甘蔗糖厂新型硫气净化冷却装置的开发与应用.pdf

收稿日期：2023-05-09；修回日期：2023-06-19 基金项目：甘蔗与制糖产业学院专项科研项目(ASSI-2022013)作者简介：徐龙钊(2002-)，男，汉族，在读本科生，制糖工程专业，主要研究方向：制糖过程强化与技术；E-mail：*通讯作者：谢彩锋(1976-)，女，副教授，研究方向：制糖过程强化与技术；E-mail： 引文格式：徐龙钊，房韬文，赵梓如，等.甘蔗糖厂新型硫气净化冷却装置的开发与应用J.甘蔗糖业，2023，52(3)：35-40.甘蔗糖业甘蔗糖业 2023 年第 52 卷第 3 期，2023 年 6 月 Sugarcane and Canesugar Vol.52,No.3,Jun.2023 甘蔗糖厂新型硫气净化冷却装置的开发与应用 徐龙钊1,2，房韬文1,2，赵梓如1，陆建英3，梁深傲1,2，李万荣1,2，谢彩锋1,2,4,5*，李 凯1,2,4,5(1广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁 530004；2广西大学甘蔗与制糖产业学院，广西南宁 530004；3广西开帆智能科技有限公司，广西南宁 530004；4糖业及综合利用教育部工程研究中心，广西南宁 530004；5蔗糖产业省部共建协同创新中心，广西南宁 530004)摘 要：硫熏中和是亚硫酸法制糖生产的重要工序，而硫气质量好坏直接影响着硫熏中和清净效果，进而影响生产与产品质量。本文系统介绍新型硫气净化冷却装置的工作原理、组成及技术特征，并总结其实际应用效果。实践表明，应用该装置后，硫气中 SO3和升华硫的去除率分别为 92.67%和 100%，灰分含量降低 97.7%；白砂糖质量全面提升，色值、SO2、灰分、浑浊度等指标明显下降。表明该设备对硫气净化冷却效果明显，在糖厂应用前景广阔。关键词：糖厂；硫气；净化冷却；亚硫酸法 中图分类号：TS243.2 文献标识码：A 文章编号：1005-9695(2023)03-0035-06 The Development and Application of a New Sulfur Dioxide Gas Purification and Cooling Device in Sugarcane Factories XU Longzhao1,2,FANG Taowen1,2,ZHAO Ziru1,LU Jianying3,LIANG Shenao1,2,LI Wanrong1,2,XIE Caifeng1,2,4,5,LI Kai1,2,4,5(1Colege of Light Industry and Food Engineering,Guangxi University,Nanning,Guangxi 530004;2Academy of Sugarcane and Sugar Industry,Guangxi University,Nanning,Guangxi 530004;3Guangxi Kafar Smartech Co.Ltd.,Nanning,Guangxi 530004;4Engineering Research Center for Sugar Industry and Comprehensive Utilization,Ministry of Education,Nanning,Guangxi 530004;5Provincial and Ministerial Collaborative Innovation Center for Sugar Industry,Nanning,Guangxi 530004)Abstract:Sulphitation and neutralization is an important process for sulphitation process,and the quality of sulfur dioxide gas directly affects the purification efficiency,which mostly determines the finished sugar quality and sugar yield,therefore,it is necessary to purify and cool the sulfur dioxide gas.The working principle,components and its application effect in sugar factories of a new sulphur dioxide gas purification and