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  • 糖液脱色精炼

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    康德朗

    尚鼎炉业科技(扬州)有限公司(江苏省扬州市)

    [摘要]脱色和离交是淀粉糖生产过程中糖液净化的关键工序,是生产高品质产品的基础。本文介绍颗?;钚蕴课胶驮偕爸迷诘矸厶巧械挠τ梅椒?,配套后续的自动化离子交换系统,实现糖液的深度净化,同时取得了提高产品品质和和降低成本的效果。

    1前言

    结晶葡萄糖生产技术已经相当成熟,但到目前为止还或多或少的存在产品滤速不稳定、滤膜白度过低、过程染菌造成微生物或者细菌内毒素超标的问题。解决这些问题的关键是结晶前对糖液的净化,而果葡糖和麦芽糖等糖浆产品生产对糖浆净化的要求则有过而无不及。

    活性炭脱色和离子交换树脂脱盐是淀粉糖生产中对糖液进行净化最普遍和可靠的手段。淀粉经过液化糖化后得到的糖浆其葡萄糖含量虽然达到了要求,但其中还含有各种不利的杂质,如:大分子量色基化合物、蛋白质、小分子量/极性色基化合物、异味类和异嗅类化合物、以及羟甲基糖醛等。这些杂质可利用活性炭的多孔结构特性吸附去除,在行业内被称为“脱色”。

    迄今为止,有两类活性炭产品被广泛用于淀粉水解糖浆的脱色处理,一种是粉状炭,一般均采取一次性使用方式(即达到饱和后即抛弃或焚烧处理),另一种为颗?;钚蕴?,可多次再生后循环使用。

    在国家大力倡导节能减排,发展循环经济,打造绿色产业的形势下,可多次再生并循环使用的、不产生二次污染物的颗?;钚蕴客焉驮偕际醯挠τ檬切幸档姆⒄骨魇?。实践证明,很有品质和成本优势。

    1.颗?;钚蕴课酵焉爸玫纳杓萍霸诵?/strong>

    1.1 设计参数的确定

    一般均采取两步法来确定吸附装置的设计参数:首先进行供选颗?;钚蕴康摹拔降任孪摺辈舛?,从中选出一种或几种对目标吸附质吸附能力最高的样品炭;然后对选出的炭样进行中试吸附柱连续运行试验,确定最佳的活性炭品种并获取设计用的主要参数,同时对运行成本进行评估测算。

    1.2 淀粉水解糖浆脱色用颗?;钚蕴课狡?/strong>

    由于淀粉水解糖浆是一种有粘度、含有一定浓度微细悬浮固体颗粒、偏酸性的液态流体,在吸附器设计时必须充分考虑床层阻力的变动,并同时兼顾饱和炭的再生要求以及后继的糖浆处理装置系统(如离子交换树脂塔和压滤机等)的运行负荷等问题。

    设计良好的炭吸附脱色装置应达到以下运行要求:(1)设备投资少;(2)操作难度??;(3)流程连续化,无需频繁进行原料切换操作;(5)全程自动化控制,装置系统运行可靠性高;(6)占地面积??;(7)不产生废弃物和二次污染,资源回收率高,符合环境?;ず脱肪靡?;(8)清洁化生产;(9)运行成本尽可能低;(10)可降低后继离子交换装置系统的运行负荷,提高离交树脂的使用寿命。

    尚鼎炉业科技(扬州)有限公司设计制造的淀粉水解糖浆脱色专用颗?;钚蕴课剿哂幸韵轮饕氐?,并能完全满足上述运行要求:

    (1)采用移动床/脉动床型连续吸附技术设计方案;

    (2)采用“上向流”设计,避免了糖浆流体在吸附器中出现“沟流”、“内壁快速重力流”等可引起“瞬时穿透”无效吸附现象的发生,并可同时避免糖浆中悬浮物在活性炭床层中累积而引起床层阻力增加、吸附器产能和脱色效率受到影响;

