甘蔗糖廠脫雜輸送系統(tǒng)的應(yīng)用研究

周軍宏，李 璐，劉曉楠，吳 峰

(中工國(guó)際工程股份有限公司，北京 100080)

0 前言

甘蔗雜質(zhì)的主要成分是蔗葉、蔗稍等生物質(zhì)雜質(zhì)和泥沙等非生物質(zhì)雜質(zhì)。我國(guó)甘蔗的傳統(tǒng)收割方式為人工收割，隨著勞動(dòng)力價(jià)格上漲人工收割逐漸被機(jī)械收割替代。人工收割時(shí)會(huì)砍去蔗葉和蔗稍，甘蔗含雜質(zhì)較低，甘蔗總雜質(zhì)量一般在5%以下，其中泥沙含量在1%以下。機(jī)械收割時(shí)收割機(jī)將甘蔗切斷為30cm左右的短棒連同地面泥沙和蔗葉一起進(jìn)入收割機(jī)，靠自身風(fēng)扇吹掃部分輕雜質(zhì)，但剩余雜質(zhì)量仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工收割。機(jī)收甘蔗雜質(zhì)含量受各地甘蔗莖葉比和收割時(shí)候天氣影響而不同，大致占總重的10%～30%之間，其中泥沙含量可能達(dá)到5%以上。

蔗葉、蔗稍等生物質(zhì)雜質(zhì)增加了前處理工段的功率消耗，帶走更多糖分，增加了產(chǎn)品色值。非生物質(zhì)雜質(zhì)中的泥沙增加了撕解機(jī)、壓榨機(jī)、泵等設(shè)備磨損，增加閥門、管道系統(tǒng)的堵塞幾率，進(jìn)入鍋爐會(huì)破壞鍋爐穩(wěn)定燃燒，甚至需要改變爐型才能維持生產(chǎn)。

去除甘蔗雜質(zhì)只能在甘蔗進(jìn)入撕解機(jī)前進(jìn)行，因此通過將甘蔗脫雜系統(tǒng)與甘蔗輸送系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，形成一套具有良好脫雜性能的輸送系統(tǒng)對(duì)糖廠生產(chǎn)有巨大的實(shí)際意義。

1 蔗脫雜輸送的解決方案

甘蔗脫雜輸送系統(tǒng)根據(jù)位置可以分為喂蔗臺(tái)段方案和主輸送機(jī)段方案，見圖1。

圖1 糖廠甘蔗輸送系統(tǒng)圖

1.1 喂蔗臺(tái)(卸蔗輸送平臺(tái))解決方案

1.1.1 風(fēng)選脫雜系統(tǒng)

在進(jìn)入喂蔗臺(tái)前的雜質(zhì)堆場(chǎng)進(jìn)行。卸下的甘蔗通過皮帶拋起，風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)與甘蔗運(yùn)動(dòng)方向垂直，將蔗葉等雜質(zhì)吹向雜質(zhì)堆場(chǎng)方向，再通過拖拉機(jī)等機(jī)具收集還田。雜質(zhì)堆場(chǎng)占地約1 000～2 000 m2，工作環(huán)境較差。脫雜效果與風(fēng)機(jī)功率和物料傳送料層厚度有關(guān)。如圖2所示古巴糖廠的風(fēng)選脫雜系統(tǒng)。

圖2 古巴糖廠風(fēng)選脫雜

1.1.2 干式固定篩選脫雜系統(tǒng)

在喂蔗臺(tái)底部設(shè)計(jì)有篩板如(如圖3、4)，篩除的沙土和部分蔗葉通過皮帶系統(tǒng)收集和運(yùn)輸，通過料倉(cāng)集中卸到卡車運(yùn)出廠外。脫雜效率與總篩板面積、物料運(yùn)行速度和料層厚度3個(gè)因素有關(guān)。以篩板面積100平米左右，料層厚度50 cm，運(yùn)行速度1 m/s左右，脫雜效率為去脫雜質(zhì)總量的10%-20%左右，隨著運(yùn)行篩網(wǎng)逐步阻塞后效果下降，需要人工停機(jī)清理。

