甘蔗糖廠熱力系統(tǒng)節(jié)能改造工程技術(shù)

楊偉紅，梁益宇，黃 珍，黃上遼

0 引言

隨著我國能源的日益緊張，要求各生產(chǎn)企業(yè)節(jié)約能源消耗，加之企業(yè)面對市場競爭和運行費用降低的成本要求，甘蔗糖廠的節(jié)能工作已成為了技改的重要內(nèi)容之一。

蒸汽是糖廠主要消耗的二次能源，而蒸發(fā)系統(tǒng)是全廠熱力系統(tǒng)的中心，蒸發(fā)系統(tǒng)相當(dāng)于一個減壓站，將較高溫度的蒸汽轉(zhuǎn)換成適合各個工藝部門使用的汁汽。合理的熱力方案應(yīng)該是蒸發(fā)系統(tǒng)在實現(xiàn)物料蒸發(fā)濃縮功能的前提下，能耗最小化，減少汽凝水帶走熱量和降低進(jìn)入冷凝器的汁汽量。在沒有外抽汁汽使用的老式蒸發(fā)系統(tǒng)，末效蒸發(fā)罐排入冷凝器的汁汽量約為13%～17%(對蔗比)，目前抽汁汽用于加熱和煮糖，這一數(shù)量已降至 1%～5%，理論上理想的狀態(tài)是趨近于零[1]。

我國甘蔗糖廠目前普遍使用末效為高真空的五效蒸發(fā)方案。末效的溫度很低，約52～55℃，這種低溫汁汽很難利用，汁汽只能排入冷凝器，否則就不可能獲得末效所需的真空度，而且它的第三、四效汁汽的溫度不高(通常低于100℃)，也難以大量外用，外抽汁汽主要是前兩效，這樣就難以取得理想的節(jié)能效果[1]。

傳統(tǒng)的蒸發(fā)熱方案與理想的效能相比尚有較大的差距。因此對傳統(tǒng)熱力方案進(jìn)行技改優(yōu)化，對糖廠節(jié)能非常有意義。本文主要針對大部分中小型企業(yè)在熱力方案存在的問題，以廣西某糖廠2019年節(jié)能技改為例，對熱力方案進(jìn)行挖潛改造，優(yōu)化用汽流程，優(yōu)化多效蒸發(fā)蒸汽參數(shù)以及改造設(shè)備，使其達(dá)到節(jié)能降耗提產(chǎn)的目的。

1 熱力系統(tǒng)分析

1.1 熱力系統(tǒng)現(xiàn)狀

某糖廠生產(chǎn)能力為日處理甘蔗3700 t，產(chǎn)品為原糖。采用五效壓力-真空蒸發(fā)和三系煮糖制度。制煉主要設(shè)備為：標(biāo)準(zhǔn)式蒸發(fā)罐、列管式加熱器、間歇式煮糖罐。

制糖生產(chǎn)用汽，由汽輪發(fā)電機組的背壓廢汽供應(yīng)，不足之?dāng)?shù)由鍋爐蒸汽減壓補充。背壓廢汽為過熱蒸汽(0.29 MPa(a)，溫度180℃)，經(jīng)制煉間立式降溫器降溫為飽和蒸汽(0.25 MPa(a)，溫度127℃)即供給Ⅰ效蒸發(fā)罐，以后各效的蒸發(fā)罐加熱汽源均為使用前一效的汁汽。各種物料加熱均為兩級加熱。甲膏煮制80%使用Ⅱ效汁汽，20%使用Ⅰ效汁汽(有時使用少量Ⅲ效汁汽)；乙膏40%使用Ⅱ效汁汽，60%使用Ⅰ效汁汽；丙膏使用Ⅰ效汁汽。

1.2 熱力系統(tǒng)節(jié)能潛力分析

1.2.1 現(xiàn)狀分析

以上傳統(tǒng)的工藝用汽方案，抽?、瘛粜е糜谡嶂訜?，Ⅰ～Ⅱ(少量Ⅲ)效汁汽用于煮糖，Ⅴ效汁汽全部進(jìn)入冷凝器。末效汁汽完全沒有利用。

以盧隆飛在 2014年對小平陽糖廠用汽數(shù)據(jù)進(jìn)行技改對比分析。對加熱和煮糖耗用蒸發(fā)汁汽分配和用量匯總，得到蒸發(fā)各效抽取汁汽合計為(對蔗比)Ⅰ效 13.35%、Ⅱ效 12.49%、Ⅲ效 3.11%、Ⅳ效2.58%[2]。數(shù)據(jù)表明，外抽汁汽主要是前兩效，Ⅲ、Ⅳ效汁汽利用率很低。