cooling device were systematically introduced in this paper.Practice showed that the application of the device,the removal rate of SO3 and sublimated sulfur in sulfur gas was 92.67%and 100%,respectively,and the ash content was reduced by 97.7%;the quality of white sugar had been improved.It showed that the equipment had an obvious effect on sulfur gas purification and cooling.Keywords:Sugar factory;Sulfur dioxide gas;Purification and cooling;Sulphitation process 0 引言 糖是与粮、棉、油同等重要的战略物资。我国是世界食糖第四大生产国和第二大消费国，食糖年产量约 1000万 t，其中甘蔗糖占 90%以上，基本上(超【制糖与综合利用】甘蔗糖业 2023 年第 52 卷第 3 期 Sugarcane and Canesugar-36-过 95%)采用亚硫酸法清净工艺进行生产。二氧化硫(SO2)是亚硫酸法制糖工艺中最主要的澄清助剂，与加入的石灰乳(Ca(OH)2)发生反应，生成具有很高的比表面积与正电荷的亚硫酸钙(CaSO3)沉淀，将蔗汁中带负电荷的胶体、色素等非糖杂质吸附形成共沉淀，然后通过后续固液分离工序去除，从而达到除杂脱色的清净目的。目前，我国甘蔗糖厂所使用的 SO2多数是利用硫磺在燃硫炉中燃烧制备的，燃烧温度一般为 3201100。在此条件下，当燃烧空气过量系数偏小时，在燃硫炉的底部，氧气不足，过量的硫磺未能充分燃烧，硫磺易升华生成硫蒸气1-3；SO2在高温下易与氧气进一步反应，被氧化成三氧化硫(SO3)2，因此所得硫气中不可避免含有少量硫蒸气和 SO3，给制糖生产带来不利影响。其中硫蒸气在硫气冷却处理或输送过程中易凝固而沉积在管路或设备内部造成管路或设备堵塞3，影响正常生产。而硫气中 SO3可能会生成硫酸，腐蚀设备甚至导致穿孔，缩短设备使用寿命，增加设备成本4；同时，因 SO3与 Ca2+反应生成的 CaSO4溶解度明显高于 CaSO3，故清汁钙盐含量会显著升高，导致蒸发与煮糖积垢增多、生产能耗增加5，白砂糖电导灰分与不溶于水杂质含量增加6。此外，在硫磺燃烧过程中，硫磺中铜、铅、铁、锌等灰分(总含量低于 0.03%)7会被夹带在硫气中，如不去除，则会被带至蔗汁中，增加清净负荷，严重时还可能影响白砂糖质量8。由此可见，在硫气使用前对其进行净化是非常必要的。然而，目前我国甘蔗糖厂，无论是传统的自熔式燃硫炉(燃烧温度 320360)3,9，还是新型的汽化旋风燃硫炉(燃烧温度550)1、喷雾式燃硫炉(燃烧温度 8001100)10，所配套的硫气处理设备都仅强调硫气的冷却处理(间壁冷却装置)，没有净化功能，无法避免硫气中夹带的硫蒸气、SO3及灰分杂质等对制糖生产的不利影响。因此如何实现硫气净化、冷却同步处理，成为我国亚硫酸法制糖工艺提质增效的技术关键。针对上述问题，有研究者研制了 SO2冷却防渗漏装置11和硫气立式冷却水夹套装置12。其中 SO2冷却防渗漏装置通过对冷却室内壁进行耐酸防腐处理，并选用耐高温耐酸的冷却管，在一定程度上解决硫气冷却装置不耐高温不耐酸导致设备使用寿命短的缺陷；硫气立式冷却水夹套装置则是在 SO2冷却换热管下方设沉渣室，使冷却过程形成的固态硫沉积其中，在一定程度上避免升华硫沉积堵塞管路问题。然而，这些装置仍是以冷却为目的，仅仅是在一定程度上解决升华硫堵塞与 SO3腐蚀问题，效果有限，无法彻底解决硫气杂质对制糖生产的负面影响。针对上述问题，本人所在的研究团队应用直接接触换热与净化原理，开发了一种可同步对硫气进行净化与冷却的装备，该装备已在广西多家制糖企业投入使用，效果良好。本文将系统介绍其工作原理和结构组成，并结合糖厂应用实践说明其应用效果。1 新型硫气净化冷却装置的工作原理与结构 1.1 工作原理 1.1.1 冷却原理 采用直接接触式冷却方式，即冷却水从装置上部向下呈雾状喷洒，高温硫气则从装置下方进入，两者呈逆流方式直接接触，根据热力学第二定律，热量将从高温硫气传递给冷却水，达到冷却硫气的目的。1.1.2 净化原理 在冷却水与硫气接触时，会将硫气夹带的固态灰分颗粒润湿，并在固体粒子表面形成双分子层结构，因外层的极性端与水具有很强的亲和力，故固体颗粒会被留在冷却水中。