廖茗揚(yáng)，鄧丕碩，黃思豪，陸建英，郭海湛，黃小蕓，鄧立高*，李 凱,5,6

(1 廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西南寧 530004；2 廣西大學(xué)甘蔗與制糖產(chǎn)業(yè)學(xué)院，廣西南寧 530004；3 廣西開帆智能科技有限公司，廣西南寧 530004；4 廣西糖業(yè)集團(tuán)有限公司，廣西南寧 530022；5 糖業(yè)及綜合利用教育部工程研究中心，廣西南寧 530004；6 蔗糖產(chǎn)業(yè)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西南寧 530004)

0 前言

食糖是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要產(chǎn)品，既是食品、飲料、醫(yī)藥等眾多產(chǎn)業(yè)必不可少的基礎(chǔ)原料，也是城鄉(xiāng)居民的生活必需品。當(dāng)前，制糖企業(yè)對(duì)產(chǎn)品成本和質(zhì)量提升有更高的要求[1]。甘蔗汁澄清在白砂糖生產(chǎn)中起著重要作用，澄清控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致蔗糖分損失增加、清汁色值高、含硫量高等不良現(xiàn)象，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響[2]。目前我國(guó)甘蔗糖廠大多采用亞硫酸法澄清工藝，硫熏中和是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，SO2又是該工藝最主要的澄清助劑，其被蔗汁吸收后能與石灰乳反應(yīng)生成亞硫酸鈣，作用是吸附非糖雜質(zhì)、抑制色素生成和降低鈣鹽含量等，硫熏中和過(guò)程中SO2的吸收效果直接影響白砂糖產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)糖率[3]。

燃硫爐的作用是制備SO2，燃硫爐對(duì)于SO2的穩(wěn)定生成具有重要意義，目前甘蔗糖廠使用的燃硫爐仍存在較多缺點(diǎn)。我國(guó)亞硫酸法甘蔗糖廠傳統(tǒng)工藝多使用自熔式燃硫爐，該爐多為單層爐，占地面積大，燃燒溫度不易控制，空氣供應(yīng)不穩(wěn)定，生成的SO2濃度低且不穩(wěn)定。當(dāng)蔗汁流量發(fā)生變化時(shí)，硫熏汁pH 值難以穩(wěn)定，同時(shí)易生成升華硫和SO3；停榨或其他原因突然停止來(lái)汁時(shí)，無(wú)法立即停止燃燒，SO2氣體四處飄散，影響工人身體健康[4]。為解決這些問(wèn)題，前人研發(fā)了高溫噴霧式燃硫爐，該爐通過(guò)高壓噴射霧化液硫并由風(fēng)機(jī)吹入一定比例的空氣混合完成燃燒過(guò)程，滿足了硫氣供給要求[5]。然而，高溫噴霧式燃硫爐的爐膛溫度在800℃以上，甚至能達(dá)到1300℃。在600～900℃時(shí)，SO2容易進(jìn)一步氧化成SO3，同時(shí)在高溫條件下空氣中的氮?dú)夂脱鯕鈺?huì)形成NO 等氮氧化物(NOx)，污染環(huán)境[6]；另外，高溫條件下更易造成設(shè)備腐蝕，對(duì)設(shè)備要求高。因此，為解決上述問(wèn)題，前人開發(fā)應(yīng)用了汽化旋風(fēng)低溫燃硫爐，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備材質(zhì)要求低、維護(hù)成本低，但其硫磺量無(wú)法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制；高壓風(fēng)機(jī)無(wú)法達(dá)到精準(zhǔn)控制風(fēng)量，雙風(fēng)機(jī)配風(fēng)模式增加配風(fēng)操作難度，硫磺與風(fēng)量無(wú)法精準(zhǔn)配比；燃燒效率偏低；硫熏強(qiáng)度波動(dòng)大。

