乳粉噴霧干燥工藝參數對環境影響的不確定性研究

張遵浩，張峻霞，田瑋，周珊珊，宋雅慧，曾琦，李洋

（1.天津市輕工與食品工程機械裝備集成設計與在線監控重點實驗室，天津300222；2.天津科技大學機械工程學院，天津300222；3.黑龍江甄源坊乳品有限公司，黑龍江虎林158400；4.天津理工大學藝術學院，天津300384）

0 引 言

乳粉需求的逐年提升，促進了產能的釋放，增大了乳粉行業的能耗和對環境的排放[1-2]。作為乳粉生產中能耗最大的環節，噴霧干燥的工藝參數的不確定導致了所產生的環境影響的不確定。因此對其進行不確定性分析，找到對環境影響最大的工藝參數十分重要。然而目前缺少該方面的研究，僅有一些針對其他設備或過程的不確定性分析[3-11]。孟獻昊[3]對乳品降膜蒸發器進行了不確定性分析，發現蒸汽消耗量對系統不確定性影響最大，占比60%。

本文建立乳粉噴霧干燥系統生命周期評價模型，分析工藝參數對系統產生的環境影響的不確定性，找到對環境的不確定性影響最大的工藝參數。填補了該方向不確定性研究的空白，為乳粉生產商和設備制造商可持續經營和發展提供了指導。

1 實 驗

1.1 評價方法

為定量分析乳粉噴霧干燥工藝參數對系統環境影響的不確定性，首先建立了系統的生命周期評價模型，通過輸入特定的產能需求，能夠求解對應的系統生命周期的環境影響總值。

1.1.1 乳粉噴霧干燥過程

以兩段式乳粉噴霧干燥系統為研究對象，與資源、能源消耗以及排放相關的主要設備包括空氣加熱器、干燥塔、振動流化床、旋風分離器、進風機、排風機[12-13]。具體干燥過程如下：濃縮乳經高壓泵送至干燥塔頂部，由霧化器將其分散成霧狀液滴。液滴與由進風機引入干燥塔的熱空氣充分接觸，其水分被迅速蒸發呈干粉狀落入塔底，完成第一階段干燥。再通過振動流化床實現第二階段干燥，經篩分機篩選，含有微粉的空氣通過旋風分離器進行分離，廢氣通過排風機排出。

1.1.2 目標與范圍確定

本研究主體為年產量3 000 t的全脂乳粉的噴霧干燥系統，每天工作12 h，年工作300 d，工作壽命為20年，功能單位為將總質量為1.23×109t，含水量為52%的濃縮乳干燥為含水量3%的乳粉產品。根據生命周期評價方法，將全脂乳粉噴霧干燥系統分解為6個階段，如圖1所示，包括系統原材料獲取、系統相關設備的生產制造、設備的運輸、系統的使用、系統的維護以及系統相關設備的回收處理階段。

圖1 乳粉噴霧干燥系統LCA流程

1.1.3 清單分析

本研究基于四川大學和億科公司合作開發的eBalance軟件中的中國生命周期基礎數據庫（Chinese Life Cycle Database，CLCD），并結合相關文獻中的數據。在原材料獲取及設備生產制造階段，系統主要設備如干燥塔、流化床等材質以不銹鋼為主，因此將設備原材料設為不銹鋼，該階段主要資源消耗為鐵礦石、石灰石等不銹鋼原材料。在設備生產制造期間主要消耗不銹鋼，設備制造過程主要消耗電力，能耗為0.8028 MJ/kg[14]。運輸階段采用載重量8 t的中型貨車，燃料為柴油。使用階段主要為加熱干燥奶粉的空氣所需的蒸汽，以及保證奶粉干燥過程中進氣、排氣正常所消耗的電力。系統維護階段主要涉及清洗，包括設備的干洗和濕洗，其中干洗頻率為1次/d，濕洗頻率為1次/月，本研究考慮設備清洗階段需要消耗大量的工業用水和堿性清洗劑。系統回收處理方式包括熔化回收和掩埋，其中系統設備鋼材的61.7%采用耗電量為600 k Wh/t的熔化爐熔化為鐵水進行循環再利用，其余部分采取掩埋處理[15]。

