吳 峰，周軍宏

(中工國(guó)際工程股份有限公司，北京 100080)

0 前言

糖廠(chǎng)工藝設(shè)備選擇需要綜合考慮生產(chǎn)運(yùn)行、建設(shè)成本和當(dāng)?shù)丨h(huán)境相互平衡。因?yàn)楦鱾€(gè)國(guó)家糖廠(chǎng)生產(chǎn)方式、設(shè)備條件、建設(shè)成本構(gòu)成以及土地氣候環(huán)境及當(dāng)?shù)卣沫h(huán)保政策差異，糖廠(chǎng)在整體工藝大同小異的情況下，工藝設(shè)備選擇千姿百態(tài)，形成各自地域特點(diǎn)。本文以世界最大的制糖生產(chǎn)和出口國(guó)巴西為例，介紹一下巴西甘蔗糖廠(chǎng)工藝設(shè)備應(yīng)用的技術(shù)特點(diǎn)。

巴西糖業(yè)常年總產(chǎn)量在3 500萬(wàn)～3 800萬(wàn)噸糖之間，出口約2 400萬(wàn)噸以上，有600多家糖廠(chǎng)。巴西在70年代開(kāi)始把糖業(yè)作為主要產(chǎn)業(yè)方向大力發(fā)展，廣泛學(xué)習(xí)了世界上當(dāng)時(shí)制糖技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家如南非、澳大利亞和歐洲制糖技術(shù)和裝備，并結(jié)合巴西實(shí)際逐步發(fā)展出自己的特色。巴西同時(shí)發(fā)展了與制糖行業(yè)配套的全面工業(yè)體系，從設(shè)計(jì)、裝備制造和研發(fā)、建設(shè)安裝都實(shí)現(xiàn)了全面的國(guó)產(chǎn)化。

1 制約工藝設(shè)備選擇的行業(yè)因素

1.1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行特點(diǎn)

巴西甘蔗生產(chǎn)全面采用機(jī)械化種植和收割。其種植土地均屬于大農(nóng)場(chǎng)主，適合大規(guī)模生產(chǎn)。其甘蔗農(nóng)業(yè)種植管理非常成熟，甘蔗成熟度通過(guò)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)，安排收割。加上榨季少雨，甘蔗運(yùn)輸非常穩(wěn)定可靠。

1.2 運(yùn)營(yíng)費(fèi)用特點(diǎn)

巴西企業(yè)稅收很高，雇傭員工需要繳納很高稅費(fèi)。因此糖廠(chǎng)盡可能少聘用操作人員，推動(dòng)了自動(dòng)化的大范圍應(yīng)用。

糖價(jià)受?chē)?guó)際市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)影響很大，糖廠(chǎng)為保持盈利，非常重視熱電聯(lián)產(chǎn)、糖酒聯(lián)產(chǎn)和綜合副產(chǎn)品應(yīng)用。工藝強(qiáng)調(diào)節(jié)汽，也注意在各種工況下能夠平衡運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.3 建設(shè)能力及成本結(jié)構(gòu)

巴西制造業(yè)比較發(fā)達(dá)，設(shè)備廠(chǎng)家通常供貨帶安裝。設(shè)備通常完成度較高，現(xiàn)場(chǎng)施工量盡可能小。能用設(shè)備解決的，就不做大的土建結(jié)構(gòu)。采用全進(jìn)口設(shè)備關(guān)稅很高，但主要設(shè)備均在巴西可以生產(chǎn)。

2 各工段工藝設(shè)備選擇特點(diǎn)

2.1 卸蔗和預(yù)處理工段

由于供甘蔗車(chē)輛規(guī)格整齊單車(chē)裝載量高且為機(jī)收短甘蔗，卸蔗通常采取裝卸效率高的桅桿吊，直接進(jìn)入深槽鏈板輸送機(jī)。因?yàn)椴恍枰幚碚拈L(zhǎng)甘蔗，卸車(chē)系統(tǒng)比亞洲地區(qū)大為簡(jiǎn)化。車(chē)輛載重量高，單臺(tái)自卸吊車(chē)就輕松可以達(dá)到640噸每小時(shí)卸蔗能力。

由于機(jī)收的雜質(zhì)比例可以高達(dá)30%，脫雜系統(tǒng)在巴西得到很大重視，通過(guò)風(fēng)選、旋風(fēng)分離分揀甘蔗、蔗葉、砂石，分別進(jìn)入制糖、鍋爐、固廢系統(tǒng)。雜質(zhì)減少極大改善了制糖工藝條件，同時(shí)增加了鍋爐燃料供應(yīng)。當(dāng)然系統(tǒng)復(fù)雜價(jià)格不低。

圖1 巴西甘蔗卸料系統(tǒng)

圖2 巴西甘蔗脫雜系統(tǒng)

臥式湯加重錘撕解機(jī)為必備的裝備。對(duì)于短甘蔗破碎度較高且能耗較低，通常破碎度達(dá)90%以上并為后續(xù)滲出提汁工段提高糖份抽出率創(chuàng)造前提條件。也有根據(jù)需要配置少量的理平機(jī)的配置。

