造纸法再造烟叶MVR蒸发系统节能技术研究

摘要  为降低造纸法再造烟叶机械蒸汽再压缩（MVR）蒸发浓缩系统蒸汽消耗量，通过提高MVR压缩机功率来提高蒸发系统内温度，分析了蒸发系统内真空度和蒸发温度对系统蒸发量的影响，研究MVR压缩机功率对蒸汽消耗量的影响。结果表明，在设定的真空度和温度范围内，真空度和蒸发温度对系统蒸发量的影响达到极显著水平，降低系统内真空度和提高蒸发温度均可以提高单位时间内系统的蒸发量;通过将MVR压缩机功率由120 kW提高至151 kW，二次蒸汽温差由0.6 ℃升至1.6 ℃，蒸汽消耗量由267 kg/h降至0 kg/h，压缩机功率增加较使用蒸汽更具有经济性，可以降低蒸汽消耗量，年节约标煤160 t，节能效果显著。

关键词 造纸法再造烟叶;蒸发温度;压缩机功率;节能

中图分类号 TS 452  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）01-0217-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.01.059

Study on Energy Saving Technology of MVR Evaporation Process for Reconstituted Tobacco Leaves by Paper-making Method

SU Yao1， GAO Jun2， SU Man2

（1.Bengbu Cigarette Factory of Anhui China Tobacco Industrial Co.，Ltd.， Bengbu，Anhui  233000; 2.Anhui Reconstituted Tobacco Leaves Technology Limited Liability Company， Bengbu， Anhui  233000）

Abstract In order to reduce the consumption of raw stream in the mechanical vapor recompression （MVR） evaporation and concentration system of reconstituted tobacco leaves  by paper-making method， MVR compressor power was increased so as to increase the temperature in the evaporation system. The effects of vacuum and evaporation temperature in the evaporation system on the evaporation capacity of the system were analyzed， and the influences of MVR compressor power on the  consumption of raw steam were studied online. The results showed that the influences of vacuum and evaporation temperature on the evaporation capacity of the system reached extremely significant level in the range of set vacuum and evaporation temperature. The evaporation capacity of the system per unit time could be increased by decreasing the vacuum and increasing the evaporation temperature. The power of MVR compressor was increased from 120 kW to 151 kW online， the temperature difference of the secondary steam was increased from 0.6 ℃ to 1.6 ℃， and the steam consumption was decreased from 267 kg/h to 0 kg/h. It was more economical than the use of steam to increase the compressor power， and the steam consumption could be decreased. The standard coal could be saved 160 tons each year， the energy saving effect was  remarkable.

Key words Reconstituted tobacco leaves by paper-making;Evaporation temperature;Compressor power;Energy-saving

作者简介 苏瑶（1979—），女，安徽东至人，工程师，从事烟草类原料、加工、设备等方面的研究。

收稿日期 2021-05-17

机械蒸汽再压缩（MVR）技术是利用少量的电能将系统内产生的二次蒸汽升温升压反复利用，具有节能减排、工艺简单等特点，已被广泛应用于化工（生产氧化铝、造纸、回收二氧化硫生产硫氨）、制盐、食品（饮料、淀粉、乳制品、糖）、环保（工业废水处理）、制药和海水淡化等领域[1-6]。顾承真等[7]研究表明，MVR风机的频率影响系统的蒸发量和风机的功耗，在MVR风机额定范围内增大风机频率，单位能耗蒸发量增加;汤添钧等[8]研究表明，蒸发压力恒定时系统内蒸发量、能效系数和单位耗电量均随MVR风机频率的增加而增加;鞠婉兰[9]研究表明传热温差对压缩机的工作工况以及性能有着重要影响，传热温差从5 ℃增至10 ℃时，系统蒸发量增加了1倍。

在造纸法再造烟叶传统蒸发工艺中，产生的二次蒸汽直接冷凝或排放大气，其潜热浪费严重，造成能源的极大损失。近年来，MVR蒸发技术在造纸法再造烟叶蒸发工艺中逐步得到应用[10]。生产中，萃取液经过换热器升温，进入一效效体，蒸发得到汽液混合物。混合物在汽液分离室产生二次蒸汽，进入MVR压缩机进行压缩。压缩后的二次蒸汽温度升高，热焓增大，作为高品位的蒸汽进入蒸发器的壳程冷凝，释放出潜热后排出蒸发室。同时，管程内的萃取液吸收壳程中蒸汽热量，汽化并产生二次蒸汽，进入上述循环过程。目前，对造纸法再造烟叶MVR蒸发系统的节能技术研究较少，MVR蒸发技术对蒸汽消耗量的影响尚未见报道。笔者对影响再造烟叶MVR蒸发系统蒸发量的主要控制参数进行了研究，并在线考察了MVR压缩机功率对蒸汽消耗量的影响，旨在为在线过程控制提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料和设备

1.1.1 材料。造纸法再造烟叶萃取液由安徽中烟再造烟叶科技有限责任公司提供，物料可溶性固含量[11]为6.0%～7.0%。

1.1.2 设备。

DMA4500M+Abbemat300+Xsample 452密度折光联用仪（安东帕中国公司）;Rotavapor R-215旋转蒸发仪（瑞士BUCHI公司）;烟草萃取液蒸发器（宜兴市格兰特干燥浓缩设备有限公司）;Exvel MVR压缩机（瑞士Flkt Woods公司）。

