精製糖漿脫色
［摘要］脫色和離交是澱粉糖生產過程中糖液凈化的關鍵工序，是生產高品質產品的基礎。本文介紹顆粒活性炭吸附和再生裝置在澱粉糖生產中的應用方法，配套後續的自動化離子交換系統，實現糖液的深度凈化，同時取得了提高產品品質和和降低成本的效果。
1前言
結晶葡萄糖生產技術已經相當成熟，但到目前為止還或多或少的存在產品濾速不穩定、濾膜白度過低、過程染菌造成微生物或者細菌內毒素超標的問題。解決這些問題的關鍵是結晶前對糖液的凈化，而果葡糖和麥芽糖等糖漿產品生產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澱粉糖生產中對糖液進行凈化最普遍和可靠的手段。澱粉經過液化糖化後得到的糖漿其葡萄糖含量雖然達到了要求，但其中還含有各種不利的雜質，如：大分子量色基化合物、蛋白質、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。這些雜質可利用活性炭的多孔結構特性吸附去除，在行業內被稱為“脫色”。
迄今為止，有兩類活性炭產品被廣泛用於澱粉水解糖漿的脫色處理，一種是粉狀炭，一般均採取一次性使用方式（即達到飽和後即拋棄或焚燒處理），另一種為顆粒活性炭，可多次再生後循環使用。
在國家大力倡導節能減排，發展循環經濟，打造綠色產業的形勢下，可多次再生並循環使用的、不產生二次污染物的顆粒活性炭脫色和再生技術的應用是行業的發展趨勢。實踐證明，很有品質和成本優勢。
1．顆粒活性炭吸附脫色裝置的設計及運行
1.1 設計參數的確定
一般均採取兩步法來確定吸附裝置的設計參數：首先 進行供選顆粒活性炭的“吸附等溫線”測定，從中選出一種或幾種對目標吸附質吸附能力高的樣品炭；然後對選出的炭樣進行中試吸附柱連續運行試驗，確定好的活性炭品種並獲取設計用的主要參數，同時對運行成本進行評估測算。
1.2 澱粉水解糖漿脫色用顆粒活性炭吸附器
由於澱粉水解糖漿是一種有粘度、含有一定濃度微細懸浮固體顆粒、偏酸性的液態流體，在吸附器設計時必須充分考慮床層阻力的變動，並同時兼顧飽和炭的再生要求以及後繼的糖漿處理裝置系統（如離子交換樹脂塔和壓濾機等）的運行負荷等問題。
設計良好的炭吸附脫色裝置應達到以下運行要求：
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設備投資少
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操作難度小
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流程連續化，無需頻繁進行原料切換操作
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全程自動化控制，裝置系統運行可靠性高
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占地面積小
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不產生廢棄物和二次污染，資源回收率高，符合環境保護和循環經濟要求
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清潔化生產
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運行成本盡可能低
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可降低後繼離子交換裝置系統的運行負荷，提高離交樹脂的使用壽命
設計製造的澱粉水解糖漿脫色專用顆粒活性炭吸附塔具有以下主要特點，並能滿足上述運行要求：
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採用移動床/脈動床型連續吸附技術設計方案；
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採用“上向流”設計，避免了糖漿流體在吸附器中出現“溝流”、“內壁快速重力流”等可引起“瞬時穿透”無效吸附現象的發生，並可同時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、吸附器產能和脫色效率受到影響；
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充分考慮了澱粉水解糖漿的流體學性質，在裝置系統中增加相應的對策性設計，消除了吸附器在裝填和卸出活性炭操作時常見的各種故障；
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設計了工藝水回收再用系統，有效降低了工藝水消耗，並減輕了廢水處理裝置的運行負荷。圖1是澱粉水解糖漿脫色用炭吸附器的現場安裝及運行實例圖片。
圖1：尚鼎爐業科技（揚州）有限公司承建的高果糖漿GAC脈動床脫色裝置實例照片
