糖厂多效蒸发系统积垢清洗的节能潜力——悬臂式机械水力两用清洗机应用查定分析

黄向阳，莫柳珍，许广球，苏江滨，何华柱，赵 强，周锡文，梁 裕，巫少斐，何显春，覃浩荣，刘海艳，马必声，张 鑫

（1广州甘蔗糖业研究所 广东省甘蔗改良与生物炼制重点实验室，广东广州 510316；2广西永鑫华糖集团有限公司，广西南宁530021；3广西来宾永鑫小平阳糖业有限公司，广西来宾546100）

糖厂多效蒸发系统积垢清洗的节能潜力
——悬臂式机械水力两用清洗机应用查定分析

黄向阳1，莫柳珍1，许广球1，苏江滨1，何华柱2，赵 强2，周锡文2，梁 裕2，巫少斐3，何显春3，覃浩荣3，刘海艳3，马必声3，张 鑫3

（1广州甘蔗糖业研究所 广东省甘蔗改良与生物炼制重点实验室，广东广州 510316；2广西永鑫华糖集团有限公司，广西南宁530021；3广西来宾永鑫小平阳糖业有限公司，广西来宾546100）

2014/15年榨季广西来宾永鑫小平阳糖业有限公司采用悬臂式机械水力两用清洗机通洗蒸发罐，显著提高了蒸发效能，降低了生产能耗，榨季标煤耗和蔗渣打包率都创下该厂历史最好水平。本文以该厂生产查定数据为依据，通过对比分析该设备使用前后2个榨季蒸发系统的运行状况，阐明了悬臂式机械水力两用清洗机在生产应用中的节能效果，初步揭示了糖厂蒸发罐积垢清洗环节具有的节能潜力。

蒸发；积垢；传热系数；蒸发强度；蔗渣打包率；标煤耗

0 引言

国内亚硫酸法及碳酸法糖厂蒸发系统的积垢均较严重，为保证换热效率、维持正常生产，一般每天都必须轮洗一个或一个以上的蒸发罐。目前糖厂普遍采用人工手持高压水枪的方式进行蒸发罐积垢清洗，各糖厂都配有高压水泵，虽然高压水泵可提供的水压高达100 MPa，但从操作安全考虑，人工手持高压水枪清洗方式实际水压一般都不大于70 MPa，平均清洗速度大致为每1000 m2加热面积耗时110 min。

人工手持高压水枪清洗蒸发罐积垢存在的不足主要有3个方面：①安全隐患大。轮洗蒸发罐时罐内闷热，水雾重湿度大，而操作工人着装一般都缺少防护，很易造成高压水伤人事故，不利于安全生产。国内糖厂每榨季都有不同程度的高压水枪伤人事故发生。②清洗方式缺陷影响效果。高压水清洗加热管积垢的原理主要是靠细微孔中喷出的高压射流对积垢进行冲击，使积垢剥离管壁面。由于高压喷头上均布的细微孔数量有限，在2细微孔之间区域无直接射流冲击动力，对积垢清除力不强，因此在清洗完的管内壁上常见留有一些纵向残垢痕，这些纵向残垢痕也会逐渐变硬，难于清理。③清洗效果不好控制。由于操作劳动强度大，工人易于疲倦，偷工减料的操作方式普遍存在。最常见的是加热管底部约300～500 mm长度段清洗不到位，时间一长，管底部积垢越来越厚、越来越硬，形成积垢死角，最终使高压水枪无法伸进加热管末端进行清洗，严重时影响正常生产。

人工手持高压水枪清洗蒸发罐积垢的弊端已引起业界广泛关注。为进一步保障生产安全、降低生产能耗，近年一些糖厂在逐步引入新设备取替传统清洗方式，如洋浦南华糖业集团有限公司、广西农垦糖业集团股份有限公司、南宁糖业股份有限公司、永鑫华糖集团有限公司等，在2014/15年榨季均采用了S222型悬臂式机械水力两用清洗机进行蒸发罐积垢清洗。该设备能分别用高压水和机械滚压刮擦2种方式对积垢进行高效清洗，它主要由摇臂、直线驱动、旋转驱动、控制系统等部件组成，采用气力驱动，无需用电。

