脫氧水制水及供水系統優化設計探討

李銘 李貫球 曾粦軍

關鍵字：脫氧水；碳酸水；分段制水；分級用水

隨著高濃釀造的普及，啤酒廠對脫氧水的需求越來越大。相關資料顯示，脫氧水制備約占啤酒企業氨系統制冷負荷的26%[1]，是啤酒用電耗能的重點關注工序。傳統脫氧水由釀造水經過脫氧、冷卻和碳酸化處理制備而成，具有溶解氧含量低、水溫低和CO2含量高的特點。為了更好地區分，下文定義：經脫氧而未經碳酸化處理的水為脫氧水；經脫氧且碳酸化處理的水為碳酸水（即傳統脫氧水）。過去，碳酸水廣泛用于釀造冷區各生產工序，如高濃稀釋、啤酒過濾和管道設備頂水，其制備工藝及使用流程存在以下問題：

首先，制水冷卻方式采用氨泵供冷和一段冷卻法，整體制水能耗較高；

其次，釀造管道/設備頂水更側重于隔氧需求，對水溫和CO2含量要求沒有稀釋用水的嚴格，統一采用碳酸水將造成不必要的能源消耗；

最后，制水過程填充CO2采用粗放式的手動調節方式。在一定壓力下，不同制水流量和溫度需要的CO2填充量不同，采用人工控制方式不僅無法準確填充CO2，還會造成大量CO2逸出和浪費。

當今，節能減排既是啤酒企業的社會責任，又是啤酒企業生存發展的生命線。為持續推進節能環保綠色工廠和碳中和工廠的建設，本文將從以下幾方面探討脫氧水制備及使用流程的優化措施。

1 采取重力供氨及分段冷卻技術

根據制冷原理可知，同樣的制冷量，蒸發溫度越高，制冷能效比（COP）越高。因此，將部分制冷量分配在高溫蒸發區，有利于制水系統節能。

舊方案中，冷媒從冷站供氨至發酵車間，制水系統只有1 個薄板冷卻器。從能耗方面分析：①氨泵長距離輸送消耗大量電能；②采用一段冷卻法冷媒的蒸發溫度較低（約0℃），因此制冷能耗也較高。

從安全方面分析：新的生產安全法規要求氨不能直接進入食品生產或辦公區域，舊布局方案存在安全隱患。因此無論從能耗還是安全角度考慮，制水的工藝流程及設備布局亟需優化。目前有些工廠在糖化冰水制備工段已采用重力供氨和分段冷卻技術，并獲得較高的節能效果。[2]同理，脫氧水冷卻方案可參考糖化冰水的冷卻案例進行優化配置及布局。

實現重力供氨及制水分段冷卻，制水系統需配置兩個薄板冷卻器并將其布置在冷站附近，保證能滿足重力供氨要求。中間溫度選擇方面，兩段冷卻法中間溫度設計按整個降溫區間的55%考慮[3]。以夏季水溫30℃，目標冷卻溫度2℃測算，即（30-2）×55%=15.4℃，與冬季水溫15℃基本相符，因此中間溫度設定為15℃。冷卻時一級薄板冷卻器將水溫從30℃冷卻至15℃，設計蒸發溫度為10℃；二級薄板冷卻器將水溫從15℃冷卻至2℃，設計蒸發溫度為0℃。綜合考慮冷卻薄板冷卻能力的余量要求，實際冷卻薄板能力配置如下表1：

表1. 分段制水冷卻薄板能力

2 分級用水應用

分析發現，部分管道和設備每次頂水用量少、頂水操作只是為了隔氧和預冷，對水體的溫度和CO2含量要求沒有稀釋用水的高。以年產30 萬千升釀造產能測算，釀造各工序脫氧水和碳酸水的用水統計如下表2 所示。

表2. 脫氧水和碳酸水用水統計

表2 數據可知，脫氧水和碳酸水的總用水量927m3/天，其中脫氧水用量48m3/天（占比5.2%），碳酸水用量879m3/天（占比94.8%）。即每天有48m3脫氧水不需要二級降溫和碳酸化處理,可進一步降低制水系統能耗和CO2消耗。為實現分級用水的需求，應從儲水和供水兩方面進行基本配套設計。

