糖廠多效蒸發(fā)系統(tǒng)積垢清洗的節(jié)能潛力
——懸臂式機械水力兩用清洗機應用查定分析

黃向陽，莫柳珍，許廣球，蘇江濱，何華柱，趙 強，周錫文，梁 裕，巫少斐，何顯春，覃浩榮，劉海艷，馬必聲，張 鑫

（1廣州甘蔗糖業(yè)研究所 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點實驗室，廣東廣州 510316；2廣西永鑫華糖集團有限公司，廣西南寧530021；3廣西來賓永鑫小平陽糖業(yè)有限公司，廣西來賓546100）

糖廠多效蒸發(fā)系統(tǒng)積垢清洗的節(jié)能潛力
——懸臂式機械水力兩用清洗機應用查定分析

黃向陽1，莫柳珍1，許廣球1，蘇江濱1，何華柱2，趙 強2，周錫文2，梁 裕2，巫少斐3，何顯春3，覃浩榮3，劉海艷3，馬必聲3，張 鑫3

（1廣州甘蔗糖業(yè)研究所 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點實驗室，廣東廣州 510316；2廣西永鑫華糖集團有限公司，廣西南寧530021；3廣西來賓永鑫小平陽糖業(yè)有限公司，廣西來賓546100）

2014/15年榨季廣西來賓永鑫小平陽糖業(yè)有限公司采用懸臂式機械水力兩用清洗機通洗蒸發(fā)罐，顯著提高了蒸發(fā)效能，降低了生產能耗，榨季標煤耗和蔗渣打包率都創(chuàng)下該廠歷史最好水平。本文以該廠生產查定數(shù)據為依據，通過對比分析該設備使用前后2個榨季蒸發(fā)系統(tǒng)的運行狀況，闡明了懸臂式機械水力兩用清洗機在生產應用中的節(jié)能效果，初步揭示了糖廠蒸發(fā)罐積垢清洗環(huán)節(jié)具有的節(jié)能潛力。

蒸發(fā)；積垢；傳熱系數(shù)；蒸發(fā)強度；蔗渣打包率；標煤耗

0 引言

國內亞硫酸法及碳酸法糖廠蒸發(fā)系統(tǒng)的積垢均較嚴重，為保證換熱效率、維持正常生產，一般每天都必須輪洗一個或一個以上的蒸發(fā)罐。目前糖廠普遍采用人工手持高壓水槍的方式進行蒸發(fā)罐積垢清洗，各糖廠都配有高壓水泵，雖然高壓水泵可提供的水壓高達100 MPa，但從操作安全考慮，人工手持高壓水槍清洗方式實際水壓一般都不大于70 MPa，平均清洗速度大致為每1000 m2加熱面積耗時110 min。

人工手持高壓水槍清洗蒸發(fā)罐積垢存在的不足主要有3個方面：①安全隱患大。輪洗蒸發(fā)罐時罐內悶熱，水霧重濕度大，而操作工人著裝一般都缺少防護，很易造成高壓水傷人事故，不利于安全生產。國內糖廠每榨季都有不同程度的高壓水槍傷人事故發(fā)生。②清洗方式缺陷影響效果。高壓水清洗加熱管積垢的原理主要是靠細微孔中噴出的高壓射流對積垢進行沖擊，使積垢剝離管壁面。由于高壓噴頭上均布的細微孔數(shù)量有限，在2細微孔之間區(qū)域無直接射流沖擊動力，對積垢清除力不強，因此在清洗完的管內壁上常見留有一些縱向殘垢痕，這些縱向殘垢痕也會逐漸變硬，難于清理。③清洗效果不好控制。由于操作勞動強度大，工人易于疲倦，偷工減料的操作方式普遍存在。最常見的是加熱管底部約300～500 mm長度段清洗不到位，時間一長，管底部積垢越來越厚、越來越硬，形成積垢死角，最終使高壓水槍無法伸進加熱管末端進行清洗，嚴重時影響正常生產。

