烟道气CO2改良亚硫酸法甘蔗制糖澄清工艺的研究及应用

摘要

我国是世界上第三产糖大国，但制糖业却大而不强不优，以甘蔗制糖为主，生产方法主要有碳酸法和亚硫酸法，其中亚硫酸法占90％以上。碳酸法存在生产成本高、滤泥污染严重等问题，亚硫酸法存在白砂糖色值高，二氧化硫含量高，在酸性条件形成絮凝物及在贮存过程易返色等问题，减弱我国食糖国际竞争力。因此不断探索改进生产工艺，提高白砂糖质量，降低生产成本，是我国糖业迅速发展首要解决的热点难题。
　　本论文研究利用烟道气中的CO2改良传统亚硫酸法甘蔗制糖澄清工艺，结合碳酸法和亚硫酸法澄清的优点，提高澄清过程非糖份的去除率，在保持亚硫酸法滤泥综合利用特性前提下，提高澄清效果和白砂糖品质，同时减少制糖生产CO2排放，发展和完善了制糖工艺澄清理论体系，为绿色制糖工业的发展提供依据，对提高白砂糖国际市场竞争力，促进我国制糖清洁生产具有积极意义。主要研究内容与结果如下:
　　1.烟道气CO2饱充改良亚硫酸法甘蔗制糖澄清工艺机理研究，研究CaCO3、Ca3(PO4)2及CaSO3等沉淀对胶体吸附、共沉淀作用以及甲基橙色素的吸附特性，探讨烟道气CO2改良传统亚硫酸法蔗汁胶体、色素等非糖份除去机理。研究发现果胶、甲基橙在磷酸钙、碳酸钙、亚硫酸钙上的吸附等温线符合Langmuir模型，对果胶、甲基橙的吸附符合假一级动力学反应，磷酸钙对果胶的吸附能力最强，qm值达到了902.37mg/g;碳酸钙对甲基橙的吸附能力最强，qm值达到了43.23mg/g。磷酸钙、碳酸钙、亚硫酸钙对果胶的吸附速率顺序是亚硫酸钙＞磷酸钙＞碳酸钙，吸附方程分别为:ln(685.12-qt)=4.176-0.0633t;ln(548.67-qt)=6.307-0.0539t;ln(343.06-qt)=5.838-0.0716t。
　　对甲基橙吸附速率顺序是碳酸钙＞磷酸钙＞亚硫酸钙，吸附方程分别为:ln(11.99-qt)=2.484-0.0408t;ln(44.65-qt)=3.799-0.0535t;ln(14.20-qt)=2.653-0.0314t。
　　2.磷酸钙、碳酸钙、亚硫酸钙对果胶和甲基橙的吸附主要表现为吸热的物理吸附过程。碳酸钙和亚硫酸钙在生成过程中不仅吸附蔗汁中胶体，还破坏了胶体的稳定性，使得胶体与钙盐共同沉淀，形成了共沉淀物，从而提高了蔗汁胶体的去除率。
　　3.通过比较先碳后硫与先硫后碳两种方法的澄清效果及对后序工艺的影响，确定先碳后硫为烟道气CO2改良亚硫酸法甘蔗制糖澄清最佳工艺方法。
　　4.磷酸经化学改性后，可增强Ca3(PO4)2对蔗汁中胶体、色素吸附、共沉淀作用，澄清效率提高:清净效率提高0.5％，清混汁纯度差提高0.40AP，清汁色值下降15.4％。在预灰和一清汁分两次加入磷酸，能更好发挥所形成Ca3(PO4)2的除杂脱色作用，清净效率提高0.2个百分点，清混汁纯度差提高0.24AP，清汁色值下降10％。
　　5.通过单因素试验和正交试验来研究烟道气CO2改良亚硫酸法甘蔗制糖工艺条件，考察饱充温度、饱充pH值、饱充时间、烟道气CO2浓度、一次磷酸用量、二次磷酸用量、硫熏中和pH值、硫熏强度对澄清效果的影响，优化烟道气CO2改良亚硫酸法甘蔗制糖澄清新工艺的工艺条件。最优工艺条件为:饱充温度50℃，饱充pH11.0，饱充时间8min，CO2浓度22％，中和pH值7.0，一次加磷量50mg/kg，二次加磷量150mg/kg，硫熏强度1.2g/L。
　　6.对烟道气CO2改良亚硫酸法制糖澄清新工艺进行实际工业应用，自主研发硫熏中和强化反应器，并采用FLU软件进行优化，设计了高效的表面散气及深层散气相结合的散气箱，并进行生产应用，强化澄清效率。结果表明，清混汁纯度差从0.66AP提高到2.02AP，脱色率提高了18.06％，产糖率提高0.1％，白砂糖色值下降16％,白砂糖一级品率提高22.78％,一级A、B品率提高了46.95％，具有良好的经济效益和明显的环境效益。
　　7.为改善工业应用的稳定性及适应性，进行了改进烟道气CO2吸收工艺的研究，通过使用石灰乳完成烟道气CO2吸收，然后对其进行活化处理，并将活化液用于蔗汁澄清，通过试验室正交试验和工厂生产试验，研究活化液应用蔗汁澄清的最佳工艺条件及实际应用效果。最佳工艺条件是:活化液用量0.4％(CaO％C，)，二次加灰pH8.5，硫熏强度1.4g/L;工业应用结果为:一级A、B品率达到100％，其中一级A品率为92.94％，表明该改进CO2吸收技术可很好解决吸收率低及不稳定的问题，生产效果优于直接饱充方式。
　　8.新工艺滤泥综合利用特性研究发现，新工艺滤泥有机质含量48％，pH7.7，总养分(N+P+K)3.8％,CaO含量10.6％,含量均符合我国有机肥料的技术指标要求，可直接作肥料或生态有机肥原料，没有滤泥污染问题。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 世界糖业现状

