許德禮,馬素娟,高智利,趙金龍

(1.內(nèi)蒙古敕勒川糖業(yè)有限責任公司,內(nèi)蒙古 包頭 014100;2.包頭輕工職業(yè)技術(shù)學院,內(nèi)蒙古 包頭 014035)

1 甜菜制糖生產(chǎn)過程中用水情況

甜菜制糖在我國已有上百年歷史,目前我國甜菜糖廠主要分布在新疆、內(nèi)蒙古、東北三省等地區(qū),全國共有甜菜糖廠30多家。甜菜制糖的工藝過程主要包括洗滌、輸送、切絲、浸出、清凈、蒸發(fā)、結(jié)晶、分離等工序,整個生產(chǎn)工序都需要大量的冷水。過去近百年,制糖生產(chǎn)過程中的菜水比在1∶4.5左右,近幾年由于采用了干法輸送、噴淋洗滌、壓粕水回收、循環(huán)水部分回收利用等新工藝,用水量大幅減少,可達到1∶0.35。但即使按照這個比例進行生產(chǎn),處理量在6 000噸的甜菜糖廠每個榨期仍然需要新鮮水20萬噸左右。對比國外先進甜菜制糖企業(yè),我國甜菜制糖企業(yè)在水循環(huán)利用方面還有很大的空間和潛力。節(jié)約用水是企業(yè)綠色低碳發(fā)展的必由之路、是企業(yè)提檔升級的根本基礎(chǔ)。

《制糖行業(yè)“十二五”》發(fā)展規(guī)劃明確指出,要全面推廣清潔生產(chǎn)標準,采用制糖生產(chǎn)過程工藝用水的循環(huán)利用系統(tǒng)和制糖廢水生化及深度處理技術(shù),減少新鮮水的用量,降低廢水及COD的排放。2021年頒布國家標準《取水定額第53部分 食糖》更是將各類糖廠的取水控制在一定范圍內(nèi)。2023年9月,國家發(fā)展改革委、水利部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、工業(yè)和信息化部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、自然資源部、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于進一步加強水資源節(jié)約集約利用的意見》?！兑庖姟穱@重點領(lǐng)域,提出強化工業(yè)節(jié)水。打造節(jié)水型企業(yè)和園區(qū),鼓勵串聯(lián)用水、分質(zhì)用水,實現(xiàn)一水多用和梯級利用,可見工業(yè)用水的節(jié)水勢在必行。

但是我國制糖行業(yè)的整體科技水平提高緩慢,設(shè)備工藝技術(shù)落后于發(fā)達國家,能源消耗、廢水排放、資源綜合利用等關(guān)鍵指標均落后于國際先進水平。綜上所述,通過提高技術(shù)水平和改進生產(chǎn)工藝,實現(xiàn)零取水生產(chǎn),對我國水資源合理利用意義重大。

2 甜菜制糖生產(chǎn)過程節(jié)水措施探討

2.1 甜菜制糖生產(chǎn)過程中用水存在的問題

2.1.1 生產(chǎn)工藝用水量大

甜菜制糖生產(chǎn)過程中,如果采用濕法輸送的方式又不使用循環(huán)水,流送、洗滌的用水量約是甜菜的7-8倍;切絲和滲出用水約為甜菜的1.2倍左右;清凈過程用水也約為甜菜的1.2倍左右。那么處理100噸甜菜將要有1 000噸左右的水參與生產(chǎn)過程[1],如此龐大的工藝用水量也是制糖企業(yè)共同面臨的問題,也是制糖生產(chǎn)過程節(jié)水措施中首先考慮的問題。

2.1.2 崗位操作員工節(jié)水意識不強

由于國家節(jié)水政策的實施,很多糖廠生產(chǎn)過程中非常重視節(jié)約用水,在生產(chǎn)過程中限制水的使用,甚至作為考核指標進行考核。但是傳統(tǒng)的師傅帶徒弟的方式,使得崗位操作人員不知道為什么進行用水。工人們節(jié)約用水意識不強,忽視了一個糖廠的甜菜處理量有多大,多用這一點點水,將甜菜的處理量考慮進去,消耗的水量會是一個龐大的數(shù)字。

