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制糖用二氧化硫气体制备装置研发 摘要 本论文研发一种安全、环保、节能、高效，且能够实现精确自动控制， 有效提升制糖过程中澄清工艺水平的二氧化硫( s 0 2 ) 气体制备装置。 我国制糖行业，目前面临着白砂糖品质低、环境污染严重、能耗大三 方面挑战。通过分析s 0 2 气体在制糖工艺中的重要作用，以及造成白砂糖残 硫量过高的原因，提出对s 0 2 气体制备装置进行研究的必要性：首先，为白 砂糖质量的进一步提升，提供技术前提；其次，为安全生产和环境保护提 供保证；再次，通过合理设计工艺流程，可实现企业节能降耗。 s 0 2 气体制备工艺研究，建立在分析目前采用工艺的不足的基础上。所 设计的工艺，从硫磺的燃烧反应原理，及升华硫和s 0 3 气体产生的原因出发， 综合考虑了回收利用硫磺燃烧放出的热量的可能性。包含熔硫、燃硫、硫 气冷却及热能回收、自动控制四个模块。研究中采用喷射燃烧的方式生成 s 0 2 ，并利用废热锅炉回收高温硫气的热量，产生低压蒸汽，作为熔融固体 硫磺的热源。控制系统的设计，综合考虑了硫熏工段对s 0 2 气体质量及添加 量的要求。通过变频控制系统、检测元件、控制元件和执行元件，实现对 添加硫磺量进行精确控制、控制燃烧速率、提高制气质量的控制目的。 本文研发的s 0 2 气体制备装置，在强调食品安全和节能减排的大形势 下，是较为理想的s 0 2 气体制备装置的升级换代产品。 关键词：燃硫炉燃烧过程雾化燃烧废热回收 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fs u l 向rd i o x i d e - p r 印a r i n gd e v i c ei n 一 s u g a rr e 士m l n gl n d u s 臼v a bs t r a c t t 1 1 ep a p e rh a sd e v e l o p e dag a u s - p r e p 撕n gd e v i c ew i t ha c c u r a c ya u t o m a t i c c o n t r o lt o 硫p r 0 v et h ec 1 撕f i c a t i o np r o c e s so fm es u l 缸d i o x i d e ( s 0 2 ) i 1 1 c o n s i d e r a t i o no ft 1 1 es e c u r i 吼e n v i r o m e n t a lp r o t e c t i o n ，e n e r g yr e s e r v a t i o na n d e 伍c i e n c y t h es u g a rr e f i n i i l gi n d u s t 哆i sc h a l l e n g e db yt h el o wq u a l i 够o fs u g a u r p r o d u c t s ， e n v i r o m n e n t a l p o l l u t i o na n de n e 嗡，c o n s u m p t i o n 而r o u 曲 廿1 e a n a l y s i so ft h ei l i l p o r t a n c eo fm es u l 斯d i o x i d ei n 协es u g a rr e f i n i n ga n dt h e h i g hr e s i d u a lq w m t i 锣o f s u l 向ri 1 1s u g 鸥t 1 1 i sp 印e rr e s e a r c h sm a ti sn e c e s s 哪t o i m p r o v e t h ep r e p a r i n gd e v i c eo fs u l f u rd i o x i d e f i r s t y ，i tc a ne n h a l l c et h eq v a l i t y o fs u g a r ；s e c o n d l y ，i tc a nm a k es u r em e p r o d u c t i o ns e c u r i t ya n de n v i r o 眦l e n t m p r o t e c t i o n ；f m a l l y ，i tc a nr e d u c et l l ee n e 嗡，c o n s u n l p t i o nb yo p t i m i z et 1 1 e t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s 7 1 1 1 ep r e p a r i n gt e c h n i q u eo fs u l f u rd i o x i d ea d o p t e di nt h i sp a p e ri sb u i l to n t h ea n a l y s i so ft h e