1.1.4 系統環境影響評價

環境影響評價是對環境輸入輸出的潛在影響進行識別和評價，并確定系統環境影響貢獻大小以及相對重要性。總共分3個步驟，包括影響類別選擇、特征化以及量化評價。通過清單分析和相關文獻發現系統主要的環境排放為CO2、SO2、CO、COD等，因此結合環境影響類別對應的當量物質，本研究選取的類別為初級能源消耗（Primary Energy Demand，PED）、全球變暖潛值（Global Warming Potential，GWP）、酸化潛值（Acidification Potential，AP）、富營養化潛值（Eutrophication Potential，EP）、光化學污染潛值（Photochemical Oxidation Potential，POCP）。

1.2 乳粉噴霧干燥工藝不確定性分析

在給定的物料參數和產能需求的前提下，由于乳粉噴霧干燥工藝參數存在不確定性，會導致系統的環境影響的不確定，因此本文分析了工藝參數對環境的影響程度。

1.2.1 不確定性分析步驟

本研究采用蒙特卡洛方法進行不確定性分析，具體步驟為：首先根據相關文獻選取乳粉噴霧干燥工藝參數及對應變化區間；然后對參數按均勻分布進行區間內的拉丁超立方抽樣，生成200個參數組合樣本，并導入乳粉噴霧干燥系統的LCA模型，求出系統對環境影響的不確定性結果，如圖2。

圖2 系統不確定性分析流程

1.2.2 乳粉噴霧干燥工藝參數的選取

結合噴霧干燥系統相關文獻[12-13]，選定了乳粉噴霧干燥系統工藝參數及其變化區間如表1所示。

表1 乳粉噴霧干燥工藝參數及取值范圍

1.2.3 不確定性分析方法

結合經驗累計分布函數（Empirical Cumulative Distribution Function，ECDF）方法對乳粉噴霧干燥系統環境影響進行不確定性分析[16]。其原理簡述如下。

設x1，x2，…xn為總體X的一組樣本數為n的觀測值，

則Fn(X)為總體X的經驗累積分布函數，其中H為指示函數，即

可以看出，經驗累計分布函數是對樣本中生成點的累積分布函數的估計。對于每個觀測值，一個經驗累計分布函數顯示小于該值的點的百分比。由于點的個數是有限的，經驗累計分布函數是一個階梯函數。

1.3 乳粉噴霧干燥工藝敏感性分析方法

樹型高斯過程模型（Treed Gaussian process，TGP）是將靜態高斯過程與決策樹相結合的全局敏感性方法，該敏感性分析方法是將TGP與基于方差分解的Sobol方法相結合，可更好地處理非線性動態模型[17]。TGP方法共分為兩步，首先根據輸入和輸出變量的矩陣得出了高斯過程的機器學習模型，然后采用基于方差的敏感性分析法通過計算該模型，得到不同因素的重要性程度。

2 結果與分析

乳粉噴霧干燥工藝參數對環境的不確定性影響如圖3所示。由圖3（a）柱狀圖和圖3（b）經驗累計分布函數圖可以看出，乳粉加工過程對環境的影響總值主要分布在1.8×104～2.1×104之間，其中1.85×104～2.00×104為最大概率范圍，環境負荷的均值為1.93×104，標準差約為7.55×102，中位數為1.934×104。圖4為環境影響對乳粉噴霧干燥工藝參數的敏感性分析結果。

圖3 系統環境影響的不確定性

圖4 工藝參數對系統環境影響的不確定性

由圖4可以看出，3個子圖分別對應系統的參數的主效應、一階效應以及全效應。主效應圖中顯示了環境影響隨著乳粉噴霧干燥工藝參數的變化情況。從圖4（a）中可以看到環境影響與干燥塔進口空氣溫度（X 1）呈明顯的正相關性，表明隨著干燥塔進口空氣溫度的升高會明顯提高乳粉加工過程對環境的影響，這是由于干燥過程所用的空氣采用發電廠的蒸汽加熱，我國的電力結構以燃煤發電廠為主，電力的生產需要燃燒大量的煤炭，并產生各種排放（如溫室氣體），因此干燥塔進口空氣溫度越高，蒸汽消耗量越多，乳粉加工過程對環境的影響越大。圖4（a）中還可以看到進風機（X 4）和排風機（X 5）的全風壓也對環境影響起到較為明顯的作用，這是因為進風機和排風機風壓決定了風機所用電機的功率，功率影響了乳粉加工過程的總耗電量，電力生產對環境也產生了重要的影響。敏感性分析顯示濃縮乳進料溫度（X 2）和干燥塔廢氣溫度（X 3）與環境影響的相關性較小。

