甘肅河西大麥麥芽加工系統(tǒng)的能值分析——以中川麥芽廠為例

高曉陽(yáng)，劉榮堂，李紅嶺，馮 鑫，王澤京，張明艷，畢 陽(yáng)

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中－美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州730070）

近年來，甘肅河西走廊地區(qū)啤酒大麥種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，已成為農(nóng)戶增收和解決“三農(nóng)”問題的支柱產(chǎn)業(yè)，并成為國(guó)內(nèi)啤酒大麥和麥芽的最大產(chǎn)區(qū)之一。目前甘肅省啤酒麥芽生產(chǎn)加工企業(yè)較多，但規(guī)模小、能耗大，且品質(zhì)與進(jìn)口麥芽存在差距。因此，調(diào)查研究大麥生產(chǎn)現(xiàn)狀，研究麥芽加工企業(yè)生產(chǎn)工藝和干燥系統(tǒng)的能值分析模式，探尋麥芽干燥生產(chǎn)系統(tǒng)能值優(yōu)化機(jī)理等，對(duì)于麥芽干燥過程管理與監(jiān)控具有重要參考價(jià)值。

從生態(tài)學(xué)領(lǐng)域發(fā)展起來的能值理論和能值分析方法目前在工業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用還較少。筆者探索建立麥芽干燥工業(yè)系統(tǒng)的能值分析模型，優(yōu)選評(píng)價(jià)指數(shù)，并擴(kuò)展能值分析的應(yīng)用研究范圍。

1 河西大麥生產(chǎn)與麥芽加工

1.1 研究地概況

甘肅省啤酒大麥主要分布于河西地區(qū)的武威、張掖、酒泉、金昌和嘉峪關(guān)5市以及蘭州市的永登、景泰、皋蘭縣和白銀市等地，海拔1 100～2 500m，年日照時(shí)數(shù)2 660～3 660h，≥10℃的年活動(dòng)積溫為2 200～4 030℃，無霜期150～170d，年降水量200～3 219 mm，屬典型的溫帶大陸性氣候，干燥少雨，晝夜溫差大，有利于大麥光合同化率的提高、干物質(zhì)積累和品質(zhì)的改善，是國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)啤酒大麥最適宜的地區(qū)之一［1］。

1.2 河西大麥生產(chǎn)

大麥（Hordeum vulgare）在我國(guó)栽培廣泛，主要產(chǎn)區(qū)集中在長(zhǎng)江流域、和青藏高原。其中，甘肅河西走廊地區(qū)屬北方一年一熟春大麥區(qū)。適用于種植啤酒釀造的大麥為二棱或六棱大麥。

近年來，我國(guó)啤酒產(chǎn)量逐年增加，帶動(dòng)啤酒大麥業(yè)快速發(fā)展。2001年釀造啤酒所需大麥的80%還來自進(jìn)口，到2006年，國(guó)產(chǎn)大麥?zhǔn)褂帽壤黄?0%，2007年達(dá)到70%以上。

甘肅省啤酒大麥生產(chǎn)始于20世紀(jì)80年代，河西地區(qū)現(xiàn)已發(fā)展成為我國(guó)穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的百萬(wàn)公頃啤酒大麥生產(chǎn)基地之一。甘肅啤麥主栽品種－甘啤4號(hào)，麥芽加工業(yè)已成為甘肅省新的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)［2］。甘肅啤酒大麥年產(chǎn)量約90萬(wàn)t，約占國(guó)產(chǎn)啤酒大麥總產(chǎn)量的1/3，已形成了科研、生產(chǎn)、加工、經(jīng)營(yíng)銷售、貯藏、運(yùn)輸為一體的產(chǎn)業(yè)化基地。

1.3 麥芽干燥加工

1.3.1 麥芽加工與品質(zhì)的關(guān)系 麥芽其品質(zhì)分為麥芽外觀特征和理化性狀。麥芽品質(zhì)是決定啤酒質(zhì)量的主要因素，而影響麥芽品質(zhì)性狀的指標(biāo)因素首先是大麥品質(zhì)，如大麥品種、籽粒品質(zhì)、品種生長(zhǎng)環(huán)境及適應(yīng)性等因素［3－5］；其次是制麥工藝的影響［6］。

