白酒釀造水資源綜合利用研究

張 超，李錦松，張懷山，林遠康，陳 濤，傅其旭，唐永清

（瀘州老窖集團有限責任公司，四川 瀘州 646000）

我國水資源較匱乏、分布不均，長年的“低價水”使很多行業忽視了對水資源的保護和有效利用，造成水資源的嚴重污染和浪費[1-3]。為節約用水、減少排污，國家出臺大量關于水資源利用的法律法規，以法律來控制污染，最終保護水資源，保障水資源的可持續利用[4-5]。針對耗水、排污較大的白酒釀造行業，環保部要求到2017年，水重復利用率達到70%以上，到2020年，水重復利用率達到80%以上[6]。因此，如何降低白酒釀造行業的耗水量，實現水資源的綜合利用，成為一個廣為關注的技術問題[7-8]。本文從傳統水資源利用系統、涼水塔水資源利用系統、制冷設備水資源利用系統三個方面總結了白酒釀造水資源利用發展概況，分析比較三種系統的優缺點，進一步提出水資源綜合利用解決方案，為白酒釀造行業的節能減排提供參考。

1 白酒釀造水資源利用概況

傳統白酒釀造水資源經一次利用后大部分直接排放，耗水量及排污量均較大[9-10]。隨著白酒釀造行業技術進步，水資源利用系統不斷改進，為減少水資源的消耗以及排污，出現了涼水塔水資源利用系統，實現冷酒水的循環利用[11-14]。為穩定保證冷酒效果，進一步在涼水塔的基礎上進行了研究，引入大型制冷機組，實現對冷酒水溫度的有效降低和控制[15-16]。

1.1 傳統水資源利用系統

以小曲清香白酒釀造為例，年生產時間350 d，日生產時間16 h，年產小曲清香白酒2萬t，總用水量為1 009 t/d，總排污量為764 t/d，如圖1所示。由圖1可知，耗水量最大為蒸餾冷酒水，約14 t水/t酒（800 t/d），其他耗水為軟水裝置用水、泡糧用水、燜糧用水。耗能為加熱泡糧水、燜糧水至所需溫度，鍋爐產蒸汽。蒸餾后的高溫冷酒水（80℃）一部分用于泡糧、燜糧，一部分用于清潔用水，剩余400 t/d的高溫冷酒水直接排放，增加了大量的排污。

圖1 傳統水資源利用系統耗水量及排污量Fig.1 Water consumption and emissions of traditional water resources utilization system

1.2 涼水塔水資源利用系統

由圖1可知，冷酒水主要用于冷酒，不產生任何有害物質，不產生污染，冷酒后僅將水溫提高，這部分冷酒水完全可以降溫后重復循環利用[17-18]。涼水塔冷酒水利用工藝流程見圖2。為達到節約用水的目的，張延林等[19-21]在傳統水資源利用系統的基礎上進行了改進：利用涼水塔冷卻高溫冷酒水并補充一定的新水，實現了冷酒水的循環利用。

圖2 涼水塔冷酒水利用工藝流程圖Fig.2 Flow chart of cool water utilization process with cooling tower

1.3 大型制冷機組水資源利用系統

利用涼水塔冷卻高溫冷酒水后的極限水溫度為當地濕球溫度，由于濕球溫度與環境氣候有很大關系，不同地區的濕球溫度不一致，尤其是夏天，冷卻后的冷酒水水溫已達35℃左右，無法滿足大部分白酒企業使用冷酒水控制接酒溫度的生產工藝要求，只能通過大量補充新水來保證接酒溫度，從而造成水資源的浪費[22-24]。大型制冷機組冷酒水利用工藝流程如圖3所示。

圖3 大型制冷機組冷酒水利用工藝流程圖Fig.3 Flow chart of cool water utilization process with large refrigerating units

為進一步節約水資源，宋新南等[25-26]在涼水塔水資源利用系統的基礎上進行了進一步的改進：利用涼水塔對高溫冷酒水冷卻后再引入大型制冷機組，實現了對冷酒水溫度的有效降低和控制。

