釀酒用稻殼清蒸余熱蒸汽的回收利用

丁國(guó)建，張宿義，2，張洪飛，邱小林，趙 杰，羅志勇*，彭遠(yuǎn)松，馬 卓

（1.瀘州老窖股份有限公司，四川瀘州 646000；2.國(guó)家固態(tài)釀造工程技術(shù)研究中心，四川瀘州 646000）

瀘州老窖積極響應(yīng)國(guó)家貫徹落實(shí)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)及智能化發(fā)展的號(hào)召，開(kāi)展了一系列的釀酒裝備自動(dòng)化、智能化研究開(kāi)發(fā)及示范應(yīng)用工作，將仿真技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、在線檢測(cè)、傳感器、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)科技率先應(yīng)用到白酒生產(chǎn)全過(guò)程中，有效提升了白酒釀造的穩(wěn)定性、產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，建成了行業(yè)內(nèi)首個(gè)涵蓋白酒釀造全過(guò)程的智能釀造基地。

稻殼作為釀酒生產(chǎn)的主要輔料，是發(fā)酵過(guò)程中優(yōu)質(zhì)的填充劑和疏松劑。由于稻殼中含有多縮戊糖、果膠質(zhì)等成分，多縮戊糖在微生物的作用下生成糠醛，在發(fā)酵過(guò)程中影響酒質(zhì)，使用前須進(jìn)行清蒸，去除稻殼中的生味、多糖等雜質(zhì)，保證基酒質(zhì)量。原有清蒸工藝是將稻殼置于蒸餾甑內(nèi)，通入蒸汽進(jìn)行敞開(kāi)清蒸，清蒸后的稻殼經(jīng)過(guò)攤晾冷卻，使其水分、雜味盡量散除[1]。隨著釀酒機(jī)械化裝備的發(fā)展，稻殼清蒸工藝也進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，采用集中蒸糠工藝，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)效率。蒸糠機(jī)作為智能釀造工藝路線的重要輔助設(shè)備，在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的前提下，綠色低碳、節(jié)能環(huán)保是一個(gè)必要的發(fā)展方向。

蒸糠余汽中蘊(yùn)含一定品位的熱能，直接散失至大氣將產(chǎn)生較大的能源浪費(fèi)，同時(shí)國(guó)家對(duì)資源節(jié)約、能源的綜合利用及節(jié)能減排等方面提出了相關(guān)要求。本文通過(guò)引入蒸糠機(jī)WSR 節(jié)能系統(tǒng)，將廢熱蒸汽通過(guò)熱交換進(jìn)行余熱回收利用，并經(jīng)純化和增壓處理后輸出符合蒸糠工藝需求的新鮮蒸汽，理論聯(lián)系實(shí)際，最終節(jié)能效果達(dá)40%以上[2]。

1 余熱利用市場(chǎng)（行業(yè)）情況

目前余熱利用途徑主要有3 種：第一種是熱交換，是回收工業(yè)余熱最直接、效率較高的經(jīng)濟(jì)方法，該類途徑不改變余熱能量的形式，只是通過(guò)換熱設(shè)備將余熱能量直接傳遞給自身工藝的耗能流程，降低一次能源消耗；第二種是熱功轉(zhuǎn)換，利用熱功轉(zhuǎn)換可提高余熱的品位，主要采用余熱鍋爐發(fā)電，是工業(yè)余熱利用的主要形式；第三種是采用熱泵系統(tǒng)回收余熱，適用于工業(yè)和民用的低溫余熱回收[3]。本文將介紹熱泵系統(tǒng)回收余熱（蒸汽熱泵）技術(shù)。

廢蒸汽純化增壓回收技術(shù)是基于目前各工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的蒸煮、蒸餾、濃縮蒸發(fā)等高能耗工藝，研發(fā)的新型熱能節(jié)能技術(shù)。利用熱交換、熱平衡、火用平衡和能級(jí)平衡理論，對(duì)廢蒸汽進(jìn)行先純化，然后利用能量在不同形式的轉(zhuǎn)化過(guò)程實(shí)現(xiàn)蒸汽無(wú)損耗減壓，壓降過(guò)程回收并壓縮純化產(chǎn)生的低壓再生蒸汽，達(dá)到低壓蒸汽循環(huán)利用的節(jié)能目的[4]。在廢蒸汽余熱回收領(lǐng)域?qū)儆趧?chuàng)新思路及技術(shù)，自動(dòng)化程度高，運(yùn)行可靠，故障率低，操作簡(jiǎn)便。