与此同时，硫磺灰分的氧化物或蒸气通过溶解或凝固等方式保留在冷却水中，因此能有效将硫气灰分氧化物或颗粒物去除。SO3极易溶于水且在水中溶解度可达到 100%，因此在硫气直接接触式冷却过程，会溶于水生成硫酸，使硫气 SO3显著下降甚至变为 0，从而避免 SO3生成硫酸导致设备被腐蚀的问题。与此同时，SO2是一种微溶于水且溶解度随温度升高而降低的气体3，在 6070下溶解度为每 0.0350.040 g/mL，且与水反应生成的亚硫酸(HSO)不稳定，易分解为SO2和水。因此使用直接接触式装置对高温硫气进行处理时，可在不造成 SO2损失的前提下将升华硫、灰分及 SO3等杂质有效去除，获得洁净硫气。1.1.3 装置的主要部件 该新型硫气净化冷却装置由呈圆柱形且顶部为倒圆锥形的洗涤冷却塔、冷却水过滤装置、冷却水循环利用系统及液位自动控制系统等组成(图 1)。其中洗涤冷却塔顶部和中部分别装有有机硫过滤器、徐龙钊等：甘蔗糖厂新型硫气净化冷却装置的开发与应用-37-冷却水喷淋装置及有机填料层，各部位的主要作用如下：(1)冷却水喷淋装置：使冷却水形成雾状液滴，增大冷却水与硫气的接触面积，达到快速冷却除杂的目的。喷淋管外层采用非金属耐酸耐高温材料包裹，避免高温强酸腐蚀，确保设备使用寿命。(2)有机填料层：安装在洗涤冷却塔中部，以增加硫气与冷却水的接触面积，增强冷却与净化效果。所用材料是耐酸耐腐蚀的复合材料。(3)有机硫过滤器：安装在洗涤冷却塔上部的倒圆锥体里面，含有适量活性炭。主要利用其超强的吸附能力，将冷却净化处理后的硫气中所夹杂的水和残留杂质进一步去除，确保硫气洁净度。(4)冷却水过滤装置：包括过滤装置、循环泵和排污管。过滤装置作用是将冷却水的固体颗粒截留，然后从排污口排出；而滤液，即酸水则通过循环泵被送回喷淋装置循环使用，从而显著减少硫气净化冷却用水量和废水末端处理成本。所用材料为耐腐蚀的全非金属材料。(5)液位自动控制系统：由工控机、液位传感器及控制软件组成。主要通过液位传感器等装置采集液位数据，然后利用工控机与控制软件自动根据硫气温度、硫气流量等调节液位控制阀门等实现冷却水量的调节，实现全过程自动控制。除此外，设备硫气管入口安装有耐高温耐腐蚀的保护套，避免高温硫气腐蚀管道，影响设备寿命。图 1 新型硫气净化冷却装置结构与工艺流程示意图 甘蔗糖业 2023 年第 52 卷第 3 期 Sugarcane and Canesugar-38-1.2 工艺流程 首先在塔内注入适量冷却水确保塔底具有一定液位。高温硫气从塔底切线进入，而冷却水经泵加压从塔顶喷淋装置呈雾状喷出，在塔内与上升硫气逆流接触，高温硫气将热量传递给冷却水，温度迅速下降；与此同时，硫气中灰分杂质与 SO3因被水润湿或溶解而留在冷却水中，而洁净的低温硫气则继续上升通过顶部有机硫过滤器离开洗涤塔，然后被送至硫熏中和器。硫气温度可通过调整冷却水水量进行灵活调节，能很好满足生产需要。2 新型硫气净化冷却装置的应用效果 目前，该硫气净化冷却装置已在广西 6 家甘蔗制糖厂推广应用，效果良好，主要体现在白砂糖品质显著提升、SO2利用率提高、硫磺用量减少及清混汁纯度差提高等方面。我们对 6 厂中 A、B 两厂进行了详细的跟踪对比，以下以 A、B 两厂的数据为例进行分析。2.1 白砂糖质量全面提升 图 2 和表 1 分别是 A 厂应用新型装置前后白砂糖成品质量对比和 B 厂应用新型装置前后白砂糖指标对比。从图 2 和表 1 可以看出，2021/22 年榨季使用该新型硫气净化冷却装置后，A 厂与 B 厂白砂糖色值、SO2、灰分、浑浊度和不溶于水物质等含量相较于 2020/21 年榨季均明显降低。其中，A 厂的色值、SO2、灰分、浑浊度和不溶于水物质由使用前的129 IU、27 mg/kg、0.09%、25 mg/kg、110 MAU 分别下降至使用后的 109 IU、11 mg/kg、0.06%、11 mg/kg、35 MAU；2021/22 年榨季 B 厂使用该新型硫气净化冷却装置后，所产白砂糖质量与 2020/21年榨季同期(未使用)相比，色值平均降低 12 IU，降幅为 10.86%；灰分平均下降 5.86%，内控 AA 级糖产率显著提升，二级糖和等外糖均下降至 0。数据表明使用新型硫气净化冷却装置后，由于硫气洁净度提高，硫熏中和清净效果也相应提高，加上硫气灰分与 SO3对制糖生产负面影响的消除，使得产品质量得以明显改善。2.2 硫气净化效果显著 图 3 为 A 厂应用新型装置前后出口气体中的杂质含量对比，从图 3 可以看出，糖厂在应用该新型硫气净化冷却装置后，出口硫气的 SO3、升华硫、灰分等杂质含量大幅度降低：SO3由 1.5%降低至0.11%，降幅达 92.67%；升华硫含量由 0.25%降至0%；灰分含量也由 0.87%降至 0.02%，降幅达 99.7%。