人工手持高壓水槍清洗蒸發(fā)罐積垢的弊端已引起業(yè)界廣泛關注。為進一步保障生產安全、降低生產能耗，近年一些糖廠在逐步引入新設備取替?zhèn)鹘y(tǒng)清洗方式，如洋浦南華糖業(yè)集團有限公司、廣西農墾糖業(yè)集團股份有限公司、南寧糖業(yè)股份有限公司、永鑫華糖集團有限公司等，在2014/15年榨季均采用了S222型懸臂式機械水力兩用清洗機進行蒸發(fā)罐積垢清洗。該設備能分別用高壓水和機械滾壓刮擦2種方式對積垢進行高效清洗，它主要由搖臂、直線驅動、旋轉驅動、控制系統(tǒng)等部件組成，采用氣力驅動，無需用電。

本文以來賓永鑫小平陽糖廠生產查定數(shù)據為依據，通過對比分析2個榨季蒸發(fā)系統(tǒng)的運行狀況，闡述S222型懸臂式機械水力兩用清洗機在生產應用中對糖廠的節(jié)能效果，初步揭示糖廠蒸發(fā)罐積垢清洗環(huán)節(jié)具有的節(jié)能潛力。

1 蒸發(fā)系統(tǒng)查定與計算

糖廠蒸發(fā)系統(tǒng)的查定，通常是通過測取有關數(shù)據，解析蒸發(fā)罐各項實際運行參數(shù)，以便了解生產中汁汽抽用和能量傳遞和損失狀況，是分析糖廠多效蒸發(fā)系統(tǒng)效能和熱能利用情況常用的技術手段。

來賓永鑫小平陽糖廠2014/15年榨季開始并全榨季使用使用懸臂式機械水力兩用清洗機通洗蒸發(fā)罐。為進一步了解生產能耗情況，小平陽糖廠在2013/14年榨季及2014/15年榨季均對其蒸發(fā)系統(tǒng)進行認真的生產查定。查定是在正常而連續(xù)的生產條件下進行，每2 h采樣1次，2014/15年榨季查定數(shù)據采集時間段是2015年3月5日至7日，2013/14年榨季查定數(shù)據采集時間段是2014年1月26日至28日。在設備使用前后的2個榨季，蒸發(fā)系統(tǒng)的各項運行參數(shù)的查定數(shù)據平均值如表1所示。此外，小平陽糖廠在2014/15年榨季還委托第三方對其鍋爐運行情況進行了生產查定。

從表1可見，2個榨季蒸發(fā)系統(tǒng)的設備結構特性參數(shù)相同，而2014/15年榨季的榨量比2013/14年榨季高19 t/h，2014/15年榨季的清汁錘度略低于2013/14年榨季，而末效蒸發(fā)罐錘度略高于2013/14年榨季，這表明2014/15年榨季蒸發(fā)系統(tǒng)的生產負荷比2013/14年榨季更大。由此可見2個榨季的生產狀況對比分析具有較好可比性。

蒸發(fā)系統(tǒng)的各項參數(shù)都是動態(tài)變化的，表1的數(shù)據雖不能完全代表整個榨季運行情況，但由于是正常生產期間的連續(xù)數(shù)據查定結果，因此能較好地反映榨季正常生產狀況下的平均運行水平。

根據表1查定數(shù)據，可進一步計算出蒸發(fā)系統(tǒng)的各項相關參數(shù)，根據《甘蔗糖廠設計基礎》[1]計算結果如表2所示。

2 蒸發(fā)系統(tǒng)查定結果分析

2.1 傳熱系數(shù)

傳熱系數(shù)[2]直接反映蒸發(fā)罐的傳熱效率高低，在生產運行中蒸發(fā)罐的傳熱系數(shù)會逐步降低，主要原因是蒸發(fā)罐加熱面的積垢逐步生成，故糖廠必須通過輪洗蒸發(fā)罐的方式使傳熱能力得到恢復。經清洗后的蒸發(fā)罐傳熱系數(shù)得到一定程度的提高，積垢清洗得越干凈則傳熱能力恢復得越好，因此，傳熱系數(shù)的高低可很客觀的反映蒸發(fā)罐積垢清洗的干凈程度。

