Оптимизация водоснабжения спиртзавода.

Оптимизация водоснабжения спиртзавода.

Введение

В последнее время все большее значение приобретают вопросы энергоэффективности промышленного производства. Наряду с экономией тепловой и электрической энергии, все более актуально выглядит максимальное снижение водопотребления производством. Здесь имеется несколько аспектов.

Во-первых, в соответствии с Водным кодексом [1] водопользование как из скважин, так и из поверхностных источников облагается налогом. Например, для бассейна Волги в ЦФО, налог составляет соответственно 360 и 288 руб. за 1000 м3 воды [2]. При этом устанавливаются лимиты пользования, в случае превышения которого налоговые ставки устанавливаются в пятикратном размере.

Во-вторых, в соответствии с Федеральным законом от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…» [3], субъекты Российской Федерации постоянно ужесточают требования программ в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности организаций, осуществляющих регулируемую деятельность в сфере холодного водоснабжения и (или) водоотведения. Это в первую очередь затрагивает многие спиртзаводы, обеспечивающие водоснабжение также и прилежащих населенных пунктов.

В третьих, постоянное повышение цен на такие энергоносители как природный газ и электроэнергия, заставляют искать все более экономичные варианты водоснабжения и водоотведения предприятия.

В данной статье приведен вариант экономичного водоснабжения спиртового производства, который можно реализовать как на вновь строящихся заводах, так и на действующих в рамках реконструкции или технического перевооружения.

Возможности градирни

В соответствии с [4] и [5] — «Расчет градирен согласно СНиП 2.04.02-84 надлежит выполнять исходя из среднесуточных температур атмосферного воздуха по сухому и влажному термометрам (или относительной влажности воздуха) по многолетним наблюдениям при обеспеченности 1-10% за летний период года (июнь, июль, август). Выбор обеспеченности необходимо производить в зависимости от категории водопотребителя по табл.6 [5], в которой все водопотребители условно разделены на три категории по уровню требований к температурам охлаждаемой воды.» Водоснабжение спиртового производства относится к первой категории, т.к. «Нарушение технологического процесса производства в целом и, как следствие, значительные убытки». Но это, опять же, относится к среднесуточным температурам. Согласно таблице 7 [5], а также [6], температура «мокрого» термометра (являющаяся основной исходной величиной для расчета градирни) практически для всей центральной зоны европейской части РФ составляет 19…21 оС, поэтому дальнейшие выкладки справедливы для большинства российских спиртзаводов, особенно исторических – построенных до 90-х годов ХХ века.

Как известно, наиболее интенсивные градирни (вентиляторные, эжекционные и др.) реально могут охлаждать оборотную воду до температуры на 4…6 градусов выше температуры «мокрого» термометра. Следовательно, расчетная температура оборотной воды после градирни должна быть порядка 24…26 оС.

Учитывая, что инерционность системы обычно составляет менее 10 минут (например, при расходе 200 м3/час, объем воды в системе редко когда превышает 20 м3), в жаркое время температура оборотной воды начинает превышать среднесуточную менее чем через полчаса после восхода солнца, и доходит зачастую до 30…35 оС.

Таким образом, даже при правильном расчете и подборе градирни, невозможно обеспечить температурные параметры технологического цикла в течении всех суток. Для центрально-черноземной части России, например, подобный период может достигать нескольких месяцев в жаркие годы.

Особенности спиртового производства

Особенностью технологического процесса производства этилового спирта из зернового сырья является необходимость охлаждения среды до определенной температуры. Проблемными местами с точки зрения охлаждения, являются следующие участки.

Охлаждение сусла до температуры складки.

Даже с учетом того, что практически все спиртзаводы перешли на термотолерантные дрожжи, температура брожения не должна превышать 33…35 оС. Перегрев влечет резкое увеличение образования многочисленных примесей, что снижает качество готовой продукции. Следовательно, на брожение нужно подавать сусло, охлажденным до этой температуры, а в дрожжанки — 30оС. В случае ведения дрожжей XII расы – не более 27…28 оС.

Проблемным для данного участка является подбор теплообменника. Необходимая площадь теплообмена, как известно, обратно пропорциональна среднелогарифмическому тепловому напору: Fнеобх = Nтепл / (Кто * Dtlog) , где Nтепл – тепловая мощность, Кто – коэффициент теплообмена, Dtlog — среднелогарифмический тепловой напор).

Если, допустим, нужно охлаждать сусло от температуры осахаривания (около 60оС) до 30 оС оборотной водой 26 оС, то среднелогарифмический тепловой напор будет в районе 12оС.

А если температура оборотной воды увеличится до 29оС, то Dtlog будет уже равен 6,5оС, что равносильно увеличению необходимой площади теплообмена на 85% (предполагается, что расход воды не более 3…4 кратного расхода сусла).

