清香型白酒生產工藝中的節能降耗研究

張懷山，李錦松，張 超，陳 濤，林遠康，唐永清

（瀘州老窖集團有限責任公司，四川瀘州 646000）

0 引言

在《國務院關于印發節能減排綜合性工作方案的通知》（國發〔2007〕15號）中明確提出節能減排，包括節約能源和減少排放2個方面［1-2］。盡管我國出臺了一系列節能減排政策，但是政策力度和覆蓋范圍仍然不及資源的消耗和環境的惡化程度［3-5］。我國白酒行業在生產過程中存在諸多問題，例如水污染、土地污染和空氣污染等［6-8］。環保部要求白酒釀造行業：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［9］。

近幾年白酒釀造行業在針對減少水資源的消耗及排污的研究中，大都采用自來水作為冷酒水，未達到冷卻降溫或降低成本的效果［10-12］。胡啟方［13］采用冷卻循環水系統對醬香型白酒生產系統進行改造升級，節水量為10 926 m3，節電量為1 917.2 kW·h，節能量為3.412噸標煤。張延林［14］根據茅臺酒實際生產耗費資源量探討，實踐出一種大量節約水資源的冷卻水循環利用方案。胡志平等［15］采用機械化新工藝使得米香型白酒單位耗水量降幅達到45%，單位耗煤量降幅達到35%。張超等［16］對冷酒器改造為兩段進水，以軟水作為冷酒水，通過添加一部分新水，實現了水資源的循環利用以及部分熱能的利用。李錦松等［17］將熱水型溴化鋰冷水機組與封閉式冷卻塔相結合，以軟水作為冷卻水，利用冷卻水作為熱源側制取冷量并采用多級降溫方法對高溫冷卻水進行降溫，實現冷卻水的閉式循環利用。然而，對于冷卻水水量不易控制和同時需達到有效控制接酒溫度、降低成本、節能減排的目的，有必要尋找更為有效的技術手段，以實現水資源和熱能的綜合利用［18-19］。

本文設計了一套釀酒水資源及熱能梯級利用系統，以軟水作為冷酒水，冷酒器出來的高溫軟水一部分用于鍋爐產蒸汽，另一部分梯級加熱生產用水，實現節約用能。加熱生產用水后的軟水經過兩次降溫進入冷酒器進行再次冷酒，實現冷酒水循環利用。同時利用制取軟水產生的廢水作為清潔用水，進一步節約水資源，實現節能減排的目的。

1 水資源及熱能梯級利用系統設計

1.1 系統設計原理

本文設計的水資源及熱能梯級利用系統以軟水作為冷酒水，冷酒器出來的高溫軟水一部分用于鍋爐產蒸汽，剩余部分通過板式換熱器，依次與泡糧水、燜糧水、清潔用水進行熱交換，加熱泡糧水、燜糧水、清潔水至所需溫度，從而實現節約用能。經過熱交換的軟水依次通過閉式冷卻塔和冷水機組處的板式換熱器，降溫至冷酒所需溫度后再進入冷酒器進行冷酒，從而實現冷酒水循環利用。利用制取軟水產生的廢水作為清潔用水，進一步節約水資源。釀酒水資源及熱能梯級利用系統工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow chart

1.2 系統組成

水資源及熱能梯級利用系統由軟水系統、熱水系統、換熱系統、冷卻系統、自動控制系統組成。軟水系統、熱水系統、換熱系統、冷卻系統之間通過管道依次連接，形成一個循環系統。自動控制系統用于對軟水系統、熱水系統、換熱系統、冷卻系統的功能化控制。

1.2.1 軟水系統

軟水系統包括軟水機組、冷水罐。軟水機組出水管分為軟化水出水管和廢水出水管，軟化水出水管與冷水罐進水管連接，廢水出水管連接在清潔水罐處的板式換熱器上。冷水罐進水管與冷水機組處板式換熱器連接。

