甘蔗糖厂多次元精准配比低温新型燃硫炉系统的开发与应用

廖茗扬，邓丕硕，黄思豪，陆建英，郭海湛，黄小芸，邓立高*，李 凯,5,6

(1 广西大学轻工与食品工程学院，广西南宁 530004；2 广西大学甘蔗与制糖产业学院，广西南宁 530004；3 广西开帆智能科技有限公司，广西南宁 530004；4 广西糖业集团有限公司，广西南宁 530022；5 糖业及综合利用教育部工程研究中心，广西南宁 530004；6 蔗糖产业省部共建协同创新中心，广西南宁 530004)

0 前言

食糖是关系国计民生的重要产品，既是食品、饮料、医药等众多产业必不可少的基础原料，也是城乡居民的生活必需品。当前，制糖企业对产品成本和质量提升有更高的要求[1]。甘蔗汁澄清在白砂糖生产中起着重要作用，澄清控制不当会导致蔗糖分损失增加、清汁色值高、含硫量高等不良现象，对产品质量有很大影响[2]。目前我国甘蔗糖厂大多采用亚硫酸法澄清工艺，硫熏中和是其中的关键环节，SO2又是该工艺最主要的澄清助剂，其被蔗汁吸收后能与石灰乳反应生成亚硫酸钙，作用是吸附非糖杂质、抑制色素生成和降低钙盐含量等，硫熏中和过程中SO2的吸收效果直接影响白砂糖产品质量及产糖率[3]。

燃硫炉的作用是制备SO2，燃硫炉对于SO2的稳定生成具有重要意义，目前甘蔗糖厂使用的燃硫炉仍存在较多缺点。我国亚硫酸法甘蔗糖厂传统工艺多使用自熔式燃硫炉，该炉多为单层炉，占地面积大，燃烧温度不易控制，空气供应不稳定，生成的SO2浓度低且不稳定。当蔗汁流量发生变化时，硫熏汁pH 值难以稳定，同时易生成升华硫和SO3；停榨或其他原因突然停止来汁时，无法立即停止燃烧，SO2气体四处飘散，影响工人身体健康[4]。为解决这些问题，前人研发了高温喷雾式燃硫炉，该炉通过高压喷射雾化液硫并由风机吹入一定比例的空气混合完成燃烧过程，满足了硫气供给要求[5]。然而，高温喷雾式燃硫炉的炉膛温度在800℃以上，甚至能达到1300℃。在600～900℃时，SO2容易进一步氧化成SO3，同时在高温条件下空气中的氮气和氧气会形成NO 等氮氧化物(NOx)，污染环境[6]；另外，高温条件下更易造成设备腐蚀，对设备要求高。因此，为解决上述问题，前人开发应用了汽化旋风低温燃硫炉，其优点是设备材质要求低、维护成本低，但其硫磺量无法实现精准控制；高压风机无法达到精准控制风量，双风机配风模式增加配风操作难度，硫磺与风量无法精准配比；燃烧效率偏低；硫熏强度波动大。

为了降低硫气温度，燃硫炉系统都会配套硫气处理设备。但是，传统的硫气处理设备仅能降温，没有硫气净化功能，无法避免硫气所含杂质对制糖生产造成的不利影响。新型硫气洗涤装置同时具备硫气冷却与洗涤功能的装置，解决了传统燃硫炉配套硫气处理设备的缺点，能够进一步提升硫气质量。

因此，研发能实现根据榨量自动精准控制、燃硫量、风量精准配比并配套新型硫气洗涤装置的新型低温燃硫炉系统对提升甘蔗制糖工业生产技术水平，促进企业提质增效、减少环保压力，促进制糖业稳定发展具有重要意义和经济价值。本团队创新性地开发了新型燃硫炉与新型硫气净化冷却装置配套的新型燃硫炉系统，结合糖厂实际生产应用说明该系统效果，为糖厂生产应用提供参考。

