2013
糖汁的蒸发需要消耗大量的加热蒸汽，同时产 生大量的二次蒸汽俗称汁汽 ，这些二次蒸汽具有 较高的温度，可作为热源供其它工段使用。从热力 经济的观点看，蒸发工段在糖厂成为热力系统的中 心，它既是高温蒸汽的消费者，又是其它工段的低 温蒸汽的供应站，同时，它还是锅炉入炉热水的主 要来源并为其它工段提供工艺用热水。因此，蒸发 工段是糖厂热工流程的核心，研究蒸发系统的合理 热利用是糖厂节能的关键。
目前我国糖厂普遍采用五效压力-真空蒸发系 统， 具体的热力方案实施根据厂里的实际工况需求、 设备性能和操作控制而有所不同。评价糖厂蒸发系 统能耗水平和节能措施的热力学方法主要有 2 种， 即热量平衡分析法和有效能平衡分析法。目前糖厂 蒸发系统热力方案的制定和节能设备的研发大多采 用热量平衡分析方法。热量平衡分析法主要是考虑 能量在数量上的平衡关系，因为在工业上进行热量 消耗数量上的查定和测算比较便捷；而有效能平衡 分析法同时考虑了能量在“量”和“质”2 方面的 利用程度，是一种更为全面的能量分析方法。糖厂 蒸发系统中涉及不同品质的汽的使用，应使用有效 能平衡分析法更为合理。本文根据糖厂蒸发系统查 定的数据进行热量平衡和有效能平衡计算，进而分 析提高蒸发系统热效率的主要途径，为糖厂节约能 源提供依据。
某糖厂五效蒸发系统，前 2 效蒸发罐的加热面 积 A1、A2均为 4000 m2，第 3 效蒸发罐加热面积 A3 为 2500 m2，后 2 效蒸发罐加热面积 A4、A5分别为 2000 m2、1600 m2另一台备用蒸发罐加热面积为 1200 m2 ， 各蒸发罐内的加热管长均为 3 m。 生产均 衡的某一时段入罐清汁流量为 330 t/h，清汁平均锤度 15.95゜Bx，蒸发罐糖浆出口平均锤度 65.4゜Bx。 查定蒸发罐加热蒸汽、汽凝水和汁汽温度及其它性 能结果见表 1。
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表 1 蒸发罐加热蒸汽、汽凝水、汁汽的性能 |
忽略糖汁过罐的自蒸发及蒸发罐的散热损失， 各效蒸发罐抽用汁汽的用途查定数据和用量计算[1] 结果见表 2。
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表 2 蒸发罐各效抽汁汽用途与用量 |
根据《甘蔗制糖原理与技术三 》[1]中的计算 公式，可计算得到糖汁总蒸发水量、各效蒸发罐的 蒸发水量、进入冷凝器的汁汽量、各效罐出口糖汁 锤度等数值，结果见表 3。
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表 3 蒸发罐蒸发状况 |
根据糖厂蒸发系统的查定数据进行基本物料计 算，为评价蒸发系统以及对蒸发系统进一步调节提 供依据。从传热系数 K 的计算结果来看，I效蒸发罐 的传热系数 k 值较高，该蒸发罐处于刚刚轮洗完的 状态， 该效的蒸发水量和传热速率可以适当提高些； Ⅱ、III、IV效蒸发罐的传热系数 K 值处于正常的范 围之内，但V效罐的 K 值稍微偏低。由于蒸发罐在 运行过程中积垢不断生成和增加，蒸发罐的传热系 数逐渐降低，蒸发强度也会降低，因此糖厂应根据 查定结果或系统运行情况， 及时对蒸发罐进行轮洗。 从蒸发强度和出口的糖汁浓度也可看到，I效罐可以 蒸发更多的水量，使得糖汁浓缩浓度更高些，同时 也可以减轻V效罐蒸发水量的负担。进一步调整各 效罐的蒸发水量，可以使最终出口糖浆的锤度适当提高，有利于减少煮糖耗汽量。有效温差由于受各 效蒸发罐加热面积和传热系数的影响之外，还受到 抽汁汽方案的影响，每个罐的有效温差不能太小， 才不会降低其传热系数；末效罐要有足够的有效温 差，才能保证糖浆的循环流动。查定结果中各效罐 的有效温差分配上基本是合理的。
热量平衡法，根据热力学第一定律的原理：各 种形式的能量可以相互转换，并且在转换过程中， 能量既不能创造，也不能消失，其总量是守恒的。 在工业生产的用能过程中，输入能量的一部分被有 效利用了，其余部分损失掉了，因而可建立如下能 量平衡方程式：
输入能量=可利用能量+损失能量