表1 小平陽糖廠五效蒸發(fā)系統(tǒng)運行查定參數(shù)

表2 小平陽糖廠五效蒸發(fā)系統(tǒng)運行查定計算結果

圖1反映2個榨季各效蒸發(fā)罐傳熱系數(shù)變化情況。使用懸臂式機械水力兩用清洗機后，2014/15年榨季各效蒸發(fā)罐傳熱系數(shù)較2013/14年榨季的提高率如表3所示。

從圖1及表3可見，2014/15年榨季各效蒸發(fā)罐傳熱系數(shù)都有較大程度提高，而且從I效至V效傳熱系數(shù)提高率呈增大趨勢。這是因為后效蒸發(fā)罐的糖漿錘度高，積垢更多更硬，原來人工手持高壓水槍清洗時，越后面的蒸發(fā)罐積垢越難清洗，平時留下的殘垢比前面蒸發(fā)罐多，殘垢導致的傳熱系數(shù)降低狀況比前面罐更嚴重，而當殘垢被徹底清除后，其表現(xiàn)出的蒸發(fā)罐傳熱系數(shù)的提高率自然就更大些。

圖1 各效蒸發(fā)罐傳熱系數(shù)

表3 各效蒸發(fā)罐傳熱系數(shù)提高率

查定數(shù)據表明，通過采用懸臂式機械水力兩用清洗機通洗蒸發(fā)罐，各效傳熱系數(shù)均有較大提高，越是后面的蒸發(fā)罐，傳熱系數(shù)提高率越大，其中末效罐的傳熱系數(shù)比人工手持高壓水槍清洗時提高57%以上。

2.2 蒸發(fā)強度及蒸發(fā)耗汽量

蒸發(fā)強度反映各效蒸發(fā)罐的生產負荷情況，積垢清洗不干凈的蒸發(fā)罐，傳熱系數(shù)不能得到很好的恢復，其承擔生產負荷的能力會逐漸下降。在實際生產中遇到這種情況往往通過將生產負荷前移來解決，即前面蒸發(fā)罐維持較高蒸發(fā)強度，而后面罐的蒸發(fā)強度較小，這樣的蒸發(fā)方案往往不利于降低蒸發(fā)系統(tǒng)的汽耗，不利于節(jié)能。由于2014/15年榨季各效蒸發(fā)罐傳熱系數(shù)都得到提高，特別是后面罐提高得更多，這有利于生產中采取更為合理的蒸發(fā)方案，實現(xiàn)節(jié)汽節(jié)能。根據表1中的查定數(shù)據，通過各效蒸發(fā)罐出口處糖漿錘度的查定值，可計算出各效蒸發(fā)罐的蒸發(fā)水量（表2），而根據各效蒸發(fā)水量及各效蒸發(fā)面積，可進一步計算出各效蒸發(fā)罐平均蒸發(fā)強度。圖2和圖3分別對比了2013/14年榨季、2014/15年榨季各效蒸發(fā)罐的蒸發(fā)水量對蔗比和蒸發(fā)強度變化情況。2014/15年榨季各罐蒸發(fā)強度較2013/14年榨季提高率如表4所示。

由圖3和表4對比2個榨季各效罐蒸發(fā)強度的變化情況可看出，2014/15年榨季I效罐的蒸發(fā)強度有所降低，而第II效至V效罐的蒸發(fā)強度都有所提高，這表明更多的濃縮水分是由后面的蒸發(fā)罐通過低溫汁汽蒸發(fā)掉。蒸發(fā)系統(tǒng)的這種運行狀況更有利于生產節(jié)能。