1.4 綜合分析

采用涼水塔冷卻冷酒水，實現了冷酒水的循環利用；在涼水塔的基礎上引入大型制冷機組，不僅實現冷酒水的循環利用，還能實現冷酒水溫度的有效降低和控制。但是采用大型制冷機組，其設備昂貴，電功率消耗較大，夏季釀酒冷酒水的降溫也因白酒釀造成本限制而無法采用[27-28]。并且，三種系統所采用的冷酒水均為自來水，自來水硬度高，含有大量的鈣鎂離子，造成大量水垢積累，直接影響換熱效率以及冷酒水的使用量，且冷酒器除垢清理勞動強度大，降低冷酒器的使用壽命[29]。此外，上述幾種系統僅考慮冷酒水循環利用，并未對冷酒水的熱能充分利用，從而造成能源的浪費。

為實現節能減排，本文提出一種新型水資源綜合利用系統。首先，采用軟水作為冷酒水，冷酒后的高溫軟水一部分降溫后循環利用，另一部分用于鍋爐產蒸汽；其次，冷酒器采用分段進水設計，一段通入低溫軟水，二段通入經封閉式涼水塔冷卻后的軟水，通過打開一段進水管并同時調節二段進水管內軟水的流量，來穩定保證接酒溫度，實現冷酒水循環利用；最后，利用中央控制系統對軟水系統、蒸餾系統、冷卻系統、熱水系統進行功能化控制。

2 新型水資源綜合利用系統

2.1 系統組成與功能

圖4 新型水資源綜合利用布局圖Fig.4 Layout chart of new water resources comprehensive utilization system

如圖4所示，整個白酒釀造水資源綜合利用系統由軟水系統、蒸餾系統、冷卻系統、熱水系統和中央控制系統組成，軟水系統、蒸餾系統、熱水系統、冷卻系統之間依次連接，并且冷卻系統與蒸餾系統之間連接，形成一個循環系統。中央控制系統用于對軟水系統、蒸餾系統、冷卻系統、熱水系統的功能化控制。

2.1.1 軟水系統

軟水系統包括軟水裝置、軟水箱和軟水泵，軟水箱上安裝有壓力變送器，當軟水箱中的水位低于壓力變送器設定值時，中央控制系統自動控制軟水裝置的啟停，向軟水箱內補充軟水，以滿足軟水需求。

2.1.2 蒸餾系統

蒸餾系統包括封閉式套管冷卻器、蒸餾甑、熱電偶。封閉式套管冷卻器采用一段進水與二段進水設計且出水管上安裝有熱電偶，可在線監測封閉式套管冷卻器出水溫度；中央控制系統通過熱電偶反饋的信號，自動打開一段進水管并調節二段進水管內軟水流量，以保證接酒溫度。

2.1.3 熱水系統

熱水系統包括熱水箱、鍋爐多級給水泵、臥式燃氣蒸汽鍋爐，熱水箱起緩存軟水的作用。熱水箱上安裝有壓力變送器，當熱水箱中的水位低于壓力變送器設定值時，軟水依次經軟水裝置出水管、二段水管、封閉式套管冷卻器、封閉式套管冷卻器出水管進入熱水箱，以補充熱水箱中的軟水。中央控制系統可自動控制鍋爐多級給水泵啟停，以滿足鍋爐用水。

2.1.4 冷卻系統

冷卻系統包括熱水泵、板式換熱器、熱水桶和封閉式涼水塔，高溫軟水通過板式換熱器、封閉式涼水塔進行，實現對高溫冷酒水降溫后循環利用，并節約能源。

2.1.5 中央控制系統

中央控制系統由計算機、可編程邏輯控制器、模擬量輸入輸出模塊、數字量輸入輸出模塊、通訊模塊、電源模塊、報警模塊、繼電器等組成。中央控制系統可根據軟水箱、熱水箱、熱水桶的液位信息控制相關進水管的開關，調節并補充軟水與自來水，根據熱電偶反饋信號調節二段進水流量并控制封閉式涼水塔的運轉，實現水資源的綜合利用。

