中国在线教育前十名:糖厂设备为什么那么多积垢 中国糖业交易网

糖厂设备为什么那么多积垢 2008-10-04 14:18:16      来源：制糖科技网    点击率：458 返回上一页   　　糖厂的蒸发罐、加热器的积垢多得确实惊人，为害也十分大。不少糖厂每天要通洗一个蒸发罐和一个加热器，有些甚至更多；有些糖厂的煮糖罐也要经常通洗。这些工作的劳动强度很大，使用压力高达数百大气压的高压水除垢，也是一件危险的工作。一个大型糖厂每年用于处理积垢的费用（包括化学药剂）达数十万元。　　　　更重要的问题是，大量的积垢显著地降低了设备的传热性能，因而糖厂要用更大的设备和消耗更多的蒸汽，增大了设备的投资费用和生产成本。现在，很多糖厂的蒸发罐的平均蒸发强度（每平方米加热面积每小时蒸发的水量）只为20kg左右（或以下），而在50年代初，广东顺德、东莞、紫坭、揭阳等糖厂、此值都在30～33kg之间，即现在比当时降低了约1/3。另一方面，由于传热性能不良，蒸发罐要用更高的汽压，和消耗更多的蒸汽。国外一般估计此值为3～5％（国内糖厂积垢更多，此值会更大）。有些糖厂甚至因为积垢严重而被迫降低压榨量，损失很大。　　　　几十年的生产实践反映了两个主要的规律：　　　　1、 石灰法糖厂的积垢比较少，也比较容易通洗，亚硫酸法积垢多而坚实。　　　　2、 亚硫酸法糖厂随着蔗汁硫熏量升高，积垢量明显增加，而且更难清除。国内亚硫酸法糖厂早期用硫量对蔗比只为0.05～0.06%，而现在普遍提高到0.10～0.12%，增加了约一倍。虽然高硫熏可以制得较白的白糖，但用高压水除垢，所需的水压也由初期的约300气压提高到现在的800～1000气压！　　　　这两个规律非常明显，根本的原因到底在那里？下面就详细分析讨论。　　　　1、亚硫酸钙沉淀作用与有关的化学反应 　　　　按照亚硫酸法的一般原理，蔗汁吸收二氧化硫生成亚硫酸，它和加入的石灰－－氢氧化钙反应，两者结合形成亚硫酸钙沉淀，结合加热产生的凝聚作用和沉淀物的吸附作用，可以除去蔗汁中原有的部分杂质，从而提高蔗汁的质量，以及白糖的质量。　　这个原理基本上是对的，但它相当不完全。它没有强调相关的几种情况：　　　　1、亚硫酸和氢氧化钙的反应，受到多种因素的干扰，因此它们并没有完全形成亚硫酸钙沉淀出来，有部分亚硫酸和钙盐仍遗留在清汁中。糖厂清汁中的亚硫酸，折算成二氧化硫，一般达到100～300mg/l，不良情况下更多。而清汁中的钙盐，折算成氧化钙，通常为600～700mg/l，不良情况下达到800mg/l。通常，混合汁含钙量约400mg/l，石灰法清汁约500mg/l，对比起来，亚硫酸法清汁比它们高得多。众所周知，如果锅炉水硬度（钙镁盐总量）较高，锅炉就会严重积垢。清汁的硬度比锅炉水高几十倍，积垢严重是必然的。　　　　2、糖厂使用的石灰，除了含氧化钙以外，还含有大量的杂质：硅酸和镁、铁、铝的氧化物（或碳酸盐）等。它们加入蔗汁后，部分溶解进入清汁中。这些物质都会增加蒸发罐的积垢。蔗汁硫熏量越大，需要加入的石灰就越多，带入的这些有害杂质也越多。因此，高硫熏时的清汁总灰分远高于低硫熏或不硫熏的清汁。　　　　过去有人认为，亚硫酸钙的溶解度高于磷酸钙和碳酸钙，造成亚硫酸法的清汁含钙量高。这种说法很不全面。许多研究测定数据说明，亚硫酸钙在热水和纯糖液中的溶解度也是相当低的，不过20～50mg/l。亚硫酸法清汁中的实际残留量要比它高很多倍！　　