優化管理和設備革新以降低糖廠百噸蔗汽耗的研究探討

陳 進

（廣西來賓東糖鳳凰有限公司，廣西 來賓 546102）

0 引言

百噸蔗汽耗是指甘蔗糖廠榨蔗100噸需要消耗鍋爐的蒸汽量，是甘蔗糖廠一個重要指標。國內各糖廠之間百噸蔗汽耗差距比較大，一般滿負荷生產比例越大、榨季停機次數越少的糖廠百噸蔗汽耗越小，而規模較小的糖廠在這方面的潛力更大。一般國內多數的甘蔗糖廠百噸蔗汽耗在40噸左右，先進的糖廠可以控制在35噸左右，小部分糖廠甚至達到45噸以上。百噸蔗汽耗在糖廠出現這么大的差距，有客觀和主觀上的原因。如何降低百噸蔗汽耗是一個系統工程，關系到企業管理、現有技術與設備的優化以及新工藝和新設備的研究開發與推廣等方面，也與管理者的重視程度有關。近年來隨著社會和國家對企業的要求提高，甘蔗渣價格上漲，企業對該指標的重視程度也隨之提高。

糖廠百噸蔗汽耗高，首先是技術和設備的問題，其次是管理方面的問題，切實解決了這兩方面存在的問題，糖廠在汽耗方面將會取得更大的成效。本文主要從制煉車間蒸發、煮糖工序的設備技術革新和加強管理進行探討。

1 蒸發工序

蒸發是一個通過熱量傳遞而進行糖汁濃縮的過程，其主要有兩個推動力，即溫度差是傳熱的推動力；壓力差是前一效糖汁能自動流入下一效的推動力。蒸發過程一個關鍵考量指標是蒸發工效，目前絕大多數甘蔗糖廠采用五效蒸發，蒸發工效高低與抽汁汽方案有直接的關系，即蔗汁加熱和抽用越多低品質汁汽煮糖，則蒸發工效越高，百噸蔗汽耗就越低。

1.1 提高蒸發工效

蒸發工效指蒸發系統所蒸發的總水量與輸入蒸發站的加熱蒸汽量的比值，這個比值通常在1.7～2.4之間［1］。檢驗蒸發工效的一個關鍵指標是蒸發末效糖漿濃度，糖漿濃度高，則煮糖用汽少，煮制時間短，節能效果好。國外先進糖廠的糖漿濃度超過70 °Bx，國內節能較好的糖廠為65～68 °Bx，但目前有小部分糖廠約為60 °Bx，節能效果差距比較大。在廣西來賓東糖鳳凰有限公司2021/2022年榨季生產，通過報表系統數據查詢，蒸發工效計算如下。

入罐清汁量440 m3/h，錘度15.8 °Bx，蒸發末效糖漿錘度68.5 °Bx，鍋爐供汽155 t/h。通過查糖液錘度對應視密度、視比重表［2］，清汁錘度15.8 °Bx對應視比重為1.065 t/m3。

總蒸發水量［1］計算如下。

蒸發工效為360.5 / 155 = 2.33

式中，W為總蒸發水量，t/h；qG，0為入罐清汁量，t/h；B0為入罐清汁錘度，°Bx；B5為末效糖漿錘度，°Bx。

提高蒸發工效是一個比較大的課題，是一個系統工程。需抓住兩個突破點，一是蒸發系統自身的潛力挖掘；二是煮糖抽用汁汽管理和技術革新，關鍵因素還在于管理者的重視程度，這是最大的推動力。

1.2 蒸發系統設備與技術改進

蒸發系統自身的潛力深挖，在硬件上需要通過設備引進和技術革新；在軟件上加強內部管理，企業的各級管理人員都認真重視節能，努力貫徹執行各項節能措施，比如蒸發加熱管采用機械自動通洗、改造糖汁進汁方式以提高加熱面積的有效利用率、提高末效真空度以及盡可能多地利用低品質汁汽和熱源等。

