盤張利
(廣西來賓東糖鳳凰有限公司,廣西 來賓 546102)
制糖行業(yè)的生產(chǎn)過程首先是從甘蔗中提取蔗汁,然后將其進行清凈、蒸發(fā),再經(jīng)過結(jié)晶、分離等工序而制成成品。在糖廠的生產(chǎn)過程中,經(jīng)清凈處理后所得的清汁必須進行濃縮,這就是糖汁的蒸發(fā)過程。糖汁的蒸發(fā)過程需要消耗大量的加熱蒸汽,同時產(chǎn)生大量的二次蒸汽,也是鍋爐入爐熱水的主要來源,并為其他工段提供工藝用的熱水,因此,蒸發(fā)工段在糖廠是熱力系統(tǒng)的中心,熱工流程的核心。而蒸發(fā)系統(tǒng)傳熱效能即蒸發(fā)效能的優(yōu)劣直接影響到能夠合理、全面的利用熱能和生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。
蒸發(fā)效能的計算公式:
式中,Ey為進入蒸發(fā)系統(tǒng)的有效能,kJ/h;qD為第一效蒸發(fā)罐的汽耗量,kg/h;t為第一效蒸發(fā)罐的加熱蒸汽溫度,℃。
若第i效蒸發(fā)罐每小時所消耗的蒸汽量為qD,i,則該效罐的有效能消耗量為△Ey,i=qD,i(11.508+4.76△ti)。
從計算公式可知,減少有效能的消耗要做到兩點,一是要減少末效汁汽進入冷凝器的量;二是要盡量減少蒸發(fā)罐的壓力降。這樣可以提高汁汽的溫度,抽用的汁汽平均溫度越高,則有效能的消耗就越少。
蒸發(fā)罐的蒸發(fā)效能除受糖汁循環(huán)速度和加熱室中蒸汽的分布情況、不凝氣及汽凝水的排出、蒸發(fā)操作等因素的影響外,在很大程度上也受到糖汁進出汁裝置的影響。
蒸發(fā)操作就是一個合理地控制和調(diào)節(jié)影響傳熱和生產(chǎn)穩(wěn)定的有關(guān)因素的過程,以保證蒸發(fā)系統(tǒng)在最佳的工作條件下進行。蒸發(fā)操作主要是“低液面”和“五定”操作,即罐內(nèi)糖汁沸騰時的假液面剛好蓋過上管板,維持第一效罐的加熱蒸汽壓力、各效罐汁汽壓力、罐內(nèi)液面高度、各閥門開度和抽取汁汽量的穩(wěn)定。各個穩(wěn)定因素之間都有一定的關(guān)系,任何一個因素的波動都會造成其他因素的波動,因此不能忽視任何一個因素。
蒸發(fā)操作的穩(wěn)定是保證蒸發(fā)效能提高的前提,即使外部條件再好,操作人員操作失誤,易使整個蒸發(fā)系統(tǒng)呈現(xiàn)混亂的狀態(tài),直接影響著整個生產(chǎn)的順利進行。所以蒸發(fā)操作人員必須要做到“眼觀六路、早判斷、早解決”,自覺學習,不斷積累判斷經(jīng)驗,提升操作水平。
制糖企業(yè)的蒸發(fā)罐大多數(shù)采用循環(huán)式蒸發(fā)罐,部分設(shè)有內(nèi)、外循環(huán)管及中心降液管,進汁口在罐底一側(cè)由單管進入。糖汁在蒸發(fā)罐內(nèi)循環(huán)時,會出現(xiàn)部分已濃縮的糖汁與新入蒸發(fā)罐的清汁混合后又回到加熱列管中再進行蒸發(fā)處理,致使糖汁的沸點升高較大,減少該蒸發(fā)罐的傳熱溫差,降低其蒸發(fā)效能,同時延長了糖汁的停留時間,增加糖汁的色值。進汁管路僅由單管引至蒸發(fā)罐底一側(cè),容易造成進汁不均衡,靠近進汁管一側(cè)的加熱列管能夠充分利用,而遠離進汁管一側(cè)的則會出現(xiàn)干管的現(xiàn)象,進汁管分布的糖汁不均勻會使得蒸發(fā)罐加熱列管沒有得到充分利用,傳熱效率低,增加了有效能的消耗。
