|
自主创新 开发我国高收回、低投资、低能耗的提汁技术 广州甘蔗糖业研究所 陈世治 (原广州甘科所制糖室主任 广州 510316） |
||
| 摘要 | ||
| 1、国内高粱蔗制燃料酒精的概况 | ||
| 2、高粱蔗加工的提汁技术 | ||
| 3、建立日处理150吨高粱蔗及制造白酒的生产基地 | ||
| 4、与压榨法的经济效益对比 | ||
| 5、高粱蔗提汁与制白酒联合生产的经济效益 | ||
| 6、建立150t/d高粱蔗提汁与制白酒生产基地的战略意义 | ||
| abstract | ||
|
我国目前开发再生性能源，用甘蔗、高粱蔗（亦称甜高梁）、木薯等作物制造燃料酒精。其中高粱蔗以其耐旱耐涝耐盐碱及高糖分等优点适用于我国广大地域，可作为发展的重点对象。但没有适当的小型提汁设备。压榨法虽用于甘蔗糖厂多年，但投资及耗动力大，不适宜小型生产。建议使用轻压洗析提汁法解决此问题。巴西和印度共有2间糖厂使用这种设备，称为lpe。与压榨法比较可节省投资35％～45％，节省动力25％。投资与能耗虽与渗出法接近，但提汁过程比较短，渗出法约1h，而轻压法只需5min。渗出法在提汁过程须保持75℃，而轻压法属动态洗析提汁，不用保温。 我国1974/75年榨季曾在广东徐闻华建糖厂进行150t/d的轻压洗析法提汁试验。共榨蔗8810t，用磨泵预破碎，破碎度85％，抽出率只达92％。个别班破碎度86％～87％，抽出率超过94％。渗出法与轻压法对预破碎均有较高要求，目前可达到90％～92％。上世纪70年代我国生产上已使用锯齿式撕裂机，破碎度达94％，电耗3.5kw·h/吨蔗，不过处理量不超过200t/d，只限于小型糖厂使用。国外仅美国的撕裂机破碎度达到94％，但耗电量5.5
kw·h/吨蔗。华建糖厂的150t/d轻压提汁设备比巴西和印度的轻压提汁设备简单，若与锯片撕裂机结合使用，抽出率应可达97％，比压榨法高约2％。连同就地生产白酒后运往酒精厂加工，可进一步增加经济效益，从而有利发展农村经济。 2003年11月在北京人民大会堂举办首届“中国农民增收论坛”，讨论高粱蔗大面积推广及产业化。国务院列为绿色扶贫工程项目之一。利用我国地大人多的特点，广种不与粮食、甘蔗争耕地，耐涝耐旱耐盐碱的高粱蔗，进行提汁生产燃料酒精，扩大可再生能源和提高农民收入的战略性方针。北京六环美迪生物工程集团已在各省发动农民种高粱蔗，提汁后加工成白酒，交酒精厂制成99.5％以上的燃料酒精。已在山东、湖北等地成立30多家六环美迪生物工程公司。其中山东东营市六环美迪公司于2003年种高粱蔗16.7hm2，生产粗乙醇100t，每公顷产高粱蔗60～75t，生植期4～5个月，蔗茎全糖含量16％～22％、每公顷产粗乙醇6000～7500kg。但未说明加工高粱蔗用何种提汁设备。 北京国防科工委退休职工经营的高粱蔗开发公司征求低投资，高效的小型提汁设备，进行高粱蔗加工。 2.1
高粱蔗用压榨法提汁存在的问题 早在半个世纪前,美国曾试图发展甘蔗和甜菜等以外的产糖原料,1945年产高粱蔗糖浆30万t，1971年，得克萨斯州立大学试验厂用化学方法澄清高粱蔗糖浆生产粗糖，除淀粉率98％，除乌头酸率98％；制成的粗糖纯度98.05％（全糖分）。我国湖南汩罗江糖厂1973年试种26.7
hm2，大通湖农场试种0.013 hm2，1974年种7hm2，生长期158天，公顷产高粱蔗茎108t、高粱2400kg。上世纪70年代美国和我国均致力于从高粱蔗糖浆结晶出蔗糖晶体，本所也曾致力于高粱蔗汁的澄清工艺和结晶工艺的研究，但只能生产出饴蔗，没有市场。 上述高梁蔗的提汁都是用甘蔗糖厂的压榨机列，与压榨甘蔗大致没有区别。压榨机虽能用于高粱蔗提汁，但存在投资大，效率低的问题。特别是用于发展农村经济的小型生产，比如100～200t/d。假如为了省投资，用1台压榨机提汁，虽然花钱不多，但糖分抽出率（收回率）低，只能达到75％～80％，假如用1组3台压榨机列,加25％注加水,复式喷淋，则抽出率可达85％～90％。