Использование MVR (механической рекомпрессии пара) при переработке сахара

Потребление энергии составляет значительную часть производственных затрат в сахарной промышленности. В частности, количество пара, используемого в процессах испарения, напрямую влияет на общую энергоэффективность установки.

Технология механической рекомпрессии пара (MVR) — это передовое решение, которое помогает снизить потребление энергии и повысить эффективность процесса за счет возможности повторного использования технологического пара на этапах испарения.

В данной статье рассматриваются области применения систем MVR в переработке сахара, их роль в процессе испарения, их энергосберегающий потенциал и технические критерии, которые необходимо учитывать при внедрении.

От сахарной свеклы до кристаллического сахара: производственный процесс и потребность в паре

Эта статья может вас заинтересовать. Применение MVR в переработке сахара, молочных продуктов, соли и этанола

Чтобы полностью понять значение технологии MVR в переработке сахара, необходимо сначала изучить высокоэнергоемкие этапы производственного процесса.

Процесс производства сахара состоит из очистки и нарезки собранной свеклы, экстракции сахаросодержащего сока (сырого сока) путем диффузии, его очистки на стадиях известкования и карбонизации и, наконец, концентрирования путем выпаривания при подготовке к процессу кристаллизации.

В рамках этого рабочего процесса испарительная станция является одной из наиболее энергоемких секций. Для увеличения концентрации жидкого сока, полученного после очистки, примерно с 14–16 Брикс до уровней 65–70 Брикс, необходимых для кристаллизации, необходимо выпарить значительное количество воды.

Поскольку фазовый переход воды из жидкости в пар требует огромного количества скрытого тепла, процесс испарения играет решающую роль в общем потреблении пара установкой.

Почему стоимость пара является критическим фактором для сахарных заводов?

На обычных сахарных заводах тепловая энергия, необходимая для испарения, обычно подается паровыми котлами, работающими на природном газе, угле или других видах топлива.

Такая ситуация оказывает существенное давление на эксплуатационные расходы, особенно в периоды высоких цен на энергоносители:

• Высокие эксплуатационные расходы (OPEX): Расход топлива на выработку пара является основным компонентом затрат на производство сахара.
• Необходимость энергоэффективности: Сокращение потребления пара или повторное использование имеющейся энергии является важнейшим фактором, повышающим конкурентоспособность завода.
• Использование вторичного пара: повторное использование вторичного пара, образующегося при испарении, в качестве технологической энергии вместо его прямой конденсации обеспечивает значительный потенциал рекуперации энергии.

Именно здесь в игру вступает технология механической рекомпрессии пара (MVR). Система механически сжимает вторичный пар низкого давления, образующийся при испарении, повышая его температуру и давление, что позволяет повторно использовать пар в качестве теплоносителя.

Что такое испаритель MVR в производстве сахара и как он работает?

В переработке сахара принцип работы технологии MVR (механической рекомпрессии пара) аналогичен принципу работы системы теплового насоса. Его основная цель - механически повысить энергию вторичного пара низкого давления, образующегося во время испарения, тем самым обеспечивая его повторное использование в качестве технологического тепла.

Энергия пара, которая в противном случае была бы потеряна в результате конденсации в обычных системах, восстанавливается и возвращается в процесс испарения с помощью технологии MVR. В результате потребность в остром паре сводится к минимуму, а общая энергоэффективность установки повышается.

Принцип работы системы MVR

Процесс эксплуатации системы MVR по сути происходит в четыре этапа:

1.Генерация вторичного пара

Сахарный сироп внутри испарителя снабжается тепловой энергией, что приводит к испарению содержащейся в нем воды. Образующийся пар называется “вторичным паром.” Обычно температура этого пара недостаточна для прямого повторного использования в процессе испарения.

2.Разделение и сжатие пара

На выходе из испарителя вторичный пар сначала направляется через сепаратор для удаления захваченных капель жидкости. Затем его сжимают с помощью воздуходувки MVR или парового компрессора.

3.Повышение давления и температуры

Воздуходувка MVR передает механическую энергию пару, тем самым повышая его давление. Наряду с этим повышением давления повышается и температура насыщения пара. Например, после сжатия первоначально низкотемпературный вторичный пар достигает более высокого температурного уровня, что делает его пригодным для повторного использования на нагревательной стороне испарителя.

4.Рекуперация тепла в процессе

Сжатый высокоэнергетический пар направляется в нагревательную секцию испарителя. Здесь он передает свое тепло сиропу, конденсируется в конденсат и затем выводится из системы.

Преимущество энергоэффективности технологии MVR

Основной причиной высокой энергоэффективности систем МВР является внутреннее повторное использование скрытого тепла, выделяющегося при испарении.

