在現(xiàn)有條件下白糖冷卻問題的探討

王績平，姚 智，莫慶財，覃華慶，陸宏旺

（廣西來賓東糖鳳凰有限公司，廣西 來賓 546102）

0 引言

白糖、精糖和原糖的干燥和冷卻是一個很重要的工序，對產(chǎn)品的保存以及在貯存時是否會發(fā)生結(jié)塊和變質(zhì)都有關(guān)鍵性的影響。各種糖產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，國家都明確規(guī)定它的水分含量的最高限度。但對于需要貯存的企業(yè)來說糖的溫度、水分含量有更高的標(biāo)準(zhǔn)。長期的實踐經(jīng)驗和大量的研究結(jié)果都說明，如果裝包時糖的溫度、水分含量高，在存放時就容易結(jié)塊、變色、回潮及變質(zhì)。為使白糖在存放時變化小，裝包時的溫度應(yīng)低于40℃，如果用散裝存放，進倉溫度應(yīng)低于30℃，水分低于0.04%。溫度越高，白糖變色越快，不論是亞硫酸法或碳酸法工藝制糖的結(jié)塊越嚴(yán)重［1］。

然而，國內(nèi)不少甘蔗糖廠的干燥冷卻設(shè)備的效果不好，雖然糖的水分可以達到指標(biāo)要求，但通常是在分蜜機中使用高溫高壓的蒸汽將白糖干燥，而其后的設(shè)備的冷卻效能較低，以至白糖裝包時的溫度普遍偏高，不少廠在45℃以上，個別廠甚至超過50℃。目前有較大部分糖廠因受場地或資金投入等方面影響，采取加強通風(fēng)比較簡易的傳統(tǒng)方法進行冷卻，但因冷卻風(fēng)量不夠、冷卻風(fēng)走短路、進出風(fēng)設(shè)計不合理等因素，冷卻效果不理想，至今仍有不少糖廠的產(chǎn)品在存放時發(fā)生結(jié)塊、變色等問題，直接影響了糖廠的聲譽和經(jīng)濟效益。

本文主要針對糖廠振篩間、裝包間在現(xiàn)有簡易條件下白糖干燥冷卻時常遇到的幾個問題進行較粗淺的探討。

1 糖廠白糖冷卻現(xiàn)況

從分蜜機卸下白糖的水分，因設(shè)備與操作條件不同而有較大的變化。如果分蜜時用低壓蒸汽洗糖，不管是廢汽或蒸發(fā)罐汁汽，卸糖水分含量為0.5%～0.8%；使用過熱蒸汽，卸糖水分含量可降至0.1%～0.2%或以下。目前國內(nèi)甘蔗糖廠多數(shù)在分蜜時打過熱蒸汽，汽壓0.4～0.6MPa，卸糖水分含量較低，但卸糖溫度相當(dāng)高，一般在80～90℃以上，甚至接近 100℃。

高溫的糖在與低溫的空氣流接觸時，糖的熱量向空氣轉(zhuǎn)移，糖的水分也同時部分蒸發(fā)，被空氣帶走，此過程白糖干燥與冷卻同時進行。水分的汽化吸收了糖的熱量，加速糖的降溫。當(dāng)砂糖與空氣充分接觸且空氣的流速較大時，這種傳熱與傳質(zhì)的作用進行得比較快。

如果糖的溫度下降所放出的熱量全部用于水分蒸發(fā)，可以排出相當(dāng)多的水分。例如，當(dāng)濕糖的溫度為80℃，降溫到40℃，糖的比熱為1.26kJ/kg，每千克糖放出的熱量為：1.26 ×（80－40）= 50.4kJ/kg。

每蒸發(fā) 1kg水分所需吸收的潛熱為2257kJ/kg，故上述熱量可蒸發(fā)的水分為：50.4/2257=0.022kg/kg。

即可以蒸發(fā)超過1%的水分，這個計算忽略了糖的比熱微小變化和水分汽化時的顯熱變化，但它們對計算結(jié)果影響很小。如果實際過程能夠接近上述計算，那是很理想的，只要向濕糖吹常溫的空氣就可以將糖的水分和溫度同時降低到較低的數(shù)值。