在儲水方面，至少配置2 個儲水罐，分別用于儲存脫氧水和碳酸水。儲水罐配套高位和低位壓力變送器，通過高、低位壓力算出儲水液位，實時顯示儲水量；儲水罐還需配置高位液位開關，避免儲水罐進水過多造成溢流；儲水罐中部配置溫度變送器，用于監測儲水罐水溫并反饋信息至控制系統，自動控制儲水罐冷媒閥開關。

在供水方面，至少配置2 條供水管路滿足分級用水的需求。供水管路分別配套變頻泵和壓力變送器，保證供水系統恒壓供水，用于脫氧水和碳酸水單獨供出。儲水罐底部出水管路配置液位開關，用于保護供水泵，防止儲水罐空后供水泵空轉。

3 制水控制

舊式制水設備自動化水平還有待提高，前充和后充CO2均采用浮子流量計顯示添加量，通過人工調整截止閥開度來控制CO2添加量（圖1）。CO2添加量則通過現場測量制水結果來確認，確認添加量后的截止閥開度一般不作調整。

圖1. 前充及后充CO2 浮子流量計

由亨利定律可知， CO2在液體中的溶解度取決于溫度、壓力及氣體純度。在一定的壓力和氣體純度下，制水流量不同、不同季節水溫的變化均會影響填充CO2的需求量。由于人工操作無法實時調整CO2的添加量，因此需要提高電氣儀表閥門的應用才能滿足精準填充CO2的要求。具體實施方案如圖2 所示：

圖2. 脫氧水制備設備流程圖

1）在進水管路增加流量變送器和溫度變送器，監測進水流量和溫度。當制水流量偏離設定值時，通過調整進口調節閥開度來調整進水流量。

2）前充CO2管路增加質量流量計和氣動調節閥。其中，質量流量計能準確監測前充CO2添加量，氣動調節閥用于調節在線CO2添加量。控制系統根據每升水在實時溫度下CO2的飽和溶解度，通過實時監測的進水流量、溫度和在線CO2添加量，調整氣動調節閥開度，從而達到精準添加CO2的控制要求。同理，后充CO2管路同樣配套質量流量計和氣動調節閥，控制系統通過后充CO2添加量根據進水流量、溫度、CO2水中飽和溶解度和目標CO2添加量進行精準添加控制。

3）CO2在水中飽和溶解度受壓力影響，為了保證后充CO2能充分溶解，需在出口管路配置背壓閥、壓力變送器作為穩壓作用。

4）為了保證填充的CO2能夠快速完全的溶解，需要配置衛生型靜態混合器，將水中未溶解的氣體大氣泡變為小氣泡，增加氣體與水的接觸面積，確保湍流狀態下促進CO2快速完全溶解。

4 預期節能效果

以年產30 萬千升釀造產能，每年生產200 天，制水能力50m3/h 測算：

1）實現重力供氨后，可節省一臺22kw氨泵，全年可節約用電：

927÷50×22×200=81576kw.h

2）實現分段制水后，冷站制冷COP提高，可降低制冷電耗：

表3.兩種制冷方法的設備參數對比

對比兩種制冷方法的制冷能效比，其中兩段制冷法平均COP 為4.15，一段制冷法COP 為3.18，兩段制冷法的COP 比一段制冷法提高30.5%，有利于冷站系統節能。

表4. 兩種制冷方法電耗對比

合計耗電量 8281兩段制冷法比一段制冷法節省電量(kw.h) 1879

兩段冷卻法耗電量比一段冷卻法節能：1879÷10160×100%=18.5%每年可節約用電量：200×1879=375800kw.h

3）實現分級用水后，制備脫氧水無需碳酸化處理。查表可知，常壓下CO2飽和溶解度與溫度關系如表5。

表5 常壓下CO2在水中的飽和溶解度

從表5 數據可知，常壓下15℃時CO2飽和溶解度1.97g/l，30℃時CO2飽和溶解度1.26g/l。此處常壓下CO2在水中的飽和溶解度即為前充CO2后脫氧水的飽和CO2含量。設定碳酸水目標CO2含量為5g/l，則后充CO2理論值等于碳酸水目標CO2含量減去脫氧水飽和CO2含量。