為了降低硫氣溫度，燃硫爐系統(tǒng)都會(huì)配套硫氣處理設(shè)備。但是，傳統(tǒng)的硫氣處理設(shè)備僅能降溫，沒有硫氣凈化功能，無(wú)法避免硫氣所含雜質(zhì)對(duì)制糖生產(chǎn)造成的不利影響。新型硫氣洗滌裝置同時(shí)具備硫氣冷卻與洗滌功能的裝置，解決了傳統(tǒng)燃硫爐配套硫氣處理設(shè)備的缺點(diǎn)，能夠進(jìn)一步提升硫氣質(zhì)量。

因此，研發(fā)能實(shí)現(xiàn)根據(jù)榨量自動(dòng)精準(zhǔn)控制、燃硫量、風(fēng)量精準(zhǔn)配比并配套新型硫氣洗滌裝置的新型低溫燃硫爐系統(tǒng)對(duì)提升甘蔗制糖工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平，促進(jìn)企業(yè)提質(zhì)增效、減少環(huán)保壓力，促進(jìn)制糖業(yè)穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地開發(fā)了新型燃硫爐與新型硫氣凈化冷卻裝置配套的新型燃硫爐系統(tǒng)，結(jié)合糖廠實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用說(shuō)明該系統(tǒng)效果，為糖廠生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

1 多次元精準(zhǔn)配比低溫新型燃硫爐系統(tǒng)工作原理

多次元精準(zhǔn)配比低溫新型燃硫爐系統(tǒng)由多次元精準(zhǔn)配比低溫新型燃硫爐配套新型硫氣凈化冷卻裝置組成。系統(tǒng)以多次元精準(zhǔn)配比低溫新燃硫爐為主體，PLC 控制系統(tǒng)為控制中樞，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確控制技術(shù)、硫磺量與風(fēng)量的精準(zhǔn)配比控制技術(shù)以及低溫燃燒技術(shù)的融合，其工作原理如圖1 所示。并且，該新型燃硫爐配套新型硫氣洗滌裝置，以進(jìn)一步提升硫氣質(zhì)量。

圖1 多次元精準(zhǔn)配比低溫新型燃硫爐工作原理

1.1 自動(dòng)精確控制技術(shù)原理

如圖1 所示，新型燃硫爐由PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，PLC 是一種可編程邏輯控制器，通過(guò)具有“可編控制程序”作用的存儲(chǔ)系統(tǒng)，執(zhí)行自動(dòng)化系統(tǒng)中的順序運(yùn)算、邏輯運(yùn)算指令，根據(jù)指令輸出、輸入控制信號(hào)，起到控制各類設(shè)備、生產(chǎn)機(jī)械的作用[7]，其優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，操作便捷，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化、安全化、高效化[8]。通過(guò)PLC 控制系統(tǒng)能夠依據(jù)設(shè)定硫熏強(qiáng)度與實(shí)時(shí)混合汁量計(jì)算所需硫磺量，再通過(guò)齒輪計(jì)量泵控制液態(tài)硫磺進(jìn)入燃硫爐的量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒硫磺量的精確控制。齒輪計(jì)量泵是化學(xué)品精確投放的理想設(shè)備[9]，具有輸送精確、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，在各種溫度、粘度、壓力的條件下能保證流量穩(wěn)定，因此使用齒輪計(jì)量泵保證了硫磺泵送量的精確度。

1.2 硫磺量與風(fēng)量的精準(zhǔn)配比控制技術(shù)原理

硫磺量與風(fēng)量的精準(zhǔn)配比控制技術(shù)是通過(guò)PLC控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)硫磺泵送量得到所需風(fēng)量并精確控制進(jìn)入燃硫爐內(nèi)的風(fēng)量，風(fēng)量的控制由計(jì)量羅茨鼓風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。羅茨鼓風(fēng)機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)活塞容積式氣體壓縮機(jī)械，能夠?qū)崿F(xiàn)葉輪旋轉(zhuǎn)無(wú)內(nèi)壓地將氣缸容積內(nèi)的氣體從進(jìn)氣口推移到出氣口[10]，并且輸送的風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成比例[11]，可以通過(guò)控制轉(zhuǎn)速精確控制風(fēng)量。羅茨風(fēng)機(jī)具有精度高、安全、使用周期長(zhǎng)并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易安裝的優(yōu)點(diǎn)[12]，將風(fēng)機(jī)與PLC 系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)按硫磺量精確配比風(fēng)量。