1.2 方法

1.2.1 离线参数检测方法。

称取在线生产的再造烟叶萃取液500 g，使用旋转蒸发仪对萃取液进行蒸发浓缩，通过旋转蒸发仪的控制面板来实现蒸发温度、真空度参数设置和控制。

1.2.1.1 真空度对蒸发量的影响。

设定蒸发温度60 ℃、旋转蒸发仪转速120 r/min、蒸发时间为1 h，记录不同真空度条件下蒸发后的剩余物料体积，得到萃取液蒸发量。

1.2.1.2 蒸发温度对蒸发量的影响。

设定蒸发真空度11 kPa、旋转蒸发仪转速120 r/min、蒸发时间为1 h，记录不同温度条件下蒸发后的剩余物料体积，得到萃取液蒸发量。

1.2.1.3 数据统计与分析方法。

试验设3个平行，计算平均值。方差分析采用单因素方差分析F检验，分析蒸发参数（真空度、蒸发温度）对系统蒸发量的影响。

1.2.2 在线参数检测方法。

进料温度和压缩机进出口温度分别使用热电阻仪表实时监测;系统真空度、压缩机进出口真空度使用压力变送器和真空管路上破空阀进行真空度控制;蒸汽流量使用涡街流量计与电动调节阀进行控制;浓缩液密度使用质量流量计进行实时反馈，并通过蒸汽调节阀开度控制浓缩液浓度。MVR蒸发系统的工作原理如图1所示。

在线测试条件设定如下：

测试过程中，保持进料浓度（6.5±0.2）%、进料温度（53±1）℃、进料量（13.0±0.2）m3/h、蒸汽压力（400±10）kPa、冷却水温度（23±1）℃、系统真空度（12.0±0.2）kPa、出料密度（1.20±0.01）g/cm3;蒸发器用清水进行水洗后排空，按照操作规程运行蒸发系统，设定MVR压缩机转速2 600 r/min，通过蒸汽加热使蒸发器出口密度达到设定值（1.20 g/cm3），稳定运行1 h后，每小时记录蒸汽消耗量、MVR压缩机进出口温度、MVR进出口压力值，共记录8 h，得到2 600 r/min转速下平均蒸汽消耗量、MVR压缩机进出口温度、MVR进出口压力值、压缩机功率;运行8 h后对蒸发器水洗2 h，水洗完成后按照操作规程运行蒸发系统，逐渐提高转速（2 700、2 800、2 900、3 000、3 100 r/min），分别记录蒸发系统各参数运行值。

2 结果与分析

2.1 蒸发参数对蒸发量的影响

为了考察蒸发参数对蒸发量的影响，进行了单因素方差分析，结果显示不同真空度和蒸发温度对蒸发量的影响达到极显著水平（P值均小于0.001）。

在设定的真空度范围内，真空度与蒸发量呈线性相关（图2），随着系统内真空度的降低，溶液沸点降低，单位时间蒸发量增大，真空度由14 kPa降至9 kPa，单位时间内蒸发水量由160.53 g提升至405.62 g，单位时间内蒸发水量增加152.68%。理论上蒸发过程应在较高真空度下运行，但蒸发系统真空度受冷凝水温度及真空系统自身能力的限制，萃取液在蒸发过程中有溶解的气体释出，负压设备系统亦难免有少量空气吸入，为避免不凝性气体在冷凝器内积聚，需用真空泵持续将不凝性气体抽除，以保持设备运行所需的真空度。真空系统也消耗一定的设备费和动力费[12]。根据设备实际运行情况和经济性，设定真空度为（12±1）kPa。

在设定的蒸发温度范围内，蒸发温度与系统蒸发量呈线性相关（图3），随着蒸发温度的提高，蒸发系统内能量上升，系统蒸发量呈线性增大，蒸发温度由52 ℃提升至62 ℃，单位时间内蒸发水量由66.81 g提升至371.62 g，单位时间内蒸发水量增加456.23%。实际生产过程中，蒸发温度提升需要加大生蒸汽使用量或提高MVR压缩机做功，且烟草萃取液中含有易挥发性香味成分，较高的蒸发温度对成品再造烟叶的感官品质有较大影响[13]。生产过程中根据前后生产工序物料平衡，再造烟叶萃取液进料量比较固定，从节能角度考虑，在保证出料浓度的情况下应减少蒸汽使用量，提高MVR压缩机做功。

2.2 在线测试MVR压缩机性能和蒸汽消耗量

2.2.1 压缩机进出口温差与压缩比随压缩机转速的变化。

从图4可以看出，随着压缩机转速的提高，二次蒸汽在压缩机内被压缩、蒸汽温度升高，压缩机进出口温差升高，压缩机进出口温差由0.5 ℃升至1.6 ℃。压缩机转速提升使单位时间内进入压缩机的二次蒸汽量增加，压缩机压缩比升高，压缩比由1.205升至1.269。通过压缩机转速增加使二次蒸汽温度升高，系统内能量处于上升过程。