甘蔗糖业  2013 Issue (3): 26-31   PDF    
制糖设备腐蚀现象的综合分析
刘泽槟, 朱文浩, 陈朝毅, 曹惠华, 邬尔文, 陈骏佳    
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, 广州 510316
摘要:腐蚀是制糖工业中公认的问题,严重地影响设备金属材料的使用寿命和可靠性。腐蚀不仅占制糖成本的很大一部分,并且在无形中制约着制糖的发展。本文介绍了甘蔗糖厂中制糖设备存在的腐蚀现象,分别从蔗汁成分、细菌的影响、化学助剂的使用等方面进行综合分析,提出控制腐蚀的建议。
关键词甘蔗糖厂     设备     腐蚀     综合分析     控制建议    
The Comprehensive Analysis on the Problems of Corrosion in Cane Sugar Mill
LIU Ze-bin, ZHU Wen-hao, CHEN Chao-yi, CAO Hui-hua, WU Er-wen, CHEN Jun-jia    
Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute, Guangdong Key Lab of Sugarcane Improvement & Biorefinery, Guangzhou 510316
Abstract: Corrosion is a recognized problem in the sugar industry, which seriously affected the life and reliability of the metal material of the equipment. The cost associated with corrosion forms a large part of the expenses of sugar mills. It also virtually restricts the development of the sugar industry. This article deals respectively with the problem of corrosion in cane sugar mills from the juice ingredients, bacterial effects, the use of chemical additives and other aspects. Based on the above analysis, corrosion control suggestions are recommended.
Key words: Sugar mill     Equipment     Corrosion     Comprehensive analysis     Control suggestion    

腐蚀作为制糖工业中普遍存在的现象,严重地 影响制糖设备的使用寿命和可靠性。腐蚀不仅占据 制糖成本的很大一部分,而且在无形中制约着制糖 的发展。关于制糖工业中的腐蚀问题,目前国内鲜 有关于这一问题的研究。本文针对甘蔗糖厂的设备 存在的腐蚀现象进行分析,并提出相应的控制腐蚀 的建议。

1 造成制糖设备腐蚀的原因

在制糖工业中,制糖设备特别容易受到腐蚀。 制糖过程的每一道工序,包括从甘蔗压榨到蔗糖结 晶,由于蔗汁的组分原因,特别容易导致许多类型 的设备腐蚀。其中包括细菌腐蚀、应力腐蚀、垢下 腐蚀、晶间腐蚀和点腐蚀等,严重地影响设备金属 材料的使用寿命和可靠性[1],糖厂设备的腐蚀主要 来自以下几方面。

1.1 酸性环境

主要是由于蔗汁中有机酸的影响。甘蔗汁的成 分复杂,除了含有蔗糖、多糖、蛋白质和色素外, 还含有多种有机酸,其成分因甘蔗品种、种植地区 及条件不同而有较大的变化。蔗汁中存在的有机酸 主要是乌头酸、草酸、乳酸、苹果酸以及少量的富 马酸、柠檬酸、羟基乙酸、琥珀酸等[2],这是蔗汁 呈酸性的主要原因。图1 为蔗汁的pH 值随时间的 变化特点,由图可以看出,新鲜蔗汁的pH 值在5 左右,一般情况下,蔗汁存放1 天pH 值会降低1个单位值左右。但在大量微生物存在的情况下,蔗 汁中的糖分被转化为有机酸,使蔗汁的pH 值迅速 降低至3 左右,这一过程在25℃的条件只需1 h 就 能完成转化。

图1 蔗汁pH 值与时间的关系图

糖厂现有制糖设备大多以碳素钢A3材质为主[3], 由于蔗汁的酸性作用,加上蔗汁中溶解氧作用,极 易引起析氢腐蚀,从而造成制糖设备的腐蚀[4]