2 蒸糠機(jī)節(jié)能應(yīng)用理論分析

2.1 蒸糠機(jī)能效分析

以瀘州老窖智能釀造生產(chǎn)中的1 條蒸糠試驗(yàn)生產(chǎn)線為例進(jìn)行用熱分析。該生產(chǎn)線的稻殼產(chǎn)量為2800 kg/h；稻殼進(jìn)入蒸糠機(jī)前的平均溫度為15 ℃，含水率為13%；蒸糠機(jī)進(jìn)汽壓力0.1 MPa，蒸汽用量為2200 kg/h。

2.1.1 進(jìn)入蒸糠機(jī)熱量

蒸糠機(jī)的平均進(jìn)汽壓力P1=0.1 MPa，對(duì)應(yīng)飽和蒸汽的焓值為h1=2706 kJ/kg，流量為m1=2200 kg/h。蒸糠機(jī)為常壓設(shè)備，清蒸過(guò)程要求控制設(shè)備內(nèi)部溫度不低于99 ℃，實(shí)際上前、中、后各部測(cè)點(diǎn)溫度均達(dá)100 ℃。100 ℃熱水的焓值h2=419 kJ/kg。假設(shè)進(jìn)入蒸糠機(jī)的蒸汽全部放熱冷凝成100 ℃的飽和水，那么進(jìn)入蒸糠機(jī)蒸汽可釋放的熱量為：

2.1.2 稻殼吸收熱量

已知進(jìn)入蒸糠機(jī)前稻殼的含水率為a=13 %，生產(chǎn)線產(chǎn)量B=2800 kg/h，稻殼的比熱容為c1=1.62 kJ/kg·K，水的比熱容為c2=4.19 kJ/kg·K，進(jìn)蒸糠機(jī)稻殼從溫度t1=15 ℃到完全加熱到溫度t2=100 ℃需要的熱量為：

進(jìn)入蒸糠機(jī)稻殼對(duì)蒸汽能夠釋放熱量的有效利用率為：

2.1.3 煙囪排走熱量

從上面計(jì)算可以知道蒸糠機(jī)設(shè)備本身的熱效率低，且設(shè)備本身是全密閉設(shè)備，生產(chǎn)車間又相對(duì)密封，設(shè)備散熱損失有限，所以可以推斷進(jìn)入蒸糠機(jī)的絕大部分蒸汽從煙囪排走。下面對(duì)蒸糠機(jī)煙囪排走蒸汽量進(jìn)行測(cè)算來(lái)驗(yàn)證。

從測(cè)算結(jié)果可以得出，煙囪排走的蒸汽量，有很大的熱能回收價(jià)值。

2.2 節(jié)能改造措施

2.2.1 蒸糠機(jī)尾氣回收

從上面測(cè)算結(jié)果可知，從蒸糠機(jī)煙囪排走的蒸汽量有1927 kg/h，占蒸糠機(jī)總進(jìn)汽的88 %。蒸糠機(jī)排走的熱量雖然不少，但品位不高，而且含有大量的空氣和其他雜質(zhì)，不適合直接回收利用。通過(guò)技術(shù)分析，可以考慮將廢汽的熱能先轉(zhuǎn)換處理成熱水后再利用，現(xiàn)在有很多利用熱水的技術(shù)路徑，比如用來(lái)低溫發(fā)電或者是吸收式制冷，但都是基于廢熱有很大的量才值得實(shí)施。蒸糠機(jī)廢熱蒸汽不多不少的情況下，用上述技術(shù)路徑處理不太適用，節(jié)能效率很低。將從煙囪排走的廢蒸汽先經(jīng)過(guò)純化處理，產(chǎn)生潔凈再生蒸汽再經(jīng)壓縮升壓、升溫后返回蒸糠機(jī)循環(huán)使用，這樣的回收利用將是比較合理的。

（1）蒸糠機(jī)尾氣回收節(jié)能改造方案

①改造流程圖

圖1 尾氣回收改造流程圖

②具體改造說(shuō)明

a.在蒸糠機(jī)旁邊增加一套WSR節(jié)能設(shè)備（廢熱蒸汽純化增壓裝置），將蒸糠機(jī)排放的廢蒸汽從WSR的吸氣口引入。

b.廢蒸汽首先進(jìn)入到WSR的純化系統(tǒng)，通過(guò)熱交換將里面的空氣和液滴除掉后利用軟水產(chǎn)生潔凈再生蒸汽，余下空氣排到煙囪抽走，冷凝水收集排到廢水站處理。

c.純化系統(tǒng)輸出的潔凈再生蒸汽輸出到WSR膨脹壓縮機(jī)，利用動(dòng)力蒸汽（0.4 MPa 以上）為動(dòng)力，經(jīng)過(guò)膨脹做功后再將潔凈再生蒸汽壓縮升溫。

d.做功降壓后的動(dòng)力蒸汽和再生蒸汽混合等壓后再一起輸送到蒸糠機(jī)使用。

（2）尾氣回收節(jié)省蒸汽量

WSR 的設(shè)計(jì)能效比為P=1.8，已知蒸糠機(jī)節(jié)能改造前用汽量m1=2200 kg/h，那么蒸糠機(jī)尾氣回收節(jié)省的蒸汽量：