用5台压榨机列（大中型糖厂的模式），有蔗刀机或撕裂机预破碎。并有25％注加水，复式喷淋，则抽出率可达95％～96％（电耗12～13kw·h/吨蔗）。投资数参考2000年广西博华糖厂新建6000t/d压榨设备，耗资2750万元，即日榨1t蔗投资4583元。按此计算，一套日榨150t高粱蔗的5台机列须投资至少70万元，抽出率虽达95％，但似乎大材小用。当前高粱蔗的生产应是以小型的居多，寻求一种比较简单的低投资，高收回新提汁技术，以适应我国高粱蔗生产燃料酒精，发展农村新经济，这是一个迫切需要解决的问题。 2.2
甘蔗提汁技术的简单回顾
压榨提汁设备已使用100多年，至今仍为糖厂主要的提汁设备。它的特点是使用强大的压力（1.47×107～2.45×107 pa）将预破碎的蔗丝作多次压榨（若用5台3辊机则为10次压榨），并用注加水与末压汁逆向作3次复式喷淋，完成提汁任务。强大的压力除迫使蔗丝与蔗汁间进行稀浓汁浓度交换，并使甘蔗细胞不断破碎，由进入压榨机列的75％～80％破碎度至末座压榨机出口的98％～99％破碎度。最终得到95％～96％的糖分抽出率。 由于使用强大压力操作，压榨机列不得不使用重型设备，因此投资较大。我国1间6000t/d大型的压榨机列约耗资2750万元，耗动力电12～13kw·h/吨蔗。因此，上世纪60年代出现了渗出法，利用高度的预破碎（91％～92％破碎度），破碎后的蔗丝在渗出槽中经多次（12～14次）逆向喷淋。蔗丝与糖汁在75℃温度下保持约1h进行渗透作用提糖(diffusion)。最后用1台压榨机压干至50％左右水分，使糖分抽出率达到97％～98％。上世纪70～80年代，渗出法有多种型式，但目前5000t/d以上的渗出法糖厂都是用喷淋渗出槽。渗出法属于轻型设备，耗能较少，每吨蔗只耗电约9 kw·h。据南非渗出法专家莱因(rein)1995年发表世界各国渗出法投资数为压榨法的55％～65％ [1]，按65％计算，6000t/d的压榨法投资数若为2750万元，则6000t/d渗出法糖厂投资数应为1788万元，投资可节省962万元，节电3～4 kw·h/吨蔗。因此，近年新建或扩建的糖厂多用渗出法。原有压榨法糖厂很少改建为渗出法，因压榨设备是重型设备，比较耐用。每年维修费虽大，但比起重建，投资数相对仍较小。压榨车间设备占全厂设备3成以上，若能继续使用，企业主多不愿改建为渗出法。这是目前渗出法糖厂虽有许多优点，但仍占少数的主要原因。
2.3
高粱蔗采用自主创新的150t/d六级喷淋轻压洗析法提汁技术加工的论据
上世纪70年代初期，世界糖业界出现第1间大型洗析法提汁试验糖厂(washing process)，美国夏威夷糖业公司由约翰福墨(john farmer)设计的洗析法糖厂（6000t/d）甘蔗经预破碎到92％破碎度，蔗丝不经任何压榨或渗浸，直接用大量水进行多级逆向洗析糖分。最终用压榨机脱水，称为hi-process，操作较为繁复，抽出率也不稳定，试验工作因farmer去世而告终。1974/75年榨季，由轻工业部甘蔗糖业科学研究所（广州甘蔗糖业研究所前身）、广州轻工设计院和广东糖纸公司组成的广东省甘蔗提汁研究组，在徐闻华建糖厂试验150t/d六级喷淋轻压洗析挤压槽，工艺理论的依据是末压汁在进行复式喷淋前先回流一部分汁，则理论上各级喷淋汁的量可以随意增大。比如回流30％～40％的末压汁，则喷淋汁的量可以增大到使各级的固液比达到1:20(假如不回流，各级固液比只有1:7)。1:20的固液比混合物已呈流体状态，可以泵送也可洗析。这就成为洗析法的基础。在提汁过程，1:20的固液比使蔗渣和汁形成流态，蔗渣中的糖分比较容易析出到糖汁。再加上多级喷淋和轻压，就可以得到很高的传质效率。所谓轻压，压力只9.8×105～1.5×106
pa，比压榨法的1.47×107～2.45×107
