓縮機（瑞士Flkt Woods公司）。

1.2 方法

1.2.1 離線參數檢測方法。

稱取在線生產的再造煙葉萃取液500 g，使用旋轉蒸發儀對萃取液進行蒸發濃縮，通過旋轉蒸發儀的控制面板來實現蒸發溫度、真空度參數設置和控制。

1.2.1.1 真空度對蒸發量的影響。

設定蒸發溫度60 ℃、旋轉蒸發儀轉速120 r/min、蒸發時間為1 h，記錄不同真空度條件下蒸發后的剩余物料體積，得到萃取液蒸發量。

1.2.1.2 蒸發溫度對蒸發量的影響。

設定蒸發真空度11 kPa、旋轉蒸發儀轉速120 r/min、蒸發時間為1 h，記錄不同溫度條件下蒸發后的剩余物料體積，得到萃取液蒸發量。

1.2.1.3 數據統計與分析方法。

試驗設3個平行，計算平均值。方差分析采用單因素方差分析F檢驗，分析蒸發參數（真空度、蒸發溫度）對系統蒸發量的影響。

1.2.2 在線參數檢測方法。

進料溫度和壓縮機進出口溫度分別使用熱電阻儀表實時監測;系統真空度、壓縮機進出口真空度使用壓力變送器和真空管路上破空閥進行真空度控制;蒸汽流量使用渦街流量計與電動調節閥進行控制;濃縮液密度使用質量流量計進行實時反饋，并通過蒸汽調節閥開度控制濃縮液濃度。MVR蒸發系統的工作原理如圖1所示。

在線測試條件設定如下：

測試過程中，保持進料濃度（6.5±0.2）%、進料溫度（53±1）℃、進料量（13.0±0.2）m3/h、蒸汽壓力（400±10）kPa、冷卻水溫度（23±1）℃、系統真空度（12.0±0.2）kPa、出料密度（1.20±0.01）g/cm3;蒸發器用清水進行水洗后排空，按照操作規程運行蒸發系統，設定MVR壓縮機轉速2 600 r/min，通過蒸汽加熱使蒸發器出口密度達到設定值（1.20 g/cm3），穩定運行1 h后，每小時記錄蒸汽消耗量、MVR壓縮機進出口溫度、MVR進出口壓力值，共記錄8 h，得到2 600 r/min轉速下平均蒸汽消耗量、MVR壓縮機進出口溫度、MVR進出口壓力值、壓縮機功率;運行8 h后對蒸發器水洗2 h，水洗完成后按照操作規程運行蒸發系統，逐漸提高轉速（2 700、2 800、2 900、3 000、3 100 r/min），分別記錄蒸發系統各參數運行值。

2 結果與分析

2.1 蒸發參數對蒸發量的影響

為了考察蒸發參數對蒸發量的影響，進行了單因素方差分析，結果顯示不同真空度和蒸發溫度對蒸發量的影響達到極顯著水平（P值均小于0.001）。

在設定的真空度范圍內，真空度與蒸發量呈線性相關（圖2），隨著系統內真空度的降低，溶液沸點降低，單位時間蒸發量增大，真空度由14 kPa降至9 kPa，單位時間內蒸發水量由160.53 g提升至405.62 g，單位時間內蒸發水量增加152.68%。理論上蒸發過程應在較高真空度下運行，但蒸發系統真空度受冷凝水溫度及真空系統自身能力的限制，萃取液在蒸發過程中有溶解的氣體釋出，負壓設備系統亦難免有少量空氣吸入，為避免不凝性氣體在冷凝器內積聚，需用真空泵持續將不凝性氣體抽除，以保持設備運行所需的真空度。真空系統也消耗一定的設備費和動力費[12]。根據設備實際運行情況和經濟性，設定真空度為（12±1）kPa。