1 多次元精准配比低温新型燃硫炉系统工作原理

多次元精准配比低温新型燃硫炉系统由多次元精准配比低温新型燃硫炉配套新型硫气净化冷却装置组成。系统以多次元精准配比低温新燃硫炉为主体，PLC 控制系统为控制中枢，实现自动精确控制技术、硫磺量与风量的精准配比控制技术以及低温燃烧技术的融合，其工作原理如图1 所示。并且，该新型燃硫炉配套新型硫气洗涤装置，以进一步提升硫气质量。

图1 多次元精准配比低温新型燃硫炉工作原理

1.1 自动精确控制技术原理

如图1 所示，新型燃硫炉由PLC 控制系统进行自动控制，PLC 是一种可编程逻辑控制器，通过具有“可编控制程序”作用的存储系统，执行自动化系统中的顺序运算、逻辑运算指令，根据指令输出、输入控制信号，起到控制各类设备、生产机械的作用[7]，其优点是抗干扰能力强，环境适应性强，应用范围广，操作便捷，实现设备自动化、安全化、高效化[8]。通过PLC 控制系统能够依据设定硫熏强度与实时混合汁量计算所需硫磺量，再通过齿轮计量泵控制液态硫磺进入燃硫炉的量，进而实现对燃烧硫磺量的精确控制。齿轮计量泵是化学品精确投放的理想设备[9]，具有输送精确、运行可靠的优点，在各种温度、粘度、压力的条件下能保证流量稳定，因此使用齿轮计量泵保证了硫磺泵送量的精确度。

1.2 硫磺量与风量的精准配比控制技术原理

硫磺量与风量的精准配比控制技术是通过PLC控制系统根据实时硫磺泵送量得到所需风量并精确控制进入燃硫炉内的风量，风量的控制由计量罗茨鼓风机实现。罗茨鼓风机属于旋转活塞容积式气体压缩机械，能够实现叶轮旋转无内压地将气缸容积内的气体从进气口推移到出气口[10]，并且输送的风量与转速成比例[11]，可以通过控制转速精确控制风量。罗茨风机具有精度高、安全、使用周期长并且结构简单易安装的优点[12]，将风机与PLC 系统关联，能够实现按硫磺量精确配比风量。

1.3 低温燃烧技术原理

高温燃硫炉的燃烧温度通常大于1000℃，在该温度下易生成SO3，并且对硫气冷却系统有较高要求，而低温燃烧的燃烧温度低于550℃，在该温度下燃烧能减少 SO3和升华硫的生成，减小设备损伤[13-14]。如图2 所示，本技术通过在燃硫炉外部设置环型冷却水套，套筒设在燃硫炉表面，冷却水在套筒内循环流动以降低炉内燃烧温度，进而实现低温燃烧。

图2 新型燃硫炉实物图

1.4 新型硫气洗涤装置

该装置采用直接接触式冷却，冷却水由上往下雾状喷洒，而高温硫气从下方进入，两者以逆流方式直接接触，热量由硫气传至冷却水，实现硫气冷却。在冷却过程中，由于硫气夹带的灰分颗粒与冷却水直接接触会在其表面形成双分子层结构，外层极性端与水有强亲和力，因此，固体颗粒会被冷却水带走。其他杂质则以溶解和凝固等方式被冷却水带走。SO3极易溶于水，与水接触后，硫气中的SO3含量显著降低。SO2则微溶于水，溶解度与温度呈负相关。而且，SO2与水反应生成的亚硫酸(H2SO3)不稳定，易分解为SO2和水。因此，新型硫气洗涤装置可在冷却硫气的同时将升华硫、灰分及SO3等杂质有效去除，提高硫气质量。

2 生产实际应用效果

2.1 澄清效果

清混汁纯度差是衡量清净效果的重要指标之一，是清汁与混合汁的差值，清混汁纯度差的提升能够促进产品质量和糖分回收的提高[15]。由图3 可以看出2022 年1、2 月的清混汁纯度差与2021 年1、2月相比得到显著提高，2022 年1 月的清混汁纯度差比2021 年1 月提高1.267，2022 年2 月的清混汁纯度差比2021 年2 月提高0.982，说明使用新型燃硫炉系统能够提升生产的澄清效果。这可能是由于新型燃硫炉系统通过控制硫磺燃烧，生成稳定且适量的SO2并减少SO3，韦信冰等[16]在研究中也有类似结果，他们通过调节进风量控制硫磺的燃烧过程，发现进风量直接影响SO2浓度或SO3生成速率。产生的硫气再经新型硫气洗涤装置冷却洗涤后得到高SO2含量的硫气。因此，硫熏效果得到提升，吸附能力得到大幅增强，有效去除非糖分，清混汁纯度差提升。