pa 要小得多。再加上六级喷淋和挤压（5台压榨机列只三级喷淋）。蔗渣中的糖分得到高效的析出。在华建糖厂用的洗析挤压槽长7m，用1条7.6m长的空心轴穿过六段螺旋叶输送蔗渣。每段螺叶后套1个锥塞，用以产生轻压。蔗渣在螺叶输送过程中被剧烈翻动，形成动态的传质过程（动态洗析）。这是压榨法和渗出法都没有的。可能这是洗析挤压法获得高效提糖的原因之一（见下图）。
华建糖厂150吨/日六级喷淋轻压洗析设备示意图
2.4 华建糖厂150t/d轻压洗析提汁法1974/75年榨季的阶段生产试验结果[2] 表1 轻压洗析提汁法阶段生产试验结果
1974/75年榨季在华建糖厂进行的是第1阶段试验。主要观察洗析挤压槽的效能。同时进行的还有磨泵破碎甘蔗的试验，因此利用磨泵作预破碎，破碎度很不理想，一般只有85％。影响了洗析挤压槽的提糖效果（抽出率）。从上表可看到抽出率只有92％。但是当磨泵调试到破碎效果较好的时候,比如86％～87％破碎度,有几个班的抽出率达到94％。比如12月25日的下夜班（抽出率94.41％），29日的上夜班（抽出率94.56％) 。此外进行过几次查定，如2月25日查定结果抽出率94.13％,2月27日查定结果，抽出率94.77％，相对应的磨泵破碎度分别为86.85％和86.29％。 渗出法和洗析法对预破碎度要求十分高，它是能否获得高抽出率的基本条件。南非是世界上渗出法糖厂最多的国家，共有19间糖厂，其中渗出法16间。这些渗出法厂的甘蔗预破碎度、硬性规定为90％以上。实际91％～92％。1998/99年榨季，南非16间渗出法糖厂平均抽出率为97.81％[3，4]>。其实我国在上世纪60～70年代也有效率很高的锯片式撕裂机，甘蔗的预破碎度可以达到94％以上。华建糖厂的轻压洗析提汁法试验在下一阶段，1975/76年榨季准备用锯片式撕裂机代替磨泵，抽出率可望提高到96％以上，争取达到97％。但由于种种原因，试验未能继续进行，十分可惜。 2.5 锯片式撕裂机 1963/64年榨季及1964/65年榨季，轻工业部甘蔗糖业科学研究所在40t/d试验工场的渗出法中间试验，甘蔗经入辘器进入锯片式撕裂机破碎。从1965年3月2日至4月5日共25天，每天测破碎率1～2h集合样一次。25天平均值为94.07％ [5]。锯片式撕裂机能取得如此高的破碎度，关键在于处理的甘蔗量少，甘蔗在输送带中可用人力排列成纵向，顺甘蔗纤维的方向破碎，阻力较小。除可得94％以上的糖分细胞破碎度，所耗用的动力也只有3.5kw·h/吨蔗。这是利用小型生产设备的优势，至于将来能否扩大用于大中型糖厂，笔者在另文曾作过论述[6]，比如用机械震槽将大量甘蔗排列成纵向厚层后进入喂蔗辊和提高锯片式撕裂机的宽度，直径和转速，都可以提高处理量。今后将进行研究讨论，不在本文讨论范围。 至今为止，大中型渗出法或洗析法糖厂的甘蔗预破碎仍是一个未解决的问题。一般大型撕裂机属于世界的高水平，采用的型式多为汤加式，也只能达到91％破碎度。美国在上世纪80年代silver糖业机械制造厂生产的撕裂机达到94％的破碎度，包括1
台粗碎机(称为buster)，加1台精碎机(fiberizer)耗电率为5.16 kw·h /吨蔗，用于夏威夷的渗出法糖厂。后因精碎机猫爪型锤不耐磨，不能适应夏威夷机械收割含大量石块的甘蔗，现已停止生产[6]。 据此，锯片式撕裂机目前虽只能用于小型生产，但破碎度指标及耗电率都属于世界领先水平，用于高粱蔗的100～200t/d提汁，应属自主创新的技术。 2.6
目前国际上使用多级轻压洗析法提汁的情况 据已公开的资料，国际上至今只有2间糖厂使用多级轻压洗析法。是由美国莱比氏(wilhelm leibig)发明和设计的2500t/d甘蔗糖厂。第1间是1985年建成的巴西格莫勒拉酒精厂（gameleira）处理甘蔗量2500t/d，预破碎度86％～88％，抽出率95％，使用8对轻压辊，压力9.8×105～1.5×106 pa，已运行20年至今仍在使用[7]。第2间是1999/2000年榨季在印度维拉哈尔(vighnahar)糖厂建成2800t/d的多级轻压洗析法提汁车间，设备和巴西大致相同，预破碎度低于85％。据称该车间耗用的动力比压榨法节约30％，但抽出率仍不超过96％[8]。上述2间轻压提汁法(lpe)糖厂，是现在世界上仅有的轻压法糖厂。虽然省投资，省能耗，且有提汁过程仅5min、不用加热保温等优点，而渗出法需时约1h,须保温在75℃以上。但抽出率不超过96％，比渗出法的97％～98％为低，这是不能推广的主要原因(见下图)。