圖4（b）和4（c）顯示了乳粉加工工藝參數的一階效應和全效應，一個參數的一階效應和總效應值越大則說明該變量越重要。一階效應與總效應之間的差異是由于該變量與其他輸入變量之間的交互作用而產生的輸出的方差。兩者差異越大意味著該變量與其他變量之間的交互作用越強[18]。從圖4（b）中可以看出，干燥塔進口空氣溫度對環境影響占比約92%，排風機全風壓和進風機全風壓對環境影響占比分別約6%、2%，也證實了圖4（a）中進口空氣溫度的決定性作用。圖4（c）中顯示排風機全風壓和進風機全風壓的值較主效應值均有約1%～2%的降低，表明兩個參數與其他參數間存在一定的抑制作用。

圖4（a）中標準化輸入變量在-0.4～0.4之間時，干燥塔進口空氣溫度（X 1）、進風機（X 4）和排風機（X 5）的全風壓與環境影響的正相關性明顯，但在標準化輸入變量小于-0.4和大于0.4時，3個變量的正相關性均有所減弱，斜率趨于平緩，意味著此時3個變量對系統環境影響的貢獻程度減弱。3個變量的減弱程度不同，其中X 1的減弱程度最大，明顯大于X 4和X 5，此時X 4、X 5對環境影響的貢獻程度增大，再根據圖4（c）可知此時2個變量與其他變量間的抑制作用也增大。由此可以進一步解釋圖3中環境影響總值的分布情況，圖3中顯示環境影響總值在小于1.8×104和大于2.05×104時的分布較少，僅為0.75%，此時的干燥塔進口空氣溫度對環境影響總值的貢獻減弱，而進風機和排風機的風壓與其他變量間的抑制作用增強，增大了環境影響的取值難度，從而降低了取值的概率。在環境影響總值為1.8×104～2.05×104區間時，干燥塔進口空氣溫度重要程度即斜率均勻，意味著其對環境影響的主導作用不變，同時進風機和排風機的全風壓的作用減弱，交互作用也減弱，因此該區間的取值分布也更均勻。盡管通過敏感性分析可知，降低干燥塔進口空氣溫度、排風機和進風機的全風壓能有效降低乳粉噴霧干燥過程對環境的影響，但是乳粉生產的最重要的目標是保證乳粉的品質，也取決于乳粉加工過程的工藝參數[19]。有研究表明含水量、吸濕性和溶解度等表征乳粉品質的特性與干燥塔進口空氣溫度密切相關[20]，因此改進乳粉噴霧干燥工藝參數時，需要在保護環境和保證品質之間尋找平衡點。乳粉的含水量對乳粉的品質至關重要，水分含量過低會降低乳粉在味道、色澤等方面對消費者的吸引力，而水分過高會導致口感黏稠[21]。吸濕性過高會降低儲存時間，從而影響營養素的保存[22]。研究表明降低干燥塔進口空氣溫度能夠顯著降低吸濕性，這是由于較低的進氣溫度會增加產品的含水量。溶解度對于確定乳粉的重建過程也非常重要，有研究表明其隨著干燥塔進口空氣溫度的提高而提高[23]。

3 結 論

本研究針對乳粉噴霧干燥過程在乳粉加工中對環境影響最大的現狀，構建了乳粉噴霧干燥系統的LCA模型，并對環境影響進行了不確定性分析和敏感性分析，找到了影響環境的主要工藝參數，具體得出以下結論：

（1）乳粉加工過程對環境的影響總值主要分布在1.8×104～2.1×104之間，其中主要集中在1.85×104～2.00×104之間。環境負荷的均值為1.93×104，標準差約為7.55×102，中位數為1.934×104。

（2）干燥塔進口空氣溫度對環境影響最大，占比約92%，且呈正相關性，其次為排風機和進風機的全風壓，對環境的影響占比分別約6%和2%，濃縮乳進料溫度和干燥塔廢氣溫度對環境的影響較小。

（3）雖然通過調整乳粉相關工藝參數能夠降低系統對環境的影響，但是要考慮改善環境與保障乳粉品質之間的平衡，例如干燥塔進口空氣溫度與乳粉的含水量、吸濕性和溶解度等特性直接相關，因此改進時需要綜合考慮。

（4）乳粉噴霧干燥過程所消耗的蒸汽在本研究中由鍋爐產生，需要消耗大量煤炭，并產生大量排放，因此有必要尋找其他生產蒸汽的方式或替代燃料，其中生產方式上可以考慮采用太陽能熱利用方式生成蒸汽，替代燃料方面可考慮采用生物質燃料代替傳統煤，上述兩種方式可以大大降低蒸汽消耗產生的環境影響。