    (3)充分考虑了淀粉水解糖浆的流体学性质,在装置系统中增加相应的对策性设计,完全消除了吸附器在装填和卸出活性炭操作时常见的各种故障;

    (4)设计了工艺水回收再用系统,有效降低了工艺水消耗,并减轻了废水处理装置的运行负荷。图1是淀粉水解糖浆脱色用炭吸附器的现场安装及运行实例图片。

    图1:尚鼎炉业科技(扬州)有限公司承建的高果糖浆GAC脉动床脱色装置实例照片

    2. 脱色活性炭的现场再生处理及循环使用

    活性炭吸附技术是一种习用的、具有成本效益优势的技术方法,可以使许多产业达到排放法规的规定限值,同时还可满足多种行业在产品提纯处理方面的要求。随着近年来新制活性炭产品价格的不断上涨,采用再生炭来替代新制炭用于上述环?;蛱岽抗ひ栈方诘男滦汀奥躺奔际踅饩龇桨敢岩鹣喙夭挡棵诺闹厥?。再生炭是指饱和吸附炭经过高温再生处理之后重新获得应用的活性炭。一般来说再生炭的采购价格要比新制活性炭低20%至40%,所以回用再生炭可以明显降低用户的运营成本。另外,由于采用再生炭还可削减工业垃圾(废弃活性炭类)的处理量,用户无需再支付与废炭类工业垃圾处理相关的费用,也进一步降低了用户的运营成本。实际上再生炭回用技术已完全被视为可再生利用的资源和清洁化生产的有效措施,具有显著的“绿色环?!庇攀?,是一种“环境友好”型实用技术方法。

    2.1 颗?;钚蕴康娜仍偕砑际?/strong>

    活性炭的再生处理有热再生和化学再生两种技术类型,在工业生产中以热再生技术方法最为常见。饱和炭的热再生处理由以下三个连续的工艺过程组成:(1)干燥阶段。一般要求将再生炉的操作温度控制在100~300℃,使饱和炭中的水分得以强制蒸发;(2)焙烧阶段。炉温控制范围为400~600℃,活性炭微孔中吸附的有机物被蒸发和/或被炭化;(3)再赋活阶段。炉温控制于800~1000℃,同时通入定量水蒸汽,前述因炭化而留存于活性炭微孔中的无序状碳优先与水蒸汽发生水煤气反应,从而使活性炭的孔隙得以彻底“清扫”而重新恢复吸附能力。

    能满足热再生技术要求的装置系统有两种类型,一为回转炉窑炭再生装置系统,一为多段炉再生装置系统。前者在运行过程中易发生“烧碳”(活性炭的“骨架碳”成分被烧失,从而改变了孔隙尺寸和吸附性能)现象,使再生炭得率降低、性能及性状发生“劣化”,故新建的活性炭再生工厂中已不常采用这种装置型式,而代之以多段炉再生装置系统。

    2.2 饱和活性炭的多段炉再生处理装置系统

    2.2.1 多段炉装置的结构、运行特点及应用范围

    多段炉又称多膛炉(Multiple Hearth Furnace,即国内俗称的“耙式炉”)。系由几个直至十几个在水平方向平行叠加的圆形炉床组成,全部炉床均采取自支撑方式固定于由普通钢板卷制而成的圆筒形外壳内,外壳内衬有耐火材料。从炉子的顶端炉层接收给入的固体原料,固体物料由安装于低转速(0.5~3rpm)中心轴搅拌臂(耙臂)上的搅拌齿(耙齿)由炉床上外侧向内侧(在下层炉床上则由内侧向外侧)逐级翻动、排入下一段炉床,并最终从最底层炉床中排出。中心轴及耙臂、耙齿由专设的冷却风机供风、强制冷却。多段炉的外观及剖视图见图2。