從表2可看到，2014/15年榨季I效蒸發(fā)罐的蒸發(fā)水量降低了109.74-106.75=2.99 t/h，而其余各效蒸發(fā)水量都有不同程度提高。根據1 kg加熱蒸汽可以蒸發(fā)1 kg水的簡易計算方法[3]，結合多效蒸發(fā)的特點，I效蒸發(fā)罐消耗的蒸汽量即為蒸發(fā)系統(tǒng)消耗的蒸汽量，因此I效蒸發(fā)罐蒸發(fā)水量數(shù)值相當于蒸發(fā)系統(tǒng)消耗的蒸汽量。這表明2014/15年榨季蒸發(fā)系統(tǒng)耗汽量相對于2013/14年榨季減少了2.99 t/h，節(jié)能效果顯著。考慮到2個榨季榨量不同，將蒸發(fā)系統(tǒng)的節(jié)汽量折算為對蔗比更便于分析。表2中也給出了2014/15年榨季較2013/14年榨季蒸發(fā)系統(tǒng)節(jié)汽量折算為對蔗比數(shù)值為36.46%-33.36%=3.1%。

查定數(shù)據表明，通過采用懸臂式機械水力兩用清洗機通洗蒸發(fā)罐，各效的生產負荷發(fā)生了一些變化，其中I效蒸發(fā)罐蒸發(fā)強度有所降低，蒸發(fā)水量減少，而后面各效的蒸發(fā)強度有所提高，蒸發(fā)水量均有所增加。由此使得2014/15年榨季蒸發(fā)系統(tǒng)比2013/14年榨季采用人工手持高壓水槍清洗時更加省汽，節(jié)約的汽量對蔗比為3.1%。

2.3 節(jié)約蔗渣量與經濟效益

蔗渣打包量在很大程度上反映出糖廠生產能耗水平。近年糖廠除了用百噸糖標煤耗評價節(jié)能效果外，蔗渣打包率這個指標也越來越被糖廠重視，因為它既能反映生產節(jié)能狀況，也能較為直接地了解節(jié)能生產

經濟效益。糖廠蔗渣打包率定義為：滿足燃料量后剩下的打包蔗渣量占甘蔗榨量的百分比。對于全燒蔗渣的糖廠，決定蔗渣打包率的因素除生產的整體水平外，主要還有蔗渣纖維分和蔗渣水分。小平陽糖廠的蔗渣打包率一直居于國內領先水平，在2014/15年榨季之前，該廠的歷史最高蔗渣打包率為9.53%（2010/11年榨季），2014/15年榨季經改變蒸發(fā)罐積垢清洗方式后，該數(shù)據再次被刷新。

圖2 各效蒸發(fā)水量對蔗比

圖3 各效蒸發(fā)強度

表4 各效蒸發(fā)罐的蒸發(fā)強度提高率

小平陽糖廠只燒蔗渣發(fā)電，近4個榨季的蔗渣打包率及對應的甘蔗纖維分變化情況如圖4、圖5所示。

從圖4可見，小平陽糖廠2014/15年榨季的蔗渣打包率為10.87%，較2013/14年榨季大幅提高1.84%，主要原因是通過采用機器清洗，蒸發(fā)罐實際運行傳熱系數(shù)得到提高，蒸發(fā)系統(tǒng)的節(jié)能潛力被挖掘出來了。下面具體分析在1.84%的蔗渣打包率提升中，由于蒸發(fā)罐積垢清洗得更干凈徹底，蒸發(fā)罐運行傳熱系數(shù)提高而產生的實際貢獻及其它因素的貢獻。

根據前述查定分析得知，2014/15年榨季比2013/14年榨季蒸發(fā)系統(tǒng)節(jié)汽量為3.1%對蔗比，折算為鍋爐燃燒的蔗渣量應為：

式中，D為蒸發(fā)節(jié)汽量折算為鍋爐燃燒的蔗渣量，用對蔗比表示；W為蒸發(fā)系統(tǒng)的節(jié)汽量，用對蔗比表示，W=3.1%；H為I效汽鼓飽和蒸汽熱焓，按查定數(shù)據查水蒸汽物性表[4]，溫度為127.5℃飽和蒸汽，H=2720.2 kJ/kg；q為蔗渣低位熱值，單位kJ/kg，按小平陽糖廠蔗渣水分平均值為48%，查《甘蔗制糖化學管理分析方法》[5]得q=8091 kJ/kg；η為鍋爐效率，根據2014/15年榨季小平陽糖廠查定《鍋爐運行工況效能測試報告》[6]獲得η=0.854。