1.2 细菌存在对腐蚀的影响

S.Durmoo [1]等通过将304L 不锈钢片分别浸泡 在新鲜蔗汁和经杀菌的蔗汁中,然后置于摇床试验 机2 d,结果发现浸泡在新鲜蔗汁中的不锈钢片表面 出现了明显的点蚀痕迹,而浸泡在经杀菌的蔗汁中 的不锈钢片则未出现腐蚀现象。并且前者出现的腐 蚀失重明显大于后者。由图2 左图中可以看出,浸 泡在新鲜蔗汁中的不锈钢片明显出现的点蚀现象, 右图为放大后的腐蚀点。图3 为浸泡在经杀菌的蔗 汁中的不锈钢片,与图2 相比,不锈钢片表面并无 出现腐蚀现象,只有一些结晶的蔗糖晶体。出现以 上结果的原因一方面是由于蔗汁中的氯化物以及其 它复杂成分的存在,蔗汁中pH 值随时间不断下降 导致;另一方面是由于细菌的新陈代谢产物在金属 表面形成一层钝化膜,从而导致腐蚀的产生。

图2 浸泡在新鲜蔗汁中的不锈钢片表面的点蚀现象

图3 浸泡在经杀菌的蔗汁中的不锈钢片表面未出现腐蚀现象
1.3 化学助剂的使用

化学助剂的添加使蔗汁中产生更强的电解质, 从而增加腐蚀速率。图4 列举了化学助剂在甘蔗制 糖流程中的使用情况。

图4 甘蔗制糖流程中化学助剂使用示意图
1.3.1 磷酸及磷酸盐 磷酸及磷酸盐在制糖过程中的作用主要是调节 pH 值和凝聚胶体,造成具有良好吸附作用和助滤作 用的非糖沉积物。过磷酸钙、重过磷酸钙、磷酸氢 二钙和磷酸氢二铵在过去一直被普遍采用作为澄清 剂,但近年来,含55% P2O5 的磷酸因其优于其它磷 酸盐的优势已被大多数糖厂采用[5]

磷酸是一种强酸,在制糖生产过程中使用容易 对储罐、管道、泵等造成腐蚀,表现为设备容易穿 孔,甚至部分管道、泵叶等经常更换[6]。磷酸氢二 铵由于在煮糖罐会释放出NH3 从而造成煮糖罐加热 铜管的腐蚀。

1.3.2 二氧化硫

二氧化硫是亚硫酸法糖厂生产过程中不可缺少 的澄清剂,主要用于中和澄清工段。糖厂的二氧化 硫都是外购硫磺,然后在厂内自己制造的,其方法 是在燃硫炉内将硫磺在空气中燃烧生成二氧化硫气 体,一般正常燃烧约有15%硫磺生成三氧化硫。二 氧化硫和三氧化硫溶于糖汁中生成稀H2SO3 和 H2SO4,以及高速射流下溶进糖汁中的大量溶解氧对 设备钢材造成化学腐蚀和电化学腐蚀。

二次硫熏也是制糖过程必要的工序,主要是将 SO2通入糖浆使糖浆pH 达到5.2~5.4 的范围,在起 漂白的同时也促进白糖的结晶。但是,过度的硫熏 会导致多余的SO2 在煮糖工段随蒸汽逸出,对蒸汽 管道造成腐蚀。

1.3.3 絮凝剂

聚丙烯酰胺(PAM)是目前国内外糖厂中使用 最广泛的絮凝剂,生产应用表明絮凝剂具有用量少、 絮凝效果好作用,可以加快颗粒沉降速度、增加过 滤速度、缩短处理时间、提高沉降器能力、清汁浊 度、色度和钙盐含量均可以减少[7]

聚丙烯酰胺溶液的使用会对制糖设备造成腐 蚀,极化曲线研究表明,设备在聚丙烯酰胺溶液中 的腐蚀为活性溶解腐蚀,阴极过程为氧的去极化, 介质的流动会加速材料的腐蚀[8]

2 电化学测试

Tengur [9]等通过循环伏安法测试分析几种常用 不锈钢金属在不同工段的蔗汁中的极化曲线,确定 不同工段的蔗汁对金属的腐蚀速率。所选用金属试 片分别为低碳钢、304L 和306L,面积为20 mm2, 试片经过脱脂、打磨光亮、洗涤、干燥后,再连接 到铜线上用于试验。试验扫描速率为150 mV/min。 试验中所用蔗汁列于表1 中。

