煮糖獨立冷凝水循環(huán)系統(tǒng)在甜菜糖廠的應用

蔡吉祥，左河川，趙海燕*

(1.廣西科技師范學院,廣西 來賓 546199；2.新疆綠翔糖業(yè)有限責任公司,新疆 額敏 834601)

0 前言

循環(huán)水系統(tǒng)是工藝生產(chǎn)的生命線，遍布工業(yè)生產(chǎn)的諸多行業(yè)。糖廠也不例外，甜菜糖廠生產(chǎn)用水達3.5 m3(對甜菜)，即為甜菜的3.5倍?？梢娞菑S的用水相當多，為促進資源節(jié)約建設，推動循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展，搞好糖廠生產(chǎn)用水的循環(huán)使用和各種水的回收利用很有必要。甜菜糖廠用水最多的設備之一為蒸發(fā)和煮糖工段用于抽真空的噴射冷凝器。真空系統(tǒng)的情況不但直接影響糖膏在罐內(nèi)對流、結晶速度、煮糖時間，糖的質量等[1]而且可以提高傳熱的有效溫度差，并降低罐內(nèi)罐溫，減少蒸汽消耗量，從而節(jié)約能源，它對于制糖工藝煮糖工段至關重要。雖然可以通過采用有足夠生產(chǎn)能力和效率高的真空泵來抽出不凝氣體[2]保證煮糖真空度，但是真空泵在設計好后不方便隨意增加，因此，在原有的生產(chǎn)線基礎上改善煮糖用水采用降低進入冷凝器內(nèi)冷水的溫度或增加進入冷凝器的冷水量，使水蒸汽迅速變成冷凝水的辦法變得更加重要。而針對水質硬度較高的水循環(huán)系統(tǒng)，急需解決循環(huán)冷卻效果不佳，冷卻水水溫不斷升高，從而煮糖真空度降低的問題。

1.甜菜糖廠冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

目前甜菜糖廠冷卻水循環(huán)系統(tǒng)一般采用冷卻塔強制冷卻，并且其循環(huán)冷卻水與制糖甜菜浸出用水混在一起，其流程如圖1所示：

圖1 甜菜糖廠冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

在該系統(tǒng)內(nèi)新鮮冷水直接補充進入循環(huán)水池進行冷卻循環(huán)，浸出用水采用從冷凝器冷卻過后的冷凝水。如果水質硬度不高，那么在該系統(tǒng)正常運行也能保證煮糖生產(chǎn)正常，但由于本地水質硬度較高(見表1)，較容易結垢，在運行一段時間后在冷卻循環(huán)管道內(nèi)及冷卻塔內(nèi)噴頭上就形成較厚的水垢，這樣不但影響循環(huán)水量還影響循環(huán)冷卻效果，造成冷卻水水溫不斷升高，并最終影響煮糖效果。該循環(huán)系統(tǒng)在這種水質條件下運行一個月后冷卻塔的效率幾乎下降一半，在運行兩個月后冷卻塔幾乎沒有任何效率(所有噴頭幾乎堵死)，因此需要停機清理再恢復生產(chǎn)。

表1 水質主要參數(shù)

2 煮糖獨立冷凝水循環(huán)系統(tǒng)設計思路

2.1 改造后獨立冷凝水循環(huán)系統(tǒng)流程

為了解決目前甜菜糖廠冷卻水循環(huán)系統(tǒng)存在的上述問題，現(xiàn)將冷凝水與浸出用水分開，實現(xiàn)煮糖冷凝水獨立循環(huán)冷卻，這樣該冷卻系統(tǒng)就不需要加入硬度較高的冷水。具體流程如下圖2所示：

圖2 煮糖獨立冷凝水循環(huán)系統(tǒng)

2.2 獨立冷凝水循環(huán)系統(tǒng)物料量衡算

每加工100 t甜菜所消耗及中間所產(chǎn)生的物料量如下(對甜菜%)[3]：

浸出器用水量W1=110%(溫度45℃)； 蒸發(fā)、加熱器及連浸產(chǎn)生凝結水量W2=139.34%；濾泥洗水(凝結水)量W3=15.388%；煮糖打水(凝結水)用量W4=6.35%；助晶稀釋用水(凝結水)量W5=0.21%；分離機洗水(凝結水)量W6=2.71%；干包糖塊再融用水(凝結水)量W7=2%、回鍋爐凝結水量W8=66.16%、其它熱水用量W9=2%，一膏蒸發(fā)水量A1=15.52%(水蒸汽)、二膏蒸發(fā)水量A2=2.87%(水蒸汽)、三膏蒸發(fā)水量A3=3.56%(水蒸汽)，蒸發(fā)罐的凝結汁汽量A0=0。若取各結晶罐真空度為600 mmHg，則一砂、二砂、三砂各罐汁汽的潛熱為R1=R2=R3=564.3 kcar/kg,循環(huán)泵的循環(huán)能力為412.1%。

2.3 冷卻塔的能力計算

冷凝器循環(huán)水量W循按下式計算 [3]:

W循=AR/t1-t2

式中：A為一砂、二砂、三砂結晶罐及末效蒸發(fā)罐汁氣總量(對甜菜%)；R為一砂、二砂、三砂結晶罐及末效蒸發(fā)罐平均汁氣潛熱(kcar/kg)；t1、t2為冷凝器出入口水溫。

假設進入冷凝器的水溫t1=25℃，則出冷凝器的水溫：

t2=(AR/W循)+t1

=(A1×R1+A2×R2+A3×R3+A4×R4)/W循+t1

=(564.3×15.52+564.3×2.87+564.3×3.56)/412.1 +25 =54(℃)

由此可知此循環(huán)系統(tǒng)滿足生產(chǎn)要求，順利實現(xiàn)設計目的，只需保證冷卻塔的能力能將54℃的水溫降至25℃，公司原冷卻塔能力能將冷凝水一次冷卻至32℃左右，在此基礎上需再增加一級冷卻塔，該冷卻塔的冷卻能力只需要≥10℃該項目就可以實現(xiàn)(一般國內(nèi)冷卻塔都可以達到)。

2.4 冷卻塔循環(huán)系統(tǒng)水量計算

該系統(tǒng)內(nèi)主要補水為結晶罐蒸發(fā)的水量，主要失水為冷卻塔冷卻過程中蒸發(fā)失水及冷卻塔的漂水(本項目設備漂水率0.02‰，因此幾乎忽略不計)，其中蒸發(fā)水量所帶走的熱量應該等于循環(huán)水由54℃降至25℃所減少的熱量。假設在第一級冷卻系統(tǒng)就將這些熱量帶走則應為54℃的熱水變成54℃的水蒸氣所吸收的潛熱(由于二級水溫低，蒸發(fā)時帶走相同熱量所需蒸發(fā)的水量更少)，查資料可得該潛熱△Q=2 372.2 kJ/kg。

W補=A1+A2+A3

=15.52%+2.87%+3.56%

=21.95%

W失×△Q=C×m×△T

W失=(C×m×△T)/△Q

=(4.2×412.1%×29)/2372.2

=21.16%

從上可以看出W補>W失因此該系統(tǒng)內(nèi)不用再補充新的軟化水即可達到水平衡。

2.5 車間用水衡算

經(jīng)過改造后車間用水情況主要是浸出用水的平衡被打破了，因此只要保證浸出用水水量及水溫，則該循環(huán)系統(tǒng)即可滿足要求。除去正常生產(chǎn)用熱水，還能用于浸出用水的熱水量：

W余=W2-W3-W4-W5-W6-W7-W8-W9

=139.34-15.388-6.35-0.21-2.71-2-66.16-2

=44.522%

因此需在浸出用水箱內(nèi)加入的水溫10℃的冷水量為：

W冷=W1-W余

=110%-44.522%=65.478%

則混合后的浸出用水水溫

t=(44.522%×100℃+65.478%×10℃)/110%=46.4℃

符合浸出用水水溫(42℃的工藝要求)

3 運行情況數(shù)據(jù)采集及結果分析

項目在完成后，在生產(chǎn)過程中主要對混合水箱、冷卻塔一級水池、冷卻塔二級水池的水池的水溫進行了跟蹤記錄，如表2所示：

表2 2015年10月-2015年11月系統(tǒng)運行水溫跟蹤記錄表

前期對浸出用水箱水溫進行測量時發(fā)現(xiàn)水溫在一直在60℃左右(偏高)，而此時混合水箱的水溫在50℃以下(偏低)，因此從2015.11.08開始又將部分凝結水引入至混合水箱，從混合水箱及水池的水溫也可以發(fā)現(xiàn)從2015.11.08開始水溫都相應有些增加，但不影響循環(huán)系統(tǒng)的使用，因此此循環(huán)系統(tǒng)改造是對原設計的優(yōu)化。

4 改造后節(jié)能效益分析

項目改造投資中，增加設備費35.1萬元，設備改造費10.2萬元，管線5.3萬元，總投入資金50.5萬元。

對該系統(tǒng)進行改造后，首先在節(jié)約用水上由原噸菜耗水4.19 m3降至2.43 m3，該生產(chǎn)榨期加工甜菜28.5萬噸，直接節(jié)約水資源50.2萬立方；其次，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)維修率為零，節(jié)省生產(chǎn)期停機給企業(yè)造成的一次性損失約80萬元左右，為企業(yè)創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟效益。

5 結論

通過生產(chǎn)期幾個月的使用可以發(fā)現(xiàn)整個系統(tǒng)運行良好，各水箱及水池的水溫都幾乎在設計范圍之內(nèi)，煮糖真空也保持良好。新鮮水的使用也較以往得到更好控制，整個生產(chǎn)運行下來較去年節(jié)約用水43%，且整個生產(chǎn)期沒有因該問題再次造成生產(chǎn)停機，為企業(yè)創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟效益。該系統(tǒng)的成功運行為甜菜制糖結晶冷卻循環(huán)方案提供了一個新的思路，也為高堿度水源地區(qū)的糖廠提供了一個新的參考方案。