在谈到玉米深加工生产过程的节能时,很多人认为很简单,只要选用节能设备就行了。但实际上节能过程牵涉到多专业方方面面的知识,需要对企业的各个耗能环节逐一厘清,然后做好统筹规划和安排。
玉米深加工企业要想获得好的节能效果,节能措施的排序很重要:首先是热电联产,其次是料料换热、废热回收、能量迁移,最后才是尽量采用新型节能设备。
一、热电联产:
热电联产对于企业节能的作用至关重要且显而易见。纯发电的热电厂需要将驱动汽轮机发电后的尾汽通过冷却塔冷凝后再压送回锅炉,大量的能源被白白浪费掉了,热电联产则在热电厂发电的基础上以非常低的代价同时获得了价值不菲的生蒸汽。
热电联产非常适合于有实力的大型生产企业作为能源的供应中心采用,因建设投资较大且审批难度大,一般不合适中小型企业采用。
二、料料换热:
料料换热是指在某一个工序的低温物料需要蒸汽加热,同时另一个工序的高温物料需要冷却水降温,这个时候选择一台换热设备让这两种物料互相换热,既节约了加热蒸汽,又节约了冷却水。无论是30℃循环冷却水还是7℃循环冷冻水,其获得过程都需要消耗能源,节约冷源与节约蒸汽一样也是节能。
在设计料料换热时,很多人以为换热后冷料温度不可能高于热料温度。实际上采用逆流换热和足够大的换热面积,料料换热后冷物料的温度完全可能超过热物料的温度,甚至上升到接近热物料换热前的温度。在很多节能场合,过分节省换热器的面积将严重影响节能效果,因而不建议在选用换热器时对换热面积抠抠索索。
大部分型式的换热设备都为大家所熟悉,热管换热技术则很少有人知道,可用于一些普通换热设备无法解决的场合,比如干燥尾风和新鲜风之间的换热。
三、废热回收:
很多工序在使用蒸汽的同时散发大量的废汽,因废汽温度较低而无法返回本工序循环使用。但可以考虑将其回收到无需高温生蒸汽的工序来使用,可以达到很好的节能效果。
玉米深加工企业很多工序都可以采用废热回收来节能,比如淀粉生产中管束干燥的尾气可以回收作为玉米浆浓缩用加热蒸汽,管束干燥的热汽凝水可以用作玉米浸泡液的加热;淀粉糖生产中液化闪蒸废汽可以回收到糖液蒸发器使用,蒸发器末效55℃左右的废汽可以用作干燥风的预热;发酵工厂蒸发器末效和蒸发结晶罐55℃左右的废汽可以用作干燥风的预热,发酵罐灭菌排出的废汽也可以回收到90℃循环热水中再送到各个用热点。
能量迁移又称热泵技术,指通过热泵将能量从低温物料迁移到高温物料中从而达到节能的目的。
热泵实际上应该叫能量泵或能量泵机组,即推动能量转移的装备或机组。热泵的概念比较抽象,为了便于理解,我们可以通过热泵与离心水泵的特性对照来了解热泵。
我们知道,在自然状态下,水往低处流。如果我们需要水往高处流,则可以通过离心水泵来实现。
同样,在自然状态下,能量总是从高温物体向低温物体传导。如果我们要实现能量从低温物体向高温物体传导,则可以通过能量泵即热泵来实现。
离心水泵是通过电能来驱动泵的叶轮,将机械能转化成动能和势能,从而实现水从低位到高位的输送。
而热泵则包括三部分:低温蒸发吸热器(换热器)、气体压缩机和高温冷凝放热器。而且热泵在运行过程中还必须添加导热载体或称导热剂。导热剂在低温蒸发吸热器的低温环境下,因低压或高真空仍然发生蒸发,由液态变为气态,从而通过换热器从低温物体将能量吸入导热剂中;气态导热剂通过气体压缩机压缩到高温冷凝放热器后,压力升高或真空度减小,虽然处于高温环境下,仍然能因高压或真空度减小而发生冷凝,由气态变成液态从而使导热剂中能量通过换热器向高温物体释放;释放能量冷凝后的导热剂经由减压阀流回到低温蒸发吸热器中完成一个工作循环。通过导热剂的连续循环工作,热泵实现了将能量从低温物体传导到高温物体的功能。
离心水泵在消耗电能完成水从低处往高处输送的过程中并不改变水的数量,所以耗电过程并不伴生水数量的变化。