1.2.2 熱水系統

熱水系統由冷酒器、熱水罐、鍋爐、熱水泵組成。冷酒器進水管與冷水罐出水管連接，出水管與熱水罐進水管連接。熱水罐有兩個出水管，一個出水管與鍋爐進水管連接，另一個出水管與泡糧水罐處的板式換熱器進水管連接。熱水泵與熱水罐連接。

1.2.3 換熱系統

換熱系統由3個板式換熱器、泡糧水罐、燜糧水罐、清潔水罐、水泵組成。板式換熱器上有軟水進出水管和自來水進出水管。熱水罐的出水管通過管道依次與3個板式換熱器的軟水進水管連接，泡糧水罐、燜糧水罐、清潔水罐進水管分別與各自對應的板式換熱器自來水出水管連接。清潔水罐處的板式換熱器軟水出水管與閉式冷卻塔進水管連接。

1.2.4 冷卻系統

冷卻系統由閉式冷卻塔、冷水機組、板式換熱器組成。閉式冷卻塔出水管與冷水機組處板式換熱器進水管連接。

1.2.5 自動控制系統

自動控制系統采用PLC進行控制，具有遠程和近端操作功能。

（1）自動控制水溫：對泡糧水罐、燜糧水罐、清潔水罐、冷水罐內水溫度實行PID控制。當泡糧水、燜糧水、清潔水溫度低于設定值時，向泡糧水罐、燜糧水罐、清潔水罐中通入蒸汽，使溫度達到設定值。當泡糧水、燜糧水、清潔水溫度接近設定值時，自動調節對應板式換熱器自來水進水閥，減小或加大自來水流量，使溫度達到設定值。

（2）自動控制水罐液位：控制補水閥使水罐水位在設置范圍內。水罐水位低于設定值時，打開補水閥。水罐水位高于設定值時，關閉補水閥。

（3）界面顯示：顯示各設備運行狀態和運行數據，包含壓力、溫度、流量、液位等。

1.3 系統工藝流程

本系統投入使用前，需先設置好壓力、溫度、流量、液位，設置完畢后系統即可正常運行，工藝流程如下：

（1）啟動自動控制系統，打開冷水罐、冷酒器處的閥門并啟動冷水泵，將冷水罐中軟水（水溫為15～20 ℃）泵入冷酒器。

（2）經過冷酒器冷酒后的軟水，經自壓進入熱水罐，此時冷酒水水溫達到80 ℃以上。

（3）當生產需要用蒸汽時，自動打開熱水罐連接鍋爐的閥門，并啟動熱水泵，通過熱水泵將熱水一部分泵入鍋爐；當生產需要冷酒水時，自動打開熱水罐連接板式換熱器的閥門，并啟動熱水泵，通過熱水泵將高溫冷酒水依次經過泡糧水罐、燜糧水罐、清潔水罐前端的板式換熱器，與自來水進行熱交換。經過板式換熱器被加熱的自來水達到泡糧需求溫度（75～80 ℃），進入泡糧水罐，作為泡糧用水；經過板式換熱器被加熱的自來水達到燜糧需求溫度（50～60 ℃），進入燜糧水罐，作為燜糧用水；經過板式換熱器被加熱的廢水達到清潔用水需求溫度（40～45 ℃），進入清潔水罐，作為清潔用水。

（4）經過3次熱交換后的冷卻水還有余熱，此時溫度在55 ℃左右，進入閉式冷卻塔進行降溫冷卻，降至約33 ℃（夏季最高溫度）。

（5）33 ℃冷酒水通過板式換熱器與冷水機組的冷凍水進行換熱，將冷酒水冷至15～20 ℃，然后進入冷水罐暫存。以此重復循環實現整個冷酒水的循環利用和熱能梯級利用。

（6）當生產需要泡糧水、燜糧水、清潔水時，打開對應水罐處的閥門，直接用于生產或清潔。當冷水罐中的軟水低于設定值時，自動啟動軟水機組，通過軟水機組制取軟水（水溫為18～20 ℃），制取軟水后的廢水經過板式換熱器換熱后進入清潔水罐，用于清潔生產。