对于糖厂蒸系统，热量平衡方程可写为： QD+QG=Qg+∑Qq+∑Qd+∑Qs
式中，QD 为加热蒸汽带入的热量kJ/kg ；QG 为糖汁带入的热量kJ/kg ；Qg 为糖浆带走热量 kJ/kg ； ∑Qq为抽用各效汁汽带走的热量之和 包 括末效进入冷凝器带走的热量 kJ/kg ；∑Qd为各 效汽凝水带走的热量之和kJ/kg ；∑Qs为过程各 种热量损失之和kJ/kg 。
各个部分能量计算方法如下：
1加热蒸汽带入的热量，按公式 QD=qD,1h1计算，即等于加热蒸汽流量乘以加热蒸汽比焓。
2糖汁带入的热量，按公式 QG=qG,0c0t0计算，即等于清汁流量×清汁比热×清汁温度
3抽用各效汁汽带走的热量，按公式 Qq,i=qE,ihi+0计算，即等于某效汁汽的抽用总量乘以该效汁汽的比焓。
4各效汽凝水带走的热量，按公式 Qd,i=qD,icwaTd,i计算，即等于某效加热蒸汽量×水的比热(cwa)×该效加热蒸汽温度 假设当效加热蒸汽全部冷凝 。
5糖浆带走的热量，按公式 Qg=qG,5c5T5计算，即等于糖浆流量×糖浆比热×糖浆温度
有效能平衡是以热力学第一定律和第二定律为 基础，从热能传递和转换的质量方面进行考虑[2]，有效能平衡方程式可写为：
有效能=可利用有效能+有效能损失
对于蒸发系统，有效能平衡方程为： ED+EG=Eg+∑Eq+∑Ew+∑Et+∑El+∑Es
式中： ED为加热蒸汽带入的有效能 kJ/kg ； EG 为清汁带入的有效能kJ/kg ； Eg为糖浆带走的有 效能kJ/kg ；∑Eq为各效抽用汁汽带走的有效能 之和kJ/kg ；∑Ew为各效汽凝水带走的有效能之 和kJ/kg ；∑Et为各效蒸发罐内温差传热的有效 能损失之和kJ/kg ；∑El为蒸发罐间管路中蒸汽 的有效能损失之和kJ/kg ；∑Es为系统其它有效 能损失之和kJ/kg 。
各部分有效能的计算方法如下：
1加热蒸汽带入的有效能
ED=qD,1[h1-h0-T0s1-s0]
2清汁带入的有效能
EG=qG,0c0[t0-T0-T0lnt0/T0]
3糖浆带走的有效能
Eg=qG,5c5[t5-T0-T0lnt5/T0]
4各效抽用汁汽带走的有效能：
Eg,i=qE,1[hq,i-h0-T0Sq,i-S0]
5各效汽凝水带走的有效能
Ew,i=qD,i[hw,i-h0-T0Sw,i-S0]
6各效蒸发罐内温差传热的有效能损失
Et,i=QiT0[1/Tg,i-1/Td,i]
7蒸汽在蒸发罐间管路的有效能损失，包括 节流、散热等的有效能损失，通过蒸汽进出口的状 态参数计算
El,i+1=qD,i+1[hq,i-hd,i+1-T0Sq,iv-Sd,i+1]
以上公式中，T0为环境温度，取 298.16K；h0、 S0分别为环境温度下蒸汽的比焓(104.8 kJ/kg)和比 熵 0.367kJ/(kg.K)；hq,i、Sq,i为各效蒸发罐汁汽的比 焓、比熵；hd,i、Sd,i为各效蒸发罐加热汽的比焓、 比熵；hw,i、Sw,i为各效蒸发罐汽凝水的比焓、比熵。
跟据蒸发系统基本查定结果和有关物料的焓值 和熵值，进行蒸发系统热量平衡和有效能平衡计算 是完全可行的。糖厂蒸发系统热量平衡计算结果见 表 4，有效能平衡计算结果见表 5。
1由于热效率和有效能效率概念不同，结果 各异。热效率表达了能量的利用率，而有效能效率 表示系统中能量变质的程度和能量利用的有效程 度。从热量平衡与有效能平衡计算结果可见，蒸发 系统的热效率达到 89.697%，热损失率为 10.305%； 其有效能效率为 79.297% ，有效能总损失率为20.702%。
2一般情况下糖厂只进行热量衡算，估算进 入蒸发系统总汽量和末效进入冷凝器的汁汽量，并 且以这 2 个指标来衡量蒸发系统热力方案的先进 性。按照能量守恒定律，如果 1 个蒸发系统没有汁 汽排入冷凝器，它的热效率达到最高，它所消耗的 热量只是设备和管路的散热损失，以及汽凝水中多 带走的热量。 按1 kg加热蒸汽可以蒸发 1 kg水计算， 蒸发系统所需的总汽耗量等于第一效蒸发罐的蒸发 水量，则此蒸发系统总耗汽量为 115.87 t/h，末效进 入冷凝器的汁汽量为 12.12 t/h。按 330 t/h 的榨蔗量 计算，蒸发总汽耗对蔗比为 115.87/330=35.11%，末 效进入冷凝器的汁汽对蔗比为 12.12/330=3.67%， 与 国内甘蔗糖厂蒸发系统能耗现状[3]对照，可认为该 蒸发系统蒸汽利用水平较好，热力方案较合理。