Хотя значительная часть энергии вторичного пара может быть потеряна в конденсаторах в обычных испарительных системах, технология MVR восстанавливает и делает эту энергию пригодной для повторного использования посредством механического сжатия.

Следовательно, потребление энергии в приложениях MVR в значительной степени смещается от тепловой энергии к электрической. Общая производительность системы варьируется в зависимости от перепада температуры пара, коэффициента давления, эффективности воздуходувки и параметров проектирования процесса.

Решения MVR для воздуходувок, разработанные компанией Efsan Makina, специально разработаны для повышения энергоэффективности в промышленных испарительных установках, требующих высокоэффективной рекуперации паров.

Сравнение технологий TVR и MVR

При модернизации испарительных систем или проектировании новых установок одним из важнейших инженерных решений является выбор технологии улавливания паров, которая будет использоваться.

Системы термической рекомпрессии пара (TVR) и механической рекомпрессии пара (MVR) — это две различные технологии, используемые для снижения потребления энергии в процессах испарения. Однако они демонстрируют существенные различия с точки зрения принципов работы, источников энергии и эксплуатационных расходов.

МВР против. Сравнение TVR

Ключевые соображения при выборе MVR против. ТВР

Системы TVR могут обеспечить преимущество низких капиталовложений в установки, оснащенные подходящей паровой инфраструктурой. Они могут быть эффективным решением, особенно в приложениях с существующей производительностью пара высокого давления.

С другой стороны, системы MVR используют электроэнергию для рекуперации и повторного использования вторичного пара в процессе. Следовательно, они обеспечивают значительные преимущества для предприятий, сталкивающихся с высокими затратами на электроэнергию, нацеленных на сокращение выбросов углерода и стремящихся оптимизировать долгосрочные эксплуатационные расходы.

При выборе технологии испарительной системы необходимо комплексно оценивать не только первоначальные капитальные затраты, но и цены на энергоносители, существующую паровую инфраструктуру, требования к мощности, часы работы и долгосрочные эксплуатационные расходы.

Потенциал модернизации MVR для повышения энергоэффективности

Модернизация существующих испарительных систем с использованием технологии MVR может обеспечить существенную экономию энергии в зависимости от технологических условий установки.

Компания Efsan Makina поставляет воздуходувные решения MVR для высокоэффективной переработки сахара, а также инженерные решения, специально разработанные для рекуперации энергии в других пароемких процессах.

Возврат инвестиций (ROI) MVR в кампании по переработке сахарной свеклы

Самой большой ловушкой для поставщиков промышленного оборудования является предоставление сахарным заводам стандартных расчетов рентабельности инвестиций, аналогичных тем, которые используются для нефтехимических или молочных предприятий, работающих круглый год (365 дней).

Основным ограничением для заводов по производству свекловичного сахара в Турции является ограничение ‘сезона кампании’. В зависимости от урожая свеклы завод обычно работает на полную мощность всего 90–120 дней (3–4 месяца) в году. Оставшуюся часть года объект проходит межсезонный капитальный ремонт.

Итак, как же высококапиталоемкие (с высокой капитализацией) инвестиции, такие как MVR, окупаются в столь короткие сроки?

• Разница в ценах на электроэнергию и топливо: основным фактором, определяющим период окупаемости инвестиций MVR, является разница между промышленной ставкой на электроэнергию за кВт·ч и стоимостью природного газа/угля, необходимого для выработки одной тонны пара. В текущих промышленных сценариях, когда цены на ископаемое топливо достигают пика, огромное преимущество MVR в OPEX более чем компенсирует короткую продолжительность кампании.
• Срок окупаемости: проект MVR оптимального размера обычно полностью окупается в течение 1,5–3 сезонов кампании (фактически 1,5–3 года) в зависимости от мощности и текущих затрат на выработку пара на станции.

Реальный полевой сценарий: вместо покупки нового парового котла (и, следовательно, расширения связанных с ним систем очистки воды) многие заводы, стремящиеся расширить мощности, предпочитают интегрировать компрессор MVR в первую стадию испарения. Поступая таким образом, они не только избегают капитальных затрат на новый котел, но и сокращают существующие счета за топливо на 60%.

Распространенные ошибки поля, возникающие на испарительных станциях

Технология MVR не является оборудованием ‘plug-and-play’; это комплексная интеграция процессов, которая изменяет весь термодинамический баланс установки.