表6. 不同溫度對應后充CO2量

由于不同溫度對應的后充CO2理論用量不同，為了方便計算，后充CO2量按平均值3.38g/l 測算：

分級用水可節省后充CO2百分比：

48÷927×100%=5.2%

分級用水每年可節省CO2：

48×3.38÷1000×200=32.45t

4）采用精準填充CO2比手動添加方式更能節省CO2。參考表6數據，如果制水系統不能根據具體水溫自動控制CO2添加量，則前充CO2往往按冬天工況（1.97g/l）控制，后充CO2則按夏季工況（3.74g/l）控制，將造成CO2大量浪費。采用精準控制后，由于不同溫度對應的CO2添加量不同，無法以統一標準作為數據對比。為方便對比優化前后的能耗數據，前充CO2按平均值1.62g/l，后充CO2平均值按3.38g/l測算。則優化后前充CO2可減少添加0.35g/l，可節省前充CO217.8%，每年節約64.89t；優化后后充CO2可減少添加0.36g/l，可節省后充CO29.6%，全年節省63.29t。

5 配套設計

5.1 因地制宜的設備布局

1）滿足重力供氨的設計。氨液供冷是最高效和最經濟的冷卻方式，但是當前環保安全要求，很多食品工廠的氨系統不允許進入到生產車間內部，因此，制水機布局應盡量的接近冷站，這樣才可利用重力供氨的技術，減少供氨的輸送和水的輸送用電量。

2）供水管道的優化。應用重力供氨布局增加了制水機與儲水罐間的距離，必須做好兩者之間的管路保溫設計，避免輸水過程水溫過度上升和溶解在水中的CO2溢出。另外，供水管路管徑應與制水管路的一致，避免增大管徑造成供水失壓，水中的CO2溢出。

5.2 錯峰用電應用

夏季是啤酒的傳統生產旺季，同時也是電網用電高峰期，企業一般采用錯峰用電降低制水用電費用。本次設計制水機能力為50m3/h，碳酸水罐有效容積300m3。按每天927m3用水需求，即每天有效制水時間18.5h，可安排制水機在谷電和平電時段邊制水邊供水，在峰電時段來臨前將儲水罐制備高位，保證儲水量滿足峰電時段的供水需求。若投資經費充足，可提高制水機能力和增大儲水罐容積，將制水時間全部集中在谷電時段，具體情況需結合當地的錯峰用電政策進行。

5.3 閥陣應用

傳統的儲水系統采用接管板方式滿足進水、供水和清洗功能，但人工轉接管件既增加操作人員的工作量，又容易帶來微生物污染和溶解氧增加的風險，不利于啤酒風味一致性的控制。

隨著人力成本上升、啤酒質量控制和自動化生產要求的提高，啤酒雙座閥陣應用越來越普及，建議儲水罐底采用雙座閥閥陣最大限度地簡化儲水系統管路設計。設備選型時注意選用自帶閥芯清洗功能的雙座閥，在管路清洗時能自動清洗相應管路的閥芯，避免出現管板設計的清洗死角問題。在操作方面，通過釀造操作系統自動控制閥陣閥門開關，實現儲水系統進水、供水和清洗全自動，同時避免了交叉污染的風險。

6 結論

近年來，一方面是能源和原料價格不斷上漲，推高啤酒行業的生產成本；另一方面是碳達峰和碳中和已納入國家總體發展戰略，環保要求越趨嚴格。因此，做好“節能減排，綠色低碳”是啤酒企業的發展方向。本文從多方面探討制水和供水系統的優化措施：

1）采用重力供氨及分段制水技術能有效降低制水電耗，每年可節約用電457376kw.h。

2）采用分級用水和精準控制CO2能有效降低制水過程CO2消耗，每年可節約CO2160.63t，相當于減少160.63tCO2排放。

3）在制水和用水配套方面，建議做好以下三方面設計：①盡量縮短制水機與冷站的距離，滿足重力供氨應用要求；同時要提前做好供水管道保溫和管徑設計。②結合錯峰用電政策綜合做好儲水罐容積設計和制水機能力選型。③采用雙座閥閥陣替代接管板方式，提高儲水和供水系統的自動化水平。