清香型白酒生产工艺中的节能降耗研究

张怀山，李锦松，张 超，陈 涛，林远康，唐永清

（泸州老窖集团有限责任公司，四川泸州 646000）

0 引言

在《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》（国发〔2007〕15号）中明确提出节能减排，包括节约能源和减少排放2个方面［1-2］。尽管我国出台了一系列节能减排政策，但是政策力度和覆盖范围仍然不及资源的消耗和环境的恶化程度［3-5］。我国白酒行业在生产过程中存在诸多问题，例如水污染、土地污染和空气污染等［6-8］。环保部要求白酒酿造行业：到2017年水重复利用率达到70%以上，到2020年水重复利用率达到80% 以上［9］。

近几年白酒酿造行业在针对减少水资源的消耗及排污的研究中，大都采用自来水作为冷酒水，未达到冷却降温或降低成本的效果［10-12］。胡启方［13］采用冷却循环水系统对酱香型白酒生产系统进行改造升级，节水量为10 926 m3，节电量为1 917.2 kW·h，节能量为3.412吨标煤。张延林［14］根据茅台酒实际生产耗费资源量探讨，实践出一种大量节约水资源的冷却水循环利用方案。胡志平等［15］采用机械化新工艺使得米香型白酒单位耗水量降幅达到45%，单位耗煤量降幅达到35%。张超等［16］对冷酒器改造为两段进水，以软水作为冷酒水，通过添加一部分新水，实现了水资源的循环利用以及部分热能的利用。李锦松等［17］将热水型溴化锂冷水机组与封闭式冷却塔相结合，以软水作为冷却水，利用冷却水作为热源侧制取冷量并采用多级降温方法对高温冷却水进行降温，实现冷却水的闭式循环利用。然而，对于冷却水水量不易控制和同时需达到有效控制接酒温度、降低成本、节能减排的目的，有必要寻找更为有效的技术手段，以实现水资源和热能的综合利用［18-19］。

本文设计了一套酿酒水资源及热能梯级利用系统，以软水作为冷酒水，冷酒器出来的高温软水一部分用于锅炉产蒸汽，另一部分梯级加热生产用水，实现节约用能。加热生产用水后的软水经过两次降温进入冷酒器进行再次冷酒，实现冷酒水循环利用。同时利用制取软水产生的废水作为清洁用水，进一步节约水资源，实现节能减排的目的。

1 水资源及热能梯级利用系统设计

1.1 系统设计原理

本文设计的水资源及热能梯级利用系统以软水作为冷酒水，冷酒器出来的高温软水一部分用于锅炉产蒸汽，剩余部分通过板式换热器，依次与泡粮水、焖粮水、清洁用水进行热交换，加热泡粮水、焖粮水、清洁水至所需温度，从而实现节约用能。经过热交换的软水依次通过闭式冷却塔和冷水机组处的板式换热器，降温至冷酒所需温度后再进入冷酒器进行冷酒，从而实现冷酒水循环利用。利用制取软水产生的废水作为清洁用水，进一步节约水资源。酿酒水资源及热能梯级利用系统工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图Fig.1 Process flow chart

1.2 系统组成

水资源及热能梯级利用系统由软水系统、热水系统、换热系统、冷却系统、自动控制系统组成。软水系统、热水系统、换热系统、冷却系统之间通过管道依次连接，形成一个循环系统。自动控制系统用于对软水系统、热水系统、换热系统、冷却系统的功能化控制。

1.2.1 软水系统

软水系统包括软水机组、冷水罐。软水机组出水管分为软化水出水管和废水出水管，软化水出水管与冷水罐进水管连接，废水出水管连接在清洁水罐处的板式换热器上。冷水罐进水管与冷水机组处板式换热器连接。

1.2.2 热水系统

热水系统由冷酒器、热水罐、锅炉、热水泵组成。冷酒器进水管与冷水罐出水管连接，出水管与热水罐进水管连接。热水罐有两个出水管，一个出水管与锅炉进水管连接，另一个出水管与泡粮水罐处的板式换热器进水管连接。热水泵与热水罐连接。

1.2.3 换热系统

换热系统由3个板式换热器、泡粮水罐、焖粮水罐、清洁水罐、水泵组成。板式换热器上有软水进出水管和自来水进出水管。热水罐的出水管通过管道依次与3个板式换热器的软水进水管连接，泡粮水罐、焖粮水罐、清洁水罐进水管分别与各自对应的板式换热器自来水出水管连接。清洁水罐处的板式换热器软水出水管与闭式冷却塔进水管连接。