2.2 系統工作原理

水資源綜合利用系統投入使用前，需先設置好壓力傳感器的啟動液位（簡稱高限）和終止液位（簡稱低限），設置完畢后，實現水資源的綜合利用可分為以下幾個個步驟：

步驟一：將糟醅加入蒸餾甑的同時，臥式燃氣蒸汽鍋爐加熱軟水，并向蒸餾甑中通入高溫蒸汽，蒸餾甑完成上甑后，將甑蓋加在蒸餾甑上，調小蒸汽通入量并繼續通入高溫蒸汽進行蒸餾產生酒蒸汽。

步驟二：開啟軟水系統，軟水由出水管進入封閉式套管冷卻器作為蒸餾的一段進水，經封閉式涼水塔后的軟水作為蒸餾的二段進水，一段進水一直保持進水，通過調節二段進水的大小以調節蒸餾出水溫度，從而保持合適的接酒溫度。

步驟三：軟水在封閉式套管冷卻器中溫度升高后，作為蒸餾出水進入熱水箱。

步驟四：熱水箱中的蒸餾出水一部分進入臥式燃氣蒸汽鍋爐被加熱產生高溫蒸汽，另一部分進入板式換熱器，板式熱交換器以自來水作為冷源，熱交換后的自來水溫度升高，儲存于熱水桶用于泡糧、燜糧。

步驟五：熱交換后的蒸餾冷酒水進入封閉式涼水塔被，后的蒸餾冷酒水作為蒸餾的二段進水進入封閉式套管冷卻器，然后用于酒蒸汽后溫度升高，進入熱水箱，依次實現循環。

2.3 軟水補充質量計算

釀酒過程中白酒的接酒溫度控制尤為重要。由于夏季封閉式涼水塔最低溫度為35℃，采用封閉式涼水塔，此時的接酒溫度為35～36℃，而冷酒工藝要求的接酒溫度為20～30℃，因此，還需補充少量低溫軟水（20℃）才能使35～36℃的白酒出酒降溫至20～30℃。此外，由于一段進水管不可調節，為避免熱水箱的軟水溢出，一段進水管軟水補充質量（通過軟水裝置補充）應小于鍋爐用水量（9 900 kg/h）。因此，一段進水管的軟水補充質量需詳細設計。根據酒降溫釋放熱量Q放與軟水升溫吸收熱量Q吸相等，可計算出軟水補充質量，軟水補充量計算公式如下：

式中：Q為吸收或釋放的熱量，J/h；c為比熱，水的比熱為4 200 J/（kg·℃）；m為質量，kg/h；Δt為溫度變化值，℃。

酒降溫釋放熱量Q放：由于酒精的比熱比水小，為穩定保證效果，在計算酒精釋放的熱量時，以最大釋放熱量來計算，即以水的比熱來計算，因此，c為4 200 J/（kg·℃）；年生產時間350 d，日生產時間16 h，年產小曲清香白酒2萬t，故m為3600kg/h；Δt為36℃的白酒降溫至20℃的溫度變化（即16℃）。根據式（1）即可得到釋放熱量Q放=4200J/（kg·℃）×3 600 kg/h×16℃=241 920 000 J/h。

軟水補充質量m：根據上述分析可知，Q吸=Q放=241 920 000 J/h；c為4 200 J/kg；Δt為20 ℃的軟水升溫至35℃的溫度變化（即15℃）。根據式（1），即可得到軟水補充質量m=241 920 000 J/h÷4 200 J/（kg·℃）÷15℃=3 840 kg/h。

2.4 新型水資源綜合利用系統耗水與排污

采用新型白酒釀造水資源綜合利用系統后，年產小曲清香酒2萬t，冷酒水全部循環利用，總用水量為689 t/d，排污量為384 t/d，耗水量及排污量如圖5所示。

圖5 新型水資源綜合利用耗水量及排污量Fig.5 Water consumption and emissions of new water resources comprehensive utilization system