本文以来宾永鑫小平阳糖厂生产查定数据为依据，通过对比分析2个榨季蒸发系统的运行状况，阐述S222型悬臂式机械水力两用清洗机在生产应用中对糖厂的节能效果，初步揭示糖厂蒸发罐积垢清洗环节具有的节能潜力。

1 蒸发系统查定与计算

糖厂蒸发系统的查定，通常是通过测取有关数据，解析蒸发罐各项实际运行参数，以便了解生产中汁汽抽用和能量传递和损失状况，是分析糖厂多效蒸发系统效能和热能利用情况常用的技术手段。

来宾永鑫小平阳糖厂2014/15年榨季开始并全榨季使用使用悬臂式机械水力两用清洗机通洗蒸发罐。为进一步了解生产能耗情况，小平阳糖厂在2013/14年榨季及2014/15年榨季均对其蒸发系统进行认真的生产查定。查定是在正常而连续的生产条件下进行，每2 h采样1次，2014/15年榨季查定数据采集时间段是2015年3月5日至7日，2013/14年榨季查定数据采集时间段是2014年1月26日至28日。在设备使用前后的2个榨季，蒸发系统的各项运行参数的查定数据平均值如表1所示。此外，小平阳糖厂在2014/15年榨季还委托第三方对其锅炉运行情况进行了生产查定。

从表1可见，2个榨季蒸发系统的设备结构特性参数相同，而2014/15年榨季的榨量比2013/14年榨季高19 t/h，2014/15年榨季的清汁锤度略低于2013/14年榨季，而末效蒸发罐锤度略高于2013/14年榨季，这表明2014/15年榨季蒸发系统的生产负荷比2013/14年榨季更大。由此可见2个榨季的生产状况对比分析具有较好可比性。

蒸发系统的各项参数都是动态变化的，表1的数据虽不能完全代表整个榨季运行情况，但由于是正常生产期间的连续数据查定结果，因此能较好地反映榨季正常生产状况下的平均运行水平。

根据表1查定数据，可进一步计算出蒸发系统的各项相关参数，根据《甘蔗糖厂设计基础》[1]计算结果如表2所示。

2 蒸发系统查定结果分析

2.1 传热系数

传热系数[2]直接反映蒸发罐的传热效率高低，在生产运行中蒸发罐的传热系数会逐步降低，主要原因是蒸发罐加热面的积垢逐步生成，故糖厂必须通过轮洗蒸发罐的方式使传热能力得到恢复。经清洗后的蒸发罐传热系数得到一定程度的提高，积垢清洗得越干净则传热能力恢复得越好，因此，传热系数的高低可很客观的反映蒸发罐积垢清洗的干净程度。

表1 小平阳糖厂五效蒸发系统运行查定参数

表2 小平阳糖厂五效蒸发系统运行查定计算结果

图1反映2个榨季各效蒸发罐传热系数变化情况。使用悬臂式机械水力两用清洗机后，2014/15年榨季各效蒸发罐传热系数较2013/14年榨季的提高率如表3所示。

从图1及表3可见，2014/15年榨季各效蒸发罐传热系数都有较大程度提高，而且从I效至V效传热系数提高率呈增大趋势。这是因为后效蒸发罐的糖浆锤度高，积垢更多更硬，原来人工手持高压水枪清洗时，越后面的蒸发罐积垢越难清洗，平时留下的残垢比前面蒸发罐多，残垢导致的传热系数降低状况比前面罐更严重，而当残垢被彻底清除后，其表现出的蒸发罐传热系数的提高率自然就更大些。

图1 各效蒸发罐传热系数

表3 各效蒸发罐传热系数提高率

查定数据表明，通过采用悬臂式机械水力两用清洗机通洗蒸发罐，各效传热系数均有较大提高，越是后面的蒸发罐，传热系数提高率越大，其中末效罐的传热系数比人工手持高压水枪清洗时提高57%以上。