表明使用新型硫气净化冷却装置后，硫气净化效果显著，SO2纯净度得到大幅度提高，故硫熏中和清净效果显著提升，有利于提高白砂糖产率和质量。图 2 A 厂应用新型装置前后白砂糖成品质量 徐龙钊等：甘蔗糖厂新型硫气净化冷却装置的开发与应用-39-表 1 B 厂新型硫气净化冷却装置使用前后白砂糖指标对比 项目指标 使用前 使用后 2021 年 1 月 2021 年 2 月 2022 年 1 月 2022 年 2 月 灰分(%)0.0449 0.0422 0.0418 0.0402 色值(IU)107 114 96 101 蔗糖分(%)99.77 99.75 99.78 99.77 AA 级糖(%)61.18 56.16 78.38 84.62 A1 级糖(%)25.48 18.25 19.86 15.38 二级糖(%)0.11 13.26 1.35 0.00 等外糖(%)13.23 12.32 0.41 0.00 图 3 A 厂应用新型装置前后出口气体中的杂质含量 2.3 二氧化硫利用率提高，硫磺用量减少 由图 3 可以看出，该新型硫气净化冷却装置的使用可有效将升华硫和 SO3等杂质去除，显著提升了硫气中的 SO2分压，从而提高其在蔗汁的溶解度13-14，因此硫熏中和过程 SO2吸收利用率高4，且硫熏强度稳定，硫熏效果好，可减少硫磺用量。2.4 蔗汁清净效果好 清混汁纯度差是衡量亚硫酸法糖厂清净效果的最重要指标，清混汁纯度差高有利于糖分回收和白砂糖质量的提高。图 4 为 B 厂应用新型装置前后的清混汁重力纯度差对比，从图 4 可以看出，使用新型装置后(2022 年 1、2 月份)B 厂清混汁纯度差相对于使用前(2021 年 1、2 月份)有大幅度提升，表明使用新型硫气净化冷却装置后，因为硫气中升华硫、SO3及灰分杂质等被有效去除，因此硫气中 SO2分压显著增大，故硫熏中和过程 SO2吸收得以显著改善，且由硫气带入蔗汁杂质含量显著减少，故硫熏中和清净效果显著提高，清汁纯度明显提升。3 结论 实践证明，该新型硫气净化冷却装置，在对硫气进行冷却处理的同时还能起到良好净化效果，显著提高硫气质量，因此 SO2利用率和蔗汁清净效率均明显提高，硫磺用量减少，白砂糖产品质量全面显著提升。同时能很好地解决传统硫气冷却系统升 甘蔗糖业 2023 年第 52 卷第 3 期 Sugarcane and Canesugar-40-图 4 B 厂应用新型装置前后的清混汁重力纯度差 华硫塞管路和 SO3腐蚀等问题，延长设备使用寿命，降低生产成本5,11-12。与此同时，该设备运行采用全自动控制系统，并能根据蔗汁流量、硫气流量、硫熏强度等自动调节冷却水用量与循环利用周期等，因此净化冷却效果稳定，提质增效效果明显，在糖厂推广应用具有广阔前景。参考文献 1 黄永春，唐军，杨锋，等.自熔式燃硫炉燃烧过程的数值模拟J.计算机与应用化学，2010，27(5)：610-616.2 黄映成，蓝红勇，蓝胜宇，等.汽化旋风燃硫炉及其在糖厂的应用J.广西蔗糖，2011(3)：19-22，29.3 黄永春，唐军，杨锋，等.过量空气系数对自熔式燃硫炉燃烧性能影响的三维数值模拟J.现代化工，2010，30(S2)：311-315.4 李晓文.浅谈二氧化硫气体溶解度常数的工业化应用J.山东化工，2016，45(6)：81-83.5 张玉杰.烟气露点与露点腐蚀防护J.硫酸工业，2020(10)：7-12，21.6 谢彩锋，陆海勤，陈永生，等.超声-脉冲电场协同作用对制糖钙盐积垢的防除研究J.甘蔗糖业，2014(2)：35-39.7 中华人民共和国卫生部.食品安全国家标准 食品添加剂 硫磺：GB 3150-2010 S.北京：中国标准出版社，2010.8 刘桂云，柳颖，常国炜，等.甘蔗亚硫酸法制糖过程中的灰分及其对生产的影响J.甘蔗糖业，2018(3)：24-29.9 带辅助燃烧室的自熔式液态燃硫炉J.甘蔗糖业，1978(4)：5-7.10 何雅林.一种固态高效燃硫炉：CN202440311U P.2012-09-19.11 刘锦捷.甘蔗糖厂二氧化硫冷却装置防渗漏改造方法及效果J.轻工科技，2016，32(2)：29，55.12 巫宗学，邓承斌，欧卫东，等.一种硫气冷却立式水套：CN205328616U P.2016-06-22.13 李全中，倪小明，王延斌，等.CO2分压条件下煤中矿物质溶解度数值模拟J.煤田地质与勘探，2013，41(6)：19-21，42.14 陈天明，魏凤玉，童晨，崔鹏.低分压 SO2在 N，N-二(2-羟乙基)哌嗪水溶液中的溶解度J.化学工程，2010，38(8)：60-63.(本篇责任编校：凌婉阳)