2. 脫色活性炭的現場再生處理及循環使用
活性炭吸附技術是一種習用的、具有成本效益優勢的技術方法，可以使許多產業達到排放法規的規定限值，同時還可滿足多種行業在產品提純處理方面的要求。隨著近年來新制活性炭產品價格的不斷上漲，採用再生炭來替代新制炭用於上述環保或提純工藝環節的新型“綠色”技術解決方案已引起相關產業部門的重視。
再生炭是指飽和吸附炭經過高溫再生處理之後重新獲得應用的活性炭。一般來說再生炭的採購價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營成本。另外，由於採用再生炭還可削減工業垃圾（廢棄活性炭類）的處理量，用戶無需再支付與廢炭類工業垃圾處理相關的費用，也進一步降低了用戶的運營成本。實際上再生炭回用技術已被視為可再生利用的資源和清潔化生產的有效措施，具有顯著的“綠色環保”優勢，是一種“環境友好”型實用技術方法。
2.1 顆粒活性炭的熱再生處理技術
活性炭的再生處理有熱再生和化學再生兩種技術類型，在工業生產中以熱再生技術方法最為常見。飽和炭的熱再生處理由以下三個連續的工藝過程組成：
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乾燥階段。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制蒸發
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焙燒階段。爐溫控制範圍為400∼600℃，活性炭微孔中吸附的有機物被蒸發和/或被炭化
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再賦活階段。爐溫控制於800∼1000℃，同時通入定量水蒸汽，前述因炭化而留存於活性炭微孔中的無序狀碳優先與水蒸汽發生水煤氣反應，從而使活性炭的孔隙得以清掃”而重新恢復吸附能力。
能滿足熱再生技術要求的裝置系統有兩種類型，一為回轉爐窯炭再生裝置系統，一為多段爐再生裝置系統。前者在運行過程中易發生“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）現象，使再生炭得率降低、性能及性狀發生“劣化”，故新建的活性炭再生工廠中已不常採用這種裝置型式，而代之以多段爐再生裝置系統。
2.2 飽和活性炭的多段爐再生處理裝置系統
2.2.1 多段爐裝置的結構、運行特點及應用範圍
多段爐又稱多膛爐（Multiple Hearth Furnace，即國內俗稱的“耙式爐”）。系由幾個直至十幾個在水平方向平行疊加的圓形爐床組成，全部爐床均採取自支撐方式固定於由普通鋼板捲制而成的圓筒形外殼內，外殼內襯有耐火材料。從爐子的頂端爐層接收給入的固體原料，固體物料由安裝於低轉速（0.5∼3rpm）中心軸攪拌臂（耙臂）上的攪拌齒（耙齒）由爐床上外側向內側（在下層爐床上則由內側向外側）逐級翻動、排入下一段爐床，並最終從底層爐床中排出。中心軸及耙臂、耙齒由專設的冷卻風機供風、強製冷卻。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產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構；每層爐床上的氣體則是以錯流、逆流等方式在折皺的薄層固體物料上流動並向固體物料的內錶面擴散，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構攪動以使固體不停地混合、攤開，並迫使其進入下層爐床繼續反應，直至達到設定的反應時間為止。
多段爐裝置系統一般由以下的核心單元組成：
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與多段爐直接相連的定量給料裝置，包括螺旋給料機、氣密性進料裝置等
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多段爐本體，包括：爐筒、耐火材質內襯層、耐火材質自支承式爐床結構及落料孔、尾氣引出管道（有耐火材料內襯層）、中軸、耙臂、耙齒及驅動裝置、燃燒機及燃氣（或燃油）和助燃空氣的供應及自控閥門-管道系統、工藝參數在線檢測用傳感器及儀器儀表系統、卸料及產品/產物強製冷卻裝置等。
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後燃燒室，包括：經過計算及精確設計的燃燒腔室結構、燃燒機及燃氣（或燃油）和助燃空氣的供應及自控閥門-管道系統、事故緊急排空自控系統、工藝參數在線檢測用傳感器及儀器儀表系統等。
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餘熱回收及煙氣污染物排放控制系統，包括：餘熱回收蒸汽鍋爐、煙氣洗滌凈化裝置等。