d i s a d v a n t a g e so fc u r r e n tt e c h n i q u e s t h et e c h n i q u e c o n s i d e r i n gm ep o s s i b i l i t yt or e c y c l et 1 1 eh e a td u r i n gm eb l l m i n go fs u l m r 试 t e m so ft h ec o m b u s t i o nr e 2 u c t i o na n dt h ec a u s eo fs u b l i m e ds u l 斯a n ds 0 3 t h e t e c h n i q u ei sc o n s i s to fm e l t i n g ，b u m i n g ，c o o l m g & r e c y c l i n ga n da u t o m a t i c c o n t r 0 1 i i lm ed e v e l o p m e n t ，s u l r l rd i o x i d ei s p r e p a r e dmm e 、硼【yo fs p r a y i i c o m b u s t i o n ，2 u l dt l l ew a s t eh e a tb o i l e ri su s e dt or e c y c l et 1 1 eh e a tt om a k e l o 、p r e s s u r es t e 锄t om e l ts 0 1 i ds u l f - u r t h ed e s i g no fc o n 仃0 1s y s t e mc o n s i d e r s t 1 1 er e q u i r e m e n t so fs t o v ed 叫i 1 1 9f o rt 王1 e q u a l i 够a n da d d i t i o nv a l u eo fs u l l r d i o x i d e t h e 丘e q u e n c yc o n v e r t e rs y s t e m ，d e t e c t i 芏1 9d e v i c e ，c o n t r o ld e v i c ea n d t h ee x e c u t i n gd e v i c er e a l i z em ea c c u r a c yc o n t r o lo fa d d i t i o nv a l u eo fs u l 向r b 啪i n g r a t ec o n t r o la n di m p r o v e m e n to fs u l 如rd i o x i d e sq u a l i 吼 t h ep r e p a r i n gd e v i c eo fs u l f u rd i o 妇d ed e v e l o p e di nt m sp 印e rg i v e sa t 1 1 0 r o u 曲c o n s i d e r a t i o nt ot h ee i i r o n m e m a lp r o t e c t i o l l ，e n e r g yr e s e r v a t i o na n d q u a l i 够c o n n o lo fs u l 丘】rd i o x i d e t m sc h a r a c t e rm a k e si ta i li d e a lu p g r a d i n g d e v i c ef o rs u l 缸d i o x i d e p r e p a r a t i o n k e y w o i 如i s ：b r i m s t o n e 如m a c e ；b u m i i l gp r o c e s s ；s p r a yc o m b u s t i o n ；w a s t e h e a tr e c y c l 证g i 体积 质量流量 时间 容积利用系数 密度 面积 对数传热温差 总传热系数 空气用量 热量流量 导热系数 定压比热容 粘度 功率 功率准数 转速 直径 效率 百分含量 体积流量 容积热强度 符号说明 意义 v 单位或量纲 m 3 埏h 1 s 1 蚝m 。3 m 2 w m 2 k - l m 3 h - lm h - 1 k j h l w m k 。l l 【j k k 1 p a s w 1 r m i n - l m m 3 h lm h 咀 k j m 3 h 1 特 矿 铀r y p p 锄 k 圪 q a o 口 p 聆 j 刁 c 知 g 长度 半径 温度 热膨胀量 平均线膨胀系数 速度 焓 意义 v i i i 单位或量纲 m m 一 d 褐 三 r r 北 口 材 ， 广西大肖昀页士掌位论文 制糖用二辜l 化硫制备装置研发 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 我国制糖行业面临的挑战 我国是世界上主要的蔗糖生产与消费国之一【1 1 。