顆?；钚蕴棵撋驮偕b置在淀粉糖生產(chǎn)的應(yīng)用技術(shù)

康德朗

尚鼎爐業(yè)科技（揚(yáng)州）有限公司（江蘇省揚(yáng)州市）

［摘要］脫色和離交是淀粉糖生產(chǎn)過程中糖液凈化的關(guān)鍵工序，是生產(chǎn)高品質(zhì)產(chǎn)品的基礎(chǔ)。本文介紹顆?；钚蕴课胶驮偕b置在淀粉糖生產(chǎn)中的應(yīng)用方法，配套后續(xù)的自動化離子交換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)糖液的深度凈化，同時(shí)取得了提高產(chǎn)品品質(zhì)和和降低成本的效果。

1前言

結(jié)晶葡萄糖生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但到目前為止還或多或少的存在產(chǎn)品濾速不穩(wěn)定、濾膜白度過低、過程染菌造成微生物或者細(xì)菌內(nèi)毒素超標(biāo)的問題。解決這些問題的關(guān)鍵是結(jié)晶前對糖液的凈化，而果葡糖和麥芽糖等糖漿產(chǎn)品生產(chǎn)對糖漿凈化的要求則有過而無不及。

活性炭脫色和離子交換樹脂脫鹽是淀粉糖生產(chǎn)中對糖液進(jìn)行凈化最普遍和可靠的手段。淀粉經(jīng)過液化糖化后得到的糖漿其葡萄糖含量雖然達(dá)到了要求，但其中還含有各種不利的雜質(zhì)，如：大分子量色基化合物、蛋白質(zhì)、小分子量/極性色基化合物、異味類和異嗅類化合物、以及羥甲基糖醛等。這些雜質(zhì)可利用活性炭的多孔結(jié)構(gòu)特性吸附去除，在行業(yè)內(nèi)被稱為“脫色”。

迄今為止，有兩類活性炭產(chǎn)品被廣泛用于淀粉水解糖漿的脫色處理，一種是粉狀炭，一般均采取一次性使用方式（即達(dá)到飽和后即拋棄或焚燒處理），另一種為顆?；钚蕴浚啥啻卧偕笱h(huán)使用。

在國家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，打造綠色產(chǎn)業(yè)的形勢下，可多次再生并循環(huán)使用的、不產(chǎn)生二次污染物的顆粒活性炭脫色和再生技術(shù)的應(yīng)用是行業(yè)的發(fā)展趨勢。實(shí)踐證明，很有品質(zhì)和成本優(yōu)勢。

1．顆?；钚蕴课矫撋b置的設(shè)計(jì)及運(yùn)行

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

一般均采取兩步法來確定吸附裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)：首先 進(jìn)行供選顆?；钚蕴康摹拔降葴鼐€”測定，從中選出一種或幾種對目標(biāo)吸附質(zhì)吸附能力高的樣品炭；然后對選出的炭樣進(jìn)行中試吸附柱連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，確定好的活性炭品種并獲取設(shè)計(jì)用的主要參數(shù)，同時(shí)對運(yùn)行成本進(jìn)行評估測算。

1.2 淀粉水解糖漿脫色用顆?；钚蕴课狡?/strong>

由于淀粉水解糖漿是一種有粘度、含有一定濃度微細(xì)懸浮固體顆粒、偏酸性的液態(tài)流體，在吸附器設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮床層阻力的變動，并同時(shí)兼顧飽和炭的再生要求以及后繼的糖漿處理裝置系統(tǒng)（如離子交換樹脂塔和壓濾機(jī)等）的運(yùn)行負(fù)荷等問題。

設(shè)計(jì)良好的炭吸附脫色裝置應(yīng)達(dá)到以下運(yùn)行要求：（1）設(shè)備投資少；（2）操作難度??；（3）流程連續(xù)化，無需頻繁進(jìn)行原料切換操作；（5）全程自動化控制，裝置系統(tǒng)運(yùn)行可靠性高；（6）占地面積??；（7）不產(chǎn)生廢棄物和二次污染，資源回收率高，符合環(huán)境保護(hù)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)要求；（8）清潔化生產(chǎn)；（9）運(yùn)行成本盡可能低；（10）可降低后繼離子交換裝置系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷，提高離交樹脂的使用壽命。