多段爐的主要應用領域為：工業和/或生活污泥的熱解/氣化或焚燒處理；活性炭製造過程中的炭化（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、白雲石等的焙燒、煅燒加工；生物質替代能源產品的焙燒加工等。
2.2.2 多段爐用於活性炭再生處理的優點
多段爐用於飽和炭再生時，具有以下幾方面無可比擬的優點：
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可對再生工藝參數進行嚴格控制，尤其在爐膛氣氛蒸汽比率和燃氣用量的控制方面更是如此
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可降低由氣化反應引起的炭損耗率，該項損失率一般在3%到5%範圍內，比其它類型的再生爐炭損失率（一般在5%到10%範圍內）要低得多
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可降低因機械磨耗導致的炭損失率
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單位產品的能耗較低，通常在2500到4500Btu/磅再生炭（5.81至10.46MJ/kg）範圍內
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固相活性炭與氣相活化劑的相接觸幾率高（反應速率快），故爐子的最小設計容量比率可允許降低到35%的水平，裝置系統更加緊湊
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結構簡單、堅固，使用壽命長，保養維修容易
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運轉操作簡單，最適合自動化，易於管理
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裝置系統占地面積小
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設計有後燃燒器、餘熱回收蒸汽鍋爐和煙氣洗滌器等尾氣處理技術系統，在生產再生活化劑（過熱蒸汽）的同時實現煙氣達標排放，富餘的過熱蒸汽（約為總蒸汽產量的2/3）還可供其它工業過程使用
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設有工藝水回收利用系統，水的回用率可達95%以上對負荷波動安定性好。
2.2.3 創鼎綠能製造的糖漿脫色炭再生用多段爐裝置系統的結構特點
經過一系列技術創新及工業化實踐，與主要的競爭對手相比，創鼎綠能公司製造的澱粉水解糖漿脫色活性炭再生用多段爐裝置系統形成了以下三方面的獨有技術：
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第一，全部採用異型耐火磚砌築爐床，使爐床結構的“自支承力”和“熱應力適應彈性”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生幾率。
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第二，將後燃燒室、餘熱回收裝置和煙氣凈化單元裝置做為多段爐裝置系統的標準配置單元，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，以達到用戶所在地區現行的、以及未來可能推行的日益嚴厲的環境保護法規的排放限值要求，使用戶避免了因環境問題而可能會受到的困擾。
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第三，多段爐裝置系統遠程式控制制操作界面已“漢化”，降低了對設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的可操作性和簡便性。
目前具備上述特點的糖漿脫色炭再生用多段爐裝置已被國內大型澱粉水解糖漿生產企業採納，並陸續投入了運行，且達到了預期的使用效果。圖3是國內某用戶企業安裝的尚鼎多段爐活性炭再生裝置現場照片，圖4是尚鼎爐業科技（揚州）有限公司採用的澱粉水解糖漿脫色炭吸附裝置及飽和炭再生裝置技術系統的一體化工藝流程示意圖。
圖3 尚鼎製造的糖漿脫色炭再生多段爐裝置系統現場安裝照片
圖4 澱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工藝流程示意圖
3．顆粒活性炭脫色和再生系統在澱粉糖生產中的應用實例
以國內某條年產45萬噸結晶葡萄糖生產的糖液凈化工序為例說明顆粒活性炭脫色和再生裝置的配套設計和運行情況：
3．1吸附柱的確定：
用顆粒活性炭脫色中試裝置測定轉鼓過濾後糖液脫色的等溫曲線，得到設計參數：以0.5BV的流量處理時，活性炭吸附飽和周期為40天左右。設計處理流量為170m3/小時，則
在線活性炭體積= 170÷0.5 = 340m3