2.1.3 補水量大

從整個制糖工藝過程的需水量看,生產(chǎn)過程的冷水量是非常大的,而熱水則是有多余的,那么要想使工藝用水量降下來,就需要有制冷系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)等參與生產(chǎn)。很多糖廠使用循環(huán)水、中水替代新鮮冷水使用,但存在一系列問題無法得到解決。

2.1.4 使用循環(huán)水、中水面臨的問題

①糖廠最終循環(huán)水的冷卻溫度在28度左右(一級落水溫度40度,二級落水溫度34度,三級涼水塔后溫度28度)溫度較高,部分設(shè)備的冷卻得不到滿足。

②循環(huán)水多次循環(huán)有不溶物及雜質(zhì)存在。

③循環(huán)水多次循環(huán)有細菌滋生,循環(huán)水多次循環(huán)有機物增多。

④中水處理后溫度較高,最高達40度,直接用于甜菜流送、洗滌會增加甜菜的糖分損失。

⑤中水中有細菌滋生。

2.2 甜菜制糖生產(chǎn)過程中的節(jié)水措施

針對甜菜制糖生產(chǎn)過程中用水存在的問題,采取的措施主要包括以下三個方面。

2.2.1 使工藝用水循環(huán)起來,減少生產(chǎn)工藝用水量

首先將濕法輸送改為干法輸送,先將甜菜的土除掉,然后再進行甜菜的洗滌,并將洗滌液進行分級,少量多次的清洗。洗菜機采用中水洗滌,用撈菜絞龍將洗干凈的菜瀝水撈出后,再通過噴淋洗菜機用降溫后的循環(huán)水洗滌,這樣即保證了洗滌效果又節(jié)約了用水量。其次采用壓粕水回頭,將滲出過程中菜絲中的水回收利用,充分利用甜菜本身的水分,同時回收部分糖分。再次,加大熱水的冷卻程度,增加干凈的冷水量。通過以上措施減少了洗滌水量,同時大大減輕了污水處理的壓力,并通過回收壓粕水,其他工藝用水循環(huán)使用的措施減少了絕大多數(shù)的工藝用水[2]。

2.2.2 加強對崗位操作員工的管理培訓

甜菜制糖生產(chǎn)過程的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)是環(huán)環(huán)相扣的,很多工段的生產(chǎn)操作都會對前工段或者后工段有影響,這就要求崗位操作員工具有生產(chǎn)全局意識,崗位操作員工的操作水平和生產(chǎn)意識是制糖生產(chǎn)能夠出好糖、提產(chǎn)量、控指標非常關(guān)鍵的一個因素,制糖生產(chǎn)要求均衡、穩(wěn)定、連續(xù)、高效,任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都將影響物料水汽的平衡,因此減少生產(chǎn)的波動也是節(jié)水的關(guān)鍵因素。

2.2.3 設(shè)備改進、控制補水

甜菜制糖生產(chǎn)的工藝流程非常長,甜菜要經(jīng)過洗滌、切絲、滲出、加灰、飽充、蒸發(fā)、過濾、結(jié)晶、分離及中間過程的輸送、加熱等等大大小小幾十個設(shè)備的參與才能最終成為成品糖。這些參與其中的設(shè)備有的需要用冷水冷卻、有的需要用熱水加熱、有的需要用溫水、有的需要生產(chǎn)過程中加水。通過控制或優(yōu)化流程實現(xiàn)水的分級使用,從而實現(xiàn)控制新鮮補水量。

3 敕勒川糖業(yè)的節(jié)水措施

敕勒川糖業(yè)是國家級綠色工廠、智能制造示范工廠,制糖行業(yè)質(zhì)量領(lǐng)軍企業(yè),具有先進的生產(chǎn)設(shè)備,完善的工藝流程,不斷創(chuàng)新的技術(shù)研發(fā)團隊。在制糖生產(chǎn)用水方面走在行業(yè)前列。團隊通過生產(chǎn)過程中用水存在的問題的解決方案進行分析研究,發(fā)現(xiàn)在敕勒川糖業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備條件下,開機生產(chǎn)前需按要求準備必要的生產(chǎn)用水量,等開機后,甜菜中的水分進入系統(tǒng),中水能返回車間回用后,停止使用新鮮水。在2022年對生產(chǎn)系統(tǒng)的用水項目進行細致梳理。根據(jù)糖菜的特性,每百噸糖菜約含有固形物25噸,固形物中包含蔗糖17噸,非糖分約8噸,剩下75噸為水的特點[3],充分利用這些水分就可能實現(xiàn)零取水。

