王績平，姚 智，莫慶財(cái)，覃華慶，陸宏旺

（廣西來賓東糖鳳凰有限公司，廣西 來賓 546102）

0 引言

白糖、精糖和原糖的干燥和冷卻是一個(gè)很重要的工序，對產(chǎn)品的保存以及在貯存時(shí)是否會發(fā)生結(jié)塊和變質(zhì)都有關(guān)鍵性的影響。各種糖產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，國家都明確規(guī)定它的水分含量的最高限度。但對于需要貯存的企業(yè)來說糖的溫度、水分含量有更高的標(biāo)準(zhǔn)。長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和大量的研究結(jié)果都說明，如果裝包時(shí)糖的溫度、水分含量高，在存放時(shí)就容易結(jié)塊、變色、回潮及變質(zhì)。為使白糖在存放時(shí)變化小，裝包時(shí)的溫度應(yīng)低于40℃，如果用散裝存放，進(jìn)倉溫度應(yīng)低于30℃，水分低于0.04%。溫度越高，白糖變色越快，不論是亞硫酸法或碳酸法工藝制糖的結(jié)塊越嚴(yán)重［1］。

然而，國內(nèi)不少甘蔗糖廠的干燥冷卻設(shè)備的效果不好，雖然糖的水分可以達(dá)到指標(biāo)要求，但通常是在分蜜機(jī)中使用高溫高壓的蒸汽將白糖干燥，而其后的設(shè)備的冷卻效能較低，以至白糖裝包時(shí)的溫度普遍偏高，不少廠在45℃以上，個(gè)別廠甚至超過50℃。目前有較大部分糖廠因受場地或資金投入等方面影響，采取加強(qiáng)通風(fēng)比較簡易的傳統(tǒng)方法進(jìn)行冷卻，但因冷卻風(fēng)量不夠、冷卻風(fēng)走短路、進(jìn)出風(fēng)設(shè)計(jì)不合理等因素，冷卻效果不理想，至今仍有不少糖廠的產(chǎn)品在存放時(shí)發(fā)生結(jié)塊、變色等問題，直接影響了糖廠的聲譽(yù)和經(jīng)濟(jì)效益。

本文主要針對糖廠振篩間、裝包間在現(xiàn)有簡易條件下白糖干燥冷卻時(shí)常遇到的幾個(gè)問題進(jìn)行較粗淺的探討。

1 糖廠白糖冷卻現(xiàn)況

從分蜜機(jī)卸下白糖的水分，因設(shè)備與操作條件不同而有較大的變化。如果分蜜時(shí)用低壓蒸汽洗糖，不管是廢汽或蒸發(fā)罐汁汽，卸糖水分含量為0.5%～0.8%；使用過熱蒸汽，卸糖水分含量可降至0.1%～0.2%或以下。目前國內(nèi)甘蔗糖廠多數(shù)在分蜜時(shí)打過熱蒸汽，汽壓0.4～0.6MPa，卸糖水分含量較低，但卸糖溫度相當(dāng)高，一般在80～90℃以上，甚至接近 100℃。

高溫的糖在與低溫的空氣流接觸時(shí)，糖的熱量向空氣轉(zhuǎn)移，糖的水分也同時(shí)部分蒸發(fā)，被空氣帶走，此過程白糖干燥與冷卻同時(shí)進(jìn)行。水分的汽化吸收了糖的熱量，加速糖的降溫。當(dāng)砂糖與空氣充分接觸且空氣的流速較大時(shí)，這種傳熱與傳質(zhì)的作用進(jìn)行得比較快。

如果糖的溫度下降所放出的熱量全部用于水分蒸發(fā)，可以排出相當(dāng)多的水分。例如，當(dāng)濕糖的溫度為80℃，降溫到40℃，糖的比熱為1.26kJ/kg，每千克糖放出的熱量為：1.26 ×（80－40）= 50.4kJ/kg。

每蒸發(fā) 1kg水分所需吸收的潛熱為2257kJ/kg，故上述熱量可蒸發(fā)的水分為：50.4/2257=0.022kg/kg。

即可以蒸發(fā)超過1%的水分，這個(gè)計(jì)算忽略了糖的比熱微小變化和水分汽化時(shí)的顯熱變化，但它們對計(jì)算結(jié)果影響很小。如果實(shí)際過程能夠接近上述計(jì)算，那是很理想的，只要向濕糖吹常溫的空氣就可以將糖的水分和溫度同時(shí)降低到較低的數(shù)值。