然而在自然冷卻過程中，由于白糖中水分的蒸發(fā)相當(dāng)緩慢，濕糖降溫實際排出的水分要比上述計算值少得多。因此，一般只有在濕糖水分相當(dāng)?shù)偷那闆r下，才可以只吹冷風(fēng)就達到干燥的要求。分蜜機使用高溫蒸汽，白糖的水分容易降低，工廠易實行，故國內(nèi)很多糖廠用這種方法，但分蜜機卸糖溫度高，后面的冷卻設(shè)備要排出大量的熱能，在冷卻效能不足的情況下，白糖的最終溫度較高，貯存時易結(jié)塊與變色。

2 工藝探討

國內(nèi)的甘蔗糖廠分蜜機卸下的白糖經(jīng)過振動輸送機和振動干燥機，還有相當(dāng)長的輸送機，經(jīng)過很長的路程，但糖溫度降低不多。主要原因是沒有足夠的空氣將糖的熱量和水分帶走，于是不少糖廠通過加裝鼓風(fēng)機以增加冷卻風(fēng)量和空氣對流速度實現(xiàn)白糖冷卻，但在增加冷卻空氣過程中往往因為缺乏一些必要的計算或鼓風(fēng)設(shè)計不合理等原因，白糖實際冷卻溫度未能達到預(yù)期效果。在增加冷卻風(fēng)量過程需要考慮以下幾個問題。

2.1 新增風(fēng)量的考慮

當(dāng)1kg白砂糖溫度為80℃，水分為1.0%，干燥到40℃，水分0.04%以下時，設(shè)水汽化吸收的熱量為q吸，干燥到40℃時白砂糖放出的熱量為q放，空氣吸收的熱量為q，則q吸=（1.0%-0.04%）×2257=21.67kJ/kg，由于干燥后糖的水分很低，這式子作忽略計算；q放=（80-40）×1.26=50.4kJ/kg。這里濕白糖的水分含量很低，且水的比熱比白糖低，計算時可忽略。q=q放-q吸=50.4-21.67=28.73kJ/kg，從這式子可以看出在干燥過程中，水分蒸發(fā)可帯走大部分的熱量；由焓濕表可以得出含濕量D1=8.1g/m3，空氣溫度由20℃升高到27℃時相對濕度由60%降低到39.4%［2］，只有在較好通風(fēng)條件白砂糖表面在水蒸氣分壓作用下水分很快蒸發(fā)。

當(dāng)通入的潔凈新風(fēng)溫度為20℃時，相對濕度為60%，如排風(fēng)溫度為27℃，相對濕度上限為60%時，需要的新風(fēng)量為L。經(jīng)焓濕表查得，相對濕度為60%時H20℃=42.7kJ/kg，含濕量D1=8.1g/m3；H27℃=62.2kJ/kg，含濕量D2=13.7g/m3；以q排代表系統(tǒng)排風(fēng)帶走的熱量，L代表新風(fēng)量，空氣的密度為1.2kg/m3，理想狀態(tài)下q排=q放，則q排= q放=1.2L（H27℃-H20℃）=50.4kJ/kg，L=50.4×［（62.2-42.7）×1.2］=2.2m3，當(dāng)排風(fēng)溫度為27℃，濕度上限為60%時，需要相對濕度為60%的新風(fēng)量為L濕=（1.0-0.04）×10÷（D2-D1）÷1.2=9.6÷（13.7-8.1）÷1.2=1.43m3，L ＞L濕。

因此，在設(shè)計時要考慮白砂糖降溫所需的風(fēng)量和相對濕度。糖廠的振篩間距包裝間一般都有一段比較長的輸送距離，依據(jù)潔凈室要求，在整個干燥輸送過程應(yīng)把它與其他生產(chǎn)區(qū)間獨立，建設(shè)潔凈區(qū)間，這樣會形成一條長廊。如果建設(shè)潔凈區(qū)間按潔凈度萬級設(shè)計，換風(fēng)次數(shù)為20～25次。因此，適合采用單向流潔凈室的原理，只需把進風(fēng)口設(shè)在長廊的白砂糖出口端，把排風(fēng)口設(shè)在分蜜機底部，就能很好的把潔凈區(qū)形成一個密封的干燥設(shè)備。糖廠在設(shè)計建設(shè)振篩干燥輸送系統(tǒng)時已經(jīng)考慮滿足熱交換，現(xiàn)需要考慮的是通入的新風(fēng)量要足夠帶走熱量。