2.2 蒸发强度及蒸发耗汽量

蒸发强度反映各效蒸发罐的生产负荷情况，积垢清洗不干净的蒸发罐，传热系数不能得到很好的恢复，其承担生产负荷的能力会逐渐下降。在实际生产中遇到这种情况往往通过将生产负荷前移来解决，即前面蒸发罐维持较高蒸发强度，而后面罐的蒸发强度较小，这样的蒸发方案往往不利于降低蒸发系统的汽耗，不利于节能。由于2014/15年榨季各效蒸发罐传热系数都得到提高，特别是后面罐提高得更多，这有利于生产中采取更为合理的蒸发方案，实现节汽节能。根据表1中的查定数据，通过各效蒸发罐出口处糖浆锤度的查定值，可计算出各效蒸发罐的蒸发水量（表2），而根据各效蒸发水量及各效蒸发面积，可进一步计算出各效蒸发罐平均蒸发强度。图2和图3分别对比了2013/14年榨季、2014/15年榨季各效蒸发罐的蒸发水量对蔗比和蒸发强度变化情况。2014/15年榨季各罐蒸发强度较2013/14年榨季提高率如表4所示。

由图3和表4对比2个榨季各效罐蒸发强度的变化情况可看出，2014/15年榨季I效罐的蒸发强度有所降低，而第II效至V效罐的蒸发强度都有所提高，这表明更多的浓缩水分是由后面的蒸发罐通过低温汁汽蒸发掉。蒸发系统的这种运行状况更有利于生产节能。

从表2可看到，2014/15年榨季I效蒸发罐的蒸发水量降低了109.74-106.75=2.99 t/h，而其余各效蒸发水量都有不同程度提高。根据1 kg加热蒸汽可以蒸发1 kg水的简易计算方法[3]，结合多效蒸发的特点，I效蒸发罐消耗的蒸汽量即为蒸发系统消耗的蒸汽量，因此I效蒸发罐蒸发水量数值相当于蒸发系统消耗的蒸汽量。这表明2014/15年榨季蒸发系统耗汽量相对于2013/14年榨季减少了2.99 t/h，节能效果显著。考虑到2个榨季榨量不同，将蒸发系统的节汽量折算为对蔗比更便于分析。表2中也给出了2014/15年榨季较2013/14年榨季蒸发系统节汽量折算为对蔗比数值为36.46%-33.36%=3.1%。

查定数据表明，通过采用悬臂式机械水力两用清洗机通洗蒸发罐，各效的生产负荷发生了一些变化，其中I效蒸发罐蒸发强度有所降低，蒸发水量减少，而后面各效的蒸发强度有所提高，蒸发水量均有所增加。由此使得2014/15年榨季蒸发系统比2013/14年榨季采用人工手持高压水枪清洗时更加省汽，节约的汽量对蔗比为3.1%。

2.3 节约蔗渣量与经济效益

蔗渣打包量在很大程度上反映出糖厂生产能耗水平。近年糖厂除了用百吨糖标煤耗评价节能效果外，蔗渣打包率这个指标也越来越被糖厂重视，因为它既能反映生产节能状况，也能较为直接地了解节能生产

经济效益。糖厂蔗渣打包率定义为：满足燃料量后剩下的打包蔗渣量占甘蔗榨量的百分比。对于全烧蔗渣的糖厂，决定蔗渣打包率的因素除生产的整体水平外，主要还有蔗渣纤维分和蔗渣水分。小平阳糖厂的蔗渣打包率一直居于国内领先水平，在2014/15年榨季之前，该厂的历史最高蔗渣打包率为9.53%（2010/11年榨季），2014/15年榨季经改变蒸发罐积垢清洗方式后，该数据再次被刷新。

图2 各效蒸发水量对蔗比

图3 各效蒸发强度

表4 各效蒸发罐的蒸发强度提高率

小平阳糖厂只烧蔗渣发电，近4个榨季的蔗渣打包率及对应的甘蔗纤维分变化情况如图4、图5所示。

从图4可见，小平阳糖厂2014/15年榨季的蔗渣打包率为10.87%，较2013/14年榨季大幅提高1.84%，主要原因是通过采用机器清洗，蒸发罐实际运行传热系数得到提高，蒸发系统的节能潜力被挖掘出来了。下面具体分析在1.84%的蔗渣打包率提升中，由于蒸发罐积垢清洗得更干净彻底，蒸发罐运行传热系数提高而产生的实际贡献及其它因素的贡献。