尚鼎爐業(yè)科技（揚(yáng)州）有限公司設(shè)計(jì)制造的淀粉水解糖漿脫色專用顆?；钚蕴课剿哂幸韵轮饕攸c(diǎn)，并能滿足上述運(yùn)行要求：

（1）采用移動床/脈動床型連續(xù)吸附技術(shù)設(shè)計(jì)方案；

（2）采用“上向流”設(shè)計(jì)，避免了糖漿流體在吸附器中出現(xiàn)“溝流”、“內(nèi)壁快速重力流”等可引起“瞬時(shí)穿透”無效吸附現(xiàn)象的發(fā)生，并可同時(shí)避免糖漿中懸浮物在活性炭床層中累積而引起床層阻力增加、吸附器產(chǎn)能和脫色效率受到影響；

（3）充分考慮了淀粉水解糖漿的流體學(xué)性質(zhì)，在裝置系統(tǒng)中增加相應(yīng)的對策性設(shè)計(jì)，消除了吸附器在裝填和卸出活性炭操作時(shí)常見的各種故障；

（4）設(shè)計(jì)了工藝水回收再用系統(tǒng)，有效降低了工藝水消耗，并減輕了廢水處理裝置的運(yùn)行負(fù)荷。圖1是淀粉水解糖漿脫色用炭吸附器的現(xiàn)場安裝及運(yùn)行實(shí)例圖片。

圖1：尚鼎爐業(yè)科技（揚(yáng)州）有限公司承建的高果糖漿GAC脈動床脫色裝置實(shí)例照片

2. 脫色活性炭的現(xiàn)場再生處理及循環(huán)使用

活性炭吸附技術(shù)是一種習(xí)用的、具有成本效益優(yōu)勢的技術(shù)方法，可以使許多產(chǎn)業(yè)達(dá)到排放法規(guī)的規(guī)定限值，同時(shí)還可滿足多種行業(yè)在產(chǎn)品提純處理方面的要求。隨著近年來新制活性炭產(chǎn)品價(jià)格的不斷上漲，采用再生炭來替代新制炭用于上述環(huán)?；蛱峒児に嚟h(huán)節(jié)的新型“綠色”技術(shù)解決方案已引起相關(guān)產(chǎn)業(yè)部門的重視。再生炭是指飽和吸附炭經(jīng)過高溫再生處理之后重新獲得應(yīng)用的活性炭。一般來說再生炭的采購價(jià)格要比新制活性炭低20%至40%，所以回用再生炭可以明顯降低用戶的運(yùn)營成本。另外，由于采用再生炭還可削減工業(yè)垃圾（廢棄活性炭類）的處理量，用戶無需再支付與廢炭類工業(yè)垃圾處理相關(guān)的費(fèi)用，也進(jìn)一步降低了用戶的運(yùn)營成本。實(shí)際上再生炭回用技術(shù)已被視為可再生利用的資源和清潔化生產(chǎn)的有效措施，具有顯著的“綠色環(huán)?！眱?yōu)勢，是一種“環(huán)境友好”型實(shí)用技術(shù)方法。

2.1 顆?；钚蕴康臒嵩偕幚砑夹g(shù)

活性炭的再生處理有熱再生和化學(xué)再生兩種技術(shù)類型，在工業(yè)生產(chǎn)中以熱再生技術(shù)方法最為常見。飽和炭的熱再生處理由以下三個(gè)連續(xù)的工藝過程組成：（1）干燥階段。一般要求將再生爐的操作溫度控制在100～300℃，使飽和炭中的水分得以強(qiáng)制蒸發(fā)；（2）焙燒階段。爐溫控制范圍為400～600℃，活性炭微孔中吸附的有機(jī)物被蒸發(fā)和/或被炭化；（3）再賦活階段。爐溫控制于800～1000℃，同時(shí)通入定量水蒸汽，前述因炭化而留存于活性炭微孔中的無序狀碳優(yōu)先與水蒸汽發(fā)生水煤氣反應(yīng)，從而使活性炭的孔隙得以清掃”而重新恢復(fù)吸附能力。