1.2.1 蒸發加熱管積垢的清除

目前甘蔗糖廠蒸發罐、加熱器使用的加熱管絕大多數是不銹鋼304材質，壁厚2 mm，理想狀態下加熱管單層壁進行熱傳導。但實際使用過程加熱管內外壁面或多或少會附一層積垢，傳熱過程就不是單層壁而是要再通過管壁面的積垢進行熱傳導，形成的積垢導熱系數比金屬低很多，直接影響加熱管的傳熱效率［3］。附在管壁面的積垢成分比較復雜，外壁面上的積垢主要是乏汽的油漬和汁汽中的糖分，而內壁面上的積垢則主要來自糖汁中未除去的懸浮物和非糖分溶質。一般由于外壁形成積垢較少可忽略，所以糖廠通常說的“通洗罐”只是指清除加熱管內壁面上的積垢。甘蔗糖廠各效蒸發罐積垢成分的一般規律為第一效罐積垢的有機組分及磷酸鹽含量比后面各效罐高，末效罐的硫酸鹽積垢比前面各效罐多。這可能是由于硫酸鹽的緣故，所以末效罐的積垢最堅實，難以除去［1］。

目前糖廠普遍用高壓水槍進行機械除垢，工作壓力為600～1000 kg/cm2，有人工通洗和機械自動通洗兩種方式。人工通洗時由于高壓水槍噴射出來的水與加熱管內壁接觸時間較短，所以通洗速度快，設備故障少，但是由于壓力過高，人力難以承受所以工作壓力較低，一般是600～800 kg/cm2；而機械自動通洗時與單根加熱管內壁接觸時間是人工通洗的1.5倍以上，沖擊積垢力度大，積垢脫落比較完全，比人工通洗的干凈很多，有利于熱傳導，其工作壓力大，為900～1000 kg/cm2。

蒸發罐后面兩效積垢比較堅實，轉停罐后建議用乏汽通過加熱管對罐體進行“烘罐”，每隔約2小時給加熱管淋一次冷水，條件允許時“烘罐”8小時以上，在熱漲冷縮作用下，積垢較松散、部分積垢甚至會自然脫落。通過實踐對比證明，“烘罐”后加熱管通洗得更加干凈。

1.2.2 改造糖汁布料器

目前甘蔗糖廠常用的蒸發罐布料器有兩種，即環形管布料器和半橢圓形面布料器，都是根據進汁量在環形管或半橢圓形面的外表面上，均勻的設置多個Φ40～Φ50 mm的小孔，目的是為了讓糖汁均勻分布到汽鼓加熱面。不管是哪種布料形式，通過觀察第三效罐以后的糖汁，能覆蓋到汽鼓面的越來越少，甚至到末效只可見汽鼓面局部有少量糖汁沸騰。這主要原因是隨著糖汁逐效增濃，糖汁量逐效減少；其次是后面幾效罐的液面控制也相對低一些。糖汁如果不能全部覆蓋加熱面甚至只覆蓋局部，那么蒸發罐加熱面積有效利用率就降低，甚至有少量糖汁滯留在加熱管內增加了過程的轉化。因此，通過改造蒸發罐布料器，能夠充分讓糖汁均勻地分布在汽鼓面上。

廣西來賓東糖鳳凰有限公司是拆除原有的環形管布料器，在蒸發罐底部重新制作環形管布料器，進汁總管上設置很多Φ50 mm的出汁支管，在支管上均勻的設置有Φ8 mm的出汁小孔，具體開孔數量按進汁總管截面積的1.2～1.5倍設計。通過管道加壓泵將糖汁從出汁小孔噴出，使糖汁均勻的在汽鼓面上沸騰。通過實踐觀察，使用管道加壓泵強制對流后在汽鼓面的糖汁分布均勻，沸騰情況良好。改造后的蒸發罐布料器示意圖，如圖1所示。