甘蔗制糖的生产方法按照清净( 澄 清) 工艺进行分类，可以分为石灰法、亚硫酸法和碳酸法。石灰法的清净流程较短，仅 适用于生产粗糖或赤砂糖：亚硫酸法清净效果比石灰法好，适用于生产质量较好的白砂 糖；碳酸法清净效果最佳，但流程较长，投资费用较大【l 2 l 。我国现有糖厂中约8 5 是 采用亚硫酸澄清工艺生产白砂糖，只有约1 5 采用碳酸法【3 1 。 目前，我国的制糖行业面临以下三方面的挑战： ( 1 ) 白砂糖品质低 亚硫酸法生产的白砂糖，存在色值和残硫量偏高的问题。为全面促使我国食糖产品 质量的提高，2 0 0 6 年1 0 月1 日，我国实行新的白砂糖国家标准g b 3 1 7 2 0 0 6 。标准中规定： 一级白糖色值低于1 5 0 ，残留二氧化硫( s 0 2 ) 含量不高于3 0 m g 蚝；饮料用糖要求 s 0 2 含量不得高于1 5 m g k 9 1 【4 j 。根据2 0 0 6 0 7 制糖期食糖产品国家质量监督抽查结果表明： 新国标开始实施后，大型企业的产品抽样合格率高，亚法一级白砂糖样本合格率达到 9 7 4 3 ，但一些小型糖厂、小型土糖厂的产品抽样合格率只有5 6 4 1 5 1 。在我国加入w 1 o 以及食品标准日益国际化的形势下，白砂糖品质的提升已经刻不容缓。 ( 2 ) 环境污染严重 制糖行业是高污染行业，其结构性污染和区域性污染已成为制约经济发展的一大忧 患1 6 j 。随着国家职业病防治法律法规以及环保法规的日益完善，制糖企业若不采取 措施，改进生成工艺、设备，降低对环境的污染，将遇到十分严峻的发展“瓶颈 。 ( 3 ) 能耗大 糖厂是能耗大户。在我国目前的甘蔗糖厂设备条件下，标准煤耗对蔗比4 左右是 最先进的水平，最高超过1 0 【7 1 。高能耗严重制约了现有制糖企业规模的进一步发展。 综上所述，随着食品标准日趋国际化、国家及地方对有关环保、安全的有关规定的 执行力度日益加强，作为产糖大国的中国，需在设备和工艺上进行不断的研究改进，努 力提高白砂糖的质量，进而提高我国制糖企业在国际上的竞争力。 1 1 2 二氧化硫气体在制糖工艺中的重要作用 在亚硫酸法生产工艺中，使用s 0 2 进行蔗汁硫熏和糖浆硫熏( 二次硫熏) 。在蔗汁澄 清阶段，往预灰蔗汁中加入s 0 2 。其目的是改变蔗汁的氢离子浓度，使它达到某些非糖 分的凝固点，从而生成沉淀，从蔗汁中分离出来。s 0 2 通入蔗汁后，绝大部分与氢氧化 钙反应，生成亚硫酸钙沉淀被过滤掉。而溶解在清汁中的s 0 2 ，除小部分在蒸发浓缩过 制糖用二氧化硫制备装置研发 程中，随着蒸汽挥发排走外，大部分都留在糖浆中。蒸发后的糖浆还要进行二次硫熏， 其目的是调节糖浆的p h 值，防止煮糖时还原糖分的分解。这将使糖浆中的s 0 2 量不同程 度增加，形成亚硫酸钙沉淀、溶解性亚硫酸钙或亚硫酸和有机物化合物留在糖浆中。亚 硫酸钙沉淀物微粒在煮糖结晶时，混杂在晶体表面，形成白砂糖s 0 2 残斟1 1 。 在工艺过程中，合理使用s 0 2 进行硫熏，可提高澄清处理效果，降低成品白砂糖的 色值，同时将s 0 2 残留量控制在合理范围之内。对于提高产品质量，延长产品的保质期， 有良好的促进作用。合理使用s 0 2 就是控制硫熏强度，控制蔗汁吸收s 0 2 的数量。当所处 理的蔗汁的性质不同时，硫熏强度是不同的。因此，要控制硫熏强度，必须实现根据所 处理的蔗汁的性质，准确控制s 0 2 的加入量。 综上所述，随着g b 3 1 7 2 0 0 6 白砂糖国家标准对白砂糖的色值和s 0 2 残留量的要 求进一步提高，如何控制s 0 2 的合理使用，成为提高白砂糖质量的重要途径之一嘲。 1 1 3 二氧化硫气体制备装置研发的必要性 “制糖用二氧化硫制备装置研发 课题的实施，对制糖产业产品品质的提高、环保 节能、工艺优化、健康生产等各方面的促进，都有着重大和积极的现实意义。 首先，为白砂糖质量的进一步提升，提供技术前提； 制糖中使用的s 0 2 气体是由燃烧硫磺产生的。燃烧硫磺所得到的气体，除了含有s 0 2 气体外，还含有氧气( 0 2 ) 、氮气( n 2 ) 等其它气体( 硫磺燃烧后，生成的含有s 0 2 的气 体简称为硫气，后文均用简称代替) 。由于硫熏工段所添加的硫气是混合物，要准确控 制s 0 2 的加入量，则要求硫气中的s 0 2 气体含量高，且稳定。同时，为避免因硫气中含 有升华硫( s 2 ) 造成设备、管道严重堵塞，以及因含有三氧化硫( s 0 3 ) 造成设备、管 道腐蚀，硫气中还应尽量避免含有s 2 及s 0 3 。若能实现以上制气目标，制备高质量s 0 2 气体，则为白砂糖质量的进一步提升，提供技术前提。 其次，为安全生产和环境保护提供保证； s 0 2 是有毒气体。在生产过程中，若发生s 0 2 气体的泄漏现象，则生产设备周围十几 米内不能近人。不仅使生产不能正常进行，而且严重影响岗位工人的身体健康【9 】，更造 成严重的环境污染。因此，在制备s 0 2 气体的过程中必须保证无泄漏，为安全生产和环 境保护提供保证。 再次，合理设计工艺流程，实现企业节能降耗。 