图3 新型燃硫炉系统使用前后清混汁纯度差

2.2 蒸发罐积垢硫酸盐含量

蒸发罐积垢是糖汁在蒸发过程中沉积下来的不溶物固体，其主要成分为钙盐，如磷酸钙、硫酸钙[17]，这些积垢对蒸发过程有极大影响，如降低蒸发传热效率[18]，延长蒸发时间，甚至影响白砂糖质量[19]。因此，减少蒸发罐积垢能节约能源，降低成本，提高白砂糖质量。其中，硫酸钙形成是由于在蔗汁澄清过程中加入石灰乳以及SO3[20]，硫磺燃烧过程中的燃烧温度、硫磺量和空气量等因素都会导致SO3生成。使用新型燃硫炉系统可以在硫磺燃烧阶段控制上述条件抑制SO3生成，再经新型硫气洗涤装置去除硫气中的SO3，进而减少蒸发积垢硫酸盐含量。表1 可以看出，使用新型燃硫炉系统后，各效罐积垢的硫酸盐含量均得到有效降低，2#罐积垢硫酸盐降低较少，这可能是由于浓度，温度和压力影响[18]，由于本文未对蒸发过程进行研究，因此不做过多分析。但从各效蒸发罐积垢中硫酸盐的总量上看，用前各效蒸发罐积垢中总硫酸盐含量为3870 mg/kg，用后各效蒸发罐积垢中总硫酸盐含量为3001 mg/kg，降低22.45%，说明使用新型燃硫炉系统能够显著降低硫酸盐积垢的产生，即有效减少SO3含量。

表1 新型燃硫炉系统使用前后蒸发罐积垢硫酸盐量

2.3 白砂糖品质

表2 为各月份白砂糖品质数据的平均值。由表2 显示，使用新型燃硫炉系统后主要影响白砂糖色值，2022 年1 月比2021 年1 月降低10%，2 月降低13%，表明新型燃硫炉系统能有效降低白砂糖色值，这可能是新型燃硫炉系统硫磺燃烧稳定，硫气洗涤后更纯净，硫熏中和能力提升，非糖分被有效除去，非糖分对白砂糖色值有较大影响，如酚类物质、色素等非糖分是白砂糖色值的主要影响物质。除色值外，其他指标在使用新型燃硫炉系统后也都有提升，如2022 年与2021 年相比，灰分降低了2.35%，蔗糖分提高了0.03%。表3 显示，广西某糖厂使用新型燃硫炉系统后其AA 级白砂糖的产率得到显著的提升，2022年1月与2021年1月相比提高了17.2%，2 月相比提高了28.46%，并且极少产出二级、等外白砂糖，尤其是2022 年2 月未生产出二级、等外白砂糖。这些结果都说明新型燃硫炉系统能显著提升甘蔗糖厂生产白砂糖的质量和产量。

表2 新型燃硫炉系统使用前后白砂糖指标

表3 新型燃硫炉系统使用前后各级白砂糖产率

3 结论

甘蔗糖厂多次元精准配比低温新型燃硫炉实现了硫磺高效稳定燃烧，配套新型硫气净化冷却装置，有效减少硫气的SO3和升华硫含量，提高澄清效果。同时新型低温燃硫炉系统具有生产安全率高、运行成本低、自动化等优势，可以优化白砂糖生产工艺，提高白砂糖产品质量及产量，保证产品质量的稳定性，其将逐步替代传统简单、笨重、低效的甘蔗糖厂燃硫系统，为甘蔗糖厂实现澄清过程自动化控制奠定基础。