傳統(tǒng)的五效壓力-真空蒸發(fā)為高真空蒸發(fā)熱力方案，Ⅰ、Ⅱ效汁汽壓力為正壓狀態(tài)，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ效汁汽壓力為真空狀態(tài)，Ⅱ效汁汽壓力為0.12 MPa左右，Ⅲ效汁汽壓力一般為0.07～0.08 MPa、溫度90～94℃，Ⅴ效汁汽壓力為0.015 MPa、溫度54℃左右。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ效汁汽壓力過低，無法充分利用。

1.2.2 節(jié)能對策分析

1.2.2.1 提高二次蒸汽壓力和溫度

理論上，在等同蒸發(fā)水量條件下(糖漿濃度不變)，抽汽等級越往后效移，末效汁汽進(jìn)入冷凝器的量越少，汁汽潛熱就利用得越多，則蒸發(fā)廢汽耗用量越低。但是傳統(tǒng)的高真空蒸發(fā)熱力方案，Ⅲ效汁汽由于壓力和溫度低(通常為真空狀態(tài))很難達(dá)到煮糖用汽要求，Ⅳ、Ⅴ效汁汽也難以大量用于物料加熱。

要想提高低效汁汽的使用率，就必須提高其溫度和壓力，即提高低效汁汽品質(zhì)。而機械蒸汽再壓縮技術(shù)是目前國內(nèi)外公認(rèn)的最高效節(jié)能技術(shù)之一，該技術(shù)可以將低品位蒸汽提高為高品位蒸汽。機械壓縮蒸發(fā)技術(shù)在國外已廣泛使用，但在國內(nèi)尚處于開發(fā)階段，過程中需用的壓縮機等還未定型生產(chǎn)，因此使它的推廣應(yīng)用受到一定的限制，在甘蔗糖廠運行使用還鮮有報道。

本技改結(jié)合國情，立足國內(nèi)行業(yè)現(xiàn)狀，在原有多效蒸發(fā)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本著少投入多產(chǎn)出的理念，提出蒸發(fā)采用低真空蒸發(fā)熱力方案，適當(dāng)提高各效汁汽壓力和溫度(如Ⅲ效汁汽壓力提高到原來的Ⅱ效汁汽壓力即0.12 MPa、溫度為104℃以上，Ⅴ效汁汽溫度70℃以上)，使Ⅲ效汁汽為正壓以滿足煮糖要求，Ⅴ效汁汽和含糖汽凝水溫度均得到提高以滿足加熱溫差要求，從而使抽汽等級往后效移，減少進(jìn)入冷凝器的汁汽量。

為了避免Ⅲ效汁汽在輸送去煮糖的管道中發(fā)生因管道熱量損失、少量蒸汽冷凝成水而引起壓力下降，導(dǎo)致入煮糖罐汁汽壓力降低，提出使用升溫器加熱Ⅲ效汁汽，使其溫度升高至120℃的過熱狀態(tài)，且升溫器安裝位置宜靠近Ⅲ效蒸發(fā)罐出汽口，這樣可以使汁汽在過熱狀態(tài)下被輸送至煮糖罐，因管道熱量損失而首先消耗的是由過熱狀態(tài)到飽和狀態(tài)的顯熱，從而保持入煮糖罐的Ⅲ效汁汽壓力為 0.12 MPa不變；另一方面，適度過熱的蒸汽作為加熱蒸汽有利于改善傳熱，因為它可以減少管外壁面上的冷凝水膜的厚度，這就是允許進(jìn)入汽鼓的乏汽(汁汽)具有一定過熱度的原因。

利用汽輪機背壓廢汽加熱Ⅲ效汁汽，目前已有少數(shù)廣西糖廠實施該做法，并取得較好的換熱效果。糖廠自備電站的汽輪機背壓廢汽通常為過熱狀態(tài)輸送到制煉間，經(jīng)降溫器降溫為飽和蒸汽后供給蒸發(fā)和加熱使用，背壓廢汽經(jīng)降溫時部分熱量經(jīng)疏水閥排水帶走而浪費了熱量。因此利用背壓廢汽作為加熱Ⅲ效汁汽熱源，使余熱得到充分利用。

1.2.2.2 減少用汽部門耗汽

理論上，如用汽部門采用了節(jié)能措施而用汽量減少，則需蒸發(fā)總抽汽量會減少。因此，減少用汽部門的耗汽量是節(jié)能的重點之一。如混合汁一級加熱采用含糖汽凝水為熱源而減少抽用汁汽量，煮糖罐采用加裝強制攪拌裝置，縮短煮糖實際時間，降低所需耗汽量。

其他采用的熱力節(jié)能措施還有很多，包括生產(chǎn)管理、工藝指標(biāo)控制等措施，如減少煮水，分蜜打水量等措施；以及提高蒸發(fā)末效糖漿濃度(生產(chǎn)原糖時為68～72°Bx)，糖漿濃度是影響煮糖耗汽的最大因數(shù)，濃度高可以縮短煮糖時間，從而節(jié)省蒸汽量。