硫磺燃烧为放热过程，随着我区制糖企业投入加大，糖厂规模越来越大，日榨万吨 的甘蔗糖厂越来越多，如能将该部分热进行回收利用，将极大减轻企业的经济负担。此 外，若能实现根据硫熏强度大小，实时调节硫磺消耗量，则能避免浪费硫磺。 综上所述，作为制糖大国，我国制糖企业急需一种安全、环保、节能、高效且能够 实现精确自动控制，有效提升制糖澄清工艺水平的s 0 2 发生装置。“制糖用二氧化硫制备 装置研发 课题的实施，对制糖产业产品品质的提高、环保节能、工艺优化、健康生产 等各方面的促进，都有着重大和积极的现实意义。 2 广西大掌硕士掌位论文 制糖用二氧化硫制畚装置研发 1 2 国内外研究进展 1 2 1 国内研究进展 目前，国内可用于制糖工艺的s 0 2 制备装置，主要有3 种类型：半封闭自燃式、全封 闭汽化自燃式、全封闭喷射燃烧式。 ( 1 ) 半封闭自燃式 半封闭自燃式主要有三种类型：固定式燃硫炉、自熔式燃硫炉、迪转式燃硫炉。 固定式燃硫炉 c 0 0 1 i n g 税t e r 图l 一1 固定式燃硫炉 f i g 1 - 1f i x e db r i m s t o n en l m a c e 如图1 - 1 所示，固定式燃硫炉由炉体3 、燃硫盆2 、石灰盘l 及水冷却夹套4 组成。炉 体是卧置的，呈长方形，内部分为上下两层，石灰盘在下，燃硫盘在上。空气从石灰 盘底部进入，透过石灰层，经隔板的气孔进入炉膛，与硫磺发生燃烧反应。生成的s 0 2 气体经炉体后部的垂直管道排出。炉体顶部和s 0 2 上升管用水冷却，以保证其温度不超 i 寸2 0 0 。 3 广西大掌司配b 掌位论文制糖用二氧化硫制畚装j l 研发 自熔式燃硫炉 c 0 0 1 i n g 丙a t e r 图l - 2 自熔式燃硫炉 f i g 1 - 2s e l f 二f l u 茹n gb r i m s t o n e 如m a c e 自熔式燃硫炉是从固定式燃硫炉的基础上改进的。如图1 2 所示，由炉本体1 、熔硫 盘2 、燃硫盆3 、辅助燃烧室4 和冷却器5 组成。其特点是利用硫磺燃烧放出的热量，将固 体硫磺熔化成液态，液态硫磺经调节阀门流入燃烧盘燃烧。目前，我国绝大多数糖厂正 在使用自熔式燃硫炉。 遛转式燃硫炉 a l r - 一 s 0 2 c o o l i n gw a t e r - - - - 图1 3 迪转式燃硫炉 f i g 1 - 3r 0 t a 巧b 血n s t o n em m a c e 4 制糖用二氧化硫制备装置研发 如图l - 3 所示，迪转式燃硫炉由炉体1 、集气箱2 、冷却器3 、托轮4 、传动装置5 和底 座6 组成。转筒用托轮支承，由电动机通过蜗杆蜗轮减速装置驱动。硫磺和空气从进料 口导入，在筒内燃烧。硫气则经过固定接管引出，通过冷却简体冷却【1 0 1 。 ( 2 ) 全封闭汽化燃硫炉 随着生产技术的进步，出现了许多新式燃硫炉1 1 】。全封闭汽化燃硫炉便是其中一种。 这种燃烧炉设置汽化器和后燃烧器，将汽化阶段和燃烧阶段分开，其结构见图l - 4 。 8 。 ，r ，1 i j 牟牟 ：_ l 7 一 、 、，厂3 弋 _ ； s 1 t丰 哥叫 ) 一 矿 l 24 6 ， 厂cr 。 1 r 一| r 、| 4 连续汽化燃硫炉 1 4 c l t i i l u o u sv a o r i z a t i o nb r m s t o n e 如m a c e - 4 所示，连续汽化燃硫炉由熔化器l 、进料阀2 、排气阀3 、接收器4 、进料阀5 、 汽6 、后燃烧器7 和冷却器8 组成。其工作过程如下： 固磺在熔化器内，被高压蒸汽熔化成液体状态后，通过进料阀进入接 收再进入汽化器，并保持一定的液位；其次，汽化器中的液硫与一次空气发生燃烧 反反应放出的热量使液硫不断蒸发，形成硫蒸汽；再次，硫蒸汽离开汽化器，沿切 线进入后燃烧器，与切线方向进入的二次空气充分混合，并完全燃烧；最后，硫气 从烧器通过不锈钢蓄集箱，进入多路冷却器【1 2 】。 全封闭喷射燃烧式 射式燃硫炉在硫磺制酸行业的成功应用，越来越多研究机构倾向于将喷射式 燃用于制糖工业。目前，在中华人民共和国国家知识产权局已经能查到三个将喷射 式炉用于制糖工业的实用新型专利【1 3 1 5 1 喷射式燃硫炉的结构见图1 5 。 5 制糖用二氧化訇勖卸备装置研发 - _ - 6 t z 7 厂 - - 奠n 小n 电n 咚埯冬o n 夺n 电s 蔓。n 。n n 。n x 悬 ，吣、x 0 0 x o 0 3 、k 0吣斗矗x o n 悬s n o n 电烈 幺搿幺移彭形么彳形彤彳形z 么移彩彭么彩么形z 哆彩z钐么z 么r 么彩彩；彭么彩彭么么么衫黝z 么彰形玩衫钐z 黝幺 3l鋈 萋耋 5 2 j 4 ； r、 l l ；i 浮i r 工熙礁鬃礤礁缮磁繇诿繇繇磁缮燃i 髟么穆移彩么爿哆黝彤么形纪珍移彩彳形 彰形形彩缪彩彩彩钐形切 七弋吣亡、x 圣亡n o n 电醚心a n 电3 n 电壬d r o n nx 0 亡弋q o x 矗x o d k 圣弋q 捌 叫 l jljl j 图1 5 喷射式燃硫炉 f i g 1 5s p r a yc o m b u s t i o nb r i m s t o n e 觚l a c e 如图1 5 所示，喷射式燃硫炉由鞍座1 、人孔2 、硫磺喷枪及一次空气入口3 、挡墙4 、 二次空气入口5 和炉墙6 等组成。