1.3.2 河西麥芽生產(chǎn)工藝與品質(zhì)關(guān)系 甘肅河西地區(qū)有30多家中小型麥芽加工企業(yè)，分布在酒泉、張掖、武威等地，年麥芽加工能力多為2～5萬(wàn)t。大麥麥芽加工多以熱風(fēng)型干燥工藝為主。

麥芽干燥質(zhì)量和成品品質(zhì)主要決定于制麥工藝、麥芽凋萎及焙焦溫度和含水率的準(zhǔn)確控制，而他們又與通風(fēng)和加熱量的關(guān)系密切，并且最終影響啤酒的品質(zhì)［7－11］。

1.3.3 麥芽干燥加工能值分析研究的意義 麥芽的品質(zhì)和質(zhì)量取決于制麥工藝控制，因此，對(duì)大麥麥芽干燥工藝研究較多，而采用生態(tài)能值分析技術(shù)進(jìn)行麥芽干燥系統(tǒng)研究報(bào)道很少。麥芽干燥是典型的多變量、大滯后和非線性熱工過程，麥芽的能耗約占其成本的20%，研究大麥干燥節(jié)能技術(shù)對(duì)于提高麥芽質(zhì)量，發(fā)展甘肅優(yōu)勢(shì)農(nóng)業(yè)特色產(chǎn)業(yè)，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益等具有積極意義。

2 能值分析的材料與方法

美國(guó)著名生態(tài)學(xué)家Odum創(chuàng)立的能值理論和能值分析方法廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展評(píng)價(jià)研究［12］領(lǐng)域。

2.1 干燥加工企業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

能值分析是將物質(zhì)、能量以及信息等形式存在的含能物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化為用太陽(yáng)能值表達(dá)的能量形式，將物質(zhì)或能量的形式轉(zhuǎn)化為太陽(yáng)能值的基本表達(dá)。

M＝τ×ε

式中：M 為太陽(yáng)能值（solar emergy joules，sej），τ為太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率，ε為可用能。

以中川麥芽廠為例，對(duì)2005年輸入中川麥芽廠干燥系統(tǒng)的環(huán)境資源、購(gòu)買能源及銷售產(chǎn)品等進(jìn)行能值及太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換計(jì)算，其能值分析指標(biāo)（表1）。

2.2 麥芽干燥加工能值分析技術(shù)方法

2.2.1 麥芽干燥能值分析方法 麥芽干燥系統(tǒng)的能值分析研究，包括能量系統(tǒng)模型圖和能值綜合圖的繪制、各種能值分析表的制定、能流量計(jì)算與能值計(jì)算評(píng)價(jià)、能值轉(zhuǎn)換率和各種能值指標(biāo)的計(jì)算分析、系統(tǒng)評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)［13－16］。

根據(jù)能值分析的研究方法，在干燥系統(tǒng)投入產(chǎn)出能值分析中，選取可更新資源投入（R）、不可更新資源投入（N）、不可更新工業(yè)輔助投入（F）、有機(jī)能投入（R1）、干燥產(chǎn)品產(chǎn)出（Y）5個(gè)主要部分構(gòu)建干燥系統(tǒng)能值投入分析表的主框架，選取麥芽干燥的能值產(chǎn)出（Y）為結(jié)構(gòu)編制干燥系統(tǒng)能值產(chǎn)出分析表，從而了解干燥系統(tǒng)各能流的流動(dòng)情況和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。僅以2005年麥芽干燥系統(tǒng)投入產(chǎn)出能值分析匯總（表1）作分析基準(zhǔn)和參考依據(jù)。

表1 甘肅中川麥芽廠2005年能值分析指標(biāo)Table 1 The energy indexes on Zhongchuan barley malt plant in 2005