綜上所述，提出技術(shù)改造思路如下：①參照國外一些糖廠，采用低真空的蒸發(fā)熱力方案，適當(dāng)提高各效汁汽壓力和溫度，為盡量多抽后面幾效汁汽用于加熱和煮糖提供條件；②采用汁汽升溫系統(tǒng)，提升Ⅲ效汁汽溫度供煮糖使用；③末效汁汽用于混合汁加熱，減少進(jìn)入冷凝器汁汽量；④用含糖汽凝水作為混合汁一級加熱熱源，回收汽凝水熱量。

2 熱力系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造實施方案

2.1 熱力系統(tǒng)優(yōu)化的方案設(shè)想

2.1.1 確定合理蒸發(fā)熱力方案，提高各效汁汽溫度與壓力

蒸發(fā)熱力方案是節(jié)能的基礎(chǔ)，本技改蒸發(fā)熱力方案的確定原則如下：

⑴蒸發(fā)熱力方案的制定必須考慮加熱和煮糖所抽取的汁汽情況，提供的汁汽不僅要在數(shù)量上達(dá)到要求，而且在品質(zhì)上也要有保證[2]。

⑵合理確定第Ⅰ效溫度。較高溫度有利于各效汁汽的利用，但要防止高溫導(dǎo)致蔗糖轉(zhuǎn)化和糖汁色值增加。甘蔗糖廠因糖汁含還原糖較多，高溫的影響較大，一般第Ⅰ效加熱蒸汽的溫度很少超過 125℃，還有不少糖廠不到120℃。在設(shè)備傳熱性能好、糖汁停留時間短時，可以用較高的溫度，但如設(shè)備過大或操作液面高，糖汁停留時間長，則溫度高會有較大的不良影響[1]。

⑶合理設(shè)計末效溫度和有效溫度差，合理提高汁汽壓力和溫度。既滿足傳熱所需的有效溫差，又要使得汁汽溫度有所提高。建議前三效的每效傳熱溫差控制在5～8℃，后面兩效控制在7～15℃。

⑷合理安排各效蒸發(fā)面積，保證末效物料蒸發(fā)濃縮錘度為68～72°Bx。由傳熱公式Q=KSΔt可知，采用低真空蒸發(fā)，則總有效溫度差變小，為了保證蒸發(fā)量不變，需適當(dāng)加大各效蒸發(fā)面積。

根據(jù)以上原則和實際情況，經(jīng)熱力平衡計算，確定技改后末效真空度、第Ⅰ效溫度、各效的有效溫度差(總溫度差36℃)，各效的推薦參數(shù)見表1。

2.1.2 優(yōu)化加熱系統(tǒng)，增加加熱級數(shù)和抽取低效汁汽

增加物料各級加熱級數(shù)，縮小各級物料加熱的溫度范圍，增加Ⅴ效汁汽和汽凝水余熱利用。級數(shù)方案為混合汁四級加熱，加灰汁三級加熱，清汁三級加熱，詳見表2。

2.1.3 利用含糖汽凝水加熱冷物料，回收余熱

根據(jù)杜勝娟[3]的研究表明，使用含微糖汽凝水溫度 90℃，將混合汁從 20℃加熱到 45℃，是可行的[3]。經(jīng)技改后的蒸發(fā)熱力方案含微糖汽凝水溫度達(dá)到90℃，故采用傳熱系數(shù)較高的板式換熱器，利用汽凝水作為混合汁一級熱源。

表1 技改后各效蒸發(fā)罐操作參數(shù)

表2 技改后物料加熱各級抽汁汽分配

2.1.4 配套汁汽升溫系統(tǒng)提升Ⅲ效汁汽溫度

為了盡可能多抽用低效汁汽用于煮糖，國內(nèi)外糖廠多為采用先進(jìn)的連續(xù)煮糖罐，而對于我國的一步法生產(chǎn)工藝，尤其是中小型糖廠多采用間歇式煮糖罐，很難做到利用Ⅲ效汁汽煮糖。如前所述，以優(yōu)化蒸發(fā)熱力方案為先決條件，在適當(dāng)提高Ⅲ效汁汽壓力后，再通過升溫器提升Ⅲ效汁汽的溫度，使其滿足煮糖的用汽要求。

采用一種新型的升溫器裝置，使用過熱的背壓廢汽和Ⅲ效汁汽進(jìn)行熱交換，經(jīng)升溫器換熱后，Ⅲ效汁汽溫度達(dá)120℃。其交換前后的參數(shù)見表3。

2.2 優(yōu)化的熱力方案工藝流程

根據(jù)熱力系統(tǒng)優(yōu)化的方案設(shè)想，優(yōu)化后的熱力方案工藝流程見圖1。

表3 升溫器進(jìn)出介質(zhì)參數(shù)