3 綜合比較白酒釀造水資源利用效果的理論計算

上述內容對新型水資源綜合利用系統進行了詳細設計，為進一步分析其使用效果，需與另外三種系統進行對比分析。首先，根據白酒產量分別計算出四種水資源利用系統的水資源消耗量及排污量；其次，根據水電消耗、排污總量、設備投資計算出總消耗費用；最后，以新型水資源綜合利用消耗費用為基準，分別計算另外三種系統的節約費用，從而得出新型水資源綜合利用系統的理論使用效果，白酒釀造水資源利用使用效果理論計算值如表1所示。

表1 理論計算值Table 1 Theoretical calculating value

由表1可知，新型水資源綜合利用系統較三種系統均有優勢：與傳統水資源利用系統相比，可節水約12萬t/年，節約水費36萬元/年；減排約13萬t/年，減少排污費117萬元/年。由于軟水系統、封閉式涼水塔運行費用約為10萬元/年，因此，可降低生產成本約141萬元/年；與涼水塔水資源利用系統相比，冷酒器采用分段進水設計，避免不同溫度的軟水從同一進水口進入冷酒器，從而降低用水量，且便于調節接酒溫度，保證白酒質量；與大型制冷機組水資源利用系統相比，可節省設備投入，從而降低投資約300萬元。此外，采用大型制冷機組將800 t/d的36℃的冷酒水至20℃，需消耗電費140萬元/年，采用本文的系統，扣除軟水系統、封閉式涼水塔運行電費以及設備折舊后仍可節省費用160萬元/年。

本文的水資源綜合利用系統以軟水作為蒸餾用水，提高了用水質量，可減少設備維護成本約30萬元。并且由于冷酒水的循環利用（800 t/d），可實現水重復利用率達到70%以上（總循環量與總耗水量加循環量的比值，總循環量為1 489 t/d）。冷酒后的高溫水（159 t/d）用于鍋爐用水，避免將20℃的低溫軟水加熱至80℃，從而節約蒸汽16 t/d。同時避免將362 t/d的20℃泡糧水、燜糧水加熱至57℃，從而節約蒸汽22 t/d。蒸汽價格為200 t/d，從而節約蒸汽消耗費用約260萬元/年。

由上述分析可知，白酒釀造水資源綜合利用系統的研發使用，可節約用水、降低污水排放量、降低生產成本，具有顯著的經濟效益。

4 總結

本文設計的水資源綜合利用系統，以軟水作為蒸餾用水，提高了冷酒用水質量，避免因水中存在雜質而對冷酒效率的影響，保證白酒品質，同時減少設備維護成本。另一方面，采用中央控制系統集成控制，自動化程度高，勞動強度低，極大提高生產效率。此外，蒸餾采用分段進水設計，避免不同水溫的軟水直接混合，便于控制接酒溫度，保證白酒質量。蒸餾出水一部分進入熱水系統用于蒸餾，另一部分經系統后作為蒸餾進水，實現蒸餾出水的循環利用，節約用水，減少排污，降低能耗，水重復利用率達到70%以上。本文的白酒釀造水資源綜合利用系統的研發，為白酒釀造行業的節能減排提供了參考方案。

[1]葉方平，湯有宏山，劉國英.低度白酒品質提升技術研究進展[J].釀酒，2017，44（6）：19-22.

[2]劉莉婭.中國水資源利用與水環境保護的若干思考[J].中國資源綜合利用，2017，35（10）：48-50.

[3]張正海，張 燕.淺談我國水文水資源領域技術需求及推廣應用[J].地下水，2017，39（6）：178-181.

[4]龍荷云.循環冷卻水處理[M].南京：江蘇科學技術出版社，2001：11-17.

[5]韓 怡.流域水資源保護沖突的博弈研究[J].能源與環保，2017，39（11）：20-23.