根据前述查定分析得知，2014/15年榨季比2013/14年榨季蒸发系统节汽量为3.1%对蔗比，折算为锅炉燃烧的蔗渣量应为：

式中，D为蒸发节汽量折算为锅炉燃烧的蔗渣量，用对蔗比表示；W为蒸发系统的节汽量，用对蔗比表示，W=3.1%；H为I效汽鼓饱和蒸汽热焓，按查定数据查水蒸汽物性表[4]，温度为127.5℃饱和蒸汽，H=2720.2 kJ/kg；q为蔗渣低位热值，单位kJ/kg，按小平阳糖厂蔗渣水分平均值为48%，查《甘蔗制糖化学管理分析方法》[5]得q=8091 kJ/kg；η为锅炉效率，根据2014/15年榨季小平阳糖厂查定《锅炉运行工况效能测试报告》[6]获得η=0.854。

图5可知，2014/15年榨季甘蔗平均纤维分较2013/14年榨季高，而甘蔗纤维分增加也会导致蔗渣打包率提高。忽略2个榨季末压汁纯度和蔗渣水分变化影响，2014/15年榨季相对于2013/14年，因甘蔗纤维分引起的蔗渣打包率提高量具体计算如下：

d=(f2-f1)/(1-w)×100%=(11.19-10.89)/(1-0.48)× 100%=0.577%

式中，d为甘蔗纤维分变化导致的打包率提高值，用对蔗比表示；f2为2014/15年榨季平均甘蔗纤维分(%)；f1为2013/14年榨季平均甘蔗纤维分(%)；w为2014/15年榨季平均蔗渣水分(%)。

图4 蔗渣打包率变化

图5 蔗渣纤维分变化

图6 各因素对蔗渣打包率的实际贡献及占比例

由此可见，2014/15年榨季小平阳糖厂蒸发系统由于实际运行传热系数大、蒸发效能提高而产生的蔗渣打包率贡献为1.22%对蔗比，占榨季总提高率的66.30%；甘蔗纤维分、水分等因素导致的蔗渣打包率提高为0.577%对蔗比，占榨季总提高率的31.36%；其它技术管理等综合因素使蔗渣打包率提升为0.043%对蔗比，占榨季总提高率的2.34%。2014/15年榨季各因素对蔗渣打包率提升的实际贡献及其所占比率如图6示。

小平阳2014/15年榨季实际榨量75万t，通过采用悬臂式机械水力两用清洗机通洗蒸发罐，实际节省蔗渣量为750000×1.22%=9150 t，按2014/15年榨季蔗渣市场价格350元/t计算，约合产值320余万元。去除项目各项投入约50万元，获得了当年投入设备当年收回成本并产生可观收益的结果。

2.4 标煤耗

百吨甘蔗标煤耗是衡量糖厂生产能耗水平的传统指标，小平阳糖厂的标煤耗一直处在国内糖厂的先进水平，近4个榨季的标煤耗波动情况如图7所示。2014/15年榨季相较2013/14年榨季标煤耗下降值为3.485-3.122=0.363（t/百吨蔗）。

图7 连续4个榨季标煤耗变化曲线

下面具体分析采用悬臂式机械水力两用清洗机后，由于蒸发系统实际运行传热系数增大、蒸发效能提高，对标煤耗降低的实际贡献。蒸发系统节约的蒸汽量折算成标煤耗为：

式中，M为蒸发节汽量折算为锅炉燃烧的标煤量，用t/百吨蔗表示；W为蒸发系统的节汽量，用对蔗比表示，W=3.1%；H为I效汽鼓饱和蒸汽热焓，127.5℃饱和蒸汽H为2720.2 kJ/kg[4]；Q为标煤热值，为29308 kJ/kg；η为锅炉效率，根据2014/15年榨季查定报告[6]，η=0.854。