2.2.2 構(gòu)建能值評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 從工業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)即員工－設(shè)備－產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，將麥芽干燥經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)劃分為4大表現(xiàn)層，分別為工業(yè)自然環(huán)境基礎(chǔ)水平、工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、工人生活水平和可持續(xù)發(fā)展性能。同時(shí)分別選擇了可更新資源能值比和環(huán)境負(fù)載率等反映工業(yè)自然環(huán)境基礎(chǔ)水平；用能值投入率、凈能值產(chǎn)出率、Y/T等反映工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平；用工人人均能值利用率、人均能值產(chǎn)出量和人均電力燃料能值量來反映企業(yè)生產(chǎn)水平；用可持續(xù)發(fā)展性能指標(biāo)來衡量麥芽干燥系統(tǒng)可持續(xù)力和潛力。干燥系統(tǒng)能值分析的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)（表2）［13］。

表2 干燥系統(tǒng)能值分析的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 2 Energy indice of barley malt drying system analysis

研究分別選用反映工業(yè)自然環(huán)境基礎(chǔ)水平的代表指標(biāo)－可更新能值比與環(huán)境負(fù)載率；反映工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平發(fā)的代表指標(biāo)－能值投入率和凈能值產(chǎn)出率；其余指標(biāo)見表3。這些能值指標(biāo)能較全面反映麥芽干燥系統(tǒng)各層面的發(fā)展水平。

表3 甘肅中川麥芽廠2005年能值指標(biāo)計(jì)算Table 3 Energy indices calculation on Zhongchuan barley malt plant in 2005

3 結(jié)果與分析

3.1 干燥系統(tǒng)的能流循環(huán)指數(shù)

能流循環(huán)指數(shù)（CREF）＝OEI/SEI，

式中：CREF為能流循環(huán)指數(shù)；OEI為有機(jī)能投入；SEI為人工輔助能投入。

由于干燥加工設(shè)備和電能等無機(jī)投能的迅速增加，2005年能流循環(huán)指數(shù)為0.305，有機(jī)能投入相對(duì)較低，說明該系統(tǒng)以無機(jī)投能為主，工業(yè)化程度高，自給能力、穩(wěn)定性、抗災(zāi)能力均較弱。應(yīng)增加以技術(shù)創(chuàng)新和人員培訓(xùn)為主的有機(jī)能的投入，把干燥設(shè)備和技術(shù)提升密切結(jié)合起來，保持企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。

3.2 干燥系統(tǒng)的能值輸入結(jié)構(gòu)

以2005年數(shù)據(jù)為例，麥芽干燥工業(yè)系統(tǒng)投入的能值總量為5.94×1018sej，其中，可更新環(huán)境資源、不可更新環(huán)境資源、不可更新工業(yè)輔助能及可更新有機(jī)能分別占系統(tǒng)輸入能值總量的5‰、60.44%、27.44%和12.04%。環(huán)境資源總投入占總能值投入的5‰。在環(huán)境資源總投入中，不可更新環(huán)境資源投入占其中的60.44%。由于技術(shù)條件和人為因素造成的熱能等不可更新資源的流失，限制了甘肅中川麥芽廠干燥經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的健康發(fā)展。

中川麥芽廠能值投入率（Emergy Investment Ratio，EIR）值2005年為0.653，總體處于較低水平。這表明中川麥芽廠麥芽干燥系統(tǒng)每單位無償環(huán)境資源只投入了較少的購(gòu)買能值，這一方面使干燥工業(yè)產(chǎn)品麥芽因較少的購(gòu)買能值而降低生產(chǎn)成本，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力；但另一方面利用外界各類“資源”程度不夠高，因此，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)能值投入率，對(duì)企業(yè)來說擴(kuò)大和充分利用外界環(huán)境資源、資金和服務(wù)便顯得尤為重要［17］。

在輔助能投入中，可更新的有機(jī)能占輔助能投入總量的12.04%。可更新有機(jī)能的充分利用，是支持系統(tǒng)可持續(xù)性發(fā)展的重要能量來源。投入甘肅中川麥芽廠干燥工業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的不可更新能和工業(yè)輔助能主要有化石燃料轉(zhuǎn)化的熱風(fēng)、設(shè)備投資、電能消耗等，其中化石燃料熱蒸汽占這兩種工業(yè)輔助能的68.77%。化石燃料產(chǎn)生工業(yè)源污染，并且也破壞大氣環(huán)境，造成大氣和水體污染等生態(tài)問題。

