精煉脫臭中冷凍水真空系統(tǒng)和乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

孫 樂(lè)，趙 宇，李曉龍，白宏偉(無(wú)錫中糧工程科技有限公司，江蘇 無(wú)錫 214035)

近年來(lái)，我國(guó)油脂加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。食用植物油加工業(yè)規(guī)?；⒓s化水平提高，日處理原料400 t以上企業(yè)的產(chǎn)能、產(chǎn)量占比均在60%以上[1]。2015年，全國(guó)規(guī)模以上植物油加工企業(yè)2 184個(gè)，食用植物油產(chǎn)量6 734萬(wàn)t。但我國(guó)糧油加工業(yè)的能耗指標(biāo)與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍有一定的差距，隨著國(guó)家有關(guān)節(jié)能減排等一系列政策的出臺(tái)以及能源價(jià)格逐年上漲，節(jié)能降耗減排已成為油脂加工業(yè)的重要任務(wù)。

傳統(tǒng)油脂精煉工藝中，蒸汽消耗占總動(dòng)力成本的80%左右；脫臭真空系統(tǒng)蒸汽消耗量約占整個(gè)精煉車間蒸汽消耗量的60%[2]。同時(shí)，真空系統(tǒng)產(chǎn)生的污水也增加了油脂污水排放量，增加了污水處理成本。因此，降低真空系統(tǒng)的蒸汽消耗是降低精煉車間成本的技術(shù)關(guān)鍵。

精煉生產(chǎn)線脫臭工段的真空系統(tǒng)除常規(guī)四級(jí)蒸汽噴射泵真空系統(tǒng)外，采用較多的為冷凍水真空系統(tǒng)?，F(xiàn)結(jié)合實(shí)際使用情況，對(duì)冷凍水真空系統(tǒng)和乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)的工藝流程、應(yīng)用效果進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，并結(jié)合不同的生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析。

1 冷凍水真空系統(tǒng)

1.1 工作原理

該真空泵以二級(jí)蒸汽噴射泵為主泵，以水環(huán)泵為前級(jí)泵串聯(lián)而成。以水環(huán)泵和二級(jí)蒸汽噴射泵工作原理為基礎(chǔ)，用低溫?zé)峋诙?jí)蒸汽噴射泵冷凝器中冷凝蒸汽噴射泵中排出氣體中的可凝性氣體，有效提高設(shè)備內(nèi)的真空度，使冷凝器中壓力較低，蒸汽消耗量減少[3]。

1.2 工藝流程及說(shuō)明

真空泵冷凝器中冷卻水的溫度，決定了可凝性氣體冷凝程度。冷凝器依實(shí)際的形式不同，可分為大氣式冷凝器(混合式，冷卻水和水蒸氣直接接觸)和表面式冷凝器(列管式，冷卻水和水蒸氣不直接接觸)，二者各有優(yōu)劣。但大氣式冷凝器的冷凝效率、冷凝效果優(yōu)于表面式冷凝器，配套真空泵蒸汽消耗更低。

現(xiàn)以采用大氣式冷凝器的冷凍水真空系統(tǒng)(圖1)為例，介紹該真空系統(tǒng)。

由圖1可知，二級(jí)蒸汽噴射泵為主泵，主要由增壓器(第一級(jí))、噴射器(第二級(jí))和大氣式冷凝器(2個(gè))構(gòu)成；水環(huán)泵為前級(jí)泵，二者串聯(lián)而成。熱井水與冷媒各自構(gòu)成獨(dú)立的閉路循環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)與車間冷卻水系統(tǒng)分開(kāi)，3個(gè)系統(tǒng)完全獨(dú)立。熱井、熱井循環(huán)水泵、板式冷卻器、真空泵大氣式冷凝器組成熱井水閉路循環(huán)系統(tǒng)(換熱器出水溫度為6℃)，冷媒罐、冷媒循環(huán)泵、冷凍機(jī)、板式冷卻器組成冷媒閉路循環(huán)系統(tǒng)(冷凍機(jī)出水溫度為3℃)，涼水塔、冷卻水循環(huán)泵、冷凍機(jī)及車間冷卻設(shè)備組成車間冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。