巴西2500吨/日两辊式八级喷淋轻压洗析法示意图
笔者曾与莱比氏就此问题进行讨论，指出提高甘蔗预处理破碎度的重要性。但巴西及印度2厂的厂主均不顾增加投资，更换效能更好的撕裂机。问题至今尚未解决。由于抽出率只达96％，推广有困难。我国高粱蔗的生产如能采用锯片式撕裂机与六级喷淋的轻压洗析槽结合的提汁装备，必能获得高收回，低投资低能耗的效果。在150～200t/d的小型生产基础上，应进一步研发扩大至4000t/d规模，为我国糖业生产服务。在建立试验基地时应一并予以考虑。我国目前糖价升至近5000元/t，笔者认为国内市场需求增加的部分原因是由于过去2年农民因免税而生活改善。8亿农民的生活改善必导致糖的消耗增大，糖业生产会面临扩建及新建糖厂，新的高效提汁设备必将提上议事日程。
我国目前汽车每年耗汽油5000万t。若其中10％可用酒精代替，则每年须供应燃料酒精500万t，缺口甚大。在农村中建立高粱蔗提汁制白酒的小型厂，将有利于发展新农村经济。我国从南到北，特别是西部地区均可种植高粱蔗。每公顷产高粱蔗60～90t，生长期4～5个月。大部地区可种2造，每公顷年产高粱150t，含全糖16％～22％，每造可产粗酒精0.5t，1间150t/d提汁厂每年生产200天，可处理高粱蔗30000t，可产燃料酒精2500～3000t，400间150t/d提汁厂每年可产酒精约100万t。 事实上这种小型提汁厂，提出来的糖汁就地生产50度白酒。白酒交售去酒精厂制燃料酒精。制白酒后的酒糟可就地作饲料或肥料。蔗渣除供制白酒的燃料外还可作牛饲料。1间150t/d提汁厂每年处理高粱蔗3万吨计，需土地约200～400hm2，若每户种0.7hm2，可供300～600农户，每户3口人计，共供养900～1800名农民。农民以高粱蔗入股参加提汁厂及白酒厂生产，工厂的工人来自附近农户。每年除高粱蔗收入并可从提汁厂得股息和红利，增加收入。以提汁厂和白酒厂为基础设立互助组，管理高粱蔗的种植技术和收购。在农忙时节从农户有偿调配人力，帮助缺劳动力（部分农户劳动力参加工厂生产）的农户从事农耕及收割、运蔗工作。这样就形成新型的农村经济和自主互助的管理机构。逐步形成有生命力、有经济基础、可持续发展的新型农村。提汁厂和白酒厂的利润除股息和红利，贷款利息和工厂设备折旧外，并保留公积金，供本地农村发展教育、文化事业和扩大再生产。这就为农民致富、提高文化水平和公共财富打下经济基础。农民参加农产品加工生产，是致富的最重要途径，积极性之高难以估计，好比雨后春笋。高粱蔗生产基地的发展到成百间或千间不足为奇。上世纪50年代后期和60～70年代，广东省的土糖生产，农民种的蔗合伙经营小糖寮自产红糖，并以市价交售给糖烟酒公司，据广东省糖烟酒公司提供的数字，1970年全省发展到2700间糖寮，仅东莞县330间，惠阳县1061间。每年产土糖达70.5万t，农民从中致富。
现将锯片式撕裂机与六级轻压洗析槽结合，用于高粱蔗提汁与压榨法的经济效益进行对比。综上所述，六级喷淋轻压的洗析法厂用作高粱蔗的提汁设备，它的基本特点与渗出法类似的有： (1)投资为压榨法的60％～65％，一间150t/d洗析法厂约为45万元，比压榨法省25万元； (2)耗电率为每吨蔗9 kw·h,比压榨法节省3～4 kw·h。每年榨高粱蔗3万t,0.6元/ kw·h计，共节省能耗6.3万元； (3)糖分收回率为97％，比压榨法提高2％计。每年榨高粱蔗3万t，全糖分以18％计，共有全糖5400t。