圖5可知，2014/15年榨季甘蔗平均纖維分較2013/14年榨季高，而甘蔗纖維分增加也會導致蔗渣打包率提高。忽略2個榨季末壓汁純度和蔗渣水分變化影響，2014/15年榨季相對于2013/14年，因甘蔗纖維分引起的蔗渣打包率提高量具體計算如下：

d=(f2-f1)/(1-w)×100%=(11.19-10.89)/(1-0.48)× 100%=0.577%

式中，d為甘蔗纖維分變化導致的打包率提高值，用對蔗比表示；f2為2014/15年榨季平均甘蔗纖維分(%)；f1為2013/14年榨季平均甘蔗纖維分(%)；w為2014/15年榨季平均蔗渣水分(%)。

圖4 蔗渣打包率變化

圖5 蔗渣纖維分變化

圖6 各因素對蔗渣打包率的實際貢獻及占比例

由此可見，2014/15年榨季小平陽糖廠蒸發(fā)系統(tǒng)由于實際運行傳熱系數(shù)大、蒸發(fā)效能提高而產生的蔗渣打包率貢獻為1.22%對蔗比，占榨季總提高率的66.30%；甘蔗纖維分、水分等因素導致的蔗渣打包率提高為0.577%對蔗比，占榨季總提高率的31.36%；其它技術管理等綜合因素使蔗渣打包率提升為0.043%對蔗比，占榨季總提高率的2.34%。2014/15年榨季各因素對蔗渣打包率提升的實際貢獻及其所占比率如圖6示。

小平陽2014/15年榨季實際榨量75萬t，通過采用懸臂式機械水力兩用清洗機通洗蒸發(fā)罐，實際節(jié)省蔗渣量為750000×1.22%=9150 t，按2014/15年榨季蔗渣市場價格350元/t計算，約合產值320余萬元。去除項目各項投入約50萬元，獲得了當年投入設備當年收回成本并產生可觀收益的結果。

2.4 標煤耗

百噸甘蔗標煤耗是衡量糖廠生產能耗水平的傳統(tǒng)指標，小平陽糖廠的標煤耗一直處在國內糖廠的先進水平，近4個榨季的標煤耗波動情況如圖7所示。2014/15年榨季相較2013/14年榨季標煤耗下降值為3.485-3.122=0.363（t/百噸蔗）。

圖7 連續(xù)4個榨季標煤耗變化曲線

下面具體分析采用懸臂式機械水力兩用清洗機后，由于蒸發(fā)系統(tǒng)實際運行傳熱系數(shù)增大、蒸發(fā)效能提高，對標煤耗降低的實際貢獻。蒸發(fā)系統(tǒng)節(jié)約的蒸汽量折算成標煤耗為：

式中，M為蒸發(fā)節(jié)汽量折算為鍋爐燃燒的標煤量，用t/百噸蔗表示；W為蒸發(fā)系統(tǒng)的節(jié)汽量，用對蔗比表示，W=3.1%；H為I效汽鼓飽和蒸汽熱焓，127.5℃飽和蒸汽H為2720.2 kJ/kg[4]；Q為標煤熱值，為29308 kJ/kg；η為鍋爐效率，根據2014/15年榨季查定報告[6]，η=0.854。

由此可見，在0.363 t/百噸蔗的總標煤耗降低中，由于蒸發(fā)效能提高而產生的實際貢獻值為0.3369 t/百噸蔗，其余管理技術等綜合因素帶來的貢獻值為0.0261 t/百噸蔗，2014/15年榨季各因致煤耗降低的構成及其所占比率如圖8示。

