2006
为了得出联产食糖和酒精的生产厂所能达到 的最大联产效果，以巴西日榨2.4 万t/d 的大型 糖厂为试验目标。该糖厂的主要数据和特性见表 1 和图1、图2。榨期为200 天/年，在此期间， 同时生产食糖和酒精。食糖生产方面，巴西的糖 厂通常使用初压汁，用传统的石灰澄清法或亚硫 酸法处理初压汁，只煮二系糖膏。甲糖通常是色 值为150～200 IU 的耕地白糖。乙糖通常用作甲 糖底料，乙糖蜜与已澄清的初压汁以外的压榨汁 和部分滤清汁一起送进酒精车间。
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图1 蒸汽与电力生产流程（原有的模式） |
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图2 原有的蒸发罐流程图 |
通常甘蔗的全糖分为15％，其中的7％用于 制糖，另外的7％送入相连的酒精车间用于生产 酒精，余下的1％为糖厂的所有糖分损失（包括 蔗渣、滤泥、洗蔗水和未测定糖分）。目前，巴西 酒精厂的发酵率可达91％（化学计算效率），蒸 馏率将近99％，因此，在该试验中，每吨甘蔗可 产酒精约40 L，1 天可产酒精约9.6 万L。目前， 巴西类似生产能力的酒精厂的耗汽量为3.5～4.5 kg/L。最终生产出与汽油混合的99.5％无水酒精。
图1 显示目前采用的蒸汽锅炉和透平发电 机，以及列明了所有的乏汽用户（工艺用汽）。总 共安装了5 个锅炉，有2 种压力。3 个较老式的 锅炉（280℃，21×105 Pa）所产生的蒸汽为100 t/h，另2 个较现代的锅炉（420℃，46×105 Pa） 产生的蒸汽为130 t/h。压力较低的锅炉蒸汽供 给预处理和2 列榨机用的透平机，总共需要动力 12.2 MW。另外，2 个46×105 Pa 锅炉供给3 个 10 MW 的透平发电机，总共发电28.8 MW。糖厂和 酒精厂的需电总量为16.0 MW，剩余的12.8 MW 可出售。目前平均净电价为40 美元/MW·h，收入 约达250 万美元/年。
糖厂和酒精厂的工艺用汽（2.5×105 Pa）总 耗汽量为510.7 t/h。包括以下方面：
(1)第1 效蒸发为3253 t/h
(2)酒精厂为157 t/h
(3)锅炉给水除气器为2.7 t/h
(4)通过蒸汽直接喷射加热的蒸汽为15.7 t/h
(5)其它用途和损失为10.0 t/h
 | 表1 巴西联产糖与酒精的糖厂未改造前基本数据 |
根据热量和电量平衡，锅炉不需要燃烧所有 的蔗渣，每小时剩余41.3 t，1 年共剩余20 万t 蔗渣。剩余的蔗渣大部分出售给邻近的其它用户。 依据供求关系的不同而蔗渣价格也不同，平均价 格约为5 美元/t，就此项可额外增加收入100 万 美元。
糖厂原有的蒸发流程设计图如图2 所示。它 是一组五效蒸发罐，抽第1 效蒸发罐的汁汽（现 在称预蒸发）供煮糖和加热蔗汁。部分乏汽进入 第1 效蒸发罐前，先加热澄清汁，其它汁汽没有 更多的可加以利用。由于第5 效蒸发罐出来大量 汁汽（75 t/h）进入冷凝器（又称冷凝损失），因 此，糖浆的锤度仅为60°Bx。而蒸发罐和蔗汁加 热器消耗的乏汽量达到325.3 t/h。加热表面积 （没有备用罐）为18000 m2。