提高2％糖分收回，5400×0.02＝108t全糖，高梁蔗所含全糖以每吨2000元计（甘蔗含糖分13％，每吨蔗250元计），108×2000＝21.65万元（为提高2％糖分，增加的收入）。 另外，轻压洗析法比渗出法有如下优点： (1)渗出法提汁过程约1h，洗析法为5min，不易发生糖分转化为非糖分； (2)渗出法在提汁过程须保温75℃，而洗析法不须保温，可节省蒸汽； (3)洗析法比渗出法设备结构简单，维修费低。 使用轻压洗析法提汁与用压榨机提汁比较，除有上述经济效益外，提出的高粱蔗蔗汁发酵制成50度的白酒，输送到附近酒精厂集中制成99.5％的燃料酒精，可有下述经济效益： (1) 提出的蔗汁不宜蒸发为糖浆后用槽车送到附近酒精厂，这样需要增加锅炉和蒸发罐等设备，不但增加投资且设备操作技术比较复杂，不适宜农村小型生产，并且糖浆的输送量大于50度白酒。 (2) 制成白酒，其附加值大于糖浆，增加收入。 (3) 白酒的副产品酒糟是优良的猪、牛、鱼饲料，适口性好，可增加肉类生产的收入。 (4) 将糖浆供酒精厂生产燃料酒精，生成的废水是公害，必须处理。若酒精厂规模大，废水排放到附近农田有一定的条件限制，不能处处地区适用，若燃烧处理，废液中的有机成分全部浪费掉。蔗汁联产白酒就不存在这些问题。 (5) 蔗渣除供白酒生产所需的燃料，尚有剩余，可综合利用，作牲畜饲料，代替青饲料。 建立150t/d高梁蔗提汁与制白酒生产基地是减少我国农村和城市贫富差别，使农民转化成工人的战略决策。 锯片式撕裂机与六级轻压洗析槽结合的提汁法是上世纪70年代未完成的研究，但分别进行过生产考验。这样一套提汁设备如今仍具有一定的先进性与应用价值，特别是用于高梁蔗的小型提汁生产，发展农村经济。 用轻压洗析法提汁与用压榨机提汁比较，除有上述经济效益外，提出的高粱蔗蔗汁发酵制成50度的白酒，输送到附近酒精厂集中制成99.5％的燃料酒精，可有下述经济效益： 参考文献 [1] p.w.rein “a comparison of cane diffusion and milling”. proc. sasta,
june 1995, 196～200 [2] 徐闻华建糖厂1974/75年榨季150t/d挤压洗析槽生产日报，月报及查定报告 [3] 陈世治. 甘蔗渗出法的回顾与前瞻甘蔗糖业，2001(3):31 [4] proceeding
south
africa sugar techno- logist
association (1999) 24th
annual review of milling season in s. africa. "南非1999年第24届提汁生产统计数字"
南非糖业协会论文集 [5] 甘蔗糖业研究所1964/65年榨季 "甘蔗渗出法试验报告" :13 [6] 陈世治. 甘蔗糖厂工艺技术发展的几个新领域。现代制糖工业技术（第二分册）.北京：轻工业出版社， [7] zuckerind 114(1989),issct p79wilhelm leibig:sugar
extraction from cane –lpe sys- tem. 甘蔗的轻压提汁法” [8] cane cogen india ocr 2000, lpe system trial: an update p4 "印度甘蔗讯息", 2000年8月，轻压提汁法的试生产. research and development on a
new extraction process with high recovery, low investment and low energy
consumption chen