其工作过程如下：液硫经过高压喷射雾化后，与由风机 吹入的一次空气充分接触燃烧。通常情况下，为强化硫磺与空气的混合，在炉内设置几 道挡墙。为防止燃烧不够完全，产生升华硫，在炉的中部设置二次风，用于补充氧量， 增加气体的湍流程度，调节炉膛温度，促使反应完全。 在目前已研制出的生产设备中，以广西南宁成泰糖业技术有限公司研究开发的“全 封闭式高效燃硫炉系统”技术较为先进，并己成功应用于制糖业，取得不错的效果。“全 封闭式高效燃硫炉系统结构见图1 6 。 1234 图l _ 6 全封闭式高效燃硫炉系统 f i g 1 _ 6f u l l ye n c i o s e dh i g hs u l f u i 凡e lf i 肺a c es y s t e m 如图l 。6 所示，“全封闭式高效燃硫炉系统”由燃硫炉1 ，燃硫气输送管路2 、7 ，燃 硫气分配阀3 ，熔硫槽硫气夹套4 ，排空管5 ，s 0 2 吸收器6 ，硫气冷却器8 ，熔硫槽9 ，残 硫排底阀1 0 ，液硫输送管1 1 ，阀门1 2 组成。 6 广西大掌：顷士聋q 盘论文制糖用二年1 七硫制畚装置研j k 该系统采用电热体直接加热与硫气余热熔硫相结合的方式进行熔硫，在熔硫槽外设 置硫气夹套，在内设置电热体。固体硫磺在熔硫槽内熔化成液体后，通过精硫泵输送到 燃硫炉，经过喷射燃烧后，得到高温硫气。在输送管路上设置分配阀，高温硫气通过分 配阀后，一部分硫气进入冷却器；另一部分先进入设有硫气夹层的熔硫槽，再进入冷却 器。硫气被冷却后，经输送管路输送到用气工艺单位。在输送管路上设置有s 0 2 吸收器 和排空管，以保证在停机排空时，不排出s 0 2 有害气体。另外，在液硫输送管路上设置 有残硫排底阀，保证管路在停机时，不被残余液硫堵塞【1 6 】。 1 2 2 国外研究进展 世界上甘蔗糖业发达的国家，在亚洲除我国之外，还有印度、菲律宾；在非洲有毛 里求斯、南非；在拉丁美洲有古巴、巴西、墨西哥等国；在太平洋地区则有澳大利亚； 此外还有美国的佛罗里达州和路易斯安那州，以及夏威夷等地【l 】。国外用于制糖工艺的 s 0 2 气体制备装置的发展情况与我国大致相同【1 7 1 叭，也经历了从半封闭自燃式，到全封 闭自燃式，再到全封闭喷射燃烧式的发展历程。目前，在发达国家，喷射燃烧液体硫磺 制取s 0 2 气体的方法，已得到广泛应用。 随着计算流体力学c f d 的发展，利用计算流体力学软件，可以模拟燃烧过程中的各 种状态参数，、从而实现优化燃烧反应器，控制燃烧的目的1 2 呲7 】。目前，发达国家基本采 用c f d 方法对液硫燃烧器进行优化设计【2 8 j ，制气质量较高。 1 3 本文的研究意义和内容 1 3 1 研究目的和意义 ( 1 ) 研究目的 在制糖工业上，s 0 2 气体制备装置的综合性能，不仅影响白砂糖的质量，而且影响 到节能降耗和岗位工人的身体健康。纵观国内外关于s 0 2 发生器装置的研究进展，在制 取高质量s 0 2 气体方面，已取得较大进展。但是对于回收硫磺燃烧放出热量，并进行综 合利用的研究，还处于起步阶段。因此，对制糖用s 0 2 制备装置的研究还需不断深入、 不断完善。 鉴于此，应尽快解决这个技术难题，以提升制糖产业的技术水平，促进企业的技术 升级和产业结构调整。本课题正是基于上述现实需要进行立项，所研发的s 0 2 气体制备 装置，力求在满足制糖工业对s 0 2 气体质量要求的基础上有所创新： 首先，在硫气质量方面，实现所制硫气中s 0 2 气体含量稳定、防止升华硫及s 0 3 生成， 硫气温度达到工艺要求； 其次，保证系统在运行过程，以及开、停机时均无s 0 2 气体泄漏，实现全封闭生产； 再次，实现根据蔗汁流量匹配s 0 2 气体供应量，保证合适的硫熏强度； 最后，回收硫气的高温余热，并加以合理利用。 7 广西大萼巴司e 士掌位论文制糖用二牵化硫制备装置研发 ( 2 ) 研究意义 本论文所采用的s 0 2 气体制备工艺若能满足以上研究目的，则具有重大的现实意义。 制取高质量硫气，为白砂糖质量的进一步提高提供技术保证。造成白糖质量不 稳定、制糖技术水平停滞不前的主要原因之一，是清净工段所用s 0 2 气体质量差，设备 运行不稳定；若能制取高质量的s 0 2 气体，则有利于白砂糖质量的进一步提高； 全封闭生产方式，解决了s 0 2 有毒气体泄漏造成的环境污染和影响岗位工人身体 健康问题； 对降低糖厂能耗有显著的现实意义。生产过程中，若能实现根据s 0 2 气体需求量 实时控制硫磺的消耗量，则能避免浪费硫磺。回收利用硫磺燃烧放出的热量，对于节约 能源有积极的作用。 