糖廠新型自動調(diào)節(jié)硫熏中和系統(tǒng)的應(yīng)用

王晉平，梁積勛，黃進(jìn)英，劉清林

（廣西吉然科技有限公司，廣西 南寧 530007）

糖廠新型自動調(diào)節(jié)硫熏中和系統(tǒng)的應(yīng)用

王晉平，梁積勛，黃進(jìn)英，劉清林

（廣西吉然科技有限公司，廣西 南寧 530007）

文章主要介紹新型自動調(diào)節(jié)硫熏器與撞擊流中和反應(yīng)器配套在亞硫酸法糖廠應(yīng)用的特點、工作原理、工作流程及應(yīng)用效果。該系統(tǒng)具有操作維護(hù)簡便、適應(yīng)較大榨蔗量波動、硫熏強(qiáng)度穩(wěn)定、硫熏中和反應(yīng)較完全，節(jié)省硫磺使用量等優(yōu)點。

硫熏器；撞擊流；中和反應(yīng)器

0 前言

亞硫酸法糖廠的蔗汁硫熏中和是整個澄清生產(chǎn)流程的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前國內(nèi)大多數(shù)糖廠使用的硫熏中和器系統(tǒng)主要是立式管道硫熏器和立式中和反應(yīng)器、帶攪拌的臥式中和反應(yīng)器。

傳統(tǒng)的硫熏中和器存在較多問題，受榨量波動受影響大、硫熏強(qiáng)度穩(wěn)定性差、中和pH值波動大等。傳統(tǒng)的中和反應(yīng)器主要是立式中和反應(yīng)器或者帶攪拌的臥式中和反應(yīng)器，其設(shè)計的結(jié)構(gòu)主要放在化學(xué)反應(yīng)的理論分析上，忽略化工相間傳遞的研究，故中和反應(yīng)速度慢，均無法在短時間內(nèi)迅速完成氣液傳遞和界面的更新，易造成蔗汁局部過酸或過堿，造成反應(yīng)滯后，進(jìn)而影響中和指標(biāo)的控制和后工序的蔗汁沉降效果。

近年來，國家標(biāo)準(zhǔn)對白砂糖的質(zhì)量要求越來越高，特別是二氧化硫含量，總的趨勢是降低二氧化硫含量。但部分糖廠生產(chǎn)的白砂糖二氧化硫含量較高，接近甚至超過國家標(biāo)準(zhǔn)，成為糖廠迫切需要解決的重大難題。

為了解決傳統(tǒng)硫熏中和設(shè)備使用過程中存在的上述問題，有必要對傳統(tǒng)的硫熏中和器進(jìn)行創(chuàng)新性改進(jìn)。

1 新型自動調(diào)節(jié)硫熏中和系統(tǒng)方案

傳統(tǒng)的多噴嘴硫熏器設(shè)計的流量是固定的，其噴嘴不能適應(yīng)榨蔗量的較大波動，硫熏強(qiáng)度、中和pH值受榨量的波動影響大。而傳統(tǒng)的單噴嘴硫熏器只能適應(yīng)低榨量的變化要求，如果蔗汁流量不穩(wěn)定，則吸硫不穩(wěn)定，影響了硫磺爐的正常燃燒，導(dǎo)致溢出大量的二氧化硫氣體污染環(huán)境和增加硫磺的用量。另外噴嘴易堵塞，清理疏通噴嘴困難。針對上述問題，我公司研究開發(fā)了新型的自動多噴嘴調(diào)節(jié)硫熏器，主要適用于日處理甘蔗5000T/D及以上生產(chǎn)規(guī)模較大的糖廠。

而針對傳統(tǒng)的中和反應(yīng)器存在反應(yīng)不完全、易積垢、影響硫熏強(qiáng)度等問題，我公司基于撞擊流理論研究開發(fā)了新型的臥式中和反應(yīng)器即撞擊流中和反應(yīng)器。撞擊流中和反應(yīng)器集化學(xué)反應(yīng)和化工傳遞為一體，可有效解決傳統(tǒng)中和反應(yīng)器的缺陷。

新型的自動調(diào)節(jié)硫熏器及撞擊流中和反應(yīng)器組成的硫熏中和系統(tǒng)，有效的解決了傳統(tǒng)硫熏中和器存在的諸多缺點。下面就新型的硫熏中和系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容及應(yīng)用效果進(jìn)行簡要的介紹。