隨著生產(chǎn)能力的不斷提升,部分企業(yè)初投入的蒸發(fā)罐設(shè)計加熱面積不足以滿足生產(chǎn)需求,但又由于生產(chǎn)成本不能全部更換蒸發(fā)罐,只能采取并罐的方式,既兩個蒸發(fā)罐組合成為某效罐,由前一效的糖汁通過出汁管路同時進入兩個蒸發(fā)罐中進行蒸發(fā)或者同一效的兩個蒸發(fā)罐的糖汁同時進入下一效的一個蒸發(fā)罐中。這種組合方式雖解決了蒸發(fā)罐加熱面積小的問題,但容易出現(xiàn)糖汁同時進入兩個蒸發(fā)罐時分配不均勻的情況,進汁多的蒸發(fā)罐液面高、對流不佳、蒸發(fā)效能低;進汁少的蒸發(fā)罐容易造成干罐的情況。常見的兩種蒸發(fā)罐并聯(lián)使用的示意圖,如圖1所示。
圖1 常見的兩種蒸發(fā)罐并聯(lián)使用的示意圖
正常情況下,同等數(shù)量的煮糖罐在保持進汽閥門開度一致的情況下,對蒸發(fā)各效汁汽的使用總量差異不大,主要使用的是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ效汁汽進行煮制,蒸發(fā)罐效能越往前,說明能耗越低,整體的蒸發(fā)效能就越高,反之則越低。從蒸發(fā)汁汽的抽用方式分析,減少Ⅰ效汁汽的使用,多抽用Ⅲ效汁汽對提高蒸發(fā)效能有較大的幫助。為了提高Ⅲ效汁汽的溫度,加大其抽用比例,除加大Ⅲ效蒸發(fā)罐的加熱面積之外,近年來出現(xiàn)了Ⅲ效汁汽加熱裝置,廣西有較多糖廠已增設(shè)該加熱裝置,效果比較明顯,但由于Ⅲ效汁汽壓力介于正壓和微負壓之間,尤其在糖膏煮制至2/3體積以上的位置時,會時常出現(xiàn)汽凝水排出不良和糖膏對流效果不佳的情況。
2.1.1 封堵內(nèi)外循環(huán)管
在連續(xù)生產(chǎn)過程中,蒸發(fā)罐內(nèi)原有糖汁從蒸發(fā)罐中排出的百分數(shù)與停留時間的關(guān)系,可用公式表示:
式中,η為原有糖汁排出的百分數(shù);e為自然對數(shù)的底數(shù);t為排出時間,單位為min;R為蒸發(fā)罐內(nèi)糖汁體積與每分鐘糖汁排出體積的比率。若以平均停留時間10min為例,在10min后蒸發(fā)罐內(nèi)原有糖汁只有62%左右被排出,20min鐘后約排出87%,46min后才能排出99%,而余下的1%的糖汁將停留更長的時間,對蒸發(fā)效能影響甚大。
為了減少糖汁循環(huán)時的停留時間,提高糖汁過汁速度,對循環(huán)的內(nèi)外管路進行兩頭封堵,并利用中心降液管進行輔助出汁。有兩種改造方法,第一種是將蒸發(fā)罐內(nèi)的中央降液管從下部封堵,在封堵處接一根出汁管到原有出汁管路上,作為輔助出汁;第二種是將蒸發(fā)罐中內(nèi)外循環(huán)管上下兩頭用鐵板封住,禁止糖汁在其內(nèi)循環(huán)。蒸發(fā)罐結(jié)構(gòu)的第一種改造方法,如圖2所示。蒸發(fā)罐結(jié)構(gòu)的第二種改造方法,如圖3所示,圖3為圖2中A-A剖面線處蒸發(fā)罐的俯視圖。
圖2 蒸發(fā)罐結(jié)構(gòu)的第一種改造方法
圖3 蒸發(fā)罐結(jié)構(gòu)的第二種改造方法
2.1.2 改造進汁管路