Если же температура оборотной воды превысит 30 оС, то охладить сусло до заданных 30оС принципиально невозможно.

Охлаждение бродящего сусла.

Во время спиртового брожения согласно суммарному уравнению Гей-Люссака выделяется тепловая энергия [8, с.19] :

C6H12O6 => 2 C2H5(OH) + 2 CO2 + 118 кДж.

Но поскольку наиболее распространенный периодический процесс брожения является нестационарным, необходимо учитывать пиковое выделение тепла при головном брожении. Наиболее распространено определение, что при головном брожении в чане процент концентрации сухих веществ снижается на единицу за каждый час и при такой скорости сбраживание 1 кг сахаров в пересчете на мальтозу дает 171 Вт тепловой мощности [8, с.154]. Например, мощность тепловыделения бродильного чана объемом 100 м3, характерного для спиртового производства 2000 дал/сут, составляет порядка 145 кВт (часть тепла рассеивается в цеху и отводится с газами брожения) . При большом количестве бродильных чанов тепловыделение сглаживается по времени, но если чанов 5…6, пиковые нагрузки необходимо учитывать.

Раньше для охлаждения бродящего сусла в дрожжанках и чанах использовались встроенные змеевики, а также рубашки. Но эти решения работоспособны только для малых объемов аппаратов (до 100 м3) и только если в них подавать достаточно холодную воду (обычно из скважины, температурой 12…15 оС). В настоящее время каждый бродильный чан оснащают циркуляционным контуром: пластинчатый или спиральный теплообменник + насос с часовой подачей 30…50% объема аппарата. Если учесть, что температура брожения не должна превышать 34…35оС, то для оборотной воды 26оС температурный напор составит всего 3…4оС что выливается в колоссальную площадь теплообмена, а следовательно, габариты, массу, стоимость. Например, для бродильного чана объемом 200 м3 потребуется ширококанальный теплообменник площадью порядка 60 м2 (и это без запаса).

В заключение можно добавить, что если температура оборотной воды превышает 30…32 оС, то охлаждать ею бродящее сусло не имеет смысла.

Охлаждение товарного спирта и спиртопродуктов

До повсеместного внедрения ЕГАИС, спиртоизмеряющие аппраты объемного типа строго диктовали температуру спирта на входе аппарат 20оС, т.к. только при 20оС они имели минимальную погрешность. Кроме того, чем ниже температура спирта, тем меньше потери на испарение в спиртоприемном (сливном) отделении и в спиртохранилище. Поэтому исторически сложилось, что для охлаждения брагоректификационной установки (БРУ), используется наиболее холодная вода, обычно артезианская. Однако современная практика эксплуатации как зарубежных, так и отечественных установок, показывает, что вода с температурой менее 20оС необходима только для охлаждения спирта и головной фракции. На дефлегматоры и конденсаторы колонн вполне возможно подавать оборотную воду температурой 30оС и даже 35оС. При этом не требуется увеличение площади поверхности теплообменников даже для установок советских времен. Само собой напрашивается решение – перевести дефлегматоры и конденсаторы БРУ на охлаждение оборотной водой, тем более, что это составляет до 98% всего теплового сброса БРУ.

Таким образом, в спиртовом производстве имеется только три процесса, требующих для охлаждения воду с температурой, которую не всегда могут обеспечить градирни:

  • охлаждение сусла до температуры складки;
  • охлаждение бродящего сусла;
  • охлаждение товарного спирта и спиртопродуктов.

С другой стороны, практически всегда для производства используется артезианская вода, имеющая температуру даже в самые жаркие месяцы не более 12…15 оС (идет на замес, хоз.-бытовое водоснабжение и др. нужды).

Вывод напрашивается сам собой – использовать «холодильный потенциал» артезианской воды перед дальнейшим ее использованием.

Для иллюстрации вышесказанного приведены две укрупненные схемы водоснабжения спиртового производства. На рис.1 представлена схема, типичная для старых заводов. На рис.2 – схема водоснабжения, оптимизированная в плане минимизации водозабора и сброса «условно чистых стоков».

Типичная схема водоснабжения старых спиртовых заводов (рис.1).

Часть исходной артезианской воды подается в брагоректификационную установку, последовательно проходит через холодильники спирта и спиртопродуктов и поступает в напорный бак. Далее проходя через дефлегматоры, вода нагревается до 60…70 оС и направляется на приготовление замеса и др. нужды. Излишек идет на сброс. Другая часть артезианской воды подается в отделение водоподготовки, где она доводится до необходимых кондиций потребителей – хозяйственно-бытового водопровода, котельной (умягченная вода), подпитка градирней (обессоленная вода). И, наконец, часть артезианской воды подается в теплообменник расхолодки сусла и змеевики и рубашки бродильных чанов.