我们对这个问题进行了多年的研究，明确了这种情况的主要原因有如下几点：　　　　1、亚硫酸离解不完全（部分hso3－未离解为so32－），形成了部分亚硫酸氢钙，它可溶于水。这种情况与溶液ph值有密切关系，如果清汁ph值低于7.0，其中残留的亚硫酸量会显著增加；ph较高时亚硫酸离解比较充分（但也很难达到完全）。从这点来看，清汁ph值高些较好。但由于蔗汁中含有还原糖，它在高ph下会分解而产生多种不良影响，而且清汁ph高意味着要多加石灰，故实际所用的清汁ph值要全面考虑各种因素，一般情况下以7.2～7.3较好，决不应该低于7.0。　　　　2、蔗汁中有多种物质干扰亚硫酸和氢氧化钙的反应，增大了亚硫酸钙溶解的数量。如镁化合物、一些胶体物质和一些酸性有机物（部分是高分子物质），分别通过不同的物理化学方式产生这种作用。镁主要是形成复盐、胶体主要通过对微细粒子的保护作用，酸性有机物主要通过与钙结合形成离解度低的络合物，这些都导致溶液中溶解的亚硫酸和钙化合物大大超过正常的溶解度。　　　　2、镁化合物及其影响　　　　在自然界中，镁和钙常并存，它们的化合物的性质亦有相近之处。例如在水中，它们一起成为“硬度”的主要成分，故时常通称为钙镁盐。　　　　不过，镁盐和钙盐的性质还是有不少的差别，对制糖生产过程的影响有较大不同，而且有些影响相当复杂，至今亦未能完全明确。主要的是：　　　　1、多种镁盐的溶解性高于钙盐。例如亚硫酸钙和草酸钙都难溶于水，而相应的镁盐是可溶的。在清汁和糖浆中，镁的含量通常和钙接近，甚至略多于钙，但在蒸发罐和煮糖罐积垢中，在糖浆和糖蜜的沉积物中，以及在白糖的灰分中，镁的比例都比钙低很多（相差5～10倍）。这方面有数十组的分析数据（包括国内外和不同的生产工艺），都是如此，说明这是共通性的。这是由于镁化合物的溶解性较强而钙化合物的溶解性较低造成的。　　　　2、溶液中存在镁会增加难溶性钙盐的溶解度。例如在水中和纯糖液中，磷酸和钙盐反应后绝大部分沉淀，残留在溶液中的磷酸是极少的。但在含有镁盐的溶液中，相应条件下溶液中残留的磷酸量增加数十倍。一般认为这是由于镁能够和钙盐结合形成复盐――磷酸钙镁，它的溶解度高于磷酸钙。这是糖厂澄清过程磷酸沉淀不完全的一个重要原因。亚硫酸和钙的反应也受到镁的类似影响。　　　　3、蔗汁用石灰法或亚硫酸法澄清，清汁含镁量总高于混合汁，通常高10～15％。增加的镁肯定是由石灰带入的。天然石灰石中总含有或多或少的碳酸镁，它在煅烧时形成氧化镁。碳酸镁和氧化镁在中性下都溶解成为其他的镁盐，故在加入蔗汁中后会自然溶解，增加蔗汁的含镁量。但另一方面，镁盐在ph9～10以上会形成氢氧化镁或碳酸镁沉淀，溶解度都比较低。因此，如果蔗汁用强碱性处理（例如碳酸法），汁中原有的镁盐可大部分沉淀，因而清汁含镁量大幅度降低。在这种条件下甚至可以用碳酸镁或氧化镁作“辅助澄清剂”，据说它们有较好的吸附胶体物质的性能。但如果在中性下，就不适宜用这类物质。　　　　积垢多的糖厂，和澄清效果不好的糖厂，应注意分析混合汁和清汁的钙和镁的含量，如果镁含量偏高，或澄清阶段显著增加，就要细致检查它的原因，找出问题及时解决。　　　　3、关于石灰　　　　石灰是糖厂最基本的澄清剂，它的使用已经有几百年的历史。它的价格便宜，是最便宜的化学剂了。它具有一些重要的效能：提供氢氧离子中和蔗汁的酸性，提供钙离子与蔗汁中的磷酸及蛋白质等结合形成沉淀物，和其他澄清剂结合形成钙盐沉淀，成为吸附剂、沉淀剂和助滤剂。　　　　蔗汁用石灰法处理，加灰量对甘蔗的比例不到0.1%。