然而在自然冷卻過程中，由于白糖中水分的蒸發(fā)相當(dāng)緩慢，濕糖降溫實(shí)際排出的水分要比上述計(jì)算值少得多。因此，一般只有在濕糖水分相當(dāng)?shù)偷那闆r下，才可以只吹冷風(fēng)就達(dá)到干燥的要求。分蜜機(jī)使用高溫蒸汽，白糖的水分容易降低，工廠易實(shí)行，故國內(nèi)很多糖廠用這種方法，但分蜜機(jī)卸糖溫度高，后面的冷卻設(shè)備要排出大量的熱能，在冷卻效能不足的情況下，白糖的最終溫度較高，貯存時(shí)易結(jié)塊與變色。

2 工藝探討

國內(nèi)的甘蔗糖廠分蜜機(jī)卸下的白糖經(jīng)過振動輸送機(jī)和振動干燥機(jī)，還有相當(dāng)長的輸送機(jī)，經(jīng)過很長的路程，但糖溫度降低不多。主要原因是沒有足夠的空氣將糖的熱量和水分帶走，于是不少糖廠通過加裝鼓風(fēng)機(jī)以增加冷卻風(fēng)量和空氣對流速度實(shí)現(xiàn)白糖冷卻，但在增加冷卻空氣過程中往往因?yàn)槿狈σ恍┍匾挠?jì)算或鼓風(fēng)設(shè)計(jì)不合理等原因，白糖實(shí)際冷卻溫度未能達(dá)到預(yù)期效果。在增加冷卻風(fēng)量過程需要考慮以下幾個(gè)問題。

2.1 新增風(fēng)量的考慮

當(dāng)1kg白砂糖溫度為80℃，水分為1.0%，干燥到40℃，水分0.04%以下時(shí)，設(shè)水汽化吸收的熱量為q吸，干燥到40℃時(shí)白砂糖放出的熱量為q放，空氣吸收的熱量為q，則q吸=（1.0%-0.04%）×2257=21.67kJ/kg，由于干燥后糖的水分很低，這式子作忽略計(jì)算；q放=（80-40）×1.26=50.4kJ/kg。這里濕白糖的水分含量很低，且水的比熱比白糖低，計(jì)算時(shí)可忽略。q=q放-q吸=50.4-21.67=28.73kJ/kg，從這式子可以看出在干燥過程中，水分蒸發(fā)可帯走大部分的熱量；由焓濕表可以得出含濕量D1=8.1g/m3，空氣溫度由20℃升高到27℃時(shí)相對濕度由60%降低到39.4%［2］，只有在較好通風(fēng)條件白砂糖表面在水蒸氣分壓作用下水分很快蒸發(fā)。

當(dāng)通入的潔凈新風(fēng)溫度為20℃時(shí)，相對濕度為60%，如排風(fēng)溫度為27℃，相對濕度上限為60%時(shí)，需要的新風(fēng)量為L。經(jīng)焓濕表查得，相對濕度為60%時(shí)H20℃=42.7kJ/kg，含濕量D1=8.1g/m3；H27℃=62.2kJ/kg，含濕量D2=13.7g/m3；以q排代表系統(tǒng)排風(fēng)帶走的熱量，L代表新風(fēng)量，空氣的密度為1.2kg/m3，理想狀態(tài)下q排=q放，則q排= q放=1.2L（H27℃-H20℃）=50.4kJ/kg，L=50.4×［（62.2-42.7）×1.2］=2.2m3，當(dāng)排風(fēng)溫度為27℃，濕度上限為60%時(shí)，需要相對濕度為60%的新風(fēng)量為L濕=（1.0-0.04）×10÷（D2-D1）÷1.2=9.6÷（13.7-8.1）÷1.2=1.43m3，L ＞L濕。

因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮白砂糖降溫所需的風(fēng)量和相對濕度。糖廠的振篩間距包裝間一般都有一段比較長的輸送距離，依據(jù)潔凈室要求，在整個(gè)干燥輸送過程應(yīng)把它與其他生產(chǎn)區(qū)間獨(dú)立，建設(shè)潔凈區(qū)間，這樣會形成一條長廊。如果建設(shè)潔凈區(qū)間按潔凈度萬級設(shè)計(jì)，換風(fēng)次數(shù)為20～25次。因此，適合采用單向流潔凈室的原理，只需把進(jìn)風(fēng)口設(shè)在長廊的白砂糖出口端，把排風(fēng)口設(shè)在分蜜機(jī)底部，就能很好的把潔凈區(qū)形成一個(gè)密封的干燥設(shè)備。糖廠在設(shè)計(jì)建設(shè)振篩干燥輸送系統(tǒng)時(shí)已經(jīng)考慮滿足熱交換，現(xiàn)需要考慮的是通入的新風(fēng)量要足夠帶走熱量。