2.2.2 節(jié)汽效果

經(jīng)過(guò)上述節(jié)汽改造，蒸糠機(jī)尾氣回收節(jié)省蒸汽量m2=978 kg/h，改造前蒸糠機(jī)消耗蒸汽m1=2200 kg/h，節(jié)汽改造后的綜合節(jié)汽效果：

3 具體實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)時(shí)間與地點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2021 年10 月—2022 年5 月；實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：瀘州老窖智能釀造蒸糠試驗(yàn)生產(chǎn)線。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

按上述理論方法對(duì)設(shè)備和節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)改造。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

蒸糠質(zhì)量經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)豐富的嘗評(píng)員進(jìn)行感官評(píng)定，確認(rèn)無(wú)生糠味、異味，且骨力正常。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表測(cè)量，蒸糠機(jī)節(jié)能改造后用汽量m3=1180 kg/h，實(shí)際節(jié)汽效果為：

電耗W=4.04 kw/h，水耗q=1180 kg/h，按節(jié)能減排（以碳排放量）綜合計(jì)算節(jié)能效果為（蒸汽參考折標(biāo)系數(shù)0.09 kgce/t，電參考折標(biāo)系數(shù)0.123 kgce/kw·h，除鹽水參考折標(biāo)系數(shù)0.486 kgce/m3）：

3.4 經(jīng)濟(jì)效益

以單條蒸糠試驗(yàn)生產(chǎn)線計(jì)，蒸糠機(jī)WSR 節(jié)能系統(tǒng)改造前蒸糠機(jī)的蒸汽用量為2200 kg/h，通過(guò)節(jié)能改造后，蒸糠機(jī)的蒸汽用量降低到1180 kg/h，按年運(yùn)行時(shí)間4700 h，每年可節(jié)約蒸汽4794 噸；蒸汽單價(jià)按200 元/噸計(jì)，則每年節(jié)約95.88 萬(wàn)元；再扣除相應(yīng)電耗、水耗、污水處理、設(shè)備折舊等費(fèi)用，每年可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益約54萬(wàn)元。

3.5 社會(huì)效益

通過(guò)蒸糠機(jī)WSR 節(jié)能系統(tǒng)改造，單條蒸糠試驗(yàn)生產(chǎn)線每年可減少蒸汽消耗4794 噸。0.4 MPa飽和蒸汽的折標(biāo)系數(shù)為：1噸蒸汽折0.09噸標(biāo)煤，每年節(jié)約的蒸汽折合標(biāo)煤數(shù)為0.09×4794=431.5（噸）。節(jié)約蒸汽，相當(dāng)于從源頭上減少了鍋爐污染物的排放，符合國(guó)家節(jié)能減排的方針，具有很好的社會(huì)效益。

4 小結(jié)與展望

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，節(jié)能效果與理論計(jì)算基本吻合，但系統(tǒng)中還有很多可以優(yōu)化的地方，其中：

（1）WSR 排放的廢水余熱可通過(guò)換熱器對(duì)系統(tǒng)所需軟水進(jìn)行預(yù)熱，提高節(jié)能效果。

（2）經(jīng)WSR 處置后的廢氣仍可通過(guò)換熱器對(duì)軟水進(jìn)一步預(yù)熱，提高節(jié)能效果。

（3）新蒸汽管道中有部分冷凝水排出，可回收至系統(tǒng)，減少軟水用量，進(jìn)一步提高節(jié)能效果。

綜合分析，要提高系統(tǒng)的節(jié)能效率，只有從利用一切可利用的余熱，提高換熱效率，減少資源浪費(fèi)等方面來(lái)考慮。

根據(jù)稻殼清蒸的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，從余熱回收和環(huán)保的角度出發(fā)，采用廢熱蒸汽純化增壓回收裝置和廢氣無(wú)煙排放裝置，配套相應(yīng)輔助設(shè)施，利用成套自控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)集中控制，實(shí)現(xiàn)蒸糠余熱蒸汽的熱回收及環(huán)保處理，達(dá)到節(jié)能減排目的，不失為當(dāng)前蒸糠余熱回收利用的一種新路徑。節(jié)能優(yōu)化和技術(shù)的推廣方面，值得后續(xù)繼續(xù)深入研究。