1．2 中国糖业现状

1．2．1 制糖业在我国经济发展的重要地位

1．2．2 我国CO2排放现状与国家减排政策

1．2．3 我国甘蔗制糖传统澄清方法的不足

1．2．4 甘蔗制糖生产烟道气CO2排放污染问题

1．2．5 中国糖业发展面临的主要问题

1．3 国内外研究现状

1．3．1 碳酸法滤泥污染

1．3．2 亚硫酸法白砂糖质量问题

1．3．3 锅炉烟道气CO2排放

1．4 研究目的意义

1．5 主要研究内容

第二章 烟道气CO2改良亚硫酸法甘蔗制糖澄清工艺机理的研究

2．1 材料与方法

2．1．1 试剂

2．1．2 主要仪器设备

2．1．3 实验方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 碳酸钙、亚硫酸钙、磷酸钙表征

2．2．2 果胶、甲基橙的吸附平衡

2．2．3 吸附等温线

2．2．4 吸附动力学

2．2．5 吸附机理

2．2．6 蔗汁澄清共沉淀的探讨

2．3 本章小结

第三章 烟道气CO2改良亚硫酸法甘蔗制糖澄清工艺的研究

3．1 材料与方法

3．1．1 原料与试剂

3．1．2 主要仪器设备

3．1．3 试验方法

3．2 结果与分析

3．2．1 烟道气CO2改良亚硫酸法甘蔗制糖澄清工艺流程的设计

3．2．2 磷酸改性及其使用方式对澄清效果影响的研究

3．2．3 单因素试验的研究

3．2．4 饱充工艺的优化研究

3．2．5 烟道气CO2改良亚硫酸法甘蔗制糖澄清工艺的优化研究

3．2．6 优化试验结果

3．3 本章小结

第四章 烟道气CO2改良亚硫酸法甘蔗制糖工艺工业应用研究

4．1 生产技术路线

4．1．1 生产流程图

4．1．2 生产流程说明

4．2 关键技术设备与工艺指标

4．2．2 原有澄清系统设备强化及完善

4．2．3 生产工艺指标

4．3 应用效果

4．3．1 新工艺的澄清效果

4．3．2 新工艺对产糖率的影响

4．3．3 新工艺对白砂糖理化指标的影响

4．4 经济效益与环境效益

4．4．1 经济效益

4．4．2 环境效益

4．5 本章小结

4．6 尚存在主要技术问题

第五章 改进烟道气CO2吸收工艺的研究及应用

5．1 材料与方法

5．1．1 原料与试剂

5．1．2 主要仪器设备、

5．1．3 试验方法

5．2 结果与分析

5．2．2 改进CO2吸收方式的蔗汁澄清单因素试验结果

5．2．3 改进CO2吸收方式的蔗汁澄清工艺优化研究结果

5．2．4 改进CO2吸收方式的工厂生产试验结果

5．3 本章小结

第六章 烟道气CO2改良亚硫酸法新工艺滤泥综合利用特性的研究

6．1 材料与方法

6．1．1 原料与试剂

6．1．2 主要仪器设备

6．1．3 测定方法

6．2 结果与讨论

6．2．1 有机质含量

6．2．2 pH值

6．2．3 Ca含量

6．2．4 N、P及K等微量元素的含量

6．3 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间取得主要科研成果