甘肃河西大麦麦芽加工系统的能值分析——以中川麦芽厂为例

高晓阳，刘荣堂，李红岭，冯 鑫，王泽京，张明艳，毕 阳

（甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中－美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州730070）

近年来，甘肃河西走廊地区啤酒大麦种植产业发展迅速，已成为农户增收和解决“三农”问题的支柱产业，并成为国内啤酒大麦和麦芽的最大产区之一。目前甘肃省啤酒麦芽生产加工企业较多，但规模小、能耗大，且品质与进口麦芽存在差距。因此，调查研究大麦生产现状，研究麦芽加工企业生产工艺和干燥系统的能值分析模式，探寻麦芽干燥生产系统能值优化机理等，对于麦芽干燥过程管理与监控具有重要参考价值。

从生态学领域发展起来的能值理论和能值分析方法目前在工业系统的应用还较少。笔者探索建立麦芽干燥工业系统的能值分析模型，优选评价指数，并扩展能值分析的应用研究范围。

1 河西大麦生产与麦芽加工

1.1 研究地概况

甘肃省啤酒大麦主要分布于河西地区的武威、张掖、酒泉、金昌和嘉峪关5市以及兰州市的永登、景泰、皋兰县和白银市等地，海拔1 100～2 500m，年日照时数2 660～3 660h，≥10℃的年活动积温为2 200～4 030℃，无霜期150～170d，年降水量200～3 219 mm，属典型的温带大陆性气候，干燥少雨，昼夜温差大，有利于大麦光合同化率的提高、干物质积累和品质的改善，是国产优质啤酒大麦最适宜的地区之一［1］。

1.2 河西大麦生产

大麦（Hordeum vulgare）在我国栽培广泛，主要产区集中在长江流域、和青藏高原。其中，甘肃河西走廊地区属北方一年一熟春大麦区。适用于种植啤酒酿造的大麦为二棱或六棱大麦。

近年来，我国啤酒产量逐年增加，带动啤酒大麦业快速发展。2001年酿造啤酒所需大麦的80%还来自进口，到2006年，国产大麦使用比例突破50%，2007年达到70%以上。

甘肃省啤酒大麦生产始于20世纪80年代，河西地区现已发展成为我国稳定优质的百万公顷啤酒大麦生产基地之一。甘肃啤麦主栽品种－甘啤4号，麦芽加工业已成为甘肃省新的农业经济增长点［2］。甘肃啤酒大麦年产量约90万t，约占国产啤酒大麦总产量的1/3，已形成了科研、生产、加工、经营销售、贮藏、运输为一体的产业化基地。

1.3 麦芽干燥加工

1.3.1 麦芽加工与品质的关系 麦芽其品质分为麦芽外观特征和理化性状。麦芽品质是决定啤酒质量的主要因素，而影响麦芽品质性状的指标因素首先是大麦品质，如大麦品种、籽粒品质、品种生长环境及适应性等因素［3－5］；其次是制麦工艺的影响［6］。

1.3.2 河西麦芽生产工艺与品质关系 甘肃河西地区有30多家中小型麦芽加工企业，分布在酒泉、张掖、武威等地，年麦芽加工能力多为2～5万t。大麦麦芽加工多以热风型干燥工艺为主。

麦芽干燥质量和成品品质主要决定于制麦工艺、麦芽凋萎及焙焦温度和含水率的准确控制，而他们又与通风和加热量的关系密切，并且最终影响啤酒的品质［7－11］。

1.3.3 麦芽干燥加工能值分析研究的意义 麦芽的品质和质量取决于制麦工艺控制，因此，对大麦麦芽干燥工艺研究较多，而采用生态能值分析技术进行麦芽干燥系统研究报道很少。麦芽干燥是典型的多变量、大滞后和非线性热工过程，麦芽的能耗约占其成本的20%，研究大麦干燥节能技术对于提高麦芽质量，发展甘肃优势农业特色产业，提高农业经济效益和生态效益等具有积极意义。

2 能值分析的材料与方法

美国著名生态学家Odum创立的能值理论和能值分析方法广泛应用于工农业系统经济发展评价研究［12］领域。

2.1 干燥加工企业基础数据

能值分析是将物质、能量以及信息等形式存在的含能物质全部转化为用太阳能值表达的能量形式，将物质或能量的形式转化为太阳能值的基本表达。

M＝τ×ε

式中：M 为太阳能值（solar emergy joules，sej），τ为太阳能值转换率，ε为可用能。

以中川麦芽厂为例，对2005年输入中川麦芽厂干燥系统的环境资源、购买能源及销售产品等进行能值及太阳能值转换计算，其能值分析指标（表1）。

2.2 麦芽干燥加工能值分析技术方法

2.2.1 麦芽干燥能值分析方法 麦芽干燥系统的能值分析研究，包括能量系统模型图和能值综合图的绘制、各种能值分析表的制定、能流量计算与能值计算评价、能值转换率和各种能值指标的计算分析、系统评价等环节［13－16］。

根据能值分析的研究方法，在干燥系统投入产出能值分析中，选取可更新资源投入（R）、不可更新资源投入（N）、不可更新工业辅助投入（F）、有机能投入（R1）、干燥产品产出（Y）5个主要部分构建干燥系统能值投入分析表的主框架，选取麦芽干燥的能值产出（Y）为结构编制干燥系统能值产出分析表，从而了解干燥系统各能流的流动情况和网络结构。仅以2005年麦芽干燥系统投入产出能值分析汇总（表1）作分析基准和参考依据。

表1 甘肃中川麦芽厂2005年能值分析指标Table 1 The energy indexes on Zhongchuan barley malt plant in 2005