在設定的蒸發溫度范圍內，蒸發溫度與系統蒸發量呈線性相關（圖3），隨著蒸發溫度的提高，蒸發系統內能量上升，系統蒸發量呈線性增大，蒸發溫度由52 ℃提升至62 ℃，單位時間內蒸發水量由66.81 g提升至371.62 g，單位時間內蒸發水量增加456.23%。實際生產過程中，蒸發溫度提升需要加大生蒸汽使用量或提高MVR壓縮機做功，且煙草萃取液中含有易揮發性香味成分，較高的蒸發溫度對成品再造煙葉的感官品質有較大影響[13]。生產過程中根據前后生產工序物料平衡，再造煙葉萃取液進料量比較固定，從節能角度考慮，在保證出料濃度的情況下應減少蒸汽使用量，提高MVR壓縮機做功。

2.2 在線測試MVR壓縮機性能和蒸汽消耗量

2.2.1 壓縮機進出口溫差與壓縮比隨壓縮機轉速的變化。

從圖4可以看出，隨著壓縮機轉速的提高，二次蒸汽在壓縮機內被壓縮、蒸汽溫度升高，壓縮機進出口溫差升高，壓縮機進出口溫差由0.5 ℃升至1.6 ℃。壓縮機轉速提升使單位時間內進入壓縮機的二次蒸汽量增加，壓縮機壓縮比升高，壓縮比由1.205升至1.269。通過壓縮機轉速增加使二次蒸汽溫度升高，系統內能量處于上升過程。

2.2.2 蒸汽消耗量與壓縮機功率隨壓縮機轉速的變化。

壓縮機轉速提升使壓縮機功率提高，壓縮機通過提高自身做功將電能轉換為蒸發系統所需的熱能，因進料溫度、濃度和進料流量都處于穩定狀態，同時系統真空度也處于設定值狀態，在提高壓縮機轉速后，蒸發系統內能量處于上升狀態，壓縮機轉速提升后如不及時降低生蒸汽閥門開度，則蒸發系統中物料濃度會一直上升，直到達到新的能量平衡。從圖5可以看出，壓縮機轉速由2 600 r/min提高至3 100 r/min，壓縮機功率由110 kW提高至151 kW，蒸汽消耗量由380 kg/h降至0 kg/h。

蒸發的進行是靠消耗能量來維持的，蒸發量與系統能量

消耗量成正比。調控蒸發量實際上就是調控系統的能量消耗量，是一個能量平衡的過程。因此，對系統的能量調控最關鍵，同時也是最重要的調控方式。向系統輸入能量有2個途徑，直接輸入蒸汽或輸入電能，該試驗通過提高輸入MVR壓縮機功率使二次蒸汽溫度升高，提高了二次蒸汽的利用率，達到減少生蒸汽使用量的目的。

2.3 節能效果分析

在蒸發器使用過程中，依然需要補入飽和生蒸汽，蒸發器MVR壓縮機的運行轉速和功率較低，MVR壓縮機額定轉速3 100 r/min、最高轉速3 600 r/min，額定功率317 kW、按80%負載運行功率254 kW，目前生產過程中MVR壓縮機運行轉速2 700 r/min、功率120 kW。通過將MVR轉速由2 700 r/min提升至3 100 r/min，壓縮機功率由120 kW/h提高至151 kW/h，增加31 kW/h，蒸汽消耗量由267 kg/h降至0 kg/h，壓縮機功率增加較使用蒸汽更具有經濟性，可減少蒸汽消耗量。按每天生產20 h、每年生產330 d計算，每年可節約標煤160 t。

3 結論

采用單因素方差分析法分別考察了蒸發真空度、蒸發溫度對系統蒸發量的影響，不同真空度和蒸發溫度對蒸發量的影響達到極顯著水平。降低蒸發系統真空度，使溶液沸點降低，單位時間蒸發量增大，系統蒸發能力提高，在蒸發系統能力范圍內降低系統內真空度有利于系統的節能;提高蒸發溫度使系統內能量上升，物料汽化速率加快，蒸發量增大;壓縮機的功率直接影響系統的蒸發量和壓縮機的功耗，在壓縮機額定范圍內提高壓縮機功率，使壓縮機輸入系統能量增加，壓縮機功率增加較使用蒸汽更具有經濟性，可以節約生蒸汽耗用。該研究結果可為造紙法再造煙葉MVR蒸發工藝在線過程控制提供參考。

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