2.2 提汁工段

巴西的制糖企業(yè)壓榨法和滲出法都得到了廣泛的應(yīng)用。壓榨法應(yīng)用中，特點(diǎn)有些軋輥轉(zhuǎn)速高于亞洲國(guó)家20%左右，磨損增加采取生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)焊方式來(lái)滿(mǎn)足運(yùn)行需要。這樣設(shè)備選型可以偏小、耗能低利用率高，同時(shí)亦能滿(mǎn)足生產(chǎn)作業(yè)要求。另外有些采用三輥單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的方式(液壓或者行星減速)以提高抽出率。

巴西是世界上甘蔗滲出器最多的國(guó)家，鏈條式和搓板式都有。應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)也最豐富。甘蔗滲出器維護(hù)量小、處理能力大、能耗低、抽出率高，特別對(duì)于熱電聯(lián)產(chǎn)的項(xiàng)目是非常合適的選擇。其中鏈條式有較長(zhǎng)的歷史，性能更加可靠但造價(jià)更高。南非設(shè)計(jì)的搓板式采用液壓驅(qū)動(dòng)的底板運(yùn)動(dòng)方式，維護(hù)更加簡(jiǎn)單但可靠性稍低。

圖3 三輥單獨(dú)驅(qū)動(dòng)壓榨機(jī)

圖4 沉降過(guò)濾系統(tǒng)

2.3 澄清工段

澄清工段SRT快沉得到廣泛應(yīng)用，但在濾泥處理上，除了真空吸濾機(jī)，有的還應(yīng)用了帶濾機(jī)設(shè)備。

脫色方面巴西除了傳統(tǒng)石灰法、亞硫酸法，還開(kāi)發(fā)了臭氧法。作為一種以環(huán)保為賣(mài)點(diǎn)的技術(shù)，其脫色效果并不理想，直接出合格產(chǎn)品難度較大。但是對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量要求不高的情況，這種環(huán)保脫色手段還有一定應(yīng)用空間。

圖5 巴西臭氧脫色系統(tǒng)

圖6 污泥帶濾機(jī)系統(tǒng)

2.4 蒸發(fā)工段

巴西是應(yīng)用降膜蒸發(fā)技術(shù)最多的國(guó)家。降膜蒸發(fā)技術(shù)配合連煮罐以及更加合理的用汽分配，相比傳統(tǒng)工藝耗汽可以達(dá)到30%對(duì)蔗。同時(shí)土建施工量小，露天布置、安裝進(jìn)度快。主要缺點(diǎn)是工藝配置復(fù)雜、控制難度大、清洗工作量大、系統(tǒng)造價(jià)較高，對(duì)用戶(hù)操作技術(shù)及自控水平有較高要求。巴西的降膜蒸發(fā)采用機(jī)械清洗，通常備用一列輪洗。

2.5 煮糖工段

新建項(xiàng)目大量使用臥式和立式連煮工藝。其中可以直接出白糖的立式連煮罐可以露天布置，更加節(jié)能和緊湊；臥式連煮大量用于原糖生產(chǎn)。

圖7 立式煮糖

圖8 滾筒干燥

2.6 離心干燥包裝工段

這三個(gè)工段比較傳統(tǒng)，巴西的干燥主要采用帶制冷的滾筒式干燥機(jī)。主要產(chǎn)品是原糖占多數(shù)。

2.7 鍋爐

巴西蔗渣鍋爐制造企業(yè)針對(duì)糖廠(chǎng)需求開(kāi)發(fā)了很多爐型，包括常規(guī)的鏈條爐、適合多燃料混燒的鼓泡床等。巴西更傾向于單鍋筒設(shè)計(jì)，爐膛尺寸較大，全露天布置不設(shè)鍋爐間。蔗渣輸送系統(tǒng)鏈板機(jī)和皮帶輸送機(jī)的設(shè)計(jì)帶速都較高，通過(guò)良好的連接設(shè)計(jì)，系統(tǒng)故障率很低。

圖9 巴西鍋爐爐排

圖10 巴西蔗渣鍋爐

2.8 綜合利用

巴西糖業(yè)多數(shù)工廠(chǎng)并行酒精生產(chǎn)線(xiàn)，在糖價(jià)不好時(shí)蔗汁直接發(fā)酵生產(chǎn)燃料乙醇，也有一批單獨(dú)的甘蔗乙醇生產(chǎn)線(xiàn)。乙醇生產(chǎn)的廢澇液經(jīng)過(guò)處理還田作為肥料。因?yàn)橐掖忌a(chǎn)需要，經(jīng)常汽輪機(jī)需要雙抽一路適合乙醇工藝的汽源。巴西自己也是甘蔗燃料乙醇的最大消費(fèi)國(guó)，其國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)可以適應(yīng)0-100%乙醇添加的燃料。年生產(chǎn)無(wú)水乙醇約400億升。

圖11 燃料乙醇蒸餾塔

圖12 纖維素乙醇試驗(yàn)線(xiàn)