同样,热泵在消耗电能(气体压缩机需耗电)完成能量从低温物体传导到高温物体的过程中也不是为了改变所输送的能量的数量(虽然实际上多少会有些增加),所以耗电量与所输送能量的数量变化基本无关。热泵节能的道理是将无用或低经济价值的低温能量,通过热泵输入到更高温的物体中,从而替代或减少通过使用有价值或高价值高温能源以达到节能的目的。
当处于低位的水源廉价易获取时,评判用离心水泵将水从低位送到高位是否经济的依据是,比较将水扬升的花费是否比用其它方法在高处获取水源更经济,而不是说离心泵运行过程可以产生水。
同样,当低温的能源是廉价(比如空气中含有的能量目前都还是免费的)或容易获取的,评判用热泵将能量从低温物体输送到高温物体是否经济的依据是,比较输送能量的花费是否比用其它方法(比如用锅炉烧蒸汽)获得能量更经济,而不是说热泵将电能转化成了多少热能给高温物体使用。
离心水泵在同等扬升高度或扬程下,其电耗与输送水量成正比。
离心水泵在用于将水从高位输送到低位的过程中可以加快水的输送速度,利用水能自动从高位流到低位可以实现水力发电。
热泵在用于将能量从高温物体输送到低温物体的过程中可以加快能量的输送速度,利用能量能自动从高温物体传导到低温物体可以实现温差发电。
在输送同等数量的水时,离心水泵的电耗与扬程成正比例。
在输送同等数量的能量时,热泵的电耗与温升成正比例。这一点对于我们优化热泵节能技术非常重要。
离心水泵在输送水的过程中由于管道的阻滞会造成一定的扬程(压头)损失,管道越粗,扬程损失越小。在选用离心水泵时考虑到扬程损失,应选取比实际需求略大扬程的离心水泵。
热泵在输送能量的过程中由于换热器对热传导的阻滞会造成一定的温升损失,热泵的换热器换热面积越大,温升损失越小。在选用热泵时考虑到温升损失,应选取比实际需求略大温升的热泵。
热泵的特性除上述与离心水泵相似之处外,也有些不一样之处:一是离心水泵的电耗只与进出口压差(扬程)成正比例关系,而与进口或出口的实际压力关系不大。热泵则不但与温升成正比例,还与冷热物体的具体温度有一定的关系,冷热物体的具体温度在某些特定的情况下对电耗的影响甚至超过了温升变化对电耗的影响幅度;二是离心水泵输送的是看得见摸得着的水,而热泵输送的则是看不到经常也是摸不着的能量,这也是为什么很多人对热泵技术不能完全理解的主要障碍。热泵输送的能量虽然看不见摸不着,但是可以感觉和检测出来,所以并不影响它的推广应用;再有一个不同之处是热泵工作时需要导热剂,热泵的电耗还与采用何种导热剂有直接的关系。
最常用的热泵是有几十年历史而且已经进入千家万户的空调机,空调机运行时将能量从温度较低的室内输送到温度较高的室外,从而实现室内维持在较低温度的凉爽状态。
通过空调这个常例的热泵,从理解了空调的工作原理上升到理解热泵的工作原理后,将大大拓宽热泵的使用范围,并且反过来推动空调技术的进步。现如今的空调由单冷进步到冷暖,由冷暖进步到空气能热水器和制冷与供热水一体机,实际上已经把单纯的空调朝向热泵机组转变。相信不久的将来,居民生活用空调一定是整个小区的冷暖浴一体中央空调(热泵机组):即夏季由于制冷从居民家中推送出来的能量不是直接散入大气中,而是推送到冷水中用于产生可供洗浴用的热水;在冬季时则将空气中的能量推送到热风中给居民采暖,或者推送到冷水中加热成热水供给居民洗浴使用。
热泵的一个特例就是眼下比较热门的节能蒸发设备:MVR蒸发器。其作为热泵的一个特例是因为它直接使用蒸发器连续产生的二次水蒸汽作为导热剂,导热剂经压缩冷凝后直接排出而不回流到低温蒸发吸热器中,所以可以将低温蒸发吸热器的换热器与高温冷凝放热器的换热器合并成一台换热器,并且借用蒸发设备的加热器来兼作这台合并后的换热器。这样MVR蒸发器就相当于一个“以水作为导热剂、由蒸发器的换热器兼作低温蒸发吸热器与高温冷凝放热器共同合并使用的换热器”的热泵机组。蒸发器蒸发过程本身并不消耗能量,加热蒸汽在使物料蒸发出二次蒸汽后,其中大量的能量即通过自然传导进入二次蒸汽中。普通的蒸发器由于无法再利用二次蒸汽中的能量(潜热),而被迫向加热室连续补入外来蒸汽作为维持蒸发运行的能源。MVR蒸发器由于形成了一个热泵系统,则可以将二次蒸汽中的能量输送回到蒸发器中作为物料蒸发出二次蒸汽所需能源,从而无需再添加外来蒸汽即可维持蒸发的连续运行。这就是MVR蒸发器为什么节能,为什么不消耗外来蒸汽的根本道理。