1.2.4 冷却系统

冷却系统由闭式冷却塔、冷水机组、板式换热器组成。闭式冷却塔出水管与冷水机组处板式换热器进水管连接。

1.2.5 自动控制系统

自动控制系统采用PLC进行控制，具有远程和近端操作功能。

（1）自动控制水温：对泡粮水罐、焖粮水罐、清洁水罐、冷水罐内水温度实行PID控制。当泡粮水、焖粮水、清洁水温度低于设定值时，向泡粮水罐、焖粮水罐、清洁水罐中通入蒸汽，使温度达到设定值。当泡粮水、焖粮水、清洁水温度接近设定值时，自动调节对应板式换热器自来水进水阀，减小或加大自来水流量，使温度达到设定值。

（2）自动控制水罐液位：控制补水阀使水罐水位在设置范围内。水罐水位低于设定值时，打开补水阀。水罐水位高于设定值时，关闭补水阀。

（3）界面显示：显示各设备运行状态和运行数据，包含压力、温度、流量、液位等。

1.3 系统工艺流程

本系统投入使用前，需先设置好压力、温度、流量、液位，设置完毕后系统即可正常运行，工艺流程如下：

（1）启动自动控制系统，打开冷水罐、冷酒器处的阀门并启动冷水泵，将冷水罐中软水（水温为15～20 ℃）泵入冷酒器。

（2）经过冷酒器冷酒后的软水，经自压进入热水罐，此时冷酒水水温达到80 ℃以上。

（3）当生产需要用蒸汽时，自动打开热水罐连接锅炉的阀门，并启动热水泵，通过热水泵将热水一部分泵入锅炉；当生产需要冷酒水时，自动打开热水罐连接板式换热器的阀门，并启动热水泵，通过热水泵将高温冷酒水依次经过泡粮水罐、焖粮水罐、清洁水罐前端的板式换热器，与自来水进行热交换。经过板式换热器被加热的自来水达到泡粮需求温度（75～80 ℃），进入泡粮水罐，作为泡粮用水；经过板式换热器被加热的自来水达到焖粮需求温度（50～60 ℃），进入焖粮水罐，作为焖粮用水；经过板式换热器被加热的废水达到清洁用水需求温度（40～45 ℃），进入清洁水罐，作为清洁用水。

（4）经过3次热交换后的冷却水还有余热，此时温度在55 ℃左右，进入闭式冷却塔进行降温冷却，降至约33 ℃（夏季最高温度）。

（5）33 ℃冷酒水通过板式换热器与冷水机组的冷冻水进行换热，将冷酒水冷至15～20 ℃，然后进入冷水罐暂存。以此重复循环实现整个冷酒水的循环利用和热能梯级利用。

（6）当生产需要泡粮水、焖粮水、清洁水时，打开对应水罐处的阀门，直接用于生产或清洁。当冷水罐中的软水低于设定值时，自动启动软水机组，通过软水机组制取软水（水温为18～20 ℃），制取软水后的废水经过板式换热器换热后进入清洁水罐，用于清洁生产。

2 本系统使用前后的效果分析

选择现有清香型白酒厂家为例进行运行成本对比分析。首先，计算本系统使用前后的年耗水量、排污量、耗蒸汽量、耗电量；其次，根据各耗能和设备投入分别计算出该厂使用系统前后的费用支出；最后，分析二者费用。

2.1 耗水及排污分析

以某清香型白酒生产厂家为例，该厂采用自来水作为冷酒水，冷酒后的高温冷却水一部分用于泡粮、焖粮、清洁，剩余大部分冷酒水采用开式冷却塔降温后与高盐高硬度水混合进入消防水池冷却后进行排放。以年产1万t白酒核算，通过数据统计得出实际耗水量及排污量，如图2所示。总用水量为551 t/d，总排污量为169 t/d。

采用本文设计的酿酒水资源及热能梯级利用系统后，耗水量及排污量如图3所示。总用水量为328 t/d，总排污量为169 t/d。

2.2 蒸汽消耗分析

对比图2、图3可知，新系统有84 t/d的80 ℃冷酒水用于锅炉生产蒸汽，避免蒸汽将84 t/d的20 ℃冷水加热至80 ℃，从而减少蒸汽消耗量。蒸汽节省量可通过式（1）计算得出［20］。

图2 某企业原耗水及排污量Fig.2 Original water consumption and sewage discharge of an enterprise

图3 新设计系统耗水及排污量Fig.3 Water consumption and sewage discharge of the new design system

式中 Q——吸收或释放的热量，J；

c——物质的比热容，J/（kg·℃）；

m——质量，kg；

Δt——温度变化值，℃。

根据式（1），计算出的蒸汽节省量为8.4 t/d，按年生产时间350天、日生产时间16小时计，则年节省蒸汽约为0.3×105t。

2.3 电量消耗分析

由于冬季完全可以通过闭式冷却塔将冷酒水冷却至20 ℃以下，因此仅夏季需要利用冷水机组将33 ℃的冷酒水降至15 ℃，运行时间为180天。根据系统设置，冷酒水循环量为25 t/h，冷水机组能效比为5。