1 3 2 本文主要工作 ( 1 ) 对本课题研发的s 0 2 制备装置所采用的工艺进行研究； ( 2 ) 根据液体硫磺需在最佳的粘度条件下进行输送的要求，进行以饱和蒸汽为热源 的熔硫槽的结构设计，以液硫消耗量1 0 0 0 k g h 1 的熔硫槽为例，进行换热面积的计算， 并简单介绍熔硫槽搅拌系统的选型步骤： ( 3 ) 在理论计算数据和经验数据的基础上，以燃硫量1 0 0 0 埏h - 1 的喷射式燃硫炉为 例，进行燃硫炉结构设计，并采用c f d 方法对燃硫炉内的燃烧情况进行数值模拟，得出 最佳空气过量系数a 的数值，以及燃硫炉内的速度场、温度场和组分浓度场的分布情况； ( 4 ) 以燃硫炉的c f d 模拟结果为条件，进行废热锅炉的结构设计，以达到产生熔硫 用低压饱和蒸汽的同时，避免锅炉管发生低温腐蚀的目的； ( 6 ) 对硫气的低温冷却设备进行选择； 在分析目前硫熏工段加硫量不易控制的原因的基础上，以控制升华硫的生成， 控制s 0 3 气体的生成，控制s 0 2 气体的添加量和产量为设计目的，进行自控系统设计。 通过对这些内容的研究和攻关，将研制一套完整的以液体硫磺和湿空气，制s 0 2 硫 气的新装置和新工艺。 8 广西大学页士掌位论文 制糖用二氧化硫制备装j 【研发 第二章二氧化硫气体制备工艺研究 2 1 二氧化硫气体制备原理 2 1 1 硫磺的物理性质 制糖工业上制取s 0 2 气体的原料为食品级硫磺【2 9 】，其产品规格见表2 1 ： 表2 1 食品级硫磺规格 序号指标名称 单位指标 液体硫磺粘度随温度而变化：将固态硫加热到熔融，可得到透明的、浅黄色的、粘 度小易于流动的液体；当液态硫的温度超过1 5 9 时，粘度迅速增大，颜色也从浅黄色 变为暗棕色；继续加热液态硫，使其温度高于2 0 0 ，液态硫的粘度又逐渐减小，到达 沸点( 4 4 4 6 ) 时，又成为一种粘度小而易于流动的液体，但颜色却变成暗红色【3 0 1 。 液态硫的粘度随温度变化的情况见表2 2 ： 表2 - 2 液态硫在不同温度下的粘度 t a b l e2 3l i q u i ds u l 如rv i s c o s i t ) ，a td i f r e r e n tt e m p e r a t u r e s 2 1 2 硫磺燃烧的化学反应 硫磺在空气中的燃烧过程用下式表示： s + 0 2js 0 2 + 龋 9 ( 2 1 ) 制糖用二氧化硫制畚装j l 研发 硫磺在2 5 时的燃烧热h = - 9 2 8 2l ( j k 苫1 ，燃烧所产生的硫气的理论火焰温度与硫气 中s 0 2 的浓度成正比，当s 0 2 的浓度为1 1 1 2 ，理论火焰温度为1 0 5 0 1 1 0 0 。 若硫磺与进入燃硫炉的空气中的氧气发生全部反应，则易使燃烧不完全，产生升华 硫。在实际生产过程中，为了充分利用原料硫磺，采用空气过剩的生产方法，即硫磺为 限制反应物，空气为过量反应物。空气过量的程度通常用空气过剩系数q 表示，其值为 实际空气用量与空气理论用量的比值。 2 1 3 硫磺的升华 升华硫是由于燃硫炉内硫磺蒸汽燃烧不完全造成的。硫磺在1 1 9 熔融，同时开始 产生硫蒸汽，当温度达到2 5 0 时，硫蒸汽在空气中燃烧生成s 0 2 。但硫蒸汽必须在一定 的时间、足够的温度和充分的氧气条件下，才能完全燃烧。如燃烧不完全，硫气中就会 含有硫蒸汽。硫气冷却后，硫蒸汽便凝结成微粒状的固体硫磺，沉积在管道设备中。 2 1 4 三氧化硫的生成 由于采用空气过剩的生产方法，硫磺燃烧时，除生成s 0 2 气体外，还会生成s 0 3 气体， 反应过程见式2 2 ： 2 观+ d 2 专2 皿+ 肼 ( 2 2 ) 该反应在催化剂( f e 2 0 3 、烟尘等) 的作用下，在5 0 0 8 0 0 温度范围内进行，并放 出热量。s 0 3 气体对生产是有害的，它溶于蔗汁中，与钙离子生成溶解度较大的硫酸钙， 增加糖汁的非糖分含量，导致蒸发罐积垢增加。同时，s 0 3 与水汽生成的硫酸，严重腐 蚀设备和管道【3 l 】。 2 2 制备工艺现状 2 2 1 半封闭自燃式 半封闭自燃式燃硫炉的典型代表是自熔式燃硫炉。这种燃硫炉由于采用了较简单的 生产装置，工艺、设备不尽合理，存在不少问题：首先，制取s 0 2 的效率低。为防止燃 烧过程中产生升华硫，必须控制硫磺的燃烧强度，由此导致制取s 0 2 的效率低。例如： 日榨甘蔗1 万吨的糖厂需要同时使用1 2 台自熔式燃硫炉才能满足生产需要，这不仅增加 了投资成本，而且炉体体积庞大，占用了较大的使用面积；其次，由于炉体为半敞开式 结构，极易造成s 0 2 气体泄漏；再次，制出的硫气不仅流量不稳定，而且质量差，含s 0 3 及大量升华硫。半封闭自燃式燃硫炉在生产中所暴露出来的缺点，表明其并不是制备s 0 2 气体的最佳设备。 2 2 2 全封闭汽化自燃式 与半封闭自燃式燃硫炉相比，全封闭汽化自燃式燃硫炉不仅无硫气泄漏问题，而且 由于将汽化阶段和燃烧阶段分开，获得了较高的燃烧强度，有效的减少了设备的体积和 l o 广西大掌硕士掌位论文制糖用二氧化嗣隗i 畚装置研发 产生升华硫的可能。 但是这种硫磺炉还存在不足之处：首先，虽然全封闭的炉体无泄漏问题，但是停机 滞后仍造成大量排放；其次，因为燃烧器的控制存在滞后性，无法灵活、精确的控制硫 气中的s 0 2 气体浓度和制气总量，所以无法根据蔗汁流量匹配相应的硫气供应量。自动 化程度受到了限制。以上不足，表明其并非理想的制糖用燃硫炉换代产品。 