上述所提及的酒精厂是传统使用乏汽的蒸馏 塔（有些甚至直接用蒸汽喷射），据调查，耗汽率 为3.92 kg/L,即在制造无水酒精前，蒸馏和全过 程消耗蒸汽量为157 t/h。另外，在进入分子筛 脱水前，还需要小量（2 t/h）7×105 Pa 蒸汽过 热酒精至150℃。在大气压力下操作加热塔。发 酵液的原料（初压汁以外的蔗汁、部分滤液和乙 糖蜜）经发酵可获得含9％～10％的酒精醪液和 含量约12％～13％的酵母浓缩液。发酵池是间歇 入料型，并有酵母回流。
(1)主要改进蒸发罐和蔗汁加热器 为了使投资合理，并获得良好的投资回报率， 在保持主要生产工序不改变的情况下，重新设计 并改进糖厂以尽可能获得最大的联产效果。因此， 在压榨、蔗汁澄清或煮糖工序等技术没有改变的 情况下，建议实行以下的主要措施：
①主要改进蒸发罐和蔗汁加热器（见图3）
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图3 革新改进后的蒸发系统流程图 |
②加热面积提高60％（为了缩短停留时间和 能够在低温差条件下工作，装设降膜蒸发罐）。
③在各效抽汁汽,使糖浆浓度达72°锤度， 乏汽消耗量降低33％。
④第3 效分为两个平行的罐:来自IIIa 的汁汽 被送入蔗汁加热器,来自IIIb 的汁汽进入煮糖罐。
⑤澄清汁不经乏气进入IIIb 罐，由于蔗汁量 大，蒸发罐的汁汽可适应煮糖罐的波动需求。
⑥为了能利用所有效的汁汽，用宽间隙板式 加热器加热蔗汁。
⑦基本上没有“冷凝损失”(冷凝器可以很小, 仅作启动所需）,这可以使水喷射中大大节约能耗。
(2)因为要使用第3 效蒸发罐中温度只有106 ℃的汁汽，而且为了能够充分对流，所有煮糖罐 都带有搅拌器，便于实行全自动煮糖。
(3)用65×105 Pa 锅炉和冷凝透平机替代21 ×105 Pa 蒸汽锅炉和透平机。（见图4）包括：
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图4 蒸汽及电的生产图（改进后） |
①2 个新的蔗渣锅炉（65×105 Pa，510℃）， 每小时可发生蒸汽180 t。
②2 个新的冷凝透平机，每个可产电38 MW， 并具高效率（耗汽率3.63 kg/kW·h）。
③1 个新的背压透平机可发电13 MW。还需要 每小时抽汽量为67.3 t 的蒸汽（11×105 Pa）， 以供应改进后的酒精车间。
④原有的2 个130 t/h 的锅炉（46×105 Pa， 420℃），以及3 个10 MW 的背压式透平机，利用 率接近90％。
(4)包括压榨和预处理设备在内，糖厂的所有 设备实行电动机驱动。现有的效率低下的透平机 驱动设备（蒸汽消耗量为14～18 kg/kW·h）都 将被带有频率转换器的高压电动机所取代。
(5)蒸馏塔转为多级差压蒸馏及汽化酒精脱 水操作。详情可参阅早前刊登在《ISJ》(2003, Vol.105,1257)由F.Seemann 撰写的论文。主要内 容是减少在蒸馏过程中蒸汽的消耗。分述如下：
①使用多效差压系统，只有第1 个精馏塔使 用1.68 kg/L 11×105 Pa 的蒸汽（这需要精馏塔 在3×105 Pa、130℃的条件下操作）。
②酒精蒸汽来自第1 个精馏塔（RC-I），并通 过再沸器加热第2 个精馏塔中的醪液。
③由第2 个精馏塔出来的酒精蒸汽（RC-Ⅱ） 在MC-Ⅱ上面，大约是大气条件下（1.5×105 Pa 和100℃）也是通过再沸器加热第1 个醪液塔 （MC-I）。
④第1 个醪液塔（MC-I）在真空和温度接近 50℃的条件下运作。
⑤来自RC-II 塔的酒精蒸汽，虽然已达到96 ％浓度却并不冷凝，而是在汽态下用分子筛脱水。 在进入分子筛前，仅需小量7×105 Pa 蒸汽（约2 t/h）过热酒精至150℃。