如一家生產(chǎn)規(guī)模為60t/h砂糖的工廠，高度平均3.5m，建筑面積為720m2，空間體積3000m3。榨季最高氣溫28℃，濕度80%左右。建筑空間每小時需送風(fēng)量L=2.2×60×1000=132000m3，則換氣次數(shù)為N=132000÷3000=44次/h。滿足空氣潔凈度1萬級設(shè)計要求。

2.2 鼓抽風(fēng)方式的選取

白糖冷卻主要是通過對流傳熱的方式實現(xiàn)，其推動力是高溫白糖與空氣的溫度差，所以冷卻源主要是空氣。目前大部分糖廠通過鼓風(fēng)機經(jīng)過凈化處理得到相對潔凈的低溫空氣送入振篩間或裝包間，與高溫白糖實現(xiàn)熱交換后經(jīng)抽風(fēng)機把高溫的空氣抽出，實現(xiàn)空氣對流傳熱?？諝庠诳臻g內(nèi)實現(xiàn)對流傳熱主要以兩種形式存在，首先是外力，即鼓風(fēng)機所致的質(zhì)點強制運動，屬強制對流；其次是空氣中各處的溫度不同而引起密度的差別，使輕者上浮、重者下沉，空氣質(zhì)點產(chǎn)生相對位移，屬自然對流。根據(jù)化工原理，對流傳熱和逆流傳熱優(yōu)于并流傳熱［3］。

綜上所述，糖廠在增加鼓抽風(fēng)機時風(fēng)的流向采用與白糖走向相反的原理，即逆流實現(xiàn)傳熱，只需把進風(fēng)口設(shè)在長廊的白砂糖出口端，把排風(fēng)口設(shè)在分蜜機底部，冷風(fēng)在低位進，熱風(fēng)從高位抽出。

有些糖廠在鼓抽風(fēng)流向布局上考慮到安裝方便或美觀等因素，采取并流的冷卻方式就會增加冷卻介質(zhì)的量，降低了冷卻效果；或者采用高位進風(fēng)高位抽風(fēng)的方式，冷卻風(fēng)就不可避免出現(xiàn)走“短路”的現(xiàn)象，白糖冷卻效果不佳。

2.3 空氣流動的速度

目前糖廠較普遍使用流化床來干燥冷卻白砂糖。圖1是流化床簡單示意圖，其工作原理是空氣以較高速度向上流動，將所處理的固體顆?；蚓w向上漂浮起來，在氣流中滾動翻騰，具有與流體同樣的流動性，類似沸騰狀態(tài)，故流化床亦稱為沸騰床。應(yīng)用溫度高的空氣可將固體物料干燥，而用溫度低的空氣則使物料冷卻，同時蒸發(fā)少量水分。流化床之所以在較小的空間實現(xiàn)白糖干燥或降溫，主要有兩個關(guān)鍵因素，首先是加熱或冷卻空氣流動速度較高；其次是所處理的固體顆?；蚓w向上漂浮，在氣流中滾動翻騰增加換熱接觸面積，即增加了換熱面積［4］。

圖1 流化床工作原理示意圖

根據(jù)熱力學(xué)影響對流換熱因素，流體流速增加，促使流動邊界層變薄，并使流體內(nèi)部相對運動加劇，從而使對流換熱系數(shù)加大。所以在振篩間適當(dāng)增加空氣對流速度可有效降低白糖溫度。

在糖廠白糖冷卻采用增加鼓抽風(fēng)設(shè)備使空氣強制對流，逆流傳熱。在振篩間如果是高度密閉的情況下空氣對流速度是有保證的，但是實際上糖廠振篩間不可能達到密閉狀態(tài)，因空間大、不規(guī)則、空氣流動行程長、密閉性差等因素，在鼓抽風(fēng)行程中間段極易產(chǎn)生“死角”，榨季生產(chǎn)期間工作人員進入振篩間經(jīng)常會感覺某個區(qū)域很悶熱或空氣不流動，基本都與此有關(guān)。針對此現(xiàn)象，可以在此區(qū)域增加輔助風(fēng)機以確?？諝獾牧鲃有?，確保有一定的風(fēng)速。