原有的進汁管路在蒸發(fā)罐底一側(cè)設(shè)置單出口,糖汁分布不均勻,為了提高糖汁的分布面,將進汁管路由一個位置出口改造成通過“多個分支以環(huán)形布料的方式”進入蒸發(fā)罐底,從而均勻分布在加熱列管附近;為了提高進汁口的出汁壓力,還在進汁管上接一個具有一定流量的管道泵,通過管道泵的高壓力將糖汁快速泵入蒸發(fā)罐底。改造的進汁管路,充分利用蒸發(fā)罐內(nèi)加熱面積,提高了傳熱效率。改造后的蒸發(fā)罐進汁管路,如圖4所示。
圖4 改造后的蒸發(fā)罐進汁管路
對于并聯(lián)組合蒸發(fā)罐中存在的分布不均勻的情況,采取的解決措施是在兩個蒸發(fā)罐之間用管道泵進行連接,將并聯(lián)方式轉(zhuǎn)為串聯(lián)方式,即是前一效蒸發(fā)罐的出汁全部泵入后一效串聯(lián)的第一個蒸發(fā)罐中,再用管道泵將第一個蒸發(fā)罐的糖汁分配泵入串聯(lián)的第二個蒸發(fā)罐中,目的是充分利用蒸發(fā)罐的傳熱面積,提高傳熱效能,避免局部糖汁過少造成干管現(xiàn)象。串聯(lián)組合蒸發(fā)罐的糖汁走向示意圖,如圖5所示。
圖5 串聯(lián)組合蒸發(fā)罐的糖汁走向示意圖
糖廠煮制甲糖膏的各個煮糖罐的廢汽、Ⅰ效、Ⅱ效和Ⅲ效汁汽的汽凝水管路均為同一根管路,再排往同一個等壓罐中。當不同煮糖罐采用不同汁汽煮制時,各種汁汽壓力不同,Ⅰ效汁汽壓力>Ⅱ效汁汽壓力>Ⅲ效汁汽壓力;由于壓力差問題,介于微正壓與微負壓之間的Ⅲ效汁汽的汽凝水時常出現(xiàn)排出不順暢,從而出現(xiàn)煮糖罐汽鼓難進汽和糖膏難對流的情況。為了解決這一情況,在甲糖膏煮糖罐的汽鼓環(huán)管下部接一根排水管至新增的平衡水箱;這新增的平衡水箱與原有的汽凝水等壓罐在同一水平高度,通過管道泵將箱內(nèi)的汽凝水泵入原有的等壓罐中。
煮糖罐新增一根排水管后,在用Ⅲ效汁汽煮制時,將原有的汽凝水閥門關(guān)閉,打開新增的汽凝水閥門,使得Ⅲ效汁汽的汽凝水單獨排出,避免與其他在用的Ⅱ效汁汽汽凝水因共用管路造成的排出不良的情況。采取此措施后,甲糖膏在使用Ⅲ效汁汽煮制時,對流較好,煮糖罐抽用Ⅲ效汁汽的比例得到提高,達到節(jié)能減排的目的。
煮糖罐新增排水管和平衡水箱后汽凝水走向示意圖,如圖6所示。煮糖罐使用Ⅲ效汁汽煮制糖膏時,將閥門1關(guān)閉,閥門2打開,使用新增的汽凝水排出管路;當使用Ⅰ效或者Ⅱ效汁汽煮制時,將閥門2關(guān)閉,閥門1打開,使用原來的汽凝水排出管路。
圖6 煮糖罐新增排水管和平衡水箱后汽凝水走向示意圖
廣西來賓東糖集團下屬的某一公司在經(jīng)過相類似的技術(shù)改進后,在蒸發(fā)罐效能的提升和節(jié)能降耗方面確實取得了一定的成績。
改造后的蒸發(fā)罐在加熱面積利用率上有明顯提高,從視鏡上觀察,加熱列管利用率可由2019/2020年榨季的60%提高至2020/2021年榨季的90%,如圖7所示。隨著傳熱效率的提高,蒸發(fā)過程的純度降也有所改善,經(jīng)統(tǒng)計,改進后的清汁與粗糖漿純度降與改進前相比,從0.90AP降至0.59AP,如圖8所示。
圖7 改進前后蒸發(fā)罐加熱面利用率的對比
圖8 改進前后清汁與粗糖漿純度降的對比