为了能在蒸馏塔进行上述的改变，我们的设 计不得不分别在真空条件即新的压力状况下从详 考虑，如有必要甚至还会替换部分蒸馏塔。在蒸 馏塔里塔板的选择也是很重要的，理想的塔板应 为80～90 个泡帽。
糖厂总共将需要消耗2.5×105 Pa 的蒸汽（工 艺用汽）269.7 t/h，具体如下：
(1)第1 效蒸发为219.4 t/h
(2)锅炉给水除气器为8.0 t/h（由于经冷凝 式透平机出来的凝缩水达到50℃“低温”，故须 除气）
(3)其它用户和损失为10.0 t/h。
另外，如上述提及的酒精厂总共需要11×105 Pa 67.3 t/h 的蒸汽（来自抽汽/背压式透平机）， 食糖和酒精生产过程中需要蒸汽量为304.7 t/h。 实施上述所提的措施。食糖和酒精生产的蒸 汽消耗量从511 kg/t 降至305 kg/t，用于工艺 用汽的一次蒸汽降低40％。作者在其它糖厂的经 验表明一次蒸汽的降低率可达到更低。
剩余可供出售的电量从12.8 kW·h/t 增高至 82.6 kW·h/t，除了保留必要的停机期间和开机 的贮备外，糖厂的所有蔗渣都加以利用。就此可 提高545％的收益。根据以下的数据，预测可增 加的额外收入（保守估计联产电的净价为0.04 美 元/kW·h）。
(1)目前状况
电量出售：480 万t/年×12.8 kW·h/t×0.04 美元/kW·h＝245.76 万美元/年。
剩余蔗渣出售:20 万t×5 美元/t=100 万美元 /年。
(2)最佳状况
电量出售：480 万t/年×82.6 kW·h/t×0.04 美元/kW·h=1585.92 美元/年。
由于联产效果提高，多增加收入:1240.16 万 美元/年。
综合上述所提的措施，由于额外增加收入， 可得到一个较短的回收期。随着技术改进、自动 化水平提高和管理控制水平的改善，联产不仅能 提高生产效率，而且还能提高糖厂的产糖率。
巴西食糖/酒精生产厂按照上述措施设计安 装了简化装置。在蒸发阶段首先装配4 个新的降 膜蒸发罐，所有的蔗汁加热器都换上板式加热器， 并实行全面抽汁汽。通过新的降膜板和来自所有 效的蒸汽交换来实现。顺序的自蒸发器以收回凝 缩水的热量，因为外形相象，通常称做“冷凝雪 茄”，可获得最大的自蒸发量。
高压锅炉在提高糖厂联产能力中的作用显得 很重要。图5 是装配有背压式发电机的联产糖厂。 锅炉压力30×105 Pa 和温度400℃的条件下，工 艺用汽(对蔗百分比)与发电用量(每吨蔗千瓦时) 的比率可达到0.97％自足率。通过改进透平机， 并把锅炉压力提高至60×105 Pa,500℃,发电能力 可提高40％。若锅炉的压力为85×105 Pa、525 ℃,则提高的数值可达167％，其它参数保持不变。
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图5 用背压式透平发电机供电（蒸汽用量不变） |
在联产食糖和酒精的生产厂可以通过以下措 施来降低能耗：
(1)利用高压蒸汽锅炉和冷凝式透平机
(2)糖厂的所有设备都全部使用电动机装置
(3)所有蒸发罐全面抽汁汽，并利用宽间隙蔗 汁加热器，降膜蒸发罐和第3 效汁汽供煮糖罐使 用。
(4)多级差压蒸馏操作蒸馏塔和进行酒精汽 相脱水。
因此，联产食糖/酒精的糖厂的联产能力能提 高545％（200 天生产期从6.13 万MW·h 提高到 39.65 万MW·h），从而大幅度增加收入。
(蓝艳华译自《ISJ》，陈世治校)
(本篇责任编校：邢海萍)