圖1冷凍水真空系統(tǒng)示意圖

生產(chǎn)中，來(lái)自脂肪酸捕集器的混合氣體，與真空系統(tǒng)的動(dòng)力蒸汽一起在大氣式冷凝器中經(jīng)低溫?zé)峋淠翢峋畠?nèi)。然后通過(guò)熱井循環(huán)水泵，將其送至板式冷卻器中冷卻至工作溫度后循環(huán)使用。在此過(guò)程中，熱井水逐步被真空泵抽出的帶有少量脂肪酸的蒸汽污染。為了防止板式換熱器堵塞，可在熱井水中加入少量的堿液，使熱井中的水呈弱堿性，可中和游離的脂肪酸。同時(shí)，熱井將熱井水中微量的油脂物質(zhì)分離，隨汽提蒸汽和真空系統(tǒng)的動(dòng)力蒸汽形成的超量水從設(shè)備頂部溢流口中排出。因?yàn)閴A液的添加，所以該系統(tǒng)也被稱為堿液閉路冰水真空系統(tǒng)。

為了保證真空系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，配2臺(tái)板式冷卻器，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用。板式冷卻器結(jié)垢導(dǎo)致?lián)Q熱效率下降后，切換至備用冷卻器。結(jié)垢的冷卻器使用CIP自動(dòng)清洗系統(tǒng)清洗，清洗結(jié)束后備用。

2 乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)

2.1 工作原理

在水的三相點(diǎn)(0℃，0.61 kPa)，只存在氣相水汽和固相冰兩種狀態(tài)。在水的三相點(diǎn)以下，水只發(fā)生升華和凝華相變。油脂精煉脫臭工藝操作絕對(duì)壓力低于水的三相點(diǎn)壓力，脫臭系統(tǒng)抽出的蒸汽、游離脂肪酸等可凝性氣體經(jīng)冷媒間接深冷，在冷凝器冷凝管表面直接凝華成“干冰”，剩余少量空氣等不凝性氣體通過(guò)真空泵抽出并排空[4]。

除乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)外，國(guó)外工程公司的冰冷真空系統(tǒng)也為此工作原理。

2.2 工藝流程及說(shuō)明

乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)采用乙二醇水溶液對(duì)真空系統(tǒng)的可凝性氣體進(jìn)行冷凝，冰冷真空系統(tǒng)采用液氨冷卻系統(tǒng)對(duì)真空系統(tǒng)的可凝性氣體進(jìn)行冷凝，兩者實(shí)際使用效果基本相同。但是，液氨屬于有毒、易燃物質(zhì)，車間、設(shè)備需有相應(yīng)的防護(hù)裝置及措施。同時(shí)液氨冷卻系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備、管道均屬于壓力設(shè)備、管道，安裝要求更嚴(yán)格，且使用企業(yè)需定期至相關(guān)機(jī)構(gòu)審核并配備相應(yīng)管理及使用人員；乙二醇水溶液則無(wú)此類要求。從企業(yè)的角度考慮，乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)維護(hù)成本較低。所用真空泵有兩種：蒸汽噴射泵和羅茨真空泵機(jī)組。蒸汽噴射泵用電量小、用蒸汽量較大；羅茨真空泵機(jī)組用電量較大，但不用蒸汽。兩者各有優(yōu)劣。

現(xiàn)以采用羅茨真空泵機(jī)組的乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)(圖2)為例，介紹該真空系統(tǒng)。