所以對用水設(shè)備進行細化,使用生產(chǎn)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的凝結(jié)水替代冷水使用。通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝,發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)、結(jié)晶冷凝產(chǎn)生的循環(huán)水主要是溫度較高,多次循環(huán)后產(chǎn)生細菌、有機物等雜質(zhì)。只要采取必要的措施,對蒸發(fā)出來的水進行一定處理后,完全可以全部回用到生產(chǎn)車間,如何利用好甜菜中這75%的水,就成了節(jié)水的關(guān)鍵。所以通過充分的研究和計算,制定出了符合敕勒川糖業(yè)的節(jié)水生產(chǎn)方案。

3.1 通過繪制系統(tǒng)用水流程分配圖,計算用水量,確定零取水方案切實可行。

圖1 系統(tǒng)用水流程分配圖

3.2 按照“分質(zhì)供水、一水多用、階梯使用、中水回用”的原則分配車間用水。

1)分質(zhì)供水

按照水溫及水的衛(wèi)生程度對車間用水進行分配。前工段中洗菜、瓦斯泵、脫泥間主要使用中水,后工段煮糖及分蜜主要使用凝結(jié)水,其他工段主要使用循環(huán)水。

2)一水多用

循環(huán)水是指制糖生產(chǎn)過程中利用噴射試冷凝器或隔板冷凝器通過冷水與末效蒸汽混合冷凝而成的水。由于提汁后糖水要通過蒸發(fā)將錘度要從15左右提高到65左右以后,再進入結(jié)晶罐進行煮糖,在蒸發(fā)和煮糖的過程中都需要冷卻,所以產(chǎn)生了大量的循環(huán)水。這些水的水溫一般在40℃左右,不能完全符合生產(chǎn)需求,通過車間生產(chǎn)還發(fā)現(xiàn),經(jīng)過降溫處理,可以實現(xiàn)循環(huán)水的多次循環(huán)使用。但在生產(chǎn)過程中又發(fā)現(xiàn)多次循環(huán)后的循環(huán)水有不溶性雜質(zhì)存在、微生物數(shù)量上升、有機物增多、堿度提高的現(xiàn)象。

團隊通過技術(shù)創(chuàng)新對循環(huán)水降溫、過濾除渣、殺菌、生物降解后,替代新鮮冷水,實現(xiàn)了循環(huán)水能夠滿足切絲機、冷凝器、真空泵、瓦斯泵、泵群、造粒機、壓榨機、離子脫鈣等生產(chǎn)各個階段設(shè)備對新鮮水的使用要求。

主要采取的措施包括

①通過加大冷卻換熱面積,使用溫度略高的循環(huán)水代替冷水。將壓榨冷卻器的冷卻面積由5平方米增大至10平方米,以前使用20度冷水降溫,現(xiàn)在使用25度循環(huán)水降溫,達到同樣的冷卻效果。在原有2 000立方晾水塔基礎(chǔ)上再加裝一套1 200立方晾水塔,水溫在原來基礎(chǔ)降低5度,增加循環(huán)泵功率90 KW一臺,冷卻風機功率11*4=44 KW。

②加裝1臺能力200噸/小時薩爾過濾器,通過PP濾網(wǎng)75 um孔徑去除雜質(zhì)。有效去除循環(huán)水中的垢片、泥砂等微粒物質(zhì),保障了用水水質(zhì)。

③增加253.7 nm紫外消菌器1套消殺細菌。

④增加185 nm光譜儀一套分解有機物TOC,達到水質(zhì)凈化目的。

⑤泵浦機械冷卻水回收循環(huán)利用。

水循環(huán)流程如圖2。

圖2 循環(huán)水流程

3)階梯使用

將循環(huán)水降溫后,給浸出器泵群冷卻,壓機機冷卻后收集,用泵送至浸出用水箱,作為浸出用水(見圖3)。

圖3 循環(huán)水接替使用示意圖

圖4 中水循環(huán)流程圖

4)中水回用

在制糖生產(chǎn)過程中洗滌甜菜的污水通過污水處理、澄清后的水稱之為中水。中水的量很大,但是衛(wèi)生指標相對較差,使用受限,在經(jīng)本次取水項目改造過程中針對中水回用主要采取殺菌、冷卻等措施,使得中水能夠循環(huán)使用。