На многих заводах отсутствует водооборотная система, а в теплообменники подается прудовая или речная вода, после чего она сбрасывается обратно в водоем. Обычно производится т.н. «подмес» артезианской воды в охлаждающую воду, если она недостаточно холодная. Надо отметить, что в оборотную систему добавлять жесткую артезианскую воду крайне нежелательно. Естественно, подмешиваемая артезианская вода в итоге идет на сброс.

Оптимизированная схема водоснабжения спиртовых заводов (рис.2).

Вполне логичным решением является использование «холодного» потенциала артезианской воды перед тем, как она подается на водоподготовку. На схеме (рис.2) показаны отборы артезианской воды для окончательной расхолодки сусла (теплообменник можно исключить), для обхлаждения бродящего сусла в чанах и дрожжанках, а также холодильники спирта и спиртопродуктов в цеху брагоректификации. При этом после прохождения указанных теплообменников подогретая артезианская вода возвращается в исходный поток и идет на водоподготовку. Возврат может быть в проточный пожарный резервуар (как показано на схеме), либо в емкость исходной воды в отделении водоподготовки.

Кроме того, сбалансированным решением является охлаждение сусла после процесса осахаривания водой, идущей на замес. Массовый расход сусла в среднем на 35% больше расхода воды (в зависимости от гидромодуля замеса), но теплоемкость сусла меньше. Из теплового баланса следует, что воду можно подогреть на 32…33оС. (Надо отметить, что дальнейший нагрев воды в теплообменниках проблематичен, т.к. начинается интенсивное выпадение солей жесткости).

Сравнение типичной и оптимальной схем водоснабжения

В таблице приведены расчетные данные для спиртового производства:

  • производительность по спирту — 3000 дал/сут;
  • процесс осахаривания при атмосферном давлении;
  • атмосферная брагоректификационная установка (БРУ);
  • упаривание барды в вакуум-выпарной установке (ВВУ);
  • температура охлаждающей воды на входе +20оС

Из таблицы хорошо видно, что объемы водозабора на охлаждения, а также сбросы для типичной и оптимальной схем водоснабжения отличаются в десятки раз. В соответствии с ними существенно различны и величины сбросов в коммунальные канализационные системы.

Естественно, внедрение экономичной водооборотной системы на основе градирни требует начальных капитальных затрат на оборудование и строительно-монтажные работы. Существенно возрастут и эксплуатационные расходы. Поэтому, особое внимание как при новом строительстве, так и при реконструкции существующего производства, необходимо обращать на комплексный подход.

НаименованиеТипичная схема   Оптимальная схема   
Плата за сброс сточных вод в коммунальные канализационные системы (принято 8 руб/м3)1 163 520р.40320р.
Тип воды Водозабор, м3/часСброс, м3/часТип водыВодозабор, м3/часСброс, м3/час
Охлаждение сусла до температуры осахариванияРечная вода2525Оборотная1*1*
Охлаждение сусла до температуры складки Речная (или артез.вода)2525Артез. вода0**0**
Охлаждение чанов и дрожжанокРечная (или артез.вода)7070Артез. вода0**0**
Охлаждение БРУАртез. вода 76Используется в технологииОборотная
3*3*
Охлаждение ВВУ (упаривание барды) Речная вода
8282Оборотная
3*3*
Итого, забор артезианской воды, м3/час
767
Итого, забор речной воды, м3/час
2020
Итого, сброс , м3/час
2027
Налог на водозабор из подземных источников, руб. в месяц (центральный район, бассейн Волги)19 699р.1 814р.
Налог на водозабор из поверхностных источников, руб. в месяц (центральный район, бассейн Волги)41 887р.0р.

Примечания.

* Расходы водозабора на подпиточную воду градирни и соответствующие сбросы от водоподготовки и продувки градирни.
** Вода полностью используется в технологическом процессе.

Источники

  1. Водный кодекс Российской Федерации от 3 июня 2006 г. N 74-ФЗ.
  2. Налоговый кодекс Российской Федерации часть первая от 31 июля 1998 г. N 146-ФЗ и часть вторая от 5 августа 2000 г. N 117-ФЗ.
  3. Федеральный закон от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
  4. СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения».
  5. Пособие по проектированию градирен (к СНиП 2.04.02-84).
  6. СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».
  7. «Технология спирта и спиртопродуктов». Под ред. В.В.Ильинича. М., ВО «Агропромиздат», 1987.
    Попов В., Кретов И., Стабников В. и др. Технологическое оборудование предприятий бродильной промышленности. М. Легкая и пищевая промышленность. 1983г.

Введите слово поиска