由此可見，在今后中川麥芽廠工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，需著力研究干燥技術(shù)，以可更新的清潔能源如風(fēng)電替代化石燃料，消除對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染，保證當(dāng)?shù)毓I(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。

3.3 干燥系統(tǒng)的能值產(chǎn)出

3.3.1能值產(chǎn)出率 能值產(chǎn)出率（Emergy yield ratio，EYR）用來說明工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)能值利用的效率。甘肅中川麥芽廠EYR 2005年為28.9，表明甘肅中川麥芽廠經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的能源利用效率較高，經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力明顯持續(xù)增強(qiáng)。

干燥系統(tǒng)的凈能值產(chǎn)出率遠(yuǎn)大于1，其生產(chǎn)過程產(chǎn)出的能值遠(yuǎn)大于投入的能值，表明系統(tǒng)向外界輸出的能值量較大，是資源輸出型的工業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)；投入的能值轉(zhuǎn)化率高，能值回報(bào)率高，干燥產(chǎn)品－麥芽具有較高的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，從而對(duì)經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)較大。因此麥芽工業(yè)干燥系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)一步拓展產(chǎn)品加工能力，可作為支持其他產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，是甘肅的優(yōu)先發(fā)展產(chǎn)業(yè)。

能值貨幣比值較低，表明麥芽生產(chǎn)工業(yè)化程度高，企業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高。能值盈余較大，也說明麥芽企業(yè)在獲取利潤(rùn)的同時(shí)，要注意與農(nóng)戶保持互惠互利，促使大麥農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，發(fā)展農(nóng)戶合作關(guān)系，關(guān)注企業(yè)發(fā)展的穩(wěn)定性。

3.3.2 環(huán)境負(fù)荷率 環(huán)境負(fù)荷率（Environmental load ratio，ELR）為2.62×106，表明2005年甘肅中川麥芽廠經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)其環(huán)境系統(tǒng)增加有壓力，可見甘肅中川麥芽廠經(jīng)濟(jì)發(fā)展還主要依靠輸入能值和不可更新資源的消耗，可更新資源的利用量較小，對(duì)可更新資源的開發(fā)和利用還處于較低水平，能值消費(fèi)和利用結(jié)構(gòu)層次較低［18，19］。

較大的環(huán)境負(fù)荷率表明在麥芽干燥工業(yè)系統(tǒng)中存在高強(qiáng)度的能值利用，同時(shí)對(duì)環(huán)境系統(tǒng)的壓力也較大。環(huán)境負(fù)荷率是對(duì)麥芽干燥工業(yè)系統(tǒng)的一種警示，若系統(tǒng)長(zhǎng)期處于較高的環(huán)境負(fù)荷率下，麥芽干燥工業(yè)系統(tǒng)將產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的行業(yè)功能退化或喪失。從能值分析角度來看，外界大量的能值輸入以及過度利用化石燃料等不可更新資源是引起麥芽干燥工業(yè)系統(tǒng)環(huán)境問題的主要原因。

4 結(jié)論

研究對(duì)麥芽加工系統(tǒng)能值進(jìn)行了分析，建立了相應(yīng)的評(píng)價(jià)指數(shù)和生態(tài)能值評(píng)價(jià)體系。通過對(duì)中川麥芽干燥系統(tǒng)的實(shí)際能值分析，結(jié)果表明，麥芽干燥加工系統(tǒng)的能值產(chǎn)出率較高，企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)性較強(qiáng)；能值輸入率逐年升高表明對(duì)購(gòu)買能值依賴性變強(qiáng)；環(huán)境負(fù)荷率較高，說明甘肅發(fā)展麥芽產(chǎn)業(yè)必須注重對(duì)可更新能源的利用，協(xié)調(diào)好經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系。

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