能滿足熱再生技術(shù)要求的裝置系統(tǒng)有兩種類型，一為回轉(zhuǎn)爐窯炭再生裝置系統(tǒng)，一為多段爐再生裝置系統(tǒng)。前者在運(yùn)行過程中易發(fā)生“燒碳”（活性炭的“骨架碳”成分被燒失，從而改變了孔隙尺寸和吸附性能）現(xiàn)象，使再生炭得率降低、性能及性狀發(fā)生“劣化”，故新建的活性炭再生工廠中已不常采用這種裝置型式，而代之以多段爐再生裝置系統(tǒng)。

2.2 飽和活性炭的多段爐再生處理裝置系統(tǒng)

2.2.1 多段爐裝置的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

多段爐又稱多膛爐（Multiple Hearth Furnace，即國內(nèi)俗稱的“耙式爐”）。系由幾個(gè)直至十幾個(gè)在水平方向平行疊加的圓形爐床組成，全部爐床均采取自支撐方式固定于由普通鋼板卷制而成的圓筒形外殼內(nèi)，外殼內(nèi)襯有耐火材料。從爐子的頂端爐層接收給入的固體原料，固體物料由安裝于低轉(zhuǎn)速（0.5～3rpm）中心軸攪拌臂（耙臂）上的攪拌齒（耙齒）由爐床上外側(cè)向內(nèi)側(cè)（在下層爐床上則由內(nèi)側(cè)向外側(cè)）逐級翻動、排入下一段爐床，并最終從底層爐床中排出。中心軸及耙臂、耙齒由專設(shè)的冷卻風(fēng)機(jī)供風(fēng)、強(qiáng)制冷卻。多段爐的外觀及剖視圖見圖2。

圖2  多段爐的外觀照片和剖視示意圖

多段爐系通過熱傳遞過程（外供的燃料燃燒煙氣以及反應(yīng)產(chǎn)出的熱煙氣與固體物料之間的熱傳遞）使氣體和固體以總體逆流接觸形式通過一系列的爐床結(jié)構(gòu)；每層爐床上的氣體則是以錯(cuò)流、逆流等方式在折皺的薄層固體物料上流動并向固體物料的內(nèi)表面擴(kuò)散，這些薄層固體物料周期性地被中軸、耙臂和耙齒組成的攪拌機(jī)構(gòu)攪動以使固體不停地混合、攤開，并迫使其進(jìn)入下層爐床繼續(xù)反應(yīng)，直至達(dá)到設(shè)定的反應(yīng)時(shí)間為止。

多段爐裝置系統(tǒng)一般由以下的核心單元組成：（1）與多段爐直接相連的定量給料裝置，包括螺旋給料機(jī)、氣密性進(jìn)料裝置等。（2）多段爐本體，包括：爐筒、耐火材質(zhì)內(nèi)襯層、耐火材質(zhì)自支承式爐床結(jié)構(gòu)及落料孔、尾氣引出管道（有耐火材料內(nèi)襯層）、中軸、耙臂、耙齒及驅(qū)動裝置、燃燒機(jī)及燃?xì)猓ɑ蛉加停┖椭伎諝獾墓?yīng)及自控閥門-管道系統(tǒng)、工藝參數(shù)在線檢測用傳感器及儀器儀表系統(tǒng)、卸料及產(chǎn)品/產(chǎn)物強(qiáng)制冷卻裝置等。（3）后燃燒室，包括：經(jīng)過計(jì)算及精確設(shè)計(jì)的燃燒腔室結(jié)構(gòu)、燃燒機(jī)及燃?xì)猓ɑ蛉加停┖椭伎諝獾墓?yīng)及自控閥門-管道系統(tǒng)、事故緊急排空自控系統(tǒng)、工藝參數(shù)在線檢測用傳感器及儀器儀表系統(tǒng)等。（4）余熱回收及煙氣污染物排放控制系統(tǒng)，包括：余熱回收蒸汽鍋爐、煙氣洗滌凈化裝置等。