煮糖Ⅲ效汁汽的抽用比例及使用效果得到明顯改善,2019/2020年榨季時甲糖膏開煮4個煮糖罐時,只能1個煮糖罐抽用Ⅲ效汁汽,且對于80 m3的煮糖罐,甲糖膏煮至55~60 m3時對流較難;經(jīng)過檢修期技改后,2020/2021年榨季甲糖膏可同時使用2個煮糖罐抽取Ⅲ效汁汽,且對于80 m3的煮糖罐煮至65 m3時,糖膏對流較好。
改進后能多抽?、笮е糜谥蠹滋歉?,Ⅲ效汁汽的抽用比例上升,該公司在節(jié)約能耗方面也取得相應(yīng)的進步,百噸蔗耗汽量由改進前的39.82噸降至38.04噸。
在同等加熱蒸汽量的情況下,Ⅱ效汁汽改進后的溫度與改進前的溫度相比提高了3~5℃,計算Ⅱ效蒸發(fā)罐的有效能損失。
計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為榨量420噸/小時,清汁錘度15°Bx,Ⅰ效糖汁錘度26°Bx,Ⅱ效糖汁錘度38°Bx,Ⅲ效糖汁錘度48°Bx,清汁量對蔗比為0.96。
清汁量qG,0=420×0.96=403.2(噸/小時)。
Ⅰ效出口糖漿量qG,1=qG,0×清汁錘度/Ⅰ效糖汁錘度=403.2×15/26=232.62(噸/小時)。
Ⅱ效出口糖漿量qG,2=qG,0×清汁錘度/Ⅱ效糖汁錘度=403.2×15/38=159.16(噸/小時)。
Ⅲ效出口糖漿量qG,3=qG,0×清汁錘度/Ⅲ效糖汁錘度=403.2×15/48=126(噸/小時)。
則Ⅱ效汁汽抽用量qE,2=Ⅱ效蒸發(fā)水量W2-Ⅲ效蒸 發(fā) 水 量W3=(qG,1-qG,2)-(qG,2-qG,3)=(232.62-159.16)-(159.16-126)=40.3(噸/小時)。
由蒸發(fā)效能計算公式可知,在Ⅱ效汁汽溫度提高3℃的情況下,Ⅱ效蒸發(fā)罐的蒸發(fā)有效能損失減少量為△Ey,2=qE,2×4.76×△t=qE,2×4.76×3=40.3×1000×4.76×3=5.75×105(kJ/h),有效能損失的減少對于降低傳熱溫差和節(jié)能降耗起到至關(guān)重要的作用。
改造蒸發(fā)罐底進汁管后,雖然出汁口數(shù)量多了,但是出汁口孔徑小,易堵,影響了進汁。改進措施為在該罐停機通洗時,工人進入蒸發(fā)罐在罐底的進汁管位置進行敲打,并用清洗機高壓沖洗管路。
蒸發(fā)罐由并聯(lián)改成串聯(lián),特別是串聯(lián)蒸發(fā)罐使用在末效蒸發(fā)罐時,受管道泵流量、進出汁管路管徑和汁汽室壓力的影響,易出現(xiàn)前一個蒸發(fā)罐糖汁較難進入下一個蒸發(fā)罐的情況。改進措施為重新核算糖汁過汁量,增大管道泵的進出汁管徑,根據(jù)糖汁量重新評估管道泵的選型是否合適等。
通過對現(xiàn)有蒸發(fā)系統(tǒng)的工藝現(xiàn)狀進行分析,探討得出要提高蒸發(fā)效能,減少蒸發(fā)罐有效能的消耗,除了抓牢崗位操作之外,還需要對蒸發(fā)罐本身結(jié)構(gòu)上的缺陷、普遍的組合蒸發(fā)罐方式、后效汁汽的合理利用率等方面進行技術(shù)研究。通過改進蒸發(fā)罐的內(nèi)外循環(huán)結(jié)構(gòu)、重新對進汁管路進行環(huán)形布管,將組合蒸發(fā)罐的并聯(lián)形式改成串聯(lián)、提高糖汁對加熱面的利用率。設(shè)置旁路解決煮糖使用Ⅲ效汁汽時汽凝水排出不良、影響其利用率的情況,從而達到提高前效汁汽溫度,將蒸發(fā)效能往前,避免其往后走,達到節(jié)能降耗和降低糖分損失的目的。