    2??多段炉的外观照片和剖视示意图

    多段炉系通过热传递过程(外供的燃料燃烧烟气以及反应产出的热烟气与固体物料之间的热传递)使气体和固体以总体逆流接触形式通过一系列的炉床结构;每层炉床上的气体则是以错流、逆流等方式在折皱的薄层固体物料上流动并向固体物料的内表面扩散,这些薄层固体物料周期性地被中轴、耙臂和耙齿组成的搅拌机构搅动以使固体不停地混合、摊开,并迫使其进入下层炉床继续反应,直至达到设定的反应时间为止。

    多段炉装置系统一般由以下的核心单元组成:(1)与多段炉直接相连的定量给料装置,包括螺旋给料机、气密性进料装置等。(2)多段炉本体,包括:炉筒、耐火材质内衬层、耐火材质自支承式炉床结构及落料孔、尾气引出管道(有耐火材料内衬层)、中轴、耙臂、耙齿及驱动装置、燃烧机及燃气(或燃油)和助燃空气的供应及自控阀门-管道系统、工艺参数在线检测用传感器及仪器仪表系统、卸料及产品/产物强制冷却装置等。(3)后燃烧室,包括:经过计算及精确设计的燃烧腔室结构、燃烧机及燃气(或燃油)和助燃空气的供应及自控阀门-管道系统、事故紧急排空自控系统、工艺参数在线检测用传感器及仪器仪表系统等。(4)余热回收及烟气污染物排放控制系统,包括:余热回收蒸汽锅炉、烟气洗涤净化装置等。

    ??多段炉的主要应用领域为:工业和/或生活污泥的热解/气化或焚烧处理;活性炭制造过程中的炭化(焙烧)和/或水蒸气法活化加工、活性炭的热再生处理;精矿的焙烧、煅烧,以及冶金副产品的焙烧、煅烧处理;镁、钙、锰的碳酸盐的焙烧、煅烧加工;磷酸盐、高岭土、硫酸盐、钼酸盐、白云石等的焙烧、煅烧加工;生物质替代能源产品的焙烧加工等。

    2.2.2 多段炉用于活性炭再生处理的优点

    多段炉用于饱和炭再生时,具有以下几方面无可比拟的优点:(1)可对再生工艺参数进行严格控制,尤其在炉膛气氛——蒸汽比率和燃气用量——的控制方面更是如此;(2)可降低由气化反应引起的炭损耗率,该项损失率一般在3%到5%范围内,比其它类型的再生炉炭损失率(一般在5%到10%范围内)要低得多;(3)可降低因机械磨耗导致的炭损失率;(4)单位产品的能耗较低,通常在2500到4500Btu/磅再生炭(5.81至10.46MJ/kg)范围内;(5)固相活性炭与气相活化剂的相接触几率高(反应速率快),故炉子的最小设计容量比率可允许降低到35%的水平,装置系统更加紧凑;(6)结构简单、坚固,使用寿命长,保养维修容易;(7)运转操作简单,最适合自动化,易于管理;(8)装置系统占地面积??;(9)设计有后燃烧器、余热回收蒸汽锅炉和烟气洗涤器等尾气处理技术系统,在生产再生活化剂(过热蒸汽)的同时实现烟气达标排放,富余的过热蒸汽(约为总蒸汽产量的2/3)还可供其它工业过程使用;(10)设有工艺水回收利用系统,水的回用率可达95%以上;(11)对负荷波动安定性好。

    2.2.3 尚鼎制造的糖浆脱色炭再生用多段炉装置系统的结构特点

    经过一系列技术创新及工业化实践,与主要的竞争对手相比,尚鼎公司制造的淀粉水解糖浆脱色活性炭再生用多段炉装置系统形成了以下三方面的独有技术:

    第一,全部采用异型耐火砖砌筑炉床,使炉床结构的“自支承力”和“热应力适应弹性”得以大幅度提高,有效消除了因遭受剧烈“热冲击”而造成的炉床坍塌事故发生几率。

    第二,将后燃烧室、余热回收装置和烟气净化单元装置做为多段炉装置系统的标准配置单元,使活性炭再生过程中生成的CO、HC、SOx、NOx和PM(2.5或10)等气相污染物的排放浓度和排放总量被削减至最低的程度,以达到用户所在地区现行的、以及未来可能推行的日益严厉的环境?;しü娴呐欧畔拗狄?,使用户避免了因环境问题而可能会受到的困扰。

    第三,多段炉装置系统远程控制操作界面已完全“汉化”,降低了对设备操作人员的基本技能要求(可降低操作人员的英文水平要求),提高了自动化控制系统的可操作性和简便性。

    目前具备上述特点的糖浆脱色炭再生用多段炉装置已被国内大型淀粉水解糖浆生产企业采纳,并陆续投入了运行,且达到了预期的使用效果。图3是国内某用户企业安装的尚鼎多段炉活性炭再生装置现场照片,图4是尚鼎炉业科技(扬州)有限公司采用的淀粉水解糖浆脱色炭吸附装置及饱和炭再生装置技术系统的一体化工艺流程示意图。

    3??尚鼎制造的糖浆脱色炭再生多段炉装置系统现场安装照片

    4??淀粉水解糖浆脱色用炭吸附装置及饱和炭再生多段炉装置系统工艺流程示意图

    3.颗?;钚蕴客焉驮偕低吃诘矸厶巧械挠τ檬道?/strong>

    以国内某条年产45万吨结晶葡萄糖生产的糖液净化工序为例说明颗?;钚蕴客焉驮偕爸玫呐涮咨杓坪驮诵星榭觯?/p>

    31吸附柱的确定:

    用颗?;钚蕴客焉惺宰爸貌舛ㄗ墓撕筇且和焉牡任虑?,得到设计参数:以0.5BV的流量处理时,活性炭吸附饱和周期为40天左右。设计处理流量为170m3/小时,则

    在线活性炭体积= 170÷0.5 = 340m3

    加上一定的系数,确定的脱色体积为400 m3。为保证生产稳定,分成四个脉冲床脱色柱,每个100m3。

    32再生炉的确定:

    活性炭的再生量= 400 m3×0.5吨/ m3? ÷40天? = 5吨/天

    ??? 设置一套年再生能力为1800吨的再生系统。

    33 出料滤膜白度的解决:

    系统实际运行后,每天的活性炭再生量只需4吨/天就可以达到脱色出料的色值小于10RBU的标准。但是脉冲床吸附柱由于在装炭和卸炭的过程中活性炭产生摩擦而放出微量的粉末活性炭,被带到料液中。这种物料可能会污染到后道工序——离子交换的树脂,用1000毫升该料液通过φ20mm的微孔滤膜过滤,滤膜变成暗灰色,白度测定达不到40。采用密闭板式过滤机,每平方滤板预涂1公斤粉状活性炭后过滤炭柱出料,可使物料的滤膜过滤白度达到70以上。该密闭板式按400L/m2,的过滤能力设计,多用一备,使用周期一般为一周。

    34 运行效果和经济效益对比

    ?? 设备运行近一年以来,很好地完成即定指标,除完成脱色作用外,蛋白等其它杂质也被比较彻底地吸附去除,给后面的ISEP连续离交脱盐系统的运行减少了负担。由于糖液得到很好的净化,单一化的物料抑制微生物的生长,在不添加任何防腐剂的情况下,结晶过程没有发生染菌发酵现象,产品细菌内毒素指标菌在0.125EU/ml以内。

    正常情况下,再生每吨颗?;钚蕴康奶烊黄奈?50立方,活性炭的损耗为3%,即30公斤。和传统工艺比较,有明显的成本优势,以下是对比情况:

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    3.4.1 直接成本的对比

    产能

    国内某45万吨结晶葡萄糖生产线

    用炭对比

    颗粒炭脱色工艺

    粉炭脱色工艺

    粉炭消耗(kg/吨糖)

    0.1

    3.5

    颗粒炭消耗(kg/吨糖)

    0.15

    0

    天然气单耗(m3/吨糖)

    0.5

    0

    岗位人员(人)

    6

    18

    颗粒炭价格(元/吨)

    31000

    ?