如一家生產(chǎn)規(guī)模為60t/h砂糖的工廠，高度平均3.5m，建筑面積為720m2，空間體積3000m3。榨季最高氣溫28℃，濕度80%左右。建筑空間每小時(shí)需送風(fēng)量L=2.2×60×1000=132000m3，則換氣次數(shù)為N=132000÷3000=44次/h。滿足空氣潔凈度1萬級設(shè)計(jì)要求。

2.2 鼓抽風(fēng)方式的選取

白糖冷卻主要是通過對流傳熱的方式實(shí)現(xiàn)，其推動力是高溫白糖與空氣的溫度差，所以冷卻源主要是空氣。目前大部分糖廠通過鼓風(fēng)機(jī)經(jīng)過凈化處理得到相對潔凈的低溫空氣送入振篩間或裝包間，與高溫白糖實(shí)現(xiàn)熱交換后經(jīng)抽風(fēng)機(jī)把高溫的空氣抽出，實(shí)現(xiàn)空氣對流傳熱?？諝庠诳臻g內(nèi)實(shí)現(xiàn)對流傳熱主要以兩種形式存在，首先是外力，即鼓風(fēng)機(jī)所致的質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)制運(yùn)動，屬強(qiáng)制對流；其次是空氣中各處的溫度不同而引起密度的差別，使輕者上浮、重者下沉，空氣質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對位移，屬自然對流。根據(jù)化工原理，對流傳熱和逆流傳熱優(yōu)于并流傳熱［3］。

綜上所述，糖廠在增加鼓抽風(fēng)機(jī)時(shí)風(fēng)的流向采用與白糖走向相反的原理，即逆流實(shí)現(xiàn)傳熱，只需把進(jìn)風(fēng)口設(shè)在長廊的白砂糖出口端，把排風(fēng)口設(shè)在分蜜機(jī)底部，冷風(fēng)在低位進(jìn)，熱風(fēng)從高位抽出。

有些糖廠在鼓抽風(fēng)流向布局上考慮到安裝方便或美觀等因素，采取并流的冷卻方式就會增加冷卻介質(zhì)的量，降低了冷卻效果；或者采用高位進(jìn)風(fēng)高位抽風(fēng)的方式，冷卻風(fēng)就不可避免出現(xiàn)走“短路”的現(xiàn)象，白糖冷卻效果不佳。

2.3 空氣流動的速度

目前糖廠較普遍使用流化床來干燥冷卻白砂糖。圖1是流化床簡單示意圖，其工作原理是空氣以較高速度向上流動，將所處理的固體顆?；蚓w向上漂浮起來，在氣流中滾動翻騰，具有與流體同樣的流動性，類似沸騰狀態(tài)，故流化床亦稱為沸騰床。應(yīng)用溫度高的空氣可將固體物料干燥，而用溫度低的空氣則使物料冷卻，同時(shí)蒸發(fā)少量水分。流化床之所以在較小的空間實(shí)現(xiàn)白糖干燥或降溫，主要有兩個(gè)關(guān)鍵因素，首先是加熱或冷卻空氣流動速度較高；其次是所處理的固體顆?；蚓w向上漂浮，在氣流中滾動翻騰增加換熱接觸面積，即增加了換熱面積［4］。

圖1 流化床工作原理示意圖

根據(jù)熱力學(xué)影響對流換熱因素，流體流速增加，促使流動邊界層變薄，并使流體內(nèi)部相對運(yùn)動加劇，從而使對流換熱系數(shù)加大。所以在振篩間適當(dāng)增加空氣對流速度可有效降低白糖溫度。

在糖廠白糖冷卻采用增加鼓抽風(fēng)設(shè)備使空氣強(qiáng)制對流，逆流傳熱。在振篩間如果是高度密閉的情況下空氣對流速度是有保證的，但是實(shí)際上糖廠振篩間不可能達(dá)到密閉狀態(tài)，因空間大、不規(guī)則、空氣流動行程長、密閉性差等因素，在鼓抽風(fēng)行程中間段極易產(chǎn)生“死角”，榨季生產(chǎn)期間工作人員進(jìn)入振篩間經(jīng)常會感覺某個(gè)區(qū)域很悶熱或空氣不流動，基本都與此有關(guān)。針對此現(xiàn)象，可以在此區(qū)域增加輔助風(fēng)機(jī)以確?？諝獾牧鲃有?，確保有一定的風(fēng)速。