3在热量平衡的计算结果中，损失的热量为 进入冷凝器带走的热量和其它热量损失，分别占总 热量的 6.859%和 3.446%。由此，跟据热量平衡法， 糖厂节能与节水的主要目标仍在于减少排入冷凝器 的汁汽量。但其它热量损失也是一笔较大的损失， 占总热量损失的 1.593/4.764=33.44%，对于这部分 热量损失，热量平衡法并不能找出其具体损失的部 位。糖厂往往把这部分的热量损失忽略不计，认为 蒸发罐的自蒸发作用节省的热量与这部分散热损失 的热量相互抵消了，实际上这并不科学[4]。
4在有效能平衡的计算结果中，损失的有效 能为末效汁汽进入冷凝器带走的有效能、蒸发罐温 差传热的有效能损失、蒸发罐间管路的有效能损失 以及其它未计算的有效能损失。其中，有效能损失 最大的部位是蒸发罐体内传热温差有效能损失，因 为传热温差在克服传热阻力的同时降低了能量的品 质。其次，除了其它未计算的有效能损失占总有 效能的 4.324%外才是汁汽进冷凝器带走的有效 能，这是蒸发系统中有效能平衡法与热量平衡法最 大的区别。有效能平衡法的应用重在对工艺过程的 优化上，而不仅是减少汁汽进入冷凝器的量上。从 有效能平衡分析方法中也可以看到，在蒸发系统热 力方案中，传热温差的分配尤为重要。传热温差不 仅与蒸发罐传热系数和蒸发强度有关，还与各效罐 抽汁汽的量有关，由于有效能平衡分析方法中还分 别计算了传递出系统外部的有效能——绝大部分为 各效蒸发罐抽汁汽带走的有效能，因此，有效能平 衡的分析方法可作为蒸发热力方案最优温差分配的 依据。此外，蒸汽流经各管路造成的有效能损失也 不可忽略，特别是高温流体，应做好管路的绝缘保 温并尽量缩短管程， 以减少不可逆内部有效能损失。
5 在糖厂蒸发系统中， 由于各效的加热蒸汽、 抽用汁汽、汽凝水以及清汁和糖浆，它们的性质各 不相同，携带的能量在质量方面，即有效能上有所 不同。有效能的分析方法不仅包括了能量的数量方 面，还包括了能量的质量方面，是一较种全面的能 量分析方法；而热量分析方法只分析能量的数量方 面的利用情况。利用有效能平衡的方法分析蒸发系 统的能耗利用情况，不仅能分析过程内能有效能的 不可逆损失大小，而且能分析出排除体系的物料所 携带的有效能；而热量平衡法不能分析过程内部的 能量损失。
糖厂蒸发系统是能耗大户，合理使用蒸汽不但 着眼于蒸汽的热量利用，更应着重蒸汽有效能的充 分利用。常规的热量分析方法虽然仍是制定节能规 划、进行能源管理的重要依据，但是热力学第一定 律的分析只是过程用能的结果和表现。有效能分析 方法综合了热力学第一定律和第二定律，区分能量 的高低品质和数量，重在从热能利用的过程进行分 析。从节能角度，应使用有效能分析法，找出节能 的部位和节能潜质，进一步优化热力方案，深入完 善糖厂蒸发系统节能工作。
| [1] | 陈维钧，许斯欣.甘蔗制糖原理与技术：第三分册[M]. 北京：中国轻工业出版社，2001：45-52. ( 1)
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| [2] | 欧阳福承.有效能分析方法及其应用[J]. 吉林化工学院学报，1985(2)：63-79. (1)
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| [3] | 梁汉平.降低糖厂能耗的若干理论和实践问题[J]. 甘蔗糖业，2002(4)：29-34. (1)
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| [4] | 霍汉镇.现代制糖化学与工艺学[M]. 北京：化学工业出版社，2008：276-278. (1)
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