2 2 3 全封闭喷射燃烧式 “全封闭式高效燃硫炉系统”实现了制气纯度高、稳定，能根据蔗汁流量匹配相应 的硫气供应量，为硫熏在线控制的实现提供了保证：首先，可精确控制硫气比，获得更 高的燃烧强度和燃烧质量，保证生成硫气的浓度、纯度和稳定性；其次，由于硫磺瞬间 完全燃烧，无升华硫产生的可能，最大限度的避免了硫磺的浪费，杜绝了各种不确定因 素的产生；再次，燃烧器控制不存在滞后性，可以灵活快速的控制硫气的生成量，实现 根据蔗汁流量匹配相应的硫气供应量，自动化程度不受限制。 “全封闭式高效燃硫炉系统”在取得进步的同时，也存在不足：首先，采用电热体 直接加热与硫气余热熔硫相结合的方式进行熔硫，需要外加电源；其次，采用塔式洗涤 换热冷却结构对高温硫气进行冷却，热量白自耗散，系统能耗大；再次，与硫磺制酸过 程相比，糖厂以湿空气制s 0 2 气体，设备腐蚀问题严重。 2 3 工艺流程设计 通过分析目前可用于制糖工艺的s 0 2 制备装置所存在的不足，可以看出虽然在制取 高质量s 0 2 气体方面，已取得较大进展，但是对于回收硫磺燃烧放出热量，并进行综合 利用的研究，还处于起步阶段。本论文所研发的s 0 2 制各装置所采用的工艺，从硫磺的 燃烧反应原理，及升华硫和s 0 3 气体产生的原因出发，综合考虑回收利用硫磺燃烧放出 的热量的可能性。 2 3 1 硫磺燃烧方式 液体硫磺在燃烧时，先蒸发形成硫蒸汽，再与空气中的氧混合燃烧。因此，液硫的 燃烧，实质上是多了一个蒸发过程的气相燃烧。液硫的燃烧速度取决于液硫的蒸发速度， 增强液硫的蒸发过程就可强化燃烧。扩大液硫蒸发表面积是加快液硫的蒸发速度最有效 的方法之一。喷射燃烧就是利用雾化器，把液体燃料粉碎为直径几微米到几百微米的微 粒群，使燃料的蒸发面积成千倍增加，促使其迅速地汽化蒸发并与空气良好的混合，保 证燃烧迅速与完全p 2 。 喷射燃烧对提高液硫的燃烧质量有积极的作用：首先，液硫雾化后与空气充分接触， 在空气过量的情况下燃烧完全，杜绝了升华硫的产生；其次，燃烧火焰温度高于s 0 2 与 0 2 反应生成s 0 3 的温度范围，可阻碍反应的进行，防止在燃硫炉内生成s 0 3 。基于以上优 点，硫磺的燃烧采用喷射燃烧方式。 广西大掌司旺b 学位论文制糖用二氧化硫制畚装置研发 2 3 2 硫气冷却及热能回收方式 硫磺燃烧的反应热使硫气温度升高，从燃硫炉出来的硫气温度为9 0 0 1 2 0 0 ，属 于高温( 位) 废热。按硫磺在2 5 燃烧放出热量9 2 8 2k j - k 百1 计算，将这部分热量回收9 5 ， 则每燃烧1 吨硫磺将可回收热量8 8 1 7 9 0 0 k j ，相当于o 3 t 标准煤【3 3 】。因此，采用废热锅炉 对燃硫炉出口的高温硫气进行冷却。一方面回收废热生产低压蒸汽，供给熔硫及其它用 热工段使用；一方面降低硫气温度。 在回收热量时，为防止废热锅炉内发生露点腐蚀，锅炉出口硫气的温度不宜过低， 定为3 0 0 【3 4 】。硫熏工艺要求硫气温度为6 0 。因此，废热锅炉出口硫气还必须经过低 温换热器冷却才能达到工艺要求。 2 3 3 熔硫方式 市场上销售的硫磺大多为固态、块状物质。基于原料来源、运输和贮存等原因，选 择以固体硫磺为原料。固体硫磺需经过加热熔化，变成液体后才能进行喷射燃烧。 熔硫所需的热量，一般包括固体硫磺所消耗热、带入水分所消耗的热以及散热损失 等三项。例如：按1 0 0 0 埏h - 1 的硫磺消耗量来计算，所需热量较大。以废热锅炉所产蒸 汽为热源进行熔硫，则减轻了企业的经济负担，经济效益可观。 2 3 4 工艺流程 空气 液体硫磺 熔硫槽 固体硫磺 s 0 2 吸收器 jl 蒸汽 一+ 冷却水 r 嗡汽r 两温硫气 3 0 0 硫气 - 燃硫炉废热锅炉低温换热器 r ru u “ 除氧水冷却水 7 0 硫气 图2 - l 工艺流程简图 f i g 2 - lp 阳l c e s sn o wd i a g r 锄 图2 1 为本论文所采用的s 0 2 气体制备工艺流程。如图所示，固体硫磺在熔硫槽内， 由废热锅炉产生的蒸汽加热熔融成液体后，由精硫泵将其通过装有蒸汽套管的管道输送 到燃硫炉。在炉内经喷射雾化后，与空气燃烧产生高温硫气。利用废热锅炉回收高温硫 气的热量，产生低压蒸汽。废热锅炉出口硫气再经过低温换热器，达到制糖要求的工艺 1 2 制糖用二牵化硫制备装置研发 温度后，输送到硫熏中和器。在输送管路上设置有s 0 2 吸收器和排空管，以保证在停机 排空时，不排出s 0 2 有害气体。 2 4 控制系统 2 4 1 控制系统的设计目标 在亚硫酸法生产自砂糖过程中，硫熏强度的控制不仅关系到生产的正常运行，而且 影响着白砂糖的残硫量，是控制白砂糖质量的重要环节之一。对硫熏强度进行在线监控， 是实现蔗汁硫熏最佳化，使白砂糖含硫量达到质量标准的关键，已成为提高白砂糖质量 的途径之一。s 0 2 加入量不易控制的原因主要有两个方面：首先，硫磺消耗没有严格的 交接制度和准确的消耗计量；其次，硫磺燃烧不稳定，榨蔗量不稳定，导致s 0 2 用量时 高时低。目前，已成功设计出硫熏在线测控系统，并能正常运行和检测【3 5 1 。该系统的检 测装置通过模拟生产中人工滴定，进行自动采样和自动测量，通过测量值对s 0 2 的控制 阀门进行自动调节。 