圖1 改造后的蒸發罐布料器示意圖

1.2.3 提高末效蒸發罐的真空度

在一個密閉的容器內，完全沒有氣體壓力或氣體壓力低于1個大氣壓力的狀態均可稱為真空。蒸發末效真空度通常要求-0.08～-0.09 MPa，蒸發末效真空度偏低直接影響蒸發工效及糖漿濃度，而影響蒸發末效真空度的因素有很多，比如蒸發罐或者被腐蝕的管道密封性較差、冷凝器的水溫度偏高、高效冷凝器噴嘴堵塞等，均會影響蒸發末效真空度。

糖廠在每個榨季開榨前都會進行蒸發末效罐密封性（真空度）試驗，通過試驗可以對蒸發末效罐的相關設備、管道和閥門的密封性進行檢查。而若只試驗末效罐密封性還不夠嚴謹，因為第Ⅲ效罐的汁汽室壓力趨于正壓和真空之間，而后面三效密封性較差時會影響整個蒸發系統。建議第Ⅲ～第Ⅴ效罐應該模擬榨季生產聯動試密封性試驗，其比末效罐進行密封性試驗難度大一些，用時較長，但是通過該聯動試驗能檢查出更多潛在的問題，能減少問題在榨季過程中出現的幾率，提高榨季末效真空度。廣西來賓東糖鳳凰有限公司2021/2022年榨季開榨前采用模擬榨季生產聯動試密封性試驗，通過整改，整個榨季末效真空度比往年高出很多。

1.2.4 盡可能多地利用低品質汁汽和熱源

蔗汁加熱時盡可能使用低品質熱源對蒸發工效影響很大。條件允許時建議混合汁加熱采用三級加熱，即第一級加熱源用蒸發末效汁汽；第二級用蒸發第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ效的混合汽凝水；第三級用Ⅳ效汁汽。混合汁三級加熱示意圖，如圖2所示。

圖2 混合汁三級加熱示意圖

根據南寧糖業博宣公司和來賓湘桂小平陽公司的實際生產經驗，混合汁經蒸發末效汁汽、蒸發第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ效混合汽凝水加熱后溫度可提至45℃左右，再通過第三級Ⅳ效汁汽加熱到工藝要求的溫度，可以有效地降低糖廠百噸蔗汽耗。

2 煮糖工序

煮煉工序是糖廠實際消耗能量最大的工序，是糖廠節能的重點，煮糖用汽量是影響糖廠能耗的關鍵。目前國內甘蔗糖廠煮糖用汽量對甘蔗的比例，很多廠超過20%，國內較先進的為16%～18%［4］。在沒有條件投入較大設備進行技術改造的情況下，建議煮糖圍繞不用乏汽、少用Ⅰ效汁汽、多用Ⅱ效和Ⅲ效汁汽的原則進行，具體就是丙糖膏煮制用Ⅰ效汁汽為主，Ⅱ效汁汽為輔；甲乙糖膏煮制只用Ⅱ效和Ⅲ效汁汽。對于煮糖用汽量對甘蔗比例高的糖廠，如果按該用汽原則進行，可能較難降低能耗，需循序漸進。糖廠在使用該用汽原則的過程中，將可能遇到的一些問題進行探討。

2.1 汽凝水的排除

很多糖廠煮糖汽凝水沒有單獨按效分開排除，大多是混合排除。雖然汽凝水先排往等壓罐再匯總到排水總管，但如果某個等壓罐自力式液位控制閥密封性不好或故障就會出現“串汽”，從而造成排水不順暢。建議使用Ⅰ效、Ⅱ效和Ⅲ效汁汽的煮糖罐的汽凝水應分開排除到對應管道中。目前很多糖廠為了減少汽耗都在嘗試抽用Ⅲ效汁汽用于煮糖，但是糖膏煮制時對流不好，影響煮制效果。抽用Ⅲ效汁汽時最忌諱的是不能連續性抽用時，如出現停抽用一段時間，部分Ⅲ效汁汽在管道內會凝結成水，不疏水直接抽用時，糖膏較長時間會出現不對流的情況，既影響煮糖罐時又容易出現糖膏“坐底”現象。