2.2.2 构建能值评价指标体系 从工业经济系统即员工－设备－产品经济角度出发，将麦芽干燥经济系统划分为4大表现层，分别为工业自然环境基础水平、工业经济发展水平、工人生活水平和可持续发展性能。同时分别选择了可更新资源能值比和环境负载率等反映工业自然环境基础水平；用能值投入率、净能值产出率、Y/T等反映工业经济发展水平；用工人人均能值利用率、人均能值产出量和人均电力燃料能值量来反映企业生产水平；用可持续发展性能指标来衡量麦芽干燥系统可持续力和潜力。干燥系统能值分析的综合评价指标（表2）［13］。

表2 干燥系统能值分析的综合评价指标Table 2 Energy indice of barley malt drying system analysis

研究分别选用反映工业自然环境基础水平的代表指标－可更新能值比与环境负载率；反映工业经济发展水平发的代表指标－能值投入率和净能值产出率；其余指标见表3。这些能值指标能较全面反映麦芽干燥系统各层面的发展水平。

表3 甘肃中川麦芽厂2005年能值指标计算Table 3 Energy indices calculation on Zhongchuan barley malt plant in 2005

3 结果与分析

3.1 干燥系统的能流循环指数

能流循环指数（CREF）＝OEI/SEI，

式中：CREF为能流循环指数；OEI为有机能投入；SEI为人工辅助能投入。

由于干燥加工设备和电能等无机投能的迅速增加，2005年能流循环指数为0.305，有机能投入相对较低，说明该系统以无机投能为主，工业化程度高，自给能力、稳定性、抗灾能力均较弱。应增加以技术创新和人员培训为主的有机能的投入，把干燥设备和技术提升密切结合起来，保持企业竞争力，促进可持续发展。

3.2 干燥系统的能值输入结构

以2005年数据为例，麦芽干燥工业系统投入的能值总量为5.94×1018sej，其中，可更新环境资源、不可更新环境资源、不可更新工业辅助能及可更新有机能分别占系统输入能值总量的5‰、60.44%、27.44%和12.04%。环境资源总投入占总能值投入的5‰。在环境资源总投入中，不可更新环境资源投入占其中的60.44%。由于技术条件和人为因素造成的热能等不可更新资源的流失，限制了甘肃中川麦芽厂干燥经济系统的健康发展。

中川麦芽厂能值投入率（Emergy Investment Ratio，EIR）值2005年为0.653，总体处于较低水平。这表明中川麦芽厂麦芽干燥系统每单位无偿环境资源只投入了较少的购买能值，这一方面使干燥工业产品麦芽因较少的购买能值而降低生产成本，具有较强的市场竞争能力；但另一方面利用外界各类“资源”程度不够高，因此，可进一步提高系统能值投入率，对企业来说扩大和充分利用外界环境资源、资金和服务便显得尤为重要［17］。

在辅助能投入中，可更新的有机能占辅助能投入总量的12.04%。可更新有机能的充分利用，是支持系统可持续性发展的重要能量来源。投入甘肃中川麦芽厂干燥工业经济系统的不可更新能和工业辅助能主要有化石燃料转化的热风、设备投资、电能消耗等，其中化石燃料热蒸汽占这两种工业辅助能的68.77%。化石燃料产生工业源污染，并且也破坏大气环境，造成大气和水体污染等生态问题。

由此可见，在今后中川麦芽厂工业经济发展过程中，需着力研究干燥技术，以可更新的清洁能源如风电替代化石燃料，消除对生态环境的污染，保证当地工业生产可持续发展。

3.3 干燥系统的能值产出

3.3.1能值产出率 能值产出率（Emergy yield ratio，EYR）用来说明工业生产活动能值利用的效率。甘肃中川麦芽厂EYR 2005年为28.9，表明甘肃中川麦芽厂经济活动的能源利用效率较高，经济竞争力明显持续增强。

干燥系统的净能值产出率远大于1，其生产过程产出的能值远大于投入的能值，表明系统向外界输出的能值量较大，是资源输出型的工业经济系统；投入的能值转化率高，能值回报率高，干燥产品－麦芽具有较高的市场竞争力，从而对经济的贡献较大。因此麦芽工业干燥系统应进一步拓展产品加工能力，可作为支持其他产业发展的支柱产业，是甘肃的优先发展产业。

能值货币比值较低，表明麦芽生产工业化程度高，企业经济发展水平较高。能值盈余较大，也说明麦芽企业在获取利润的同时，要注意与农户保持互惠互利，促使大麦农业产业化发展，发展农户合作关系，关注企业发展的稳定性。

3.3.2 环境负荷率 环境负荷率（Environmental load ratio，ELR）为2.62×106，表明2005年甘肃中川麦芽厂经济发展对其环境系统增加有压力，可见甘肃中川麦芽厂经济发展还主要依靠输入能值和不可更新资源的消耗，可更新资源的利用量较小，对可更新资源的开发和利用还处于较低水平，能值消费和利用结构层次较低［18，19］。

较大的环境负荷率表明在麦芽干燥工业系统中存在高强度的能值利用，同时对环境系统的压力也较大。环境负荷率是对麦芽干燥工业系统的一种警示，若系统长期处于较高的环境负荷率下，麦芽干燥工业系统将产生不可逆转的行业功能退化或丧失。从能值分析角度来看，外界大量的能值输入以及过度利用化石燃料等不可更新资源是引起麦芽干燥工业系统环境问题的主要原因。

4 结论

研究对麦芽加工系统能值进行了分析，建立了相应的评价指数和生态能值评价体系。通过对中川麦芽干燥系统的实际能值分析，结果表明，麦芽干燥加工系统的能值产出率较高，企业竞争性较强；能值输入率逐年升高表明对购买能值依赖性变强；环境负荷率较高，说明甘肃发展麦芽产业必须注重对可更新能源的利用，协调好经济与生态环境的关系。

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