①強化污水處理手段。

由帕克公司提供技術(shù)建造的污水處理廠,自有污水處理能力7 200立方/日。處理污水指標CODcr<100 mg/L,BOD<20 mg/L,完全達到排放標準。給中水回用提供必要的基礎(chǔ)。

②增加中水冷卻塔,實現(xiàn)中水溫度降低達到生產(chǎn)需求。

中水可以在進入中水箱前加晾水塔1級,選用SR200系列,單級能力200方/小時,溫度由35度降低到22度。單臺功率5.5 KW,同時增加紫外消菌器1套。

3.3 通過技術(shù)改造與對車間用水設(shè)備的重新分配,各用水分配見表1。

表1 技術(shù)改造后車間用水設(shè)備的重新分配表

3.4 其他措施

1)過自主創(chuàng)新,獲得專利技術(shù)的《顆粒粕干燥爐熱能循環(huán)節(jié)能裝置》回收尾氣中的80度熱水1000KG/小時。

2)干法上菜,干法除土,噴淋洗菜的基礎(chǔ)上。壓粕水除渣、硫漂除菌工藝節(jié)約大量新鮮水。

3)車間員工進行技能提升培訓及企業(yè)新型學徒制培訓,不斷提高員工的專業(yè)素質(zhì)。

4 效果分析

4.1 敕勒川糖業(yè)耗水分析

從圖中我們可以看出,敕勒川糖業(yè)作為新廠在第一年開機生產(chǎn)時每噸菜的耗水量為0.72 t水,由于剛開始用水量非常大,隨著每年不斷的技改用水量基本呈逐年下降趨勢,但是下降并不顯著,噸菜耗水量在0.2 t以上,以處理量5 000 t計算,整個榨期的耗水量也要在10萬噸以上。2022年項目改造后,2023年榨期開始儲水1萬多噸水后不在補充新鮮水,整個榨期實現(xiàn)“零取水”生產(chǎn)(見圖5)。

圖5 敕勒川糖業(yè)噸菜耗水變遷

4.2 零取水的經(jīng)濟效益分析

項目改造前:

按照敕勒川糖業(yè)2021年的生產(chǎn)數(shù)據(jù),每年60萬噸菜,百噸菜耗水28噸,處理及使用新鮮水費用6元/噸。每年消耗費用:600 000*0.28*6=100.8萬元

項目改造后:

①運行成本為總功率消耗:泵90 KW,風機47.5 ,薩爾及紫外線燈7.5 KW,運行120天,用電成本0.52元/度。90+47.5+7.5=145 KW 145*24*120*0.52=21.715萬元

②固定資產(chǎn)投資合計87萬元,按10年折舊算:每年87/10=8.7萬元

③合計費用:21.715+8.7=30.415萬元

④2023年開機時儲水1萬多噸,開機后基本不再補充新鮮水,噸菜耗水0.05噸。水費:600 000*0.05*6=18萬元

每年節(jié)約費用:100.8-30.415-18=52.385萬

同時可節(jié)約地下水資源:16.8萬噸。

4.3 “零取水”的社會效益分析

如果按百噸甜菜耗水35噸計算,2021年北方甜菜共計加工620多萬噸,累計新鮮水用量217萬噸。2020年北方甜菜共計加工1 000萬多噸,累計新鮮水用量就是350多萬噸。我國屬水資源貧乏的國家,大部分企業(yè)直接從地下取水,與當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)爭奪地下水,很多地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)無水可取的情況。噸菜耗水量的減少,既可減少工業(yè)用水又可減少廢水排放,降低生產(chǎn)成本,節(jié)約水資源、減輕環(huán)境污染,同時提供可推廣可應(yīng)用的節(jié)能減排、低碳環(huán)保的生產(chǎn)模式,對整個甜菜制糖行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重要貢獻,具有廣泛的社會效益和可觀的經(jīng)濟效益。

5 小結(jié)

制糖生產(chǎn)“零取水”項目的實施,摘下了甜菜糖廠用水大戶的帽子,在制糖史上是一次新的突破。為甜菜制糖可綠色、低碳、環(huán)保、節(jié)能、持續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。此技術(shù)在北方制糖企業(yè)推廣應(yīng)用,可改寫食糖取水定額的國家標準,在國際甜菜制糖行業(yè)處于領(lǐng)先水平。