在现有条件下白糖冷却问题的探讨

2020-09-25王绩平莫庆财覃华庆陆宏旺

广西糖业 2020年3期

王绩平，姚智，莫庆财，覃华庆，陆宏旺

（广西来宾东糖凤凰有限公司，广西来宾 546102）

0 引言

白糖、精糖和原糖的干燥和冷却是一个很重要的工序，对产品的保存以及在贮存时是否会发生结块和变质都有关键性的影响。各种糖产品的质量标准，国家都明确规定它的水分含量的最高限度。但对于需要贮存的企业来说糖的温度、水分含量有更高的标准。长期的实践经验和大量的研究结果都说明，如果装包时糖的温度、水分含量高，在存放时就容易结块、变色、回潮及变质。为使白糖在存放时变化小，装包时的温度应低于40℃，如果用散装存放，进仓温度应低于30℃，水分低于0.04%。温度越高，白糖变色越快，不论是亚硫酸法或碳酸法工艺制糖的结块越严重［1］。

然而，国内不少甘蔗糖厂的干燥冷却设备的效果不好，虽然糖的水分可以达到指标要求，但通常是在分蜜机中使用高温高压的蒸汽将白糖干燥，而其后的设备的冷却效能较低，以至白糖装包时的温度普遍偏高，不少厂在45℃以上，个别厂甚至超过50℃。目前有较大部分糖厂因受场地或资金投入等方面影响，采取加强通风比较简易的传统方法进行冷却，但因冷却风量不够、冷却风走短路、进出风设计不合理等因素，冷却效果不理想，至今仍有不少糖厂的产品在存放时发生结块、变色等问题，直接影响了糖厂的声誉和经济效益。

本文主要针对糖厂振筛间、装包间在现有简易条件下白糖干燥冷却时常遇到的几个问题进行较粗浅的探讨。

1 糖厂白糖冷却现况

从分蜜机卸下白糖的水分，因设备与操作条件不同而有较大的变化。如果分蜜时用低压蒸汽洗糖，不管是废汽或蒸发罐汁汽，卸糖水分含量为0.5%～0.8%；使用过热蒸汽，卸糖水分含量可降至0.1%～0.2%或以下。目前国内甘蔗糖厂多数在分蜜时打过热蒸汽，汽压0.4～0.6MPa，卸糖水分含量较低，但卸糖温度相当高，一般在80～90℃以上，甚至接近 100℃。

高温的糖在与低温的空气流接触时，糖的热量向空气转移，糖的水分也同时部分蒸发，被空气带走，此过程白糖干燥与冷却同时进行。水分的汽化吸收了糖的热量，加速糖的降温。当砂糖与空气充分接触且空气的流速较大时，这种传热与传质的作用进行得比较快。

如果糖的温度下降所放出的热量全部用于水分蒸发，可以排出相当多的水分。例如，当湿糖的温度为80℃，降温到40℃，糖的比热为1.26kJ/kg，每千克糖放出的热量为：1.26 ×（80－40）= 50.4kJ/kg。

每蒸发 1kg水分所需吸收的潜热为2257kJ/kg，故上述热量可蒸发的水分为：50.4/2257=0.022kg/kg。

即可以蒸发超过1%的水分，这个计算忽略了糖的比热微小变化和水分汽化时的显热变化，但它们对计算结果影响很小。如果实际过程能够接近上述计算，那是很理想的，只要向湿糖吹常温的空气就可以将糖的水分和温度同时降低到较低的数值。

然而在自然冷却过程中，由于白糖中水分的蒸发相当缓慢，湿糖降温实际排出的水分要比上述计算值少得多。因此，一般只有在湿糖水分相当低的情况下，才可以只吹冷风就达到干燥的要求。分蜜机使用高温蒸汽，白糖的水分容易降低，工厂易实行，故国内很多糖厂用这种方法，但分蜜机卸糖温度高，后面的冷却设备要排出大量的热能，在冷却效能不足的情况下，白糖的最终温度较高，贮存时易结块与变色。

2 工艺探讨

国内的甘蔗糖厂分蜜机卸下的白糖经过振动输送机和振动干燥机，还有相当长的输送机，经过很长的路程，但糖温度降低不多。主要原因是没有足够的空气将糖的热量和水分带走，于是不少糖厂通过加装鼓风机以增加冷却风量和空气对流速度实现白糖冷却，但在增加冷却空气过程中往往因为缺乏一些必要的计算或鼓风设计不合理等原因，白糖实际冷却温度未能达到预期效果。在增加冷却风量过程需要考虑以下几个问题。