圖2乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)示意圖

由圖2可知，羅茨真空泵機(jī)組由1臺(tái)一級(jí)羅茨泵、1臺(tái)二級(jí)羅茨泵、1臺(tái)三級(jí)羅茨泵、1臺(tái)液環(huán)泵、1臺(tái) 汽液分離器和1臺(tái)冷凝器串聯(lián)而成，正常運(yùn)行可維持系統(tǒng)的高真空度。真空度達(dá)到工藝要求后啟動(dòng)冷凍機(jī)，使冷媒(乙二醇水溶液)達(dá)到工藝要求溫度，乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行。

生產(chǎn)中，來(lái)自脂肪酸捕集器的混合氣體，在乙二醇型冷凝器(1用1備)中通過(guò)乙二醇水溶液間接深冷，蒸汽、脂肪酸等可凝性氣體在冷凝器冷凝管表面直接凝華成“干冰”，不凝性氣體由羅茨真空泵機(jī)組抽出。運(yùn)行中的乙二醇型冷凝器冷凝管外表面冰達(dá)到一定厚度，冷凝效果下降，切換至備用冷凝器使系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行；同時(shí)將結(jié)滿冰的冷凝器與真空系統(tǒng)隔離后進(jìn)行化冰操作，向冷凝器中通入蒸汽融化冷凝管表面冰層，融化的液體流至回收罐。將化冰結(jié)束的乙二醇型冷凝器預(yù)冷至工藝溫度，預(yù)抽真空后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)備用。2臺(tái)乙二醇型冷凝器如此循環(huán)使用，配合羅茨真空泵機(jī)組使真空系統(tǒng)正常運(yùn)行。

乙二醇水溶液做為冷媒在系統(tǒng)中閉路循環(huán)，具體如下：冷媒泵輸送乙二醇水溶液，由冷媒罐經(jīng)冷凍機(jī)制冷后至乙二醇型冷凝器。乙二醇水溶液進(jìn)入冷凝器中吸收可凝性氣體凝華成“干冰”的熱量升溫后，再次返回冷媒罐，等待進(jìn)入冷凍機(jī)制冷。

3 冷凍水真空系統(tǒng)和乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)性能對(duì)比

3.1 真空度

采用冷凍水真空系統(tǒng)，脫臭系統(tǒng)中脫臭塔頂部的真空度保持在200 Pa左右。系統(tǒng)真空度穩(wěn)定，但真空泵所用動(dòng)力蒸汽壓力對(duì)系統(tǒng)真空度及蒸汽消耗量有一定的影響，生產(chǎn)中需保證動(dòng)力蒸汽壓力穩(wěn)定。

采用乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)，脫臭系統(tǒng)中脫臭塔頂部的真空度保持在100 Pa左右，當(dāng)冷凝器內(nèi)冷凝管表面冷凝的冰足夠多導(dǎo)致真空度上升至200 Pa 左右時(shí)，切換備用冷凝器。羅茨真空泵機(jī)組可保證系統(tǒng)真空度的穩(wěn)定，避免蒸汽壓力對(duì)真空度的影響，但需定期更換機(jī)封，維護(hù)成本高于蒸汽噴射泵。

3.2 排污量

廢水：采用冷凍水真空系統(tǒng)，汽提蒸汽和動(dòng)力蒸汽冷凝所產(chǎn)生的廢水從熱井中溢流出，廢水中的污染物主要是微量脂肪酸和動(dòng)植物油。采用乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)，化冰階段產(chǎn)生少量含脂肪酸的廢水；該廢水量較少，可用回收罐進(jìn)行暫存、處理，脂肪酸回收，污水排放至皂腳罐，無(wú)廢水處理費(fèi)用。

廢氣：采用冷凍水真空系統(tǒng)，脫臭系統(tǒng)氣體(含臭味物質(zhì))隨真空系統(tǒng)蒸汽冷凝進(jìn)入閉路循環(huán)水系統(tǒng)，僅少量臭味氣體由真空系統(tǒng)排放。采用乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)，來(lái)自脂肪酸捕集器的混合氣體在乙二醇型冷凝器冷凝管表面直接凝華成“干冰”，經(jīng)過(guò)冷凝器后只剩下空氣為主的不凝性氣體，通過(guò)羅茨泵機(jī)組抽出并排空，整個(gè)系統(tǒng)無(wú)廢氣排放。