由此可见，在0.363 t/百吨蔗的总标煤耗降低中，由于蒸发效能提高而产生的实际贡献值为0.3369 t/百吨蔗，其余管理技术等综合因素带来的贡献值为0.0261 t/百吨蔗，2014/15年榨季各因致煤耗降低的构成及其所占比率如图8示。

3 结语

从查定分析和实际应用情况看，采用悬臂式机械水力两用清洗机取代人工手持高压水枪方式清洗蒸发罐，不仅能减轻蒸发罐清洗的劳动强度，保障生产安全，而且还能大幅提高蒸发罐的运行传热系数，降低标煤耗，提高蔗渣打包率，是糖厂保障生产安全和挖潜节能降耗的一条有效途径。2014/15年榨季S222型悬臂式机械水力两用清洗机在永鑫来宾小平阳糖厂的生产应用中，取得了降低蒸发耗汽量3.1%对蔗比，提高蔗渣打包率1.22%对蔗比，降低标煤耗0.3369 t/百吨蔗的实际效果。小平阳糖厂一直是业界生产节能的先进企业，各项节能基础工作都做得比较好，因此可以预计，在其它一些厂的应用中其节能效果可能会更加显著。

图8 各因素导致标煤耗降低的构成及所占比例

[1] 陈维钧，李天义. 甘蔗糖厂设计基础[M]. 北京：轻工业出版社，1987.

[2] 陈默，吴味隆. 热工学：第三版[M]. 北京：高等教育出版社，2004：12-13，398.

[3] 霍汉镇. 现代制糖化学与工艺学[M]. 北京：化学工业出版社，2008.

[4] 胡英，吕瑞东. 物理化学[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

[5] 广东省甘蔗糖业食品科学研究所. 甘蔗制糖化学管理统一分析方法[M]. 北京：轻工业出版社，1976.

[6] 广西壮族自治区特种设备检验研究院. 2014/15年广西来宾永鑫小平阳糖业有限公司《锅炉运行工况效能测试报告》[R]. 广西南宁：广西壮族自治区特种设备检验研究院，2015.

(本篇责任编校：朱涤荃)

Sugar Mill Multi-Effect Evaporation System Energy Saving Potential of Scale Cleaning - Application Case Analysis of Cantilever Type Hydraulic and Mechanical Cleaning Machine

HUANG Xiang-yang1, MO Liu-zhen1, XU Guang-qiu1, SU Jiang-bin1, HE Hua-zhu2, ZHAO Qiang2, ZHOU Xi-wen2, LIANG Yu2, WU Shao-fei3, HE Xian-chun3, QING Hao-rong3, LIU Hai-yan3, MA Bi-sheng3,
ZHANG Xin3
(1Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute/Guangdong Key Lab of Sugarcane Improvement & Biorefinery, Guangzhou 510316;2Guangxi Yongxihua Sugar Group Co. Ltd., Nanning 530021;3Guangxi Laibin Yongxi Xiaopingyang Sugar Co. Ltd., Laibin 546100)

In 2014/15 crushing season, the cantilever type hydraulic and mechanical cleaning machine was used to clean the evaporation tank in Guangxi Laibin Yongxin Xiaopingyang Sugar Co. Ltd. The results showed that the evaporation efficiency significantly increased and the energy consumption reduced. Standard coal consumption and bagasse package rate achieved the best level so far in this factory. Through comparison and analysis of evaporation system running state for two crushing seasons using this equipment before and after, this paper clarified the energy-saving effect of the cantilever type hydraulic and mechanical cleaning machine based on the investigation of the plant produced date. It revealed the energy-saving potential of evaporation tank scale cleaning station in sugar mill.

Evaporate; Scale; Heat transfer coefficient; Evaporation intensity; Bagasse package rate; Standard coal consumption

TS243+.3

B

1005-9695(2015)05-0044-07

2015-08-26；

2015-09-29

黄向阳(1963-)，男，教授级高级工程师，主要从事制糖新技术及新装备研究推广；E-mail：doro.h@163.com

黄向阳，莫柳珍，许广球，等. 糖厂多效蒸发系统积垢清洗的节能潜力——悬臂式机械水力两用清洗机应用查定分析[J].甘蔗糖业，2015(5)：44-50.