用亚硫酸法澄清，早期的加灰量对蔗比只约0.2%，但随着硫熏量的不断增加，现在已达到约0.3%。　　　　石灰通常是用石灰石煅烧制成。天然石灰石的品质各地不同，广西石灰石的质量较好。石灰的质量通常以其“有效氧化钙”表示，好的可以达到80～90％，但有些地区只有70％左右（广东相当普遍）。这意味着，石灰中不是有效氧化钙的成分达到10～30％。它们包括碳酸钙、硅化合物、镁、铁、铝的化合物等。石灰加水“消和”时，它们大部分分散成为细小的颗粒，悬混在石灰乳中，形成乳白色的液体。　　　　石灰乳加入蔗汁中后，氧化钙微粒先和蔗糖反应成为可溶性的蔗糖化钙和产生酸碱之间的中和反应，随后再和各种阴离子物质反应，形成不溶性的钙盐沉淀和其他凝聚物。这些反应，前者进行得较快，后者则比较慢。例如，如果将硫熏加灰后的蔗汁立即过滤（不再加热），则滤液中的亚硫酸量仍然很高，为原加入量的40～70％（各地各厂情况不同），说明它们还未形成亚硫酸钙沉淀；要再加热到100℃左右，亚硫酸钙沉淀才较完全。最先形成的蔗糖化钙，在中性附近完全分解为蔗糖和钙（钙离子或形成其他钙盐），无不良反应。　　　　石灰带入的大量杂质，有部分保持不溶解状态，进入到滤泥中，但也有一部分被溶解进入到清汁中。后者主要是镁化合物和可溶性硅化合物。分析混合汁和清汁中的这些成分就可以明确地说明这个问题。它们直接增加了清汁的灰分，镁盐还增大了钙盐溶解量，硅化合物则直接形成积垢。为害都很大。　　　　因此，糖厂应该选用质量最好的石灰，认真监测石灰的质量。国外的大糖厂对此是很重视的，对石灰的各种杂质含量有明确的质量指标。但国内糖厂一般只分析有效氧化钙，对其他各种成分极少分析，成了管理工作中的一大漏洞。　　　　国内曾有数个糖厂，由于石灰质量不好，澄清沉淀状况很差，清汁混浊不清。后来换用了好的石灰，问题立即解决。这样的教训很深。但可惜此事至今还未列入国内糖厂严格科学管理的范畴。　　　　我们希望，石灰中的氧化硅低于2％，镁、铁、铝的氧化物各低于1％。大型糖业集团应当普查当地石灰的质量情况，选出较好的品种供各厂使用。国外先进国家，常选用质量高的石灰并把它加工成为粉状的消石灰供应市场，用户不需要石灰消和设备，使用方便，效果良好。　　　　要消除石灰中杂质的不良影响，一种有效的方法是使用糖化钙。即是将石灰先与糖液反应，生成溶解的糖化钙，除去不溶物（硅、镁、铁、铝化合物大部分不能溶解），再将糖化钙溶液加入到蔗汁中（代替加灰）。它还有反应快，容易计量和便于控制等优点，澄清效果比较好。主要的问题是配制糖化钙要用大量的蔗糖；需用的蔗糖重量，理论值为氧化钙的6.1倍，但实际上常需8～10倍。如果石灰的用量少，可以用糖浆配制（例如在糖浆磷浮处理中），或用甜水、滤汁（或后座压榨汁）等配制（例如在石灰法糖厂）。但石灰用量大时就很难实行。它的另一缺点是在配制糖化钙时，糖液中的还原糖会因强碱性而破坏，产生不良的影响。澳大利亚和南非等先进的蔗糖生产国，石灰法糖厂多数使用糖化钙。　　　　4、关于硫酸盐　　　　甘蔗汁中含量最高的无机物是硫酸盐。多数蔗汁含硫酸根为600～700mg/l，个别会高至1g/l！许多分析数据说明，末两效蒸发罐和煮糖罐的积垢，以及糖浆和糖蜜中的沉淀物，其中硫酸钙的含量高达60～80％！白糖中的灰分也绝大部分是硫酸钙。　　　　硫酸根主要是由甘蔗带入，但澄清时加入的二氧化硫和亚硫酸，也有部分会被氧化成为三氧化硫和硫酸。硫磺燃烧控制不好，澄清工艺控制不好，都会发生这个问题。