甘蔗糖廠多次元精準配比低溫新型燃硫爐系統的開發與應用

廖茗揚，鄧丕碩，黃思豪，陸建英，郭海湛，黃小蕓，鄧立高*，李 凱,5,6

(1 廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧 530004；2 廣西大學甘蔗與制糖產業學院，廣西南寧 530004；3 廣西開帆智能科技有限公司，廣西南寧 530004；4 廣西糖業集團有限公司，廣西南寧 530022；5 糖業及綜合利用教育部工程研究中心，廣西南寧 530004；6 蔗糖產業省部共建協同創新中心，廣西南寧 530004)

0 前言

食糖是關系國計民生的重要產品，既是食品、飲料、醫藥等眾多產業必不可少的基礎原料，也是城鄉居民的生活必需品。當前，制糖企業對產品成本和質量提升有更高的要求[1]。甘蔗汁澄清在白砂糖生產中起著重要作用，澄清控制不當會導致蔗糖分損失增加、清汁色值高、含硫量高等不良現象，對產品質量有很大影響[2]。目前我國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鍵環節，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生成亞硫酸鈣，作用是吸附非糖雜質、抑制色素生成和降低鈣鹽含量等，硫熏中和過程中SO2的吸收效果直接影響白砂糖產品質量及產糖率[3]。

燃硫爐的作用是制備SO2，燃硫爐對于SO2的穩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。我國亞硫酸法甘蔗糖廠傳統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，空氣供應不穩定，生成的SO2濃度低且不穩定。當蔗汁流量發生變化時，硫熏汁pH 值難以穩定，同時易生成升華硫和SO3；停榨或其他原因突然停止來汁時，無法立即停止燃燒，SO2氣體四處飄散，影響工人身體健康[4]。為解決這些問題，前人研發了高溫噴霧式燃硫爐，該爐通過高壓噴射霧化液硫并由風機吹入一定比例的空氣混合完成燃燒過程，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，甚至能達到1300℃。在600～900℃時，SO2容易進一步氧化成SO3，同時在高溫條件下空氣中的氮氣和氧氣會形成NO 等氮氧化物(NOx)，污染環境[6]；另外，高溫條件下更易造成設備腐蝕，對設備要求高。因此，為解決上述問題，前人開發應用了汽化旋風低溫燃硫爐，其優點是設備材質要求低、維護成本低，但其硫磺量無法實現精準控制；高壓風機無法達到精準控制風量，雙風機配風模式增加配風操作難度，硫磺與風量無法精準配比；燃燒效率偏低；硫熏強度波動大。

為了降低硫氣溫度，燃硫爐系統都會配套硫氣處理設備。但是，傳統的硫氣處理設備僅能降溫，沒有硫氣凈化功能，無法避免硫氣所含雜質對制糖生產造成的不利影響。新型硫氣洗滌裝置同時具備硫氣冷卻與洗滌功能的裝置，解決了傳統燃硫爐配套硫氣處理設備的缺點，能夠進一步提升硫氣質量。

因此，研發能實現根據榨量自動精準控制、燃硫量、風量精準配比并配套新型硫氣洗滌裝置的新型低溫燃硫爐系統對提升甘蔗制糖工業生產技術水平，促進企業提質增效、減少環保壓力，促進制糖業穩定發展具有重要意義和經濟價值。本團隊創新性地開發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，結合糖廠實際生產應用說明該系統效果，為糖廠生產應用提供參考。

1 多次元精準配比低溫新型燃硫爐系統工作原理

多次元精準配比低溫新型燃硫爐系統由多次元精準配比低溫新型燃硫爐配套新型硫氣凈化冷卻裝置組成。系統以多次元精準配比低溫新燃硫爐為主體，PLC 控制系統為控制中樞，實現自動精確控制技術、硫磺量與風量的精準配比控制技術以及低溫燃燒技術的融合，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，以進一步提升硫氣質量。

圖1 多次元精準配比低溫新型燃硫爐工作原理

1.1 自動精確控制技術原理

如圖1 所示，新型燃硫爐由PLC 控制系統進行自動控制，PLC 是一種可編程邏輯控制器，通過具有“可編控制程序”作用的存儲系統，執行自動化系統中的順序運算、邏輯運算指令，根據指令輸出、輸入控制信號，起到控制各類設備、生產機械的作用[7]，其優點是抗干擾能力強，環境適應性強，應用范圍廣，操作便捷，實現設備自動化、安全化、高效化[8]。通過PLC 控制系統能夠依據設定硫熏強度與實時混合汁量計算所需硫磺量，再通過齒輪計量泵控制液態硫磺進入燃硫爐的量，進而實現對燃燒硫磺量的精確控制。齒輪計量泵是化學品精確投放的理想設備[9]，具有輸送精確、運行可靠的優點，在各種溫度、粘度、壓力的條件下能保證流量穩定，因此使用齒輪計量泵保證了硫磺泵送量的精確度。