1.3 低溫燃燒技術(shù)原理

高溫燃硫爐的燃燒溫度通常大于1000℃，在該溫度下易生成SO3，并且對(duì)硫氣冷卻系統(tǒng)有較高要求，而低溫燃燒的燃燒溫度低于550℃，在該溫度下燃燒能減少 SO3和升華硫的生成，減小設(shè)備損傷[13-14]。如圖2 所示，本技術(shù)通過(guò)在燃硫爐外部設(shè)置環(huán)型冷卻水套，套筒設(shè)在燃硫爐表面，冷卻水在套筒內(nèi)循環(huán)流動(dòng)以降低爐內(nèi)燃燒溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低溫燃燒。

圖2 新型燃硫爐實(shí)物圖

1.4 新型硫氣洗滌裝置

該裝置采用直接接觸式冷卻，冷卻水由上往下霧狀噴灑，而高溫硫氣從下方進(jìn)入，兩者以逆流方式直接接觸，熱量由硫氣傳至冷卻水，實(shí)現(xiàn)硫氣冷卻。在冷卻過(guò)程中，由于硫氣夾帶的灰分顆粒與冷卻水直接接觸會(huì)在其表面形成雙分子層結(jié)構(gòu)，外層極性端與水有強(qiáng)親和力，因此，固體顆粒會(huì)被冷卻水帶走。其他雜質(zhì)則以溶解和凝固等方式被冷卻水帶走。SO3極易溶于水，與水接觸后，硫氣中的SO3含量顯著降低。SO2則微溶于水，溶解度與溫度呈負(fù)相關(guān)。而且，SO2與水反應(yīng)生成的亞硫酸(H2SO3)不穩(wěn)定，易分解為SO2和水。因此，新型硫氣洗滌裝置可在冷卻硫氣的同時(shí)將升華硫、灰分及SO3等雜質(zhì)有效去除，提高硫氣質(zhì)量。

2 生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用效果

2.1 澄清效果

清混汁純度差是衡量清凈效果的重要指標(biāo)之一，是清汁與混合汁的差值，清混汁純度差的提升能夠促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和糖分回收的提高[15]。由圖3 可以看出2022 年1、2 月的清混汁純度差與2021 年1、2月相比得到顯著提高，2022 年1 月的清混汁純度差比2021 年1 月提高1.267，2022 年2 月的清混汁純度差比2021 年2 月提高0.982，說(shuō)明使用新型燃硫爐系統(tǒng)能夠提升生產(chǎn)的澄清效果。這可能是由于新型燃硫爐系統(tǒng)通過(guò)控制硫磺燃燒，生成穩(wěn)定且適量的SO2并減少SO3，韋信冰等[16]在研究中也有類似結(jié)果，他們通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量控制硫磺的燃燒過(guò)程，發(fā)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)量直接影響SO2濃度或SO3生成速率。產(chǎn)生的硫氣再經(jīng)新型硫氣洗滌裝置冷卻洗滌后得到高SO2含量的硫氣。因此，硫熏效果得到提升，吸附能力得到大幅增強(qiáng)，有效去除非糖分，清混汁純度差提升。