清汁中残留的亚硫酸，在随后的生产过程中也自然发生这种变化。还有，如果加入的磷酸的质量不好，也会含有一些硫酸。　　　　甘蔗中的硫酸盐含量，和土壤、灌溉、施肥等因素有关。有些地区使用硫酸铵作肥料，甘蔗含硫酸盐自然较多。有些地区的灌溉水含硫酸盐，也有很大影响。　　　　各种硫酸盐（镁、铁、铝等）多数可溶于水，硫酸钙在稀糖液中的溶解度也相当高（超过1.6g/l），因而在蔗汁澄清时不能沉淀出来。但在蒸发和煮炼过程中，糖液的水分大大减少，硫酸钙变为“过饱和”状态，就析出成为沉淀物，形成积垢（这类似煮糖过程蔗糖析出，只不过所处的浓度范围不同而已）。　　　　糖厂应当定期分析混合汁的硫酸盐含量，偏高时就要找出原因处理。同时要定期分析清汁的硫酸盐，以了解它在澄清阶段是否有较大的增加。在正常情况下，硫酸根对锤度的百分比，清汁比混合汁升高不超过0.05%（例如混合汁为0.45%时，清汁不超过0.5%）。　　　　糖厂所用的工业磷酸，如果质量不好，会含有一些硫酸。广东在80年代就曾发现，某些商品含硫酸达到20％。糖厂使用的磷酸必须从正规的大型生产厂直接购买，决不可购买一些似乎便宜的商品。另外，糖厂也应当检验所用磷酸的质量。不过要注意，现在一些分析书上检验工业磷酸的方法是酸碱滴定法，硫酸同样可以参加反应。不过，糖厂化验室要做详细的分析还较困难。这里介绍一种比较简单而又能明确判断问题的分析方法：分别取化学纯磷酸和工业磷酸，各稀释1000倍，再按常规的混合汁自然磷酸值分析方法，进行比色分析，在加药后同一时间（例如统一为5分钟）后测定光密度。如果工业磷酸质量好，其读数应接近纯磷酸。如果工业磷酸的读数明显偏低，就说明它的质量有问题。这里要注意，分析的各种条件都要统一，否则会产生偏差。　　　　5、关于蒸发罐　　　　蒸发罐本身与积垢的生成也有密切的关系。广东糖厂50 年代初的蒸发罐，都是国外制造，面积比较小（300～500m2），都在罐体的中央有较大直径的降液管，工作时有相当强烈的对流循环，当时很强调低液面操作，不凝缩气体和汽凝水的排除也比较畅顺，因而蒸发强度较高。以后随着新制的蒸发罐的面积逐步扩大，曾经用过只有外循环管而没有中央降液管的结构，性能不好，后来又装设了中央降液管，但直径不大，汁液循环的整体布局和实际效果不理想，有时甚至发现新入的汁液“走短路”，操作液面不易控制，因而实际液面普遍较高（这里也有工人积极性的因素）。实际传热系数较低，蒸发速度慢，从视镜中很少看到强烈规则的对流循环。罐内的液体缺乏良好湍流，沉淀物自然容易沉积在加热管壁上，形成较多的积垢。现在多数糖厂蒸发罐面积偏大，蒸发负荷低，也会增加积垢的生成。这两者互为因果，形成恶性循环。　　　　因此，蒸发罐的合理结构和适当的面积配备也是一个很值得研究的问题。　　　　糖厂设备的积垢问题，实质上和制糖工艺的整体密切相关，而且比一般的工艺问题更复杂，相关的因素更多。解决好这些问题，制糖工艺的理论和实践都更上一层楼。 　　　　这里要提出一点，就是近20年来，国内多数糖厂不断提高硫熏强度，我国亚硫酸法糖厂使用硫磺量已达到全球最高。我们认为，早期提高硫熏强度是有较大作用的，但在后期却是过高了。由于石灰杂质多以及管理不完善，伴生了不少问题。特别是在现代，应当研究用其他的工艺方法来解决蔗汁的脱色和沉淀过滤问题，降低硫磺用量。这也有助于降低白糖的二氧化硫残留量，适应食品卫生不断进步的要求。亚硫酸法工艺已经到了需要进行重大改革的时候了！根据近年相关研究的进展情况，我国完全能够在几年内实现重大的突破。