shizhi (guangzhou sugarcane industry research institute, guangzhou 510316) abstract manufacture of fuel alcohol from cane, sweet sorghum and cassava have been under investigation in china; in which sweet sorghum is recognized as a crop of drought resistant, water tolerant, salt tolerant and with high sugar content, is suitable to be widely developed in this country. but lack of a suitable juice extraction device. milling tandem is unsuitable for small scale production due to high investment and energy consumption. a new extraction system using light pressure (lpe) is proposed. compared with milling tandem, 35-45% of investment and 25% of energy can be saved. again, compared with diffusion, which need to be kept at 75℃ for one hour. while the lpe system need only 5 minutes without keeping temperature. in china, hua jian sugar mill had undertaken a production trial of 150 t/d with lpe in 1974/75 crop. 8810 tons cane were processed. due to poor disintegration of cane by using a 'grinding pump', degree of disintegration or preparation index (pi) is only 85%,hence extraction rate only 92%. but when pi controlled to 86%-87%, extraction reached 94%. during the 1970’s, a disintegrator called 'saw shredder' was used in some chinese mills with pi of 94%, energy consumption 3.5 kｗh/t. but only for mills under 200 tcd. in case the saw shredder could be used together with the 150 tcd lpe system of hua jian mill, extraction rate could be 97%, 2% higher than milling tandem. if juice extracted could be made into spirit and transfer to alcohol plant, profit could be further increased. this production system would be a privilege for raising the income of chinese farmers. aaa
keywords:
light
pressure extraction; washing process; disintegration of cell sucrose; sweet
sorghum; sugar dynamic transfer; spirit
|