加上一定的系數，確定的脫色體積為400 m3。為保證生產穩定，分成四個脈沖床脫色柱，每個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
設定一套年再生能力為1800噸的再生系統。
3．3 出料濾膜白度的解決：
系統實際運行後，每天的活性炭再生量只需4噸/天就可以達到脫色出料的色值小於10RBU的標準。但是脈沖床吸附柱由於在裝炭和卸炭的過程中活性炭產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後道工序——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，白度測定達不到40。採用密閉板式過濾機，每平方濾板預塗1公斤粉狀活性炭後過濾炭柱出料，可使物料的濾膜過濾白度達到70以上。該密閉板式按400L/m2,的過濾能力設計，多用一備，使用周期一般為一周。
3．4 運行效果和經濟效益對比
設備運行近一年以來，很好地完成即定指標，除完成脫色作用外，蛋白等其它雜質也被吸附去除，給後面的ISEP連續離交脫鹽系統的運行減少了負擔。由於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，結晶過程沒有發生染菌發酵現象，產品細菌內毒素指標菌在0.125EU/ml以內。
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。和傳統工藝比較，有明顯的成本優勢,以下是對比情況：
3.4.1 直接成本的對比
產能
用炭對比
國內某45萬噸結晶葡萄糖生產線
顆粒炭脫色工藝
粉炭脫色工藝
粉炭消耗（kg/噸糖）
顆粒炭消耗（kg/噸糖）
天然氣單耗（m³/噸糖）
崗位人員（人）
顆粒炭價格(元/噸）
天然氣價格(元/立方）
粉炭價格(元/噸）
人工成本（元/噸）
噸糖脫色成本（元/噸糖）
年脫色成本（元/年）
0．1
0.15
0.5
6
31000
3
8000
0.5
7.45
3,352,500萬
3.5
０
０
18
8000
1.5
29.5
13.275 萬
年脫色成本差（元/年）
9,922,500萬
註：由於兩種工藝的電消耗和蒸汽消耗基本一樣，沒有列入此表對比。
3.4.2 潔凈生產、減少跑冒滴漏及廢碳夾帶糖損失
顆粒碳再生時，使用高溫的RO水通入密閉的脫糖罐進行“洗糖”操作，可回收有價值的糖液，密閉的設備杜絕了跑冒滴漏情況的發生，葡萄糖液損失極少。粉碳脫色採用板框壓濾方式不可避免的存在跑冒滴漏現象，泄漏及廢碳夾帶走的糖分影響主產品收率約0.2%~1%，按照降低0.2%收率、糖價格3500元/噸，年產45萬噸的產能，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 減輕離交負荷，降低酸鹼消耗，減少廢水處理費用
離交系統是進結晶機前的最後一道精製工序，碳脫色工序能穩定、均一的脫除有色物質等，能有效的減輕離交負荷；常規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。對比同等產量的板框脫色及常規上進式固定床離交組合方式，其排放COD量是採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（生產數據），噸廢水處理成本按照5元/噸。年產45萬噸的規模情況下，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
經過計算應用新工藝後比常規脫色及離子交換的生產成本可節約為：
992.25+315+450=1757.25萬元/年。這樣看來新上澱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組合配置是行業內的配置方式，符合循環經濟的倡導，關鍵能為業主帶來低成本、質量優良、均一的合格產品。
4. 結束語
隨著我國經濟實力及人民生活水平的提高，澱粉水解糖漿的生產量和消費量預計將在2020年躍居世界第一，達到1500萬噸/年規模。
活性炭吸附脫色技術是目前最成熟、最具成本效益優勢的澱粉水解糖漿脫色、去除糖漿異味和異嗅化合物、同時又能充分保留糖漿風味的精製處理技術。與習用的木質粉狀活性炭相比，煤基酸洗顆粒活性炭產品原料供應充足、可反復再生並循環使用、物理及化學性狀穩定，是符合澱粉糖漿產業特點及要求的、“環境友好”型脫色專用型活性炭品種，可實現糖漿生產企業清潔生產的運營目標。
採用“顆粒活性炭吸附脫色-飽和炭再生+自動化離交系統”來進行澱粉水解糖漿的脫色、精製是目前較為流行、運行成本低、製品質量穩定的工藝技術路線。“上向流”設計的顆粒活性炭脈動床/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是目前可選的、性價比好的脫色設備組合方案。
參考文獻
（1）康德朗。澱粉水解糖漿的活性炭精製及多段爐活性炭精製及多段爐活性炭再生處理一體化裝置系統。發酵工業，2012年第3期。27～32頁。