1.2 硫磺量與風量的精準配比控制技術原理

硫磺量與風量的精準配比控制技術是通過PLC控制系統根據實時硫磺泵送量得到所需風量并精確控制進入燃硫爐內的風量，風量的控制由計量羅茨鼓風機實現。羅茨鼓風機屬于旋轉活塞容積式氣體壓縮機械，能夠實現葉輪旋轉無內壓地將氣缸容積內的氣體從進氣口推移到出氣口[10]，并且輸送的風量與轉速成比例[11]，可以通過控制轉速精確控制風量。羅茨風機具有精度高、安全、使用周期長并且結構簡單易安裝的優點[12]，將風機與PLC 系統關聯，能夠實現按硫磺量精確配比風量。

1.3 低溫燃燒技術原理

高溫燃硫爐的燃燒溫度通常大于1000℃，在該溫度下易生成SO3，并且對硫氣冷卻系統有較高要求，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，減小設備損傷[13-14]。如圖2 所示，本技術通過在燃硫爐外部設置環型冷卻水套，套筒設在燃硫爐表面，冷卻水在套筒內循環流動以降低爐內燃燒溫度，進而實現低溫燃燒。

圖2 新型燃硫爐實物圖

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入，兩者以逆流方式直接接觸，熱量由硫氣傳至冷卻水，實現硫氣冷卻。在冷卻過程中，由于硫氣夾帶的灰分顆粒與冷卻水直接接觸會在其表面形成雙分子層結構，外層極性端與水有強親和力，因此，固體顆粒會被冷卻水帶走。其他雜質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，溶解度與溫度呈負相關。而且，SO2與水反應生成的亞硫酸(H2SO3)不穩定，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將升華硫、灰分及SO3等雜質有效去除，提高硫氣質量。

2 生產實際應用效果

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產品質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，說明使用新型燃硫爐系統能夠提升生產的澄清效果。這可能是由于新型燃硫爐系統通過控制硫磺燃燒，生成穩定且適量的SO2并減少SO3，韋信冰等[16]在研究中也有類似結果，他們通過調節進風量控制硫磺的燃燒過程，發現進風量直接影響SO2濃度或SO3生成速率。產生的硫氣再經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，有效去除非糖分，清混汁純度差提升。

圖3 新型燃硫爐系統使用前后清混汁純度差

2.2 蒸發罐積垢硫酸鹽含量

蒸發罐積垢是糖汁在蒸發過程中沉積下來的不溶物固體，其主要成分為鈣鹽，如磷酸鈣、硫酸鈣[17]，這些積垢對蒸發過程有極大影響，如降低蒸發傳熱效率[18]，延長蒸發時間，甚至影響白砂糖質量[19]。因此，減少蒸發罐積垢能節約能源，降低成本，提高白砂糖質量。其中，硫酸鈣形成是由于在蔗汁澄清過程中加入石灰乳以及SO3[20]，硫磺燃燒過程中的燃燒溫度、硫磺量和空氣量等因素都會導致SO3生成。使用新型燃硫爐系統可以在硫磺燃燒階段控制上述條件抑制SO3生成，再經新型硫氣洗滌裝置去除硫氣中的SO3，進而減少蒸發積垢硫酸鹽含量。表1 可以看出，使用新型燃硫爐系統后，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]，由于本文未對蒸發過程進行研究，因此不做過多分析。但從各效蒸發罐積垢中硫酸鹽的總量上看，用前各效蒸發罐積垢中總硫酸鹽含量為3870 mg/kg，用后各效蒸發罐積垢中總硫酸鹽含量為3001 mg/kg，降低22.45%，說明使用新型燃硫爐系統能夠顯著降低硫酸鹽積垢的產生，即有效減少SO3含量。

表1 新型燃硫爐系統使用前后蒸發罐積垢硫酸鹽量

2.3 白砂糖品質

表2 為各月份白砂糖品質數據的平均值。由表2 顯示，使用新型燃硫爐系統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能有效降低白砂糖色值，這可能是新型燃硫爐系統硫磺燃燒穩定，硫氣洗滌后更純凈，硫熏中和能力提升，非糖分被有效除去，非糖分對白砂糖色值有較大影響，如酚類物質、色素等非糖分是白砂糖色值的主要影響物質。除色值外，其他指標在使用新型燃硫爐系統后也都有提升，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后其AA 級白砂糖的產率得到顯著的提升，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%，并且極少產出二級、等外白砂糖，尤其是2022 年2 月未生產出二級、等外白砂糖。這些結果都說明新型燃硫爐系統能顯著提升甘蔗糖廠生產白砂糖的質量和產量。

表2 新型燃硫爐系統使用前后白砂糖指標

表3 新型燃硫爐系統使用前后各級白砂糖產率

3 結論

甘蔗糖廠多次元精準配比低溫新型燃硫爐實現了硫磺高效穩定燃燒，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。同時新型低溫燃硫爐系統具有生產安全率高、運行成本低、自動化等優勢，可以優化白砂糖生產工藝，提高白砂糖產品質量及產量，保證產品質量的穩定性，其將逐步替代傳統簡單、笨重、低效的甘蔗糖廠燃硫系統，為甘蔗糖廠實現澄清過程自動化控制奠定基礎。