s 0 2 加入量不易控制的原因主要有两个方面：首先，硫磺消耗没有严格的交接制度 和准确的消耗计量；其次，硫磺燃烧不稳定，榨蔗量不稳定，导致s 0 2 用量时高时低。 仅通过对在线测控系统的s 0 2 进气管控制阀门进行自动调节，并不能解决以上问题。因 此，本控制系统的设计以该硫熏在线测控系统为模板，改变控制s 0 2 加入量的方法，以 达到既能对硫熏强度进行在线测控，又能产生高质量s 0 2 气体的控制目的。 本控制系统的控制目标： ( 1 ) 控制升华硫的生成 从升华硫的形成原因来看，只要能使硫磺能充分燃烧，就能将其控制。为保证硫磺 充分燃烧，除了采取喷射雾化燃烧外，还必须使硫气具有一定的氧气过剩量。 ( 2 ) 控制s 0 3 的生成 由式2 2 可知，从平衡移动的观点来看，若将体系的温度升高，减少硫气与催化剂 的接触时间，则不利于反应向右进行。在8 5 0 以上的高温下，几乎不产生s 0 3 。因此雾 化燃烧产生的高温，可阻碍s 0 3 的生成。当硫气经冷却温度降低到4 2 0 6 0 0 时，在设 备内的烟尘和钢铁设备表面f e 2 0 3 的作用下，硫气与设备接触时间长也会生产s 0 3 。应缩 短硫气在设备内的停留时间，将其控制在2 秒内。 ( 3 ) 控制s 0 2 的添加量和硫气总量 通过控制硫熏工段s 0 2 添加量，可保证工艺所需要的硫熏强度大小。并且能在较大 范围内对所需的燃烧速率( 产生的s 0 2 ) 作出即时反应，控制硫气总量。保证硫磺消耗 量、空气量均按生产需要进行调配，避免过度使用硫磺造成的浪费。此外，通过控制阀 门的合理调节，可实现停机时阀门处于关闭状态，无s 0 2 泄露现象。 1 3 广西大掌硕士掌位论文制蓿用二氧化硫制畚装置研发 2 4 1 控制措施 针对以上控制目标，所采取的措施有： ( 1 ) 通过硫熏强度在线测量值对s 0 2 的控制阀门进行自动调节，除此之外，将控制信 号传给变频器，采用变频技术实现对加磺量的精确控制： ( 2 ) 通过监测燃硫炉出口气体的温度来监测气体中s 0 2 的浓度，实时掌控硫磺的燃烧 情况； ( 3 ) 根据温度检测结果，采用变频技术调节一次风量，实现液气比的精确控制。 2 5 本章小结 本章介绍了硫磺燃烧的反应原理，以及升华硫和s 0 3 气体生成的机理。并在分析目 前可应用于制糖工艺的s 0 2 气体制备工艺存在的不足的基础上，进行了工艺研究。所设 计的s 0 2 气体制备工艺，从硫磺的燃烧反应原理，及升华硫和s 0 3 气体产生的原因出发， 综合考虑了回收利用硫磺燃烧放出的热量的可能性。研究中采用喷射燃烧的方式生成 s 0 2 ，并利用废热锅炉回收高温硫气的热量，产生低压蒸汽，作为熔融固体硫磺的热源。 整套工艺包含熔硫、燃硫、硫气冷却及热能回收、自动控制四个模块，实现了制气纯度 高、产气量可控、充分利用回收余热的目标。 1 4 广西大掌硕士掌位论文 制糖用二氧化硫制备装置研发 3 1 熔硫槽设计 第三章设备研发 3 1 1 熔硫槽结构设计 熔硫槽分为带搅拌器与不带搅拌器两种。因为带搅拌器的熔硫槽传热效果较好，所 以本设计采用带搅拌器的熔硫槽1 3 6 】。 ( 1 ) 熔硫槽的结构形式 将熔硫槽设计为一长方形容器，侧面设置外保温，项上设置盖板，中间用隔板分隔 为熔硫区与抽吸区。此结构形式有以下优越性：首先，食品级硫磺杂质含量较少，用隔 板将熔硫槽分隔为熔硫区和抽吸区。这样即可以最大限度分离出硫磺中的各类杂质，又 节约设备的占地面积；其次，为保证熔硫槽在正常工作时，外表面温度小于5 0 ，在其 侧面设置外保温。这样即可以避免灼伤，又可以减少设备热量的散失；再次，设置盖板， 可防止雨水及灰尘进入槽内，同时还具有防止硫蒸汽外逸，污染环境及保障人身安全等 作用。此种熔硫槽制造较容易，安装、使用、维修都较方便。 图3 - l 爝焉引曹结构简图 f i g 3 - ls 仇l c t u r a ld i a g r 锄o f m o h e ns u l 缸伽f l l ( 如图3 - l 所示，熔硫槽由槽体、加热盘管组、搅拌装置和精硫泵四部分组成。搅拌 器设置在熔硫区中心，由减速机直接驱动，其周围安放多组蒸汽加热盘管。搅拌桨均匀 旋转，使固体硫磺和液体硫磺充分混合，起到加速传热过程，提高熔化速度的作用。蒸 汽加热盘管提供熔硫所需热量，同时起导流筒和挡板的作用，以减少涡流，强化传热。 精硫泵设置在抽吸区中心，两旁设置加热盘管，以保证液硫温度保持在工艺温度范围。 中间隔板上缺口处设有过滤网。硫磺在熔硫区内融化成液状后，通过隔板上的缺口流到 1 5 广西大学硕士掌位论文制糖用二氧化硫制备装置研发 抽吸区，再由精硫泵送入燃硫炉内燃烧。 ( 2 ) 搅拌器 在熔硫槽的设计过程中，搅拌器的结构是一个关键问题。在熔硫区内，固体硫磺与 液体硫磺并存，加热管附近的液硫温度和其它区域的液硫温度有可能不一样，这就要求 搅拌器具有较强的扩散能力和循环能力。因此，搅拌器的结构必须合理，强度必须足够， 并且制作安装方便，连接牢固。 在熔硫槽设计中，当装置规模比较小时，一般采用折叶桨式搅拌器。折叶桨式搅拌 器由两片扁钢制作而成，对称呈4 5 0 折角固定于搅拌器轴上。搅拌器根据设备的具体情 况可做成单层或双层。这种搅拌器有轴向分流、径向分流和环向分流，能防止固体硫磺