表1 蔗汁品种

图5 分别表示了由不同材料在不同蔗汁中的极 化曲线而确定的年(a)平均腐蚀速率。从图中可以 看出初压汁的平均腐蚀速率较大,糖浆的平均腐蚀 速率最小。

图5 不同蔗汁的平均腐蚀速率变化示意图

初压汁pH 值在5 左右,并且在初压汁中带有 泥渣、蔗蜡、脂肪酸、蔗糠和其它杂质,使得蔗汁 酸性变强,形成强电解质从而导致严重的腐蚀损坏。 糖浆的腐蚀速率最低,其pH 值在6.0~7.2 之间,加上糖浆是蒸发工段后的产物,含微不足道的脂肪酸、 细菌等杂质。混合汁经过预灰工段,pH 值升高,且 混合汁含有大量的水分,稀释了初压汁中的成分, 故混合汁较初压汁腐蚀速率较低。

澄清汁取自沉淀池工段,由于沉淀池是硫熏中 和的下道工序,故硫熏中和时发生的腐蚀现象依然 存在,而且高温环境加速了反应过程,故澄清汁亦 有较高的腐蚀速率。糖蜜具有较高的腐蚀性,主要 是由于在糖蜜中存在着适合细菌生长的高粘度体 系,从而使糖蜜发酵而产生高腐蚀性的发酵液导致。

3 控制甘蔗糖厂腐蚀建议

综上所述,腐蚀现象是糖厂一个普遍的现象。 腐蚀问题是一个经济问题,腐蚀损失中有相当大一 部分是可以避免的,只有通过认真的科学分析,才 能找准造成腐蚀破坏的真正原因。腐蚀是设备材料 与服役环境之间的相互作用,由于影响腐蚀的因素 众多,要材料完全不腐蚀是不可能的,或者是不经 济的。所以普遍认同的腐蚀控制目标是:调节材料 与环境之间的相互作用,将设备的腐蚀控制在比较 合理、可以接受的水平,使设备在预期的使用寿命 期间良好地运行,防止发生过早的腐蚀破坏[10,11]。 总之,对于糖汁这样一种成分复杂的电解质溶 液,因其电阻极小,对钢铁腐蚀速度远大于水,且 与电解质种类、浓度、腐蚀产物的溶解性、温度及 钢铁表面的氧含量有关。对于减少糖厂设备的腐蚀 可以做到以下几点。

3.1 选择耐腐蚀材料

根据各种部位的工艺要求和设备的环境介质, 对能造成设备腐蚀的部位可用抗腐蚀的304 或316 不锈钢材料替代。对于泵送蔗汁的管道必须是具有 抗腐蚀性的。在印度,最早用来泵送蔗汁的管道是 使用铸铁管,其次逐渐用铜管或不锈钢管替代,而 今,PVC 管和其它合成材料的管道也普遍应用于制 糖中。

3.2 选择有效的防腐层

为防止设备腐蚀和机械磨损,国外制糖工业采 用环氧树脂型纯聚合材料涂层的方法[12]。南非 Felixton、Simunye 和Mount Edgecombe 等糖厂分别 在加热器门盖、内壁、锅炉、水储罐、地板、蒸汽 阀门等进行环氧树脂的喷涂,并取得良好的效果。 使用目的不同,涂层种类亦不同。乌克兰制糖工业 采用环氧树脂对糖仓、糖浆储罐、过滤器滤框、煮 糖罐、加热器等设备进行防腐处理。

3.3 使用杀菌剂

由于蔗汁中的细菌是难以避免的,因此可以选 择在压榨车间的第1 座榨机和第2 座榨机的蔗汁盘 中加入适量的杀菌剂,可以有效除去蔗汁中的细菌, 减少细菌对蔗汁的转化作用,不仅可以减少腐蚀, 而且可以减少糖分损失。

3.4 使用防锈剂

在停榨期间对制糖设备进行防锈剂的刷涂防锈 也是一种有效减少设备腐蚀的方法。广州甘蔗糖业 研究所自1994 年开始针对制糖行业进行适用于糖 厂使用、无毒、有效、使用方便、易于清除、不损 伤设备、质量稳定、价格低廉的防锈剂研制,并对 产品不断更新换代,提高其性能和使用方便性[13]

制糖设备专用防锈剂原料选择了安全的食品级 原料,防锈剂由防锈活性物、成膜剂、渗透性物质 与防霉剂等组成,刷涂后在设备表面形成一层保护 膜,阻断与水汽氧分的接触,从而起到防锈作用。 防锈剂中的表面活性剂可在热水中乳化,所以易于 清洗,只需用热水冲洗或煮水就可将其清除[14]

参考文献
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(本篇责任编校:朱涤荃)