糖廠振篩間實(shí)際是一個(gè)不能完全密閉、不規(guī)則、很大的空間，通過風(fēng)機(jī)鼓入冷空氣進(jìn)入大的空間后，往往空氣的流動速度很低，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)“滯流”，如何有效利用現(xiàn)有進(jìn)風(fēng)量提高流速以降低白糖入袋包裝溫度，這也是大部分糖廠一直考慮的問題。

在沒有較大資金投入的情況下，在振篩槽上制作簡易的近似密閉的風(fēng)罩基本覆蓋整個(gè)槽身，具體尺寸可以根據(jù)單列振篩具體尺寸而定，簡單流程為冷卻介質(zhì)空氣→振篩頭部即槽底與隔板中間空隙→風(fēng)罩即冷卻風(fēng)與白糖直接接觸區(qū)域→風(fēng)罩尾部頂面→抽風(fēng)機(jī)抽出熱風(fēng)。其工作原理是把鼓入的冷風(fēng)在相對狹小的、近似密閉空間內(nèi)進(jìn)行熱交換，該區(qū)域風(fēng)速是有保證的，可有效利用冷風(fēng)。

白糖經(jīng)分蜜機(jī)卸糖后落入振篩，往往會經(jīng)過多列的振篩干燥、冷卻再進(jìn)入輸送皮帶，不能隨意安裝冷卻風(fēng)罩，必須經(jīng)過論證，因?yàn)楦鶕?jù)化工原理：固體物質(zhì)在空氣中干燥，是由于它所含的水分汽化成水蒸汽散逸到空氣中，其根本原因是固體表面的水蒸汽分壓高于周圍空氣中的水蒸汽分壓。干燥過程的推動力，就是兩者的蒸汽分壓的差額。如果情況相反，即空氣中的水蒸汽分壓高于固體表面的水蒸汽分壓，空氣中的水蒸汽就會凝結(jié)在固體表面上，使后者水分增加，即發(fā)生增濕作用或吸潮［5］。白糖經(jīng)分蜜機(jī)卸糖后落入振篩，初始溫度80℃以上，此時(shí)水分汽化成為水蒸汽散逸到空氣是最劇烈的，如果此時(shí)再增加冷卻風(fēng)汽化就會更加劇烈，較大部分水蒸汽因糖層較厚不能及時(shí)散逸出去就會凝結(jié)在固體表面上。實(shí)際生產(chǎn)中我們經(jīng)常會看到在第一、第二列振篩糖層表面有結(jié)塊現(xiàn)象，所以最好不要在第一、第二列振篩增加風(fēng)罩，即使增加進(jìn)風(fēng)溫度也不要過低，不得低于20℃，同時(shí)要確保進(jìn)、出風(fēng)良好，讓產(chǎn)生的水蒸汽盡可能的散逸出去。

2.4 固體物質(zhì)與空氣的接觸面積

根據(jù)流化床的簡單工作原理可知，所處理的固體顆粒或晶體向上漂浮，在氣流中滾動翻騰增加換熱接觸面積，即增加了換熱面積，所以增加固體顆粒與冷卻空氣的接觸面積對白糖冷卻是非常有利的。如何增加白糖固體顆粒與冷卻空氣的接觸面積需從以下幾個(gè)方面考慮。第一，白糖顆粒越大、均勻，顆粒間的空隙就越大，與冷卻風(fēng)接觸面積就越大；第二，糖層厚度越薄，顆粒在振動篩跳躍前進(jìn)，易分散，與冷卻風(fēng)接觸面積就越大；第三，振篩槽身越深，階梯式分層段越多或因高位差落糖口多，固體顆粒與冷卻風(fēng)接觸面積就越大。

因此，通過以下幾個(gè)措施來增加白糖與冷卻空氣的冷卻面積，一是控制白糖的顆粒度，工藝條件允許顆粒越大越均勻越好；二是均勻篩糖，控制糖層厚度；三是在單列振篩增加“階梯式”落糖口，同時(shí)在落糖口加強(qiáng)風(fēng)量；四是如果條件允許在振篩面上增加“倒鱗”片，使白糖顆粒經(jīng)過“倒鱗”片時(shí)更加分散。

3 小結(jié)

砂糖干燥和冷卻的首要技術(shù)問題是工藝性的，設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用都要以工藝為前提。在化工原理和干燥方面的書籍中也首先討論工藝方面的問題。如果只注重設(shè)備方面，工藝問題處理不好，較難取得良好結(jié)果，尤其大部分糖廠在不增加較大資金投入情況下，對現(xiàn)有的設(shè)備、管道等從工藝上再進(jìn)行優(yōu)化，還是有潛力可挖的。