圖3 蔗臺(tái)篩網(wǎng)

圖4 帶篩網(wǎng)的喂蔗臺(tái)

1.1.3 濕式水沖洗脫雜系統(tǒng)

水沖洗脫雜系統(tǒng)通過在輸送系統(tǒng)喂蔗臺(tái)上設(shè)立噴淋系統(tǒng)，其下設(shè)沉砂池，可去除泥沙的50%左右，對(duì)蔗葉雜質(zhì)沒有去除能力。適用于甘蔗收獲季節(jié)可能下雨、甘蔗泥沙含量大的糖廠。水量較大(可達(dá)幾百噸一小時(shí))。由于沖洗水含糖，引起糖分損失，同時(shí)因在國(guó)內(nèi)排放受限制，應(yīng)用有困難。此方法廣泛用于非洲和拉美部分環(huán)保排放要求較低的國(guó)家。

1.1.4 風(fēng)篩結(jié)合式脫雜系統(tǒng)

區(qū)別于傳統(tǒng)的喂蔗臺(tái)脫雜裝置，該系統(tǒng)包括甘蔗上升段及甘蔗下降段。上升段采用重力篩選的方式除去泥沙等雜質(zhì)，下降段在篩選基礎(chǔ)上增加風(fēng)選的方式除去蔗葉蔗稍等雜質(zhì)。

該系統(tǒng)包括喂蔗臺(tái)主體，風(fēng)管，離心風(fēng)機(jī)，砂石輸送機(jī)，蔗葉輸送機(jī)(圖5)。采用機(jī)械收割的方式的甘蔗都成20～30 cm段狀，甘蔗桿與蔗葉混雜通過卸蔗吊車倒入到喂蔗臺(tái)。喂蔗臺(tái)上升段和下降段裝置底板均布槽型篩孔，孔寬1-2 cm，甘蔗的莖比篩孔的寬度大。在喂蔗臺(tái)上升段，驅(qū)動(dòng)鏈條的耙齒推動(dòng)機(jī)收甘蔗向上運(yùn)動(dòng)。隨著喂蔗臺(tái)鏈條帶動(dòng)甘蔗向上運(yùn)輸，甘蔗層逐漸拉薄，甘蔗中夾雜的沙土可通過篩孔掉落到底板下布置的沙土輸送機(jī)上。從而實(shí)現(xiàn)了脫沙的作用。

圖5 甘蔗水洗系統(tǒng)

在喂蔗臺(tái)下降段，甘蔗和蔗葉靠自重向下滑落，到喂蔗臺(tái)底部時(shí)速度達(dá)到最大并拋空。喂蔗臺(tái)本體下部設(shè)有風(fēng)管，連接高壓離心風(fēng)機(jī)。風(fēng)向與甘蔗運(yùn)動(dòng)方向相反。喂蔗臺(tái)下降段脫沙裝置底板下設(shè)有延長(zhǎng)裝置，可調(diào)整喂蔗臺(tái)與主甘蔗輸送機(jī)之間的寬度。同時(shí)風(fēng)管高度、風(fēng)機(jī)壓力可調(diào)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整到最佳位置以分離甘蔗和蔗葉。

除葉裝置(圖6)主要利用風(fēng)阻和重力分離的原理。在喂蔗臺(tái)下降段上，甘蔗和蔗葉混雜在一起，當(dāng)快到脫葉口時(shí)，甘蔗和蔗葉被拋空，同時(shí)受到風(fēng)的阻力。甘蔗本身重力較大，風(fēng)阻較小，速度損失較小，會(huì)掉落在主甘蔗輸送機(jī)上，進(jìn)入下一工序。但是蔗葉本身重力較小，風(fēng)的阻力較大，速度損失較大，從脫葉口掉落到較近的雜質(zhì)皮帶機(jī)上。雜質(zhì)皮帶機(jī)將分離的蔗葉及蔗梢輸送到蔗渣主輸送機(jī)上，與蔗渣一起作為鍋爐燃料入爐燃燒。最終轉(zhuǎn)化為熱能和電能為糖廠提高經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)的資源化利用。