    天然气价格(元/立方)

    3

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    粉炭价格(元/吨)

    8000

    8000

    人工成本(元/吨)

    0.5

    1.5

    吨糖脱色成本(元/吨糖)

    7.45

    29.5

    年脱色成本(元/年)

    335.25万

    1327.5万

    年脱色成本差(元/年)

    992.25万

    注:由于两种工艺的电消耗和蒸汽消耗基本一样,没有列入此表对比。

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    3.4.2 洁净生产、减少跑冒滴漏及废碳夹带糖损失

    颗粒碳再生时,使用高温的RO水通入密闭的脱糖罐进行“洗糖”操作,可回收有价值的糖液,密闭的设备杜绝了跑冒滴漏情况的发生,葡萄糖液损失极少。粉碳脱色采用板框压滤方式不可避免的存在跑冒滴漏现象,泄漏及废碳夹带走的糖分影响主产品收率约0.2%~1%,按照降低0.2%收率、糖价格3500元/吨,年产45万吨的产能,一年仅粉碳脱色废碳夹带及板框跑冒滴漏的损失:45*3500*0.2%=315万元。

    3.4.3 减轻离交负荷,降低酸碱消耗,减少废水处理费用

    离交系统是进结晶机前的最后一道精制工序,碳脱色工序能稳定、均一的脱除有色物质等,能有效的减轻离交负荷;常规脱色过程及离交排放废水中的总COD量占糖车间排放废水总COD的90%,通过颗粒碳与自动离交的配合能有效的降低总COD的排放。对比同等产量的板框脱色及常规上进式固定床离交组合方式,其排放COD量是采用颗粒碳与自动离交排放COD的2.9倍。这不同的两类工艺配置水消耗有2m3/t的差距(生产数据),吨废水处理成本按照5元/吨。年产45万吨的规模情况下,吨糖水消耗相差2m3/t. 废水年处理增加成本为45*2*5=450万元

    经过计算应用新工艺后比常规脱色及离子交换的生产成本可节约为:

    992.25+315+450=1757.25万元/年。这样看来新上淀粉糖的工厂的脱色及离交工艺配置选择颗粒碳脱色及自动化的离交系统组合配置是行业内的先进配置方式,符合循环经济的倡导,关键能为业主带来低成本、质量优良、均一的合格产品。

    4. 结束语

    随着我国经济实力及人民生活水平的提高,淀粉水解糖浆的生产量和消费量预计将在2020年跃居世界第一,达到1500万吨/年规模。

    活性炭吸附脱色技术是目前最成熟、最具成本效益优势的淀粉水解糖浆脱色、去除糖浆异味和异嗅化合物、同时又能充分保留糖浆风味的精制处理技术。与习用的木质粉状活性炭相比,煤基酸洗颗?;钚蕴坎吩瞎┯Τ渥?、可反复再生并循环使用、物理及化学性状稳定,是符合淀粉糖浆产业特点及要求的、“环境友好”型脱色专用型活性炭品种,可实现糖浆生产企业清洁生产的运营目标。

    采用“颗?;钚蕴课酵焉?饱和炭再生+自动化离交系统”来进行淀粉水解糖浆的脱色、精制是目前最为流行、运行成本最低、制品质量最为稳定的工艺技术路线?!吧舷蛄鳌鄙杓频目帕;钚蕴柯龆?固定床糖浆脱色装置和全自动控制型炭再生多段炉装置系统是目前可选的、性价比最好的脱色设备组合方案。

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    参考文献

    (1)康德朗。淀粉水解糖浆的活性炭精制及多段炉活性炭精制及多段炉活性炭再生处理一体化装置系统。发酵工业,2012年第3期。27~32页。

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