2.1 新增风量的考虑

当1kg白砂糖温度为80℃，水分为1.0%，干燥到40℃，水分0.04%以下时，设水汽化吸收的热量为q吸，干燥到40℃时白砂糖放出的热量为q放，空气吸收的热量为q，则q吸=（1.0%-0.04%）×2257=21.67kJ/kg，由于干燥后糖的水分很低，这式子作忽略计算；q放=（80-40）×1.26=50.4kJ/kg。这里湿白糖的水分含量很低，且水的比热比白糖低，计算时可忽略。q=q放-q吸=50.4-21.67=28.73kJ/kg，从这式子可以看出在干燥过程中，水分蒸发可帯走大部分的热量；由焓湿表可以得出含湿量D1=8.1g/m3，空气温度由20℃升高到27℃时相对湿度由60%降低到39.4%［2］，只有在较好通风条件白砂糖表面在水蒸气分压作用下水分很快蒸发。

当通入的洁净新风温度为20℃时，相对湿度为60%，如排风温度为27℃，相对湿度上限为60%时，需要的新风量为L。经焓湿表查得，相对湿度为60%时H20℃=42.7kJ/kg，含湿量D1=8.1g/m3；H27℃=62.2kJ/kg，含湿量D2=13.7g/m3；以q排代表系统排风带走的热量，L代表新风量，空气的密度为1.2kg/m3，理想状态下q排=q放，则q排= q放=1.2L（H27℃-H20℃）=50.4kJ/kg，L=50.4×［（62.2-42.7）×1.2］=2.2m3，当排风温度为27℃，湿度上限为60%时，需要相对湿度为60%的新风量为L湿=（1.0-0.04）×10÷（D2-D1）÷1.2=9.6÷（13.7-8.1）÷1.2=1.43m3，L ＞L湿。

因此，在设计时要考虑白砂糖降温所需的风量和相对湿度。糖厂的振筛间距包装间一般都有一段比较长的输送距离，依据洁净室要求，在整个干燥输送过程应把它与其他生产区间独立，建设洁净区间，这样会形成一条长廊。如果建设洁净区间按洁净度万级设计，换风次数为20～25次。因此，适合采用单向流洁净室的原理，只需把进风口设在长廊的白砂糖出口端，把排风口设在分蜜机底部，就能很好的把洁净区形成一个密封的干燥设备。糖厂在设计建设振筛干燥输送系统时已经考虑满足热交换，现需要考虑的是通入的新风量要足够带走热量。

如一家生产规模为60t/h砂糖的工厂，高度平均3.5m，建筑面积为720m2，空间体积3000m3。榨季最高气温28℃，湿度80%左右。建筑空间每小时需送风量L=2.2×60×1000=132000m3，则换气次数为N=132000÷3000=44次/h。满足空气洁净度1万级设计要求。

2.2 鼓抽风方式的选取

白糖冷却主要是通过对流传热的方式实现，其推动力是高温白糖与空气的温度差，所以冷却源主要是空气。目前大部分糖厂通过鼓风机经过净化处理得到相对洁净的低温空气送入振筛间或装包间，与高温白糖实现热交换后经抽风机把高温的空气抽出，实现空气对流传热。空气在空间内实现对流传热主要以两种形式存在，首先是外力，即鼓风机所致的质点强制运动，属强制对流；其次是空气中各处的温度不同而引起密度的差别，使轻者上浮、重者下沉，空气质点产生相对位移，属自然对流。根据化工原理，对流传热和逆流传热优于并流传热［3］。

综上所述，糖厂在增加鼓抽风机时风的流向采用与白糖走向相反的原理，即逆流实现传热，只需把进风口设在长廊的白砂糖出口端，把排风口设在分蜜机底部，冷风在低位进，热风从高位抽出。

有些糖厂在鼓抽风流向布局上考虑到安装方便或美观等因素，采取并流的冷却方式就会增加冷却介质的量，降低了冷却效果；或者采用高位进风高位抽风的方式，冷却风就不可避免出现走“短路”的现象，白糖冷却效果不佳。