3 結語

從查定分析和實際應用情況看，采用懸臂式機械水力兩用清洗機取代人工手持高壓水槍方式清洗蒸發(fā)罐，不僅能減輕蒸發(fā)罐清洗的勞動強度，保障生產安全，而且還能大幅提高蒸發(fā)罐的運行傳熱系數(shù)，降低標煤耗，提高蔗渣打包率，是糖廠保障生產安全和挖潛節(jié)能降耗的一條有效途徑。2014/15年榨季S222型懸臂式機械水力兩用清洗機在永鑫來賓小平陽糖廠的生產應用中，取得了降低蒸發(fā)耗汽量3.1%對蔗比，提高蔗渣打包率1.22%對蔗比，降低標煤耗0.3369 t/百噸蔗的實際效果。小平陽糖廠一直是業(yè)界生產節(jié)能的先進企業(yè)，各項節(jié)能基礎工作都做得比較好，因此可以預計，在其它一些廠的應用中其節(jié)能效果可能會更加顯著。

圖8 各因素導致標煤耗降低的構成及所占比例

[1] 陳維鈞，李天義. 甘蔗糖廠設計基礎[M]. 北京：輕工業(yè)出版社，1987.

[2] 陳默，吳味隆. 熱工學：第三版[M]. 北京：高等教育出版社，2004：12-13，398.

[3] 霍漢鎮(zhèn). 現(xiàn)代制糖化學與工藝學[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[4] 胡英，呂瑞東. 物理化學[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

[5] 廣東省甘蔗糖業(yè)食品科學研究所. 甘蔗制糖化學管理統(tǒng)一分析方法[M]. 北京：輕工業(yè)出版社，1976.

[6] 廣西壯族自治區(qū)特種設備檢驗研究院. 2014/15年廣西來賓永鑫小平陽糖業(yè)有限公司《鍋爐運行工況效能測試報告》[R]. 廣西南寧：廣西壯族自治區(qū)特種設備檢驗研究院，2015.

(本篇責任編校：朱滌荃)

Sugar Mill Multi-Effect Evaporation System Energy Saving Potential of Scale Cleaning - Application Case Analysis of Cantilever Type Hydraulic and Mechanical Cleaning Machine

HUANG Xiang-yang1, MO Liu-zhen1, XU Guang-qiu1, SU Jiang-bin1, HE Hua-zhu2, ZHAO Qiang2, ZHOU Xi-wen2, LIANG Yu2, WU Shao-fei3, HE Xian-chun3, QING Hao-rong3, LIU Hai-yan3, MA Bi-sheng3,
ZHANG Xin3
(1Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute/Guangdong Key Lab of Sugarcane Improvement & Biorefinery, Guangzhou 510316;2Guangxi Yongxihua Sugar Group Co. Ltd., Nanning 530021;3Guangxi Laibin Yongxi Xiaopingyang Sugar Co. Ltd., Laibin 546100)

In 2014/15 crushing season, the cantilever type hydraulic and mechanical cleaning machine was used to clean the evaporation tank in Guangxi Laibin Yongxin Xiaopingyang Sugar Co. Ltd. The results showed that the evaporation efficiency significantly increased and the energy consumption reduced. Standard coal consumption and bagasse package rate achieved the best level so far in this factory. Through comparison and analysis of evaporation system running state for two crushing seasons using this equipment before and after, this paper clarified the energy-saving effect of the cantilever type hydraulic and mechanical cleaning machine based on the investigation of the plant produced date. It revealed the energy-saving potential of evaporation tank scale cleaning station in sugar mill.

Evaporate; Scale; Heat transfer coefficient; Evaporation intensity; Bagasse package rate; Standard coal consumption

TS243+.3

B

1005-9695(2015)05-0044-07

2015-08-26；

2015-09-29

黃向陽(1963-)，男，教授級高級工程師，主要從事制糖新技術及新裝備研究推廣；E-mail：doro.h@163.com

黃向陽，莫柳珍，許廣球，等. 糖廠多效蒸發(fā)系統(tǒng)積垢清洗的節(jié)能潛力——懸臂式機械水力兩用清洗機應用查定分析[J].甘蔗糖業(yè)，2015(5)：44-50.