抽用Ⅲ效汁汽煮糖時，除了單獨排除汽凝水還應給Ⅲ效汁汽一個加速力。廣西來賓東糖鳳凰有限公司通過在抽用Ⅲ效汁汽的煮糖罐單獨的汽凝水總管道上附加一個真空即-0.04～0.06 MPa，通過真空作用使汽鼓內的汽凝水及時排除，同時給Ⅲ效汁汽一個“拉力”，反向加快它的流速。通過實踐對比，增加真空后汽凝水排除量是原來的2倍以上。而單位時間內汽凝水排除量增加，意味著Ⅲ效汁汽填充加快，熱交換自然也加快，糖膏對流情況比原來好很多。煮糖Ⅲ效汽凝水排除示意圖，如圖3所示。

圖3 煮糖Ⅲ效汽凝水排除示意圖

2.2 安裝汁汽升溫裝置

目前很多糖廠在煮糖抽用的Ⅲ效汁汽總管上用降溫前的乏汽進行溫升，即是在乏汽降溫前分接乏汽，讓其經過加熱器給煮糖預備抽用的Ⅲ效汁汽升溫，熱交換降溫后的乏汽再回到乏汽總管，Ⅲ效汁汽升溫可達6℃以上，該技術已比較成熟，但投資較大。廣西來賓東糖鳳凰有限公司研究嘗試給煮糖預備抽用的Ⅱ效汁汽進行電加熱升溫，即把電能轉化為熱能，通過熱力衡算，電加熱總功率取為240 kW·h，電加熱管為20 kW·h/組，設計使用12組，溫升約2 ℃，如選擇在Ⅲ效汁汽進行電加熱升溫，而Ⅲ效汁汽單位時間內抽用量相對Ⅱ效汁汽少很多，提升溫度也會高一些。電加熱升溫投資比較少，發電量有富裕的糖廠建議考慮此方案。煮糖預備抽用的Ⅱ效汁汽電加熱升溫示意圖，如圖4所示。

圖4 煮糖預備抽用的Ⅱ效汁汽電加熱升溫示意圖

2.3 煮糖罐強制攪拌裝置

目前廣西區內大部分糖廠在煮糖罐中安裝強制攪拌裝置，目的是加強糖膏在煮糖罐中的對流循環，提高傳熱效率和結晶速度，從而縮短煮糖時間；而良好的攪拌裝置還可以提高晶體質量，降低所需的蒸汽壓力，減少了10%～30%的用汽量［5］。

2.4 罐時和用汽的管理

糖廠均有各自的罐時和用汽方案。煮糖工序的罐時和用汽方案應以“最少的罐時和用汽量完成煮糖任務”為目標。這是理想目標，要想無限接近目標是一個長期而艱巨的課題。

罐時的調配以盡可能減少“煮水待料”為原則，關鍵控制點在班組和崗位。把控好物料情況，按時開煮，理想狀態是開煮的罐按規定的煮制方法，能夠保持連續性。若出現“煮水待料”就意味著罐時的調配不夠理想。

用汽管理方面，煮糖用汽管理制度一般以“用最少的汽完成煮糖任務”為目標。嚴格執行用汽制度，開罐罐時調控合理，在同樣用汽制度下，可以減少用汽量。如果節能效果與職工績效直接掛鉤，成為企業職工的重要任務，這也將會成為節能降耗的推動力。

3 結語

總之，蒸發和煮糖工序從節約用汽的角度看，它們是一個整體、一個系統。提高蒸發工效除了深挖蒸發系統自身潛力，還可以在煮糖工序盡可能多用低品質汁汽，比如不用乏汽、少用Ⅰ效汁汽、多用Ⅱ效和Ⅲ效汁汽。多使用低品質汁汽可以促使蒸發各效的汁汽溫度和壓力提高。蒸發末效糖漿濃度、各效汁汽溫度和壓力有保障就有利于糖膏的煮制，縮短糖膏煮制時間。強化企業管理，用好現有的技術和設備，研究應用新技術和新設備，認真做好節能工作，可以顯著增加企業的經濟效益，是科學發展的重要關鍵，又是社會和國家對企業的要求。