[6]關于征集《白酒制造業污染防治技術政策》等4項技術文件意見的函.環境保護部辦公廳.[2016]92號.

[7]余 航，劉 緒，劉 念，等.酒廠原酒智能入庫系統研究[J].食品與發酵科技，2015，51（4）：57-59.

[8]GUO J F,HOU C J,YANG M,et al.Ultra-sensitive fluorescence determination of chromium(VI)in aqueous solution based on selectively etching of protein-stabled gold nanoclusters[J].Rsc Adv,2016,6(106):104693-104698.

[9]譚 毅，常宏娟，李 娜.優化用水結構促進白酒企業發展[J].釀酒，2008，35（5）：89-90.

[10]王 凡，董曉楠.SBR工藝處理分散式白酒廢水啟動研究[J].黑龍江科技信息，2016（22）：111.

[11]蘇先真.IC厭氧反應器-接觸氧化-曝氣生物濾池處理釀酒廢水[J].廣州化工，2016，44（1）：138-140，168.

[12]彭翠珍，宗緒巖，張宿義，等.釀酒廢水處理存在的問題及解決措施[J].中國釀造，2017，36（5）：1-4.

[13]胡 浩，沈新博.白酒釀造廢水厭氧發酵產沼氣及沼氣回收利用綜述[J].釀酒，2017，44（6）：16-18.

[14]WANG X D,XIAO B,BAN S D,et al.Study on preparation and application of high esterification green-liquor daqu[C]//Proceedings of the 2nd International Conference on Applied Biotechnology,ICAB 2014,November 28,2014-November 30,2014.

[15]王洪記.水輪機在循環水冷卻塔節能改造中的應用[J].中氮肥，2014（1）：45-46.

[16]齊云飛.貴州茅臺酒取用水定額的探討[J].陜西水利，2017（2）：161-163.

[17]張曉菲，喻陽華.醬香型白酒釀造廢水處理工藝設計[J].環保科技，2016，22（2）：52-55.

[18]程 偉，汪延勝，黃訓端，等.金種子釀酒生產用水的檢測分析與探討[J].釀酒，2016，43（5）：39-43.

[19]胡啟方.冷卻循環水系統在醬香型白酒制酒車間的應用效果分析[J].科技專論，2014（3）：401-402.

[20]張延林.貴州茅臺酒股份有限公司制酒車間冷卻水循環利用方案探討[J].釀酒科技，2012（10）：102-103.

[21]LI J W,HOU C J,HUO D Q,et al.A minimalist Chinese liquor identification system based on a colorimetric sensor array with multiple applications[J].Anal Method,2017,9(1):141-148.

[22]劉 輝，盧清峰.關于玉米發酵酒精廢水處理技術綜述[J].環境與可持續發展，2015，40（1）：189-190.

[23]陸艷俠，任 鵬.IC厭氧反應器處理白酒廠釀造廢水的研究[J].齊魯工業大學學報，2017，31（1）：24-28.

[24]HAN Q L,QI Y J,CHU X Y.Study on energy consumption prediction of liquor-making based on GA-BP neural net[C]//4th International Conference on Advanced Design and Manufacturing Engineering,ADME 2014,July 26,2014-July 27,2014.

[25]宋新南，范 鵬，宋 爽.酒精廠冷卻水系統制冷降溫設計與節水效果[J].釀酒科技，2007（3）：60-64.

[26]宋新南，范 鵬，宋 爽.MAP法去除白酒廢水中磷的研究[J].釀酒科技，2016（10）：134-136.

[27]曹 奇.白酒廢水循環利用的治理技術研究[J].資源節約與環保，2015（11）：62-63.

[28]王朝霞，姜 梅，宮春波，等.煙臺市市售白酒中16種鄰苯二甲酸酯類物質污染調查[J].中國食品衛生雜志，2015，27（3）：304-307.

[29]LI H L,WANG C,ZHU L,et al.Variations of flavor substances in distillation process of Chinese Luzhou-flavor liquor[J].J Food Process Eng,2012,35(2):314-334.