1.1 系統(tǒng)的組成和特點

新型自動調(diào)節(jié)硫熏中和系統(tǒng)主要由自動調(diào)節(jié)硫熏器及撞擊流中和反應(yīng)器組成。

自動調(diào)節(jié)硫熏器主要由進(jìn)汁管口、汁室、手動球閥、氣動球閥、導(dǎo)流管、可拆裝噴嘴、二氧化硫氣管口、抽吸室、喉管、反應(yīng)管口等部件組成（見圖1），其具有以下特點。

圖1 自動調(diào)節(jié)硫熏器結(jié)構(gòu)圖

第一，自動硫熏器本體的汁室及抽吸室為分體式設(shè)計，之間采用多噴嘴多管式結(jié)構(gòu)連接，每根蔗汁導(dǎo)流管分別對應(yīng)裝上一個閥門和噴嘴后，分別與汁室和抽吸室上的噴嘴座上的噴嘴孔聯(lián)接。多個抽吸噴嘴由一定比例的手動及氣動球閥控制，在一定的榨量波動范圍內(nèi)根據(jù)蔗汁來汁壓力由一定數(shù)量的氣動球閥自動控制噴嘴的開關(guān)。這樣設(shè)計有利于噴射的蔗汁聚焦形成穩(wěn)定負(fù)壓，穩(wěn)定噴嘴蔗汁流速，穩(wěn)定吸硫，適應(yīng)榨量的較大變化波動，二氧化硫抽吸效率高，有利于節(jié)約硫磺消耗。

第二，在噴嘴設(shè)計上。首先，噴嘴抽吸段采用12°角設(shè)計、擴(kuò)散段為圓柱體設(shè)計，這樣有利于噴射的蔗汁聚焦形成負(fù)壓，二氧化硫抽吸效率高，有利于節(jié)約硫磺消耗；其次，噴嘴采用可拆卸式設(shè)計，噴嘴堵塞時，可拆卸疏通，拆裝維護(hù)方便；最后，可根據(jù)榨量的變化自動調(diào)節(jié)硫熏器的噴嘴，不需要因為榨量的變化而更換噴嘴。

第三，通過PLC自控系統(tǒng)控制混汁泵流量穩(wěn)定混合汁箱的液位，避免混合汁箱抽空，保證蔗汁來汁量穩(wěn)定，保證硫熏強(qiáng)度穩(wěn)定，從而節(jié)約硫磺消耗。

第四，由于系統(tǒng)的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，澄清工藝指標(biāo)易于控制，中和反應(yīng)充分不易積垢，澄清效率大大提高，減少了因pH值控制不穩(wěn)定而造成的蔗糖轉(zhuǎn)化或還原糖分解，一定程度上提高了產(chǎn)糖率和產(chǎn)品質(zhì)量。

第五，硫熏強(qiáng)度穩(wěn)定，則中和易反應(yīng)完全，形成的亞硫酸鈣沉淀顆粒多，有利于沉降器沉降過程中的色素吸附和沉降分離，有效降低清汁二氧化硫含量，提高清汁質(zhì)量。

第六，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、安裝容易，可在原基礎(chǔ)上安裝，維護(hù)簡單。

撞擊流理論最早在20世紀(jì)50年代提出，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工及環(huán)保等行業(yè)。撞擊流是強(qiáng)化相間傳遞尤其是外擴(kuò)散控制的傳遞過程最有效的方法之一，傳遞系數(shù)可比一般方法提高數(shù)倍到十幾倍。撞擊造成的另一結(jié)果是極大地促進(jìn)混合，尤其是微觀混合。撞擊流中和反應(yīng)器（見圖2）正是利用液相或者液體連續(xù)相撞擊流促進(jìn)微觀混合的特性，為蔗汁的中和反應(yīng)創(chuàng)造很高且均勻的過飽和環(huán)境，提供較長的蔗汁反應(yīng)停留時間，滿足蔗汁的中和反應(yīng)需要。

圖2 撞擊流中和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)的原理

蔗汁經(jīng)過自動硫熏器的噴嘴后，產(chǎn)生高速射流形成負(fù)壓，抽吸二氧化硫氣體并壓縮于硫熏器反應(yīng)管，形成氣液混合體進(jìn)入撞擊流反應(yīng)器，在二氧化硫氣體和蔗汁的混合過程中發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)如下。