2.3 空气流动的速度

目前糖厂较普遍使用流化床来干燥冷却白砂糖。图1是流化床简单示意图，其工作原理是空气以较高速度向上流动，将所处理的固体颗粒或晶体向上漂浮起来，在气流中滚动翻腾，具有与流体同样的流动性，类似沸腾状态，故流化床亦称为沸腾床。应用温度高的空气可将固体物料干燥，而用温度低的空气则使物料冷却，同时蒸发少量水分。流化床之所以在较小的空间实现白糖干燥或降温，主要有两个关键因素，首先是加热或冷却空气流动速度较高；其次是所处理的固体颗粒或晶体向上漂浮，在气流中滚动翻腾增加换热接触面积，即增加了换热面积［4］。

图1 流化床工作原理示意图

根据热力学影响对流换热因素，流体流速增加，促使流动边界层变薄，并使流体内部相对运动加剧，从而使对流换热系数加大。所以在振筛间适当增加空气对流速度可有效降低白糖温度。

在糖厂白糖冷却采用增加鼓抽风设备使空气强制对流，逆流传热。在振筛间如果是高度密闭的情况下空气对流速度是有保证的，但是实际上糖厂振筛间不可能达到密闭状态，因空间大、不规则、空气流动行程长、密闭性差等因素，在鼓抽风行程中间段极易产生“死角”，榨季生产期间工作人员进入振筛间经常会感觉某个区域很闷热或空气不流动，基本都与此有关。针对此现象，可以在此区域增加辅助风机以确保空气的流动性，确保有一定的风速。

糖厂振筛间实际是一个不能完全密闭、不规则、很大的空间，通过风机鼓入冷空气进入大的空间后，往往空气的流动速度很低，部分区域甚至出现“滞流”，如何有效利用现有进风量提高流速以降低白糖入袋包装温度，这也是大部分糖厂一直考虑的问题。

在没有较大资金投入的情况下，在振筛槽上制作简易的近似密闭的风罩基本覆盖整个槽身，具体尺寸可以根据单列振筛具体尺寸而定，简单流程为冷却介质空气→振筛头部即槽底与隔板中间空隙→风罩即冷却风与白糖直接接触区域→风罩尾部顶面→抽风机抽出热风。其工作原理是把鼓入的冷风在相对狭小的、近似密闭空间内进行热交换，该区域风速是有保证的，可有效利用冷风。

白糖经分蜜机卸糖后落入振筛，往往会经过多列的振筛干燥、冷却再进入输送皮带，不能随意安装冷却风罩，必须经过论证，因为根据化工原理：固体物质在空气中干燥，是由于它所含的水分汽化成水蒸汽散逸到空气中，其根本原因是固体表面的水蒸汽分压高于周围空气中的水蒸汽分压。干燥过程的推动力，就是两者的蒸汽分压的差额。如果情况相反，即空气中的水蒸汽分压高于固体表面的水蒸汽分压，空气中的水蒸汽就会凝结在固体表面上，使后者水分增加，即发生增湿作用或吸潮［5］。白糖经分蜜机卸糖后落入振筛，初始温度80℃以上，此时水分汽化成为水蒸汽散逸到空气是最剧烈的，如果此时再增加冷却风汽化就会更加剧烈，较大部分水蒸汽因糖层较厚不能及时散逸出去就会凝结在固体表面上。实际生产中我们经常会看到在第一、第二列振筛糖层表面有结块现象，所以最好不要在第一、第二列振筛增加风罩，即使增加进风温度也不要过低，不得低于20℃，同时要确保进、出风良好，让产生的水蒸汽尽可能的散逸出去。

2.4 固体物质与空气的接触面积

根据流化床的简单工作原理可知，所处理的固体颗粒或晶体向上漂浮，在气流中滚动翻腾增加换热接触面积，即增加了换热面积，所以增加固体颗粒与冷却空气的接触面积对白糖冷却是非常有利的。如何增加白糖固体颗粒与冷却空气的接触面积需从以下几个方面考虑。第一，白糖颗粒越大、均匀，颗粒间的空隙就越大，与冷却风接触面积就越大；第二，糖层厚度越薄，颗粒在振动筛跳跃前进，易分散，与冷却风接触面积就越大；第三，振筛槽身越深，阶梯式分层段越多或因高位差落糖口多，固体颗粒与冷却风接触面积就越大。

因此，通过以下几个措施来增加白糖与冷却空气的冷却面积，一是控制白糖的颗粒度，工艺条件允许颗粒越大越均匀越好；二是均匀筛糖，控制糖层厚度；三是在单列振筛增加“阶梯式”落糖口，同时在落糖口加强风量；四是如果条件允许在振筛面上增加“倒鳞”片，使白糖颗粒经过“倒鳞”片时更加分散。