圖3 新型燃硫爐系統(tǒng)使用前后清混汁純度差

2.2 蒸發(fā)罐積垢硫酸鹽含量

蒸發(fā)罐積垢是糖汁在蒸發(fā)過(guò)程中沉積下來(lái)的不溶物固體，其主要成分為鈣鹽，如磷酸鈣、硫酸鈣[17]，這些積垢對(duì)蒸發(fā)過(guò)程有極大影響，如降低蒸發(fā)傳熱效率[18]，延長(zhǎng)蒸發(fā)時(shí)間，甚至影響白砂糖質(zhì)量[19]。因此，減少蒸發(fā)罐積垢能節(jié)約能源，降低成本，提高白砂糖質(zhì)量。其中，硫酸鈣形成是由于在蔗汁澄清過(guò)程中加入石灰乳以及SO3[20]，硫磺燃燒過(guò)程中的燃燒溫度、硫磺量和空氣量等因素都會(huì)導(dǎo)致SO3生成。使用新型燃硫爐系統(tǒng)可以在硫磺燃燒階段控制上述條件抑制SO3生成，再經(jīng)新型硫氣洗滌裝置去除硫氣中的SO3，進(jìn)而減少蒸發(fā)積垢硫酸鹽含量。表1 可以看出，使用新型燃硫爐系統(tǒng)后，各效罐積垢的硫酸鹽含量均得到有效降低，2#罐積垢硫酸鹽降低較少，這可能是由于濃度，溫度和壓力影響[18]，由于本文未對(duì)蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行研究，因此不做過(guò)多分析。但從各效蒸發(fā)罐積垢中硫酸鹽的總量上看，用前各效蒸發(fā)罐積垢中總硫酸鹽含量為3870 mg/kg，用后各效蒸發(fā)罐積垢中總硫酸鹽含量為3001 mg/kg，降低22.45%，說(shuō)明使用新型燃硫爐系統(tǒng)能夠顯著降低硫酸鹽積垢的產(chǎn)生，即有效減少SO3含量。

表1 新型燃硫爐系統(tǒng)使用前后蒸發(fā)罐積垢硫酸鹽量

2.3 白砂糖品質(zhì)

表2 為各月份白砂糖品質(zhì)數(shù)據(jù)的平均值。由表2 顯示，使用新型燃硫爐系統(tǒng)后主要影響白砂糖色值，2022 年1 月比2021 年1 月降低10%，2 月降低13%，表明新型燃硫爐系統(tǒng)能有效降低白砂糖色值，這可能是新型燃硫爐系統(tǒng)硫磺燃燒穩(wěn)定，硫氣洗滌后更純凈，硫熏中和能力提升，非糖分被有效除去，非糖分對(duì)白砂糖色值有較大影響，如酚類物質(zhì)、色素等非糖分是白砂糖色值的主要影響物質(zhì)。除色值外，其他指標(biāo)在使用新型燃硫爐系統(tǒng)后也都有提升，如2022 年與2021 年相比，灰分降低了2.35%，蔗糖分提高了0.03%。表3 顯示，廣西某糖廠使用新型燃硫爐系統(tǒng)后其AA 級(jí)白砂糖的產(chǎn)率得到顯著的提升，2022年1月與2021年1月相比提高了17.2%，2 月相比提高了28.46%，并且極少產(chǎn)出二級(jí)、等外白砂糖，尤其是2022 年2 月未生產(chǎn)出二級(jí)、等外白砂糖。這些結(jié)果都說(shuō)明新型燃硫爐系統(tǒng)能顯著提升甘蔗糖廠生產(chǎn)白砂糖的質(zhì)量和產(chǎn)量。

表2 新型燃硫爐系統(tǒng)使用前后白砂糖指標(biāo)

表3 新型燃硫爐系統(tǒng)使用前后各級(jí)白砂糖產(chǎn)率

3 結(jié)論

甘蔗糖廠多次元精準(zhǔn)配比低溫新型燃硫爐實(shí)現(xiàn)了硫磺高效穩(wěn)定燃燒，配套新型硫氣凈化冷卻裝置，有效減少硫氣的SO3和升華硫含量，提高澄清效果。同時(shí)新型低溫燃硫爐系統(tǒng)具有生產(chǎn)安全率高、運(yùn)行成本低、自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)，可以優(yōu)化白砂糖生產(chǎn)工藝，提高白砂糖產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，其將逐步替代傳統(tǒng)簡(jiǎn)單、笨重、低效的甘蔗糖廠燃硫系統(tǒng)，為甘蔗糖廠實(shí)現(xiàn)澄清過(guò)程自動(dòng)化控制奠定基礎(chǔ)。