以上一系列的化學(xué)反應(yīng)過程中，硫熏中和吸收二氧化硫氣體的最終目的是要形成足夠多的亞硫酸鈣沉淀來吸附蔗汁中的膠體和色素，從而降低蔗汁清凈過程的混濁度和色值。而要達(dá)到產(chǎn)生足夠多的亞硫酸鈣沉淀，就必須要求吸收的二氧化硫氣體充分反應(yīng)和離解。

循環(huán)撞擊流反應(yīng)就是使二氧化硫氣體、蔗汁和石灰乳滿足充分混合和相間傳遞的作用，其原理是：撞擊流中和反應(yīng)器是在臥式長圓柱形容器內(nèi)兩端裝有導(dǎo)流筒和螺旋推進(jìn)器，兩個螺旋推進(jìn)器分別從兩端輸送蔗汁流體沿導(dǎo)流筒內(nèi)部向容器中心的撞擊區(qū)流動，并在撞擊區(qū)中心處對撞，形成柱面；撞擊后蔗汁流體分別從導(dǎo)流筒外的環(huán)室分別流向容器兩端，再次被螺旋推進(jìn)器輸送經(jīng)導(dǎo)流筒內(nèi)部向容器中心運動，如此多次循環(huán)撞擊形成液體連續(xù)相。在柱面上，由于兩股流體對撞，加上螺旋推進(jìn)器的轉(zhuǎn)動引起的旋流，導(dǎo)致流團(tuán)間和液固間劇烈的相對運動，使該區(qū)發(fā)升強(qiáng)烈混和反應(yīng)。由于撞擊提供了一種能創(chuàng)造良好微觀混和條件，使混和、反應(yīng)等過程有效進(jìn)行，保證蔗汁有足夠的停留時間。撞擊流中和反應(yīng)器內(nèi)部的兩端螺旋推進(jìn)器除了具有攪拌反應(yīng)器的功能外，還具有強(qiáng)烈的微觀混合，加速液相間反應(yīng)及界面更新，提高中和反應(yīng)效果。

1.3 系統(tǒng)的工作流程

糖廠開榨有混合汁后，啟動混合汁泵變頻柜啟動混合汁泵。現(xiàn)場液位變送器將混和汁箱液位測量信號傳送到中和崗位的控制柜，控制柜內(nèi)PLC系統(tǒng)接受信號后經(jīng)過運算輸出，通過自動調(diào)節(jié)變頻器從而調(diào)節(jié)混合汁泵的轉(zhuǎn)速來穩(wěn)定混和汁箱的液位，從而保證進(jìn)入硫熏器的混汁流量的穩(wěn)定，達(dá)到硫熏器穩(wěn)定吸硫的目的。一次加熱后的混合汁以0.30～ 0.60MPa的壓力進(jìn)入自動調(diào)節(jié)硫熏器汁室，然后被分配到各個蔗汁導(dǎo)流管，導(dǎo)流管通過一定比例的多個手動球閥開關(guān)或者氣動球閥的自動開關(guān)來控制蔗汁通過噴嘴的流量及流速，蔗汁以21～24m/s的流速通過噴嘴射向抽吸室形成穩(wěn)定負(fù)壓，進(jìn)而穩(wěn)定的抽吸二氧化硫氣體，蔗汁和二氧化硫氣體在抽吸室混合形成氣液混合流順利進(jìn)入喉部，進(jìn)一步排向反應(yīng)管，與添加的石灰乳一起進(jìn)入撞擊中和反應(yīng)器進(jìn)行中和反應(yīng)。同時，根據(jù)來汁的壓力大小自動調(diào)節(jié)自動硫熏器的多個氣動閥門的開關(guān)來調(diào)節(jié)進(jìn)入噴嘴蔗汁的流量及流速，滿足生產(chǎn)工藝要求。吸硫后的蔗汁進(jìn)一步排向反應(yīng)管，與添加的石灰乳一起進(jìn)入撞擊中和反應(yīng)器進(jìn)行中和反應(yīng)。然后反應(yīng)完成的中和汁排去中和汁箱，整個系統(tǒng)工作流程完成，如圖3所示。

圖3 自動調(diào)節(jié)硫熏中和器系統(tǒng)圖

圖4 自動控制系統(tǒng)監(jiān)控界面

1.4 配套自動控制系統(tǒng)