圖6 風(fēng)篩結(jié)合式脫雜系統(tǒng)

1.2 主輸送機(jī)段解決方案

1.2.1 主輸送段篩網(wǎng)脫雜

在兩段主輸送機(jī)連接處，以及主輸送機(jī)兩側(cè)側(cè)板處，設(shè)置篩網(wǎng)增加一次脫雜。收集的雜質(zhì)通過雜質(zhì)輸送機(jī)收集運(yùn)出廠外。由于占地面積等因素難以設(shè)置很大的篩網(wǎng)，盡量加大兩段輸送機(jī)之間高差以使物料有運(yùn)動(dòng)，提高脫雜的效果。兩側(cè)篩板只能起到一定補(bǔ)充作用。此方案在泰國(guó)等地糖廠有部分應(yīng)用。

圖7 主輸送段篩網(wǎng)脫雜

1.2.2 多輥式脫雜

采用多組輥面帶齒板的輥?zhàn)泳o密排列，相鄰兩個(gè)輥?zhàn)育X板交錯(cuò)，整個(gè)輥面成下傾式安裝，所有輥?zhàn)泳赐环较蛐D(zhuǎn)，當(dāng)甘蔗物料進(jìn)入設(shè)備后，輥?zhàn)咏M“接力式”的將甘蔗往前推送，在推送過程中甘蔗物料在輥面上不停地翻滾，將泥砂雜物分離，泥砂從輥?zhàn)育X板縫隙往下掉落，清潔后的甘蔗在輥面上繼續(xù)向前推送，如圖8。該設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)蔗層需要較薄，對(duì)干燥物料除泥砂效果非常好，對(duì)潮濕物料則容易粘輥，設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大，造價(jià)高，動(dòng)力功耗高，故障率高，安裝維護(hù)難度大。

圖8 多輥式脫雜

1.2.3 振動(dòng)篩板式脫雜

是固定篩板的升級(jí)版本。主要由等間隙排列的長(zhǎng)篩條組成的篩板、特殊設(shè)計(jì)的彈簧組及兩側(cè)同步高頻振動(dòng)電機(jī)組成主機(jī)部件，下傾下式安裝于輔助輸蔗機(jī)頭部下方，整個(gè)篩板通過彈簧組柔性連接在斜梁上，可與除砂輥筒一起使用，如圖9。運(yùn)行時(shí)，篩板兩側(cè)的振動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生激振，篩板按一定的振幅高頻振動(dòng)。從主輸蔗機(jī)來的物料被設(shè)備篩分，泥砂、蔗葉等從篩條縫隙掉落，清潔甘蔗沿篩板面滑落至下一級(jí)輸送機(jī)。由于振動(dòng)作用，以及篩條網(wǎng)的特殊結(jié)構(gòu)，泥砂等雜物不易附著，適用于各種環(huán)境條件下的長(zhǎng)、短甘蔗物料脫雜。這種設(shè)備除泥砂效果穩(wěn)定，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，運(yùn)行安全可靠，維護(hù)簡(jiǎn)便。