工业热泵技术的根本目的就是为了节能,其在玉米深加工产业具有非常广阔的应用前景。我们知道,常温的玉米进入深加工车间,加工生产得到常温的淀粉糖产品或发酵制品,而生产过程又并不需要能量或者说需要能量很小(60小时糖化过程基本不降温就是证据),为什么我们的产线还要消耗大量的外来蒸汽作为能源呢?答案就是为了满足生产线各工序的温度要求,虽然我们已经做了大量的废热回收工作,我们仍然需要不停地往生产线充填能量,而充填的这些能量不是进入到了产品中,而是通过冷却塔和干燥尾风又将这些能量无休止地排入了大气中。热泵技术为我们玉米深加工生产提供了这样一种可能:将生产中“使用新鲜能源同时冷却塔和干燥尾风又不停排放能量”的模式,转变为“各个生产环节能源全部循环利用,生产线完全不使用外来蒸汽,同时取消冷却塔,干燥尾风降到常温”的新模式。这样我们的企业势必获得经济效益和环境友好的双丰收。
热泵技术在玉米深加工行业的具体推广应用可以很广泛,比如可以利用热泵将玉米浆蒸发末效55℃左右的废汽中能量迁移给淀粉烘干风用;可以将7℃循环冷冻水中的能量和糖浆蒸发末效55℃左右的废汽中能量迁移给淀粉糖结晶烘干风用,同时取消制取7℃循环冷冻水的冷冻机组;也可以将发酵生产线中的一些能源通过热泵迁移到发酵制品成品晶体烘干风用。
五、采用新型节能设备:
随着技术的不断进步,各种各样的节能设备不断出现,及时、有效和合适的选用新型节能设备也是做好节能工作的重要环节。
淀粉生产中副产品的烘干,近年开始出现新型的快速烘炒管束干燥机,因采用较高温度的加热蒸汽提高了传热效率,可以节约蒸汽消耗10~15%;蒸发浓缩采用MVR蒸发器替代多效蒸发器和采用MVR蒸发结晶罐替代单效蒸发结晶罐可以取得非常不错的节能效果;至于干燥,最为节能的当属组合流化床干燥机组,特别适合淀粉糖类或发酵制品晶体的干燥,该机组包含圆筒形回混床式逆流固定流化床干燥机、振动流化床干燥机和振动流化床冷却机各一台。其工作原理是晶体依靠重力落入圆筒式固定流化床干燥机,被从底部吹入的热风吹成沸腾状态,晶体与热风充分逆流接触,水分迅速蒸发而去除。晶体经固定流化床干燥机预干燥后,从设备底部落入自动控制的闭风阀后被送到振动流化床干燥机。晶体经振动流化床干燥机与热风呈沸腾状态接触,受到最终彻底的干燥,然后进入到振动流化床冷却机与冷风呈沸腾状态接触,晶体被充分冷却后被自动送出到方形振动筛,通过筛分将团粒送去破碎后再气流输送返料回干燥机。组合流化床干燥机组的特点是整个干燥过程被分成了预干燥和最终干燥两段。由于晶体的干燥过程越接近后期,水分越难进一步去除。预干燥和最终干燥分别在两台流化床干燥机内完成,不但能使得晶体得到最大限度的干燥,同时还能提高干燥效率,节约热风的能耗。机组的核心设备是圆筒形固定流化床干燥机,该机完成干燥总蒸发水量的90~95%。其干燥过程热风与糖晶体完全是逆流接触的过程,全逆流流化床由于出风湿度非常高,所需能耗只有全顺流干燥的气流干燥能耗的35~40%。
好氧发酵罐的节能近年也取得了一定的进步,新的理念认为空气的分布不能单纯靠高强度搅拌,应该在空气分布上做文章,从而大幅度降低搅拌电耗,进而降低发酵罐高度以减少通风耗电。
淀粉生产中的胚芽挤干机和纤维挤干机的改进不体现在本身的耗能上,但好的挤干机可以将物料脱水至更低水分含量,从而降低后续烘干工序的蒸汽消耗。
除了以上节能措施外,玉米深加工的节能措施还有工艺改进、加强保温、节约用电、尽量选用大型设备和尽量保持稳定连续生产等。