• Неправильный выбор размера компрессора и риск ‘помпажа’: наиболее частой ошибкой на практике является выбор производительности компрессора исключительно на основе идеальных условий в начале кампании. По мере ухудшения качества свеклы к концу кампании вязкость и повышение температуры кипения (BPE) сока меняются. Если требуемое соотношение давлений рассчитано неправильно, компрессор попадает в область ‘помпажа’, возникает сильная вибрация и система отключается.
• Упуская из виду динамику образования накипи на поверхностях теплопередачи: по своей природе сахарный сок вызывает накопление солей кальция (накипи) внутри трубок испарителя. Системы MVR обычно работают с узким перепадом температур ($\Delta T$). Если коэффициент загрязнения не был точно включен в первоначальную конструкцию, теплопередача прекращается, как только трубки начинают масштабироваться, и целевое значение Брикса не может быть достигнуто.
• Отвод неконденсирующихся газов (НКГ) и управление вакуумом: если неконденсирующиеся газы —такие как воздух и аммиак—, присутствующие во вторичном паре, не отводятся эффективно перед поступлением в компрессор, эффективность нагнетания компрессора резко падает.

Контрольный список предварительной оценки завода для интеграции MVR

Прежде чем модернизировать существующую испарительную станцию с помощью MVR, вы можете оценить, готова ли инфраструктура вашего завода к этому переходу, используя следующие основные критерии:

• [ ] Электрическая инфраструктура: существует ли надежная и резервная трансформаторная/сетевая инфраструктура, способная выдерживать пусковой ток двигателя компрессора (который обычно имеет высокую номинальную мощность)?
• [ ] Повышение температуры кипения (BPE): находится ли повышение температуры кипения, которое зависит от концентрации испаряемого сиропа, в пределах, которые может преодолеть одноступенчатый компрессор MVR?
• [ ] Механическая целостность: достаточно ли механически прочны существующие испарительные сосуды (с точки зрения толщины стенок и усталости сварного шва), чтобы выдерживать новые условия вакуума и давления, создаваемые MVR?
• [ ] Предварительное технико-экономическое обоснование: была ли рассчитана разница между текущей “стоимостью природного газа за тонну пара” и “стоимостью 1 кВт·ч электроэнергии ”—которая окупит инвестиции—?

Распространенное отраслевое заблуждение против Реальность ‘Распространенный отраслевой миф’: “При переработке сахара система MVR работает на очень высоких скоростях и создает огромную нагрузку на процесс, что приводит к сжиганию сахарного сиропа (карамелизации) и ухудшению качества.”

Реальность: Совсем наоборот! В системах MVR разница температур ($\Delta T$) между греющим паром, подаваемым компрессором, и кипящей жидкостью намного мягче и более контролируема по сравнению с острым паром, подаваемым обычными паровыми котлами. Такой небольшой перепад температур предотвращает пригорание сиропа на поверхности трубок, тем самым сохраняя цвет сахара (значение ICUMSA) и фактически повышая качество конечного продукта.

Хотите ли вы получить индивидуальное технико-экономическое обоснование для вашего завода? Поделитесь данными о потреблении пара на вашем заводе за сезон кампании, и давайте вместе с инженерами Efsan рассчитаем наиболее подходящую мощность MVR и срок окупаемости вашей системы. >[Проконсультируйтесь с нашими инженерами / получите предложение и решение]

Сквозная интеграция MVR в сахарной промышленности с Efsan Engineering

Модернизация испарителей на сахарных заводах выходит далеко за рамки покупки стандартного ‘готового’ продукта; это сложные инженерные проекты, требующие перенастройки всего термодинамического баланса процесса. В Efsan мы выступаем не просто поставщиком оборудования, но и вашим настоящим партнером по решениям в таких проектах.

Анализируя существующие характеристики потребления пара на вашем предприятии, динамику сезона кампании и будущие целевые показатели мощности, мы проектируем полностью ‘индивидуальные’ системы исключительно для вашего предприятия.

Что отличает Efsan от проектов MVR?

• Подробный термодинамический анализ: создание наиболее оптимальной карты компрессора, точно адаптированной к повышению температуры кипения (BPE) и значениям вязкости вашего сахарного сока.
• Полная интеграция в существующие системы: применение стратегии ‘Booster MVR’ для интеграции компрессора в первый эффект без утилизации существующих испарительных сосудов, тем самым сводя капитальные затраты (CAPEX) к абсолютному минимуму.
• Проектирование с гарантией производительности: обеспечение прозрачного прединвестиционного моделирования чистой экономии пара и рентабельности инвестиций (периода окупаемости).

Благодаря нашему глубокому опыту в области технологического проектирования мы навсегда сократим счета вашего завода за пар, сохраняя при этом ваши производственные мощности, эксплуатационную безопасность и качество кристаллического сахара. Чтобы избавиться от зависимости от котельной и обсудить свой проект со специалистами, свяжитесь с Efsan сегодня.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)