糖廠振篩間實際是一個不能完全密閉、不規(guī)則、很大的空間，通過風(fēng)機鼓入冷空氣進入大的空間后，往往空氣的流動速度很低，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)“滯流”，如何有效利用現(xiàn)有進風(fēng)量提高流速以降低白糖入袋包裝溫度，這也是大部分糖廠一直考慮的問題。

在沒有較大資金投入的情況下，在振篩槽上制作簡易的近似密閉的風(fēng)罩基本覆蓋整個槽身，具體尺寸可以根據(jù)單列振篩具體尺寸而定，簡單流程為冷卻介質(zhì)空氣→振篩頭部即槽底與隔板中間空隙→風(fēng)罩即冷卻風(fēng)與白糖直接接觸區(qū)域→風(fēng)罩尾部頂面→抽風(fēng)機抽出熱風(fēng)。其工作原理是把鼓入的冷風(fēng)在相對狹小的、近似密閉空間內(nèi)進行熱交換，該區(qū)域風(fēng)速是有保證的，可有效利用冷風(fēng)。

白糖經(jīng)分蜜機卸糖后落入振篩，往往會經(jīng)過多列的振篩干燥、冷卻再進入輸送皮帶，不能隨意安裝冷卻風(fēng)罩，必須經(jīng)過論證，因為根據(jù)化工原理：固體物質(zhì)在空氣中干燥，是由于它所含的水分汽化成水蒸汽散逸到空氣中，其根本原因是固體表面的水蒸汽分壓高于周圍空氣中的水蒸汽分壓。干燥過程的推動力，就是兩者的蒸汽分壓的差額。如果情況相反，即空氣中的水蒸汽分壓高于固體表面的水蒸汽分壓，空氣中的水蒸汽就會凝結(jié)在固體表面上，使后者水分增加，即發(fā)生增濕作用或吸潮［5］。白糖經(jīng)分蜜機卸糖后落入振篩，初始溫度80℃以上，此時水分汽化成為水蒸汽散逸到空氣是最劇烈的，如果此時再增加冷卻風(fēng)汽化就會更加劇烈，較大部分水蒸汽因糖層較厚不能及時散逸出去就會凝結(jié)在固體表面上。實際生產(chǎn)中我們經(jīng)常會看到在第一、第二列振篩糖層表面有結(jié)塊現(xiàn)象，所以最好不要在第一、第二列振篩增加風(fēng)罩，即使增加進風(fēng)溫度也不要過低，不得低于20℃，同時要確保進、出風(fēng)良好，讓產(chǎn)生的水蒸汽盡可能的散逸出去。

2.4 固體物質(zhì)與空氣的接觸面積

根據(jù)流化床的簡單工作原理可知，所處理的固體顆?；蚓w向上漂浮，在氣流中滾動翻騰增加換熱接觸面積，即增加了換熱面積，所以增加固體顆粒與冷卻空氣的接觸面積對白糖冷卻是非常有利的。如何增加白糖固體顆粒與冷卻空氣的接觸面積需從以下幾個方面考慮。第一，白糖顆粒越大、均勻，顆粒間的空隙就越大，與冷卻風(fēng)接觸面積就越大；第二，糖層厚度越薄，顆粒在振動篩跳躍前進，易分散，與冷卻風(fēng)接觸面積就越大；第三，振篩槽身越深，階梯式分層段越多或因高位差落糖口多，固體顆粒與冷卻風(fēng)接觸面積就越大。

因此，通過以下幾個措施來增加白糖與冷卻空氣的冷卻面積，一是控制白糖的顆粒度，工藝條件允許顆粒越大越均勻越好；二是均勻篩糖，控制糖層厚度；三是在單列振篩增加“階梯式”落糖口，同時在落糖口加強風(fēng)量；四是如果條件允許在振篩面上增加“倒鱗”片，使白糖顆粒經(jīng)過“倒鱗”片時更加分散。

3 小結(jié)

砂糖干燥和冷卻的首要技術(shù)問題是工藝性的，設(shè)備的設(shè)計和使用都要以工藝為前提。在化工原理和干燥方面的書籍中也首先討論工藝方面的問題。如果只注重設(shè)備方面，工藝問題處理不好，較難取得良好結(jié)果，尤其大部分糖廠在不增加較大資金投入情況下，對現(xiàn)有的設(shè)備、管道等從工藝上再進行優(yōu)化，還是有潛力可挖的。