圖1 優(yōu)化制糖工藝熱力方案汽流程簡圖

2.3 熱力方案優(yōu)化后抽汽方案

優(yōu)化后，進(jìn)入冷凝器的蒸汽量為1.0%(對蔗比)，達(dá)到國內(nèi)較好水平；各效抽取汁汽量與前述小平陽糖廠數(shù)據(jù)(對蔗比)Ⅰ效13.35%、Ⅱ效12.49%、Ⅲ效3.11%、Ⅳ效2.58%比較，Ⅰ效抽汽量減少8.18%、Ⅲ效抽汽量增加6.63%、Ⅴ效抽汽量增加1.65%；煮糖甲乙膏使用Ⅱ、Ⅲ效，丙膏使用Ⅰ、Ⅱ效汁汽。各效抽汽量詳見表4和表5。

2.4 配套主要設(shè)備方案

2.4.1 帶自動控制升溫裝置

表4 技改后抽汁汽方案

表5 汁汽分配方案對比

新增Ⅲ效升溫裝置(升溫器)，結(jié)構(gòu)為列管式換熱器，臥式安裝形式。器身圓筒管狀，筒體由換熱管、管板、管箱、封頭組成(圖2)。工作原理：二次蒸汽由升溫器端部進(jìn)入管程，從另一端管程輸出，過熱蒸汽從一端的側(cè)面進(jìn)入殼程，中部側(cè)面流出殼程，通過間壁進(jìn)行熱交換。廢汽出入口采用電動控制閥，以升溫后二次蒸汽溫度自動控制進(jìn)出廢汽量，確保二次蒸汽溫度值的穩(wěn)定。

圖2 調(diào)試運行中的帶自動控制升溫裝置

2.4.2 帶強制攪拌器煮糖罐

原有間歇式結(jié)晶罐吊鼓式改平鼓式，并對煮糖罐汽帶、進(jìn)汽口改造，加裝強制攪拌裝置。使用帶強制攪拌器的循環(huán)煮糖罐，能夠加速物料的循環(huán)和改善對流狀況，提高結(jié)晶質(zhì)量，縮短煮糖實際時間，降低所需的蒸汽壓力和耗汽量。

2.4.3 板式換熱器

汽凝水余熱回收加熱混合汁采用新型高效板式換熱器1臺，采用寬縫式和帶反洗裝置減少積垢，傳熱系數(shù)高，換熱效果好。

2.4.4 蒸發(fā)罐

合理設(shè)計和安排各效蒸發(fā)面積。由于抽汽位置后移，Ⅰ、Ⅱ效罐有效溫差減少，Ⅲ效抽汽量增加，故蒸發(fā)面積均需增加。考慮利用舊設(shè)備，采用的方案是增加1臺2700 m2蒸發(fā)罐用作Ⅰ效罐，Ⅱ、Ⅲ效利用舊設(shè)備并罐，并罐后五效蒸發(fā)罐面積為2700、3200、2400、1200、850 m2。

3 項目實施效果

采用以上節(jié)能技改措施后，蒸發(fā)系統(tǒng)熱力方案分配更加合理，達(dá)到降低制糖生產(chǎn)耗汽的目的。某糖廠2019年4月開始設(shè)計實施，2019年11月投入試機運行使用，經(jīng)過1個多月的運行，全廠汽耗由原來的42%(對蔗比)降到了38%(對蔗比)以下，節(jié)省一次蒸汽4%(對蔗比)。按年處理甘蔗60萬t，蒸汽價格120元/t計，預(yù)計每年可節(jié)約耗汽成本288萬元；按產(chǎn)糖率12%計，噸糖成本下降40元。由此可見，技改節(jié)能效果明顯，產(chǎn)能也得到提升，達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

4 小結(jié)

采用提高蒸發(fā)系統(tǒng)各效汁汽壓力和溫度的低真空熱力方案，利用過熱廢汽提升供煮糖用Ⅲ效汁汽溫度，使Ⅲ效汁汽可以更充分、更有效地應(yīng)用于煮糖，增加物料加熱級數(shù)及低效汁汽等級使用，Ⅴ效汁汽用于混合汁加熱，以及設(shè)備升級改造等措施，減少了Ⅰ效汁汽的抽用量和煮糖耗汽量，實現(xiàn)抽汽等級往后效移，減少Ⅰ效蒸發(fā)罐耗汽量和減少進(jìn)入冷凝器的蒸汽量；以及回收利用汽凝水余熱。某糖廠實施節(jié)能方案后，有效地降低全廠汽耗和生產(chǎn)成本，以上工藝技術(shù)方案經(jīng)濟(jì)適用，值得推廣應(yīng)用。