巴西對(duì)甘蔗纖維做了大量應(yīng)用研究，除了傳統(tǒng)作為燃料、造紙、制板，巴西對(duì)纖維素乙醇做了大量研究，已經(jīng)有若干技術(shù)進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)的試驗(yàn)線(xiàn)。同時(shí)巴西還通過(guò)生物工程，開(kāi)發(fā)了高纖維素的甘蔗品種，專(zhuān)門(mén)適合纖維素乙醇或者蔗渣發(fā)電的需要。這種特用甘蔗品種單產(chǎn)從100噸提高到近300噸，甘蔗單株高度可以達(dá)到4米。另一個(gè)方向利用甘蔗纖維素制可降解塑料也獲得突破，并已經(jīng)成功生產(chǎn)產(chǎn)品。

3 巴西工藝設(shè)備選擇的偏好

3.1 設(shè)備減量提質(zhì)

巴西工程師的設(shè)計(jì)理念是用簡(jiǎn)單可靠的流程實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)目的。能用一個(gè)可靠的設(shè)備不用兩個(gè)。設(shè)備選型的品質(zhì)高，設(shè)計(jì)中就不必過(guò)多考慮頻繁維修問(wèn)題。巴西有的壓榨撕解機(jī)廠(chǎng)房都不設(shè)計(jì)吊車(chē)，甚至汽輪機(jī)間也不設(shè)計(jì)吊車(chē)，而考慮可吊開(kāi)屋頂，維護(hù)時(shí)租用大型汽車(chē)吊裝作業(yè)。

3.2 能露天就露天，降低建筑投資

巴西糖廠(chǎng)榨季大約一個(gè)月才有一次降雨，甚至完全不降雨。糖廠(chǎng)設(shè)計(jì)上除了壓榨一般還有建筑，澄清蒸發(fā)煮糖經(jīng)常都全露天布置，鍋爐也是露天布置沒(méi)有鍋爐間，大幅降低建筑成本。上述不設(shè)計(jì)吊車(chē)，也直接降低了建筑負(fù)荷有利于降低結(jié)構(gòu)成本。地面多數(shù)不用有組織排水，甚至全廠(chǎng)場(chǎng)平做成一定坡度進(jìn)行排水。除了氣候條件合適外，從價(jià)值工程角度考慮也是適合巴西建筑成本低的情況。

同樣，能用設(shè)備解決的不用土建解決。如鍋爐的水沖灰，巴西采用一體化的灰渣分離設(shè)備取代國(guó)內(nèi)沉灰池和灰渣吊車(chē)，降低了土建成本和人工操作強(qiáng)度。

圖13 灰水分離裝置

3.3 最全面的自動(dòng)控制

與我國(guó)傳統(tǒng)操作離不開(kāi)就地和手動(dòng)控制的思想不同，巴西大多數(shù)設(shè)備根本無(wú)法手動(dòng)操作，甚至無(wú)法本地操作。整個(gè)工廠(chǎng)DCS系統(tǒng)非常完善，可靠性很高。全廠(chǎng)只有一個(gè)中控室，各工段不再設(shè)置控制室。除了自控系統(tǒng)成熟完善外，企業(yè)管理水平較高也是能這么選擇的原因之一。10000-20000 TCD的糖廠(chǎng)的每班操作人員通常在30人左右。除了自控系統(tǒng)完善成熟可靠外，企業(yè)技術(shù)管理水平較高也是實(shí)現(xiàn)這種選擇的原因之一。

4 巴西工藝設(shè)備選擇思路對(duì)中國(guó)糖廠(chǎng)設(shè)計(jì)的借鑒意義

4.1 既要參考成功的設(shè)計(jì)，又要大膽創(chuàng)新

從巴西糖業(yè)技術(shù)發(fā)展歷程看，既博采眾長(zhǎng)，又不斷創(chuàng)新。巴西的工程技術(shù)人員和企業(yè)家在新技術(shù)應(yīng)用上敢于不斷嘗試，既參考成熟設(shè)計(jì)，又不斷大膽創(chuàng)新新工藝設(shè)備，使得整個(gè)行業(yè)技術(shù)水平都達(dá)到了很高的水平。

4.2 要符合使用者和環(huán)境的客觀(guān)特點(diǎn)和需要

巴西針對(duì)本國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平高，工人技術(shù)人員素質(zhì)較高，人工和野外建設(shè)工程造價(jià)高的客觀(guān)情況，技術(shù)應(yīng)用上以實(shí)用為主，突出高自動(dòng)化、低維護(hù)量、低生產(chǎn)成本、少建設(shè)量的價(jià)值工程方針。在系統(tǒng)指標(biāo)和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)綜合成本中取得良好平衡。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，勞動(dòng)力素質(zhì)提高價(jià)格提升，環(huán)保要求提高，節(jié)能減排目標(biāo)增加。在糖廠(chǎng)未來(lái)建設(shè)項(xiàng)目中，巴西的工藝設(shè)備應(yīng)用思路值得借鑒。