配套自動控制系統(tǒng)是設(shè)備工作穩(wěn)定、操作方便的前提保證。自動控制系統(tǒng)采用PLC作為整個自控系統(tǒng)的控制內(nèi)核，監(jiān)視/操作界面采用觸摸屏或者工控機(jī)作為控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。系統(tǒng)還配置后備手操器以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。整個硫熏中和工藝流程圖在顯示界面上實時顯示混合汁箱液位、混合汁壓力、各閥門、泵的開度及轉(zhuǎn)速等設(shè)備運行參數(shù)，如圖4所示。

儀表控制柜上可準(zhǔn)確顯示混汁箱液位變化、反映噴嘴控制閥門關(guān)閉狀態(tài)或閥門開度狀態(tài)，以及對給定數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定?？刂骑@示屏上設(shè)有自動和手動轉(zhuǎn)換開關(guān)，可方便地轉(zhuǎn)換控制狀態(tài)，當(dāng)控制氣動閥發(fā)生故障時可以手動打開閥門，保證生產(chǎn)的連續(xù)正常運行。

自動控制有如下功能。

一是混合汁箱液位控制?；旌现浒惭b液位變送器，用于測量混合汁的液位高度，混合汁泵配置變頻器對泵的輸出流量進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)。通過液位變送器測量出液位高度信號傳送至PLC系統(tǒng)，先預(yù)先將設(shè)定值設(shè)為混合汁箱某一液位高度，并設(shè)置一定的輸出下限，系統(tǒng)通過PID運算得到輸出控制量至變頻器來控制混合汁泵的轉(zhuǎn)速。使混合汁箱液位平穩(wěn)的保持在設(shè)定值。

二是混合汁壓力的控制。PLC系統(tǒng)通過檢測到的混合汁入汁壓力，自動控制幾組對稱噴嘴上的氣動調(diào)節(jié)球閥的開與關(guān)，從而調(diào)節(jié)混合汁的噴射壓力，穩(wěn)定混合汁流速，進(jìn)而穩(wěn)定抽吸效果。

三是撞擊流中和反應(yīng)器攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。通過操作臺上給定信號的調(diào)節(jié)來控制攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2 應(yīng)用效果

新型的自動調(diào)節(jié)硫熏中和系統(tǒng)已在廣西百色萬林糖業(yè)有限公司、廣西百色甘化股份有限公司等多家制糖企業(yè)推廣使用，使用前后數(shù)據(jù)的對比表，如表1所示。糖廠使用后可達(dá)到如下效果。

第一，硫熏器抽吸效率高，蔗汁與二氧化硫氣體反應(yīng)較完全，硫熏強(qiáng)度穩(wěn)定，硫熏強(qiáng)度可達(dá)18～30 mg/mL。

第二，系統(tǒng)操作控制方便，能適應(yīng)榨蔗量的波動。

表1 新型硫熏中和系統(tǒng)使用前后數(shù)據(jù)對比表

第三，硫熏器噴嘴采用可拆卸式設(shè)計，維護(hù)方便。

第四，撞擊流中和反應(yīng)器內(nèi)，蔗汁中和反應(yīng)完全、積垢少，減少了沖洗時間，且中和pH穩(wěn)定。

第五，后工序沉降澄清汁二氧化硫含量低，平均2.7以下。

第六，節(jié)省了硫磺使用量，使用后比使用前節(jié)約10%的硫磺使用量。

第七，亞硫酸鈣沉淀顆粒結(jié)實，粒度均勻。由于二氧化硫與石灰乳發(fā)生中和反應(yīng)完全，能夠產(chǎn)生顆粒大小均勻、結(jié)構(gòu)致密的亞硫酸鈣沉淀，其吸附能力強(qiáng)、易于沉降。

3 結(jié)論

新型自動調(diào)節(jié)硫熏中和系統(tǒng)因創(chuàng)新性地將自動多噴嘴調(diào)節(jié)硫熏器與撞擊流中和反應(yīng)器結(jié)合在一起使用，具有設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、操作維護(hù)簡便等優(yōu)點。該系統(tǒng)可以有效提高吸硫效率，減少硫磺使用量，提高蔗汁的清凈效率，降低糖廠清汁中二氧化硫殘留量，減少蔗汁中和的可溶性鈣鹽，降低生產(chǎn)成本和白砂糖含硫量，是取代傳統(tǒng)硫熏中和器的最佳方案之一。

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TS243.2

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2095-820X（2016）03-06

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