2 本系統使用前后的效果分析

選擇現有清香型白酒廠家為例進行運行成本對比分析。首先，計算本系統使用前后的年耗水量、排污量、耗蒸汽量、耗電量；其次，根據各耗能和設備投入分別計算出該廠使用系統前后的費用支出；最后，分析二者費用。

2.1 耗水及排污分析

以某清香型白酒生產廠家為例，該廠采用自來水作為冷酒水，冷酒后的高溫冷卻水一部分用于泡糧、燜糧、清潔，剩余大部分冷酒水采用開式冷卻塔降溫后與高鹽高硬度水混合進入消防水池冷卻后進行排放。以年產1萬t白酒核算，通過數據統計得出實際耗水量及排污量，如圖2所示?？傆盟繛?51 t/d，總排污量為169 t/d。

采用本文設計的釀酒水資源及熱能梯級利用系統后，耗水量及排污量如圖3所示。總用水量為328 t/d，總排污量為169 t/d。

2.2 蒸汽消耗分析

對比圖2、圖3可知，新系統有84 t/d的80 ℃冷酒水用于鍋爐生產蒸汽，避免蒸汽將84 t/d的20 ℃冷水加熱至80 ℃，從而減少蒸汽消耗量。蒸汽節省量可通過式（1）計算得出［20］。

圖2 某企業原耗水及排污量Fig.2 Original water consumption and sewage discharge of an enterprise

圖3 新設計系統耗水及排污量Fig.3 Water consumption and sewage discharge of the new design system

式中 Q——吸收或釋放的熱量，J；

c——物質的比熱容，J/（kg·℃）；

m——質量，kg；

Δt——溫度變化值，℃。

根據式（1），計算出的蒸汽節省量為8.4 t/d，按年生產時間350天、日生產時間16小時計，則年節省蒸汽約為0.3×105t。

2.3 電量消耗分析

由于冬季完全可以通過閉式冷卻塔將冷酒水冷卻至20 ℃以下，因此僅夏季需要利用冷水機組將33 ℃的冷酒水降至15 ℃，運行時間為180天。根據系統設置，冷酒水循環量為25 t/h，冷水機組能效比為5。利用冷水機組運行時間、冷酒水循環量、冷水機組能效比，并通過式（1）即可計算出冷水機組電量消耗。電量消耗為15×105kW·h/a。

2.4 理論效果分析

系統使用效果理論計算值如表1所示。根據表1可知，采用本文的系統后，年產1萬t白酒，耗水量由20 t減少至12 t，可減少用水8萬噸，年耗水量節約40%；蒸汽消耗量由3.2 t減少至2.9 t，可減少蒸汽消耗0.3萬t，年消耗量減少9%。冷卻水14×105t/a全部循環利用，水重復利用總量為25.5×105t/a，排污總量為 6×105t/a，水重復利用率達到76%。

表1 使用效果理論計算值Tab.1 Theoretical calculation value of use effect

利用本文設計的系統后，水費減少23.8萬元/年，電費增加28.4萬元/年，蒸汽費減少75萬元/年，維修費增加5.1萬元。與現有運行成本相比，可節省65.3萬元/年。

由上述分析可知，本文系統的研發使用，可節約用水、減少能源消耗，實現水資源循環利用和熱能梯級利用，經濟效益顯著。

3 結語

本文設計的水資源及熱能梯級利用系統，以軟水作為蒸餾冷卻用水，提高了冷酒用水質量，避免因水中存在雜質而影響冷酒效率，保證白酒品質。同時實現冷卻水100%循環利用，滿足清潔生產的白酒制造業一級標準，實現水資源綜合利用率達76%。冷卻水用于鍋爐產生蒸汽，減少天然氣的消耗量，節約能源；加熱自來水供泡糧、悶糧、清潔使用，進一步節約能源；將制取軟水產生的廢水用冷卻水加熱用作清潔用水，廢水再利用，提高水資源的利用價值。水資源及熱能梯級利用系統的研發可有效控制冷卻水溫度，滿足冷酒工藝需求，提高白酒優質酒率，為實現白酒釀造行業的節能減排奠定了基礎。