  多段爐的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋汗I(yè)和/或生活污泥的熱解/氣化或焚燒處理；活性炭制造過程中的炭化（焙燒）和/或水蒸氣法活化加工、活性炭的熱再生處理；精礦的焙燒、煅燒，以及冶金副產(chǎn)品的焙燒、煅燒處理；鎂、鈣、錳的碳酸鹽的焙燒、煅燒加工；磷酸鹽、高嶺土、硫酸鹽、鉬酸鹽、白云石等的焙燒、煅燒加工；生物質(zhì)替代能源產(chǎn)品的焙燒加工等。

2.2.2 多段爐用于活性炭再生處理的優(yōu)點(diǎn)

多段爐用于飽和炭再生時(shí)，具有以下幾方面無可比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）可對再生工藝參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，尤其在爐膛氣氛——蒸汽比率和燃?xì)庥昧俊目刂品矫娓侨绱?；?）可降低由氣化反應(yīng)引起的炭損耗率，該項(xiàng)損失率一般在3%到5%范圍內(nèi)，比其它類型的再生爐炭損失率（一般在5%到10%范圍內(nèi)）要低得多；（3）可降低因機(jī)械磨耗導(dǎo)致的炭損失率；（4）單位產(chǎn)品的能耗較低，通常在2500到4500Btu/磅再生炭（5.81至10.46MJ/kg）范圍內(nèi)；（5）固相活性炭與氣相活化劑的相接觸幾率高（反應(yīng)速率快），故爐子的最小設(shè)計(jì)容量比率可允許降低到35%的水平，裝置系統(tǒng)更加緊湊；（6）結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固，使用壽命長，保養(yǎng)維修容易；（7）運(yùn)轉(zhuǎn)操作簡單，最適合自動化，易于管理；（8）裝置系統(tǒng)占地面積??；（9）設(shè)計(jì)有后燃燒器、余熱回收蒸汽鍋爐和煙氣洗滌器等尾氣處理技術(shù)系統(tǒng)，在生產(chǎn)再生活化劑（過熱蒸汽）的同時(shí)實(shí)現(xiàn)煙氣達(dá)標(biāo)排放，富余的過熱蒸汽（約為總蒸汽產(chǎn)量的2/3）還可供其它工業(yè)過程使用；（10）設(shè)有工藝水回收利用系統(tǒng)，水的回用率可達(dá)95%以上；（11）對負(fù)荷波動安定性好。

2.2.3 尚鼎制造的糖漿脫色炭再生用多段爐裝置系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

經(jīng)過一系列技術(shù)創(chuàng)新及工業(yè)化實(shí)踐，與主要的競爭對手相比，尚鼎公司制造的淀粉水解糖漿脫色活性炭再生用多段爐裝置系統(tǒng)形成了以下三方面的獨(dú)有技術(shù)：

第一，全部采用異型耐火磚砌筑爐床，使?fàn)t床結(jié)構(gòu)的“自支承力”和“熱應(yīng)力適應(yīng)彈性”得以大幅度提高，有效消除了因遭受劇烈“熱沖擊”而造成的爐床坍塌事故發(fā)生幾率。

第二，將后燃燒室、余熱回收裝置和煙氣凈化單元裝置做為多段爐裝置系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置單元，使活性炭再生過程中生成的CO、HC、SOx、NOx和PM(2.5或10)等氣相污染物的排放濃度和排放總量被削減至最低的程度，以達(dá)到用戶所在地區(qū)現(xiàn)行的、以及未來可能推行的日益嚴(yán)厲的環(huán)境保護(hù)法規(guī)的排放限值要求，使用戶避免了因環(huán)境問題而可能會受到的困擾。

第三，多段爐裝置系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制操作界面已“漢化”，降低了對設(shè)備操作人員的基本技能要求（可降低操作人員的英文水平要求），提高了自動化控制系統(tǒng)的可操作性和簡便性。