噪聲：采用冷凍水真空系統(tǒng)，噪聲源主要是蒸汽噴射器等，噪聲最強(qiáng)處約85 dB(A)。采用乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)，噪聲源主要是羅茨泵、冷凍機(jī)等，噪聲最強(qiáng)處約60 dB(A)，改善了操作人員的工作環(huán)境。

3.3 安裝要求

冷凍水真空系統(tǒng)所用的二級(jí)蒸汽噴射泵為高架泵，安裝高度需達(dá)到蒸汽噴射泵要求，其配套的水環(huán)泵安裝在二級(jí)蒸汽噴射泵附近即可。

乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)所用的羅茨真空泵機(jī)組為非高架泵，可以根據(jù)廠房情況定位，降低車間高度；且噪聲低于蒸汽噴射泵，無(wú)廢水、廢氣排放，在工作環(huán)境、環(huán)保等方面優(yōu)勢(shì)較大。

4 冷凍水真空系統(tǒng)和乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析

目前，為了降低加工成本，用以電代汽的冷凍水真空系統(tǒng)和乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)替代原有四級(jí)蒸汽噴射真空泵?，F(xiàn)結(jié)合實(shí)際使用情況，將不同規(guī)模脫臭生產(chǎn)線所配的冷凍水真空系統(tǒng)和乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析。具體見(jiàn)表1～表3。

表1 100 t/d精煉脫臭真空系統(tǒng)成本對(duì)比

注：蒸汽價(jià)格按200元/t計(jì)，電費(fèi)按工業(yè)用電0．7元/(kW·h)計(jì)，水費(fèi)按工業(yè)用水4元/t計(jì)，污水處理費(fèi)用按3元/t計(jì)，年生產(chǎn)天數(shù)以300d計(jì)。下同。100t/d精煉脫臭冷凍水真空系統(tǒng)與乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)的前期投資額分別為85萬(wàn)元和140萬(wàn)元。

表2 200 t/d精煉脫臭真空系統(tǒng)成本對(duì)比

注：200 t/d精煉脫臭冷凍水真空系統(tǒng)與乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)的前期投資額分別為110萬(wàn)元和180萬(wàn)元。

表3 400 t/d精煉脫臭真空系統(tǒng)成本對(duì)比

注：400 t/d精煉脫臭冷凍水真空系統(tǒng)與乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)的前期投資額分別為160萬(wàn)元和265萬(wàn)元。

從表1～表3中可以看出，100 t/d精煉脫臭生產(chǎn)線使用冷凍水真空系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益較好；200 t/d精煉脫臭生產(chǎn)線若開(kāi)工率較高使用乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益較好，若開(kāi)工率較低使用冷凍水真空系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益較好；400 t/d精煉脫臭生產(chǎn)線使用乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益較好。

5 結(jié)束語(yǔ)

冷凍水真空系統(tǒng)和乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)在實(shí)踐應(yīng)用中均能保證脫臭真空度的穩(wěn)定。這兩種真空系統(tǒng)與傳統(tǒng)四級(jí)蒸汽噴射真空泵相比，均具有蒸汽消耗低、冷卻水循環(huán)量低、廢水廢氣排放量少的優(yōu)點(diǎn)。冷凍水真空系統(tǒng)更適用于中、小規(guī)模油脂精煉脫臭真空系統(tǒng)，乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)更適用于大、中規(guī)模油脂精煉脫臭真空系統(tǒng)。在能源價(jià)格不斷上漲及社會(huì)對(duì)環(huán)保要求越來(lái)越高的情況下，冷凍水真空系統(tǒng)和乙二醇型“干冰”冷凝真空系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

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