圖9 振動(dòng)篩板脫雜

1.2.4 滾筒式甘蔗脫雜

用旋轉(zhuǎn)篩條網(wǎng)筒對(duì)甘蔗物料進(jìn)行脫雜，運(yùn)行時(shí)，甘蔗物料從進(jìn)料口進(jìn)入滾筒網(wǎng)，滾筒網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)甘蔗物料在網(wǎng)筒內(nèi)被按螺旋線布置的抄板不斷翻動(dòng)并向前推進(jìn)，同時(shí)將甘蔗與泥砂雜物進(jìn)行分離，除葉效果極佳，如圖10。根據(jù)入料的量可以調(diào)節(jié)滾筒轉(zhuǎn)速，使蔗料量與脫雜效果達(dá)到最理想狀態(tài)，可在滾筒外側(cè)配置高壓氣清洗管路，適時(shí)清理篩筒，保證篩網(wǎng)暢通。該設(shè)備需與輸送設(shè)備配套，組成甘蔗脫雜系統(tǒng)。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全可靠，維護(hù)簡(jiǎn)便，適用于機(jī)械收割的短甘蔗物料。目前，該滾筒式甘蔗脫雜技術(shù)裝備已研發(fā)成功，并投入試驗(yàn)應(yīng)用階段。

圖10 滾筒式脫雜

1.2.5 綜合脫雜系統(tǒng)

組合風(fēng)選、篩分、滾筒分離四種脫雜技術(shù)形成一套綜合性系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)甘蔗輸送的綜合脫雜。甘蔗物料經(jīng)過主輸送機(jī)，進(jìn)入甘蔗風(fēng)選雜質(zhì)分離機(jī)，從高處拋下過程中施加與物料運(yùn)動(dòng)方向垂直的風(fēng)力，重物料甘蔗和輕質(zhì)量的雜質(zhì)運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生分離。甘蔗落入甘蔗料斗由底部輸送機(jī)運(yùn)往甘蔗預(yù)處理車間進(jìn)行破碎。雜質(zhì)落入兩個(gè)雜質(zhì)料斗，由底部雜質(zhì)輸送機(jī)送出。匯集到一條雜質(zhì)皮帶輸送機(jī)上，再進(jìn)入滾筒分離機(jī)分離蔗葉生物雜質(zhì)和沙土等非生物雜質(zhì)。蔗葉等生物質(zhì)雜質(zhì)經(jīng)過小型撕解機(jī)破碎后進(jìn)入鍋爐燃燒，沙土等非生物質(zhì)雜質(zhì)進(jìn)入固廢斗收集運(yùn)出廠外還田。該系統(tǒng)相對(duì)以上單個(gè)系統(tǒng)其脫雜的效率得到很大提高。蔗葉等生物質(zhì)雜質(zhì)得到有效去除和利用，經(jīng)濟(jì)效益得到提升。但輸送系統(tǒng)比較復(fù)雜，能耗和造價(jià)也大大增加。在巴西有不少實(shí)際應(yīng)用。

甘蔗脫雜系統(tǒng)需要根據(jù)各地區(qū)糖廠收割方式、環(huán)保要求、投資能力等實(shí)際情況，選擇合適的技術(shù)路線。

圖11 甘蔗綜合脫雜系統(tǒng)

圖12 甘蔗綜合脫雜系統(tǒng)流程

3 主要系統(tǒng)特點(diǎn)評(píng)價(jià)

由于各地區(qū)甘蔗原料雜質(zhì)水平和組成有較大差異，仔細(xì)測(cè)定各種系統(tǒng)雜質(zhì)分離效果存在較大困難。結(jié)合工廠報(bào)表和操作人員提供經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)各系統(tǒng)能力進(jìn)行估計(jì)(假定短甘蔗含雜20%，其中泥沙雜質(zhì)5%)，如表1所示，供參考。

表1 新型脫雜技術(shù)特性對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

隨著人工成本的不斷上升，我國(guó)甘蔗機(jī)械化收割的比例將會(huì)越來越提高，糖廠未來必須在甘蔗輸送系統(tǒng)上考慮將脫雜工藝與輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，提高輸送系統(tǒng)雜質(zhì)去除能力，以適應(yīng)原料環(huán)境的變化。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)的資源化利用，提高糖廠的經(jīng)濟(jì)效益。脫雜輸送系統(tǒng)必須取得較好的設(shè)備投資、能耗和脫雜效果的平衡，才能夠提高糖廠生產(chǎn)的綜合效益。