目前具備上述特點(diǎn)的糖漿脫色炭再生用多段爐裝置已被國內(nèi)大型淀粉水解糖漿生產(chǎn)企業(yè)采納，并陸續(xù)投入了運(yùn)行，且達(dá)到了預(yù)期的使用效果。圖3是國內(nèi)某用戶企業(yè)安裝的尚鼎多段爐活性炭再生裝置現(xiàn)場照片，圖4是尚鼎爐業(yè)科技（揚(yáng)州）有限公司采用的淀粉水解糖漿脫色炭吸附裝置及飽和炭再生裝置技術(shù)系統(tǒng)的一體化工藝流程示意圖。

圖3  尚鼎制造的糖漿脫色炭再生多段爐裝置系統(tǒng)現(xiàn)場安裝照片

圖4  淀粉水解糖漿脫色用炭吸附裝置及飽和炭再生多段爐裝置系統(tǒng)工藝流程示意圖

3．顆?；钚蕴棵撋驮偕到y(tǒng)在淀粉糖生產(chǎn)中的應(yīng)用實(shí)例

以國內(nèi)某條年產(chǎn)45萬噸結(jié)晶葡萄糖生產(chǎn)的糖液凈化工序?yàn)槔f明顆?；钚蕴棵撋驮偕b置的配套設(shè)計(jì)和運(yùn)行情況：

3．1吸附柱的確定：

用顆?；钚蕴棵撋性囇b置測定轉(zhuǎn)鼓過濾后糖液脫色的等溫曲線，得到設(shè)計(jì)參數(shù)：以0.5BV的流量處理時(shí)，活性炭吸附飽和周期為40天左右。設(shè)計(jì)處理流量為170m3/小時(shí)，則

在線活性炭體積= 170÷0.5 = 340m3

加上一定的系數(shù)，確定的脫色體積為400 m3。為保證生產(chǎn)穩(wěn)定，分成四個(gè)脈沖床脫色柱，每個(gè)100m3。

3．2再生爐的確定：

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

    設(shè)置一套年再生能力為1800噸的再生系統(tǒng)。

3．3 出料濾膜白度的解決：

系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行后，每天的活性炭再生量只需4噸/天就可以達(dá)到脫色出料的色值小于10RBU的標(biāo)準(zhǔn)。但是脈沖床吸附柱由于在裝炭和卸炭的過程中活性炭產(chǎn)生摩擦而放出微量的粉末活性炭，被帶到料液中。這種物料可能會污染到后道工序——離子交換的樹脂，用1000毫升該料液通過φ20mm的微孔濾膜過濾，濾膜變成暗灰色，白度測定達(dá)不到40。采用密閉板式過濾機(jī)，每平方濾板預(yù)涂1公斤粉狀活性炭后過濾炭柱出料，可使物料的濾膜過濾白度達(dá)到70以上。該密閉板式按400L/m2,的過濾能力設(shè)計(jì)，多用一備，使用周期一般為一周。

3．4 運(yùn)行效果和經(jīng)濟(jì)效益對比

   設(shè)備運(yùn)行近一年以來，很好地完成即定指標(biāo)，除完成脫色作用外，蛋白等其它雜質(zhì)也被吸附去除，給后面的ISEP連續(xù)離交脫鹽系統(tǒng)的運(yùn)行減少了負(fù)擔(dān)。由于糖液得到很好的凈化，單一化的物料抑制微生物的生長，在不添加任何防腐劑的情況下，結(jié)晶過程沒有發(fā)生染菌發(fā)酵現(xiàn)象，產(chǎn)品細(xì)菌內(nèi)毒素指標(biāo)菌在0.125EU/ml以內(nèi)。

正常情況下，再生每噸顆粒活性炭的天然氣消耗為150立方，活性炭的損耗為3%，即30公斤。和傳統(tǒng)工藝比較，有明顯的成本優(yōu)勢,以下是對比情況：

3.4.1 直接成本的對比

3.4.2 潔凈生產(chǎn)、減少跑冒滴漏及廢碳夾帶糖損失

顆粒碳再生時(shí)，使用高溫的RO水通入密閉的脫糖罐進(jìn)行“洗糖”操作，可回收有價(jià)值的糖液，密閉的設(shè)備杜絕了跑冒滴漏情況的發(fā)生，葡萄糖液損失極少。粉碳脫色采用板框壓濾方式不可避免的存在跑冒滴漏現(xiàn)象，泄漏及廢碳夾帶走的糖分影響主產(chǎn)品收率約0.2%~1%，按照降低0.2%收率、糖價(jià)格3500元/噸，年產(chǎn)45萬噸的產(chǎn)能，一年僅粉碳脫色廢碳夾帶及板框跑冒滴漏的損失：45*3500*0.2%=315萬元。

3.4.3 減輕離交負(fù)荷，降低酸堿消耗，減少廢水處理費(fèi)用

離交系統(tǒng)是進(jìn)結(jié)晶機(jī)前的最后一道精制工序，碳脫色工序能穩(wěn)定、均一的脫除有色物質(zhì)等，能有效的減輕離交負(fù)荷；常規(guī)脫色過程及離交排放廢水中的總COD量占糖車間排放廢水總COD的90%，通過顆粒碳與自動離交的配合能有效的降低總COD的排放。對比同等產(chǎn)量的板框脫色及常規(guī)上進(jìn)式固定床離交組合方式，其排放COD量是采用顆粒碳與自動離交排放COD的2.9倍。這不同的兩類工藝配置水消耗有2m3/t的差距（生產(chǎn)數(shù)據(jù)），噸廢水處理成本按照5元/噸。年產(chǎn)45萬噸的規(guī)模情況下，噸糖水消耗相差2m3/t. 廢水年處理增加成本為45*2*5=450萬元

經(jīng)過計(jì)算應(yīng)用新工藝后比常規(guī)脫色及離子交換的生產(chǎn)成本可節(jié)約為：

992.25+315+450=1757.25萬元/年。這樣看來新上淀粉糖的工廠的脫色及離交工藝配置選擇顆粒碳脫色及自動化的離交系統(tǒng)組合配置是行業(yè)內(nèi)的配置方式，符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)的倡導(dǎo)，關(guān)鍵能為業(yè)主帶來低成本、質(zhì)量優(yōu)良、均一的合格產(chǎn)品。

4. 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力及人民生活水平的提高，淀粉水解糖漿的生產(chǎn)量和消費(fèi)量預(yù)計(jì)將在2020年躍居世界第一，達(dá)到1500萬噸/年規(guī)模。

活性炭吸附脫色技術(shù)是目前最成熟、最具成本效益優(yōu)勢的淀粉水解糖漿脫色、去除糖漿異味和異嗅化合物、同時(shí)又能充分保留糖漿風(fēng)味的精制處理技術(shù)。與習(xí)用的木質(zhì)粉狀活性炭相比，煤基酸洗顆?；钚蕴慨a(chǎn)品原料供應(yīng)充足、可反復(fù)再生并循環(huán)使用、物理及化學(xué)性狀穩(wěn)定，是符合淀粉糖漿產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)及要求的、“環(huán)境友好”型脫色專用型活性炭品種，可實(shí)現(xiàn)糖漿生產(chǎn)企業(yè)清潔生產(chǎn)的運(yùn)營目標(biāo)。

采用“顆?；钚蕴课矫撋?飽和炭再生+自動化離交系統(tǒng)”來進(jìn)行淀粉水解糖漿的脫色、精制是目前較為流行、運(yùn)行成本低、制品質(zhì)量穩(wěn)定的工藝技術(shù)路線。“上向流”設(shè)計(jì)的顆?；钚蕴棵}動床/固定床糖漿脫色裝置和全自動控制型炭再生多段爐裝置系統(tǒng)是目前可選的、性價(jià)比好的脫色設(shè)備組合方案。

參考文獻(xiàn)

（1）康德朗。淀粉水解糖漿的活性炭精制及多段爐活性炭精制及多段爐活性炭再生處理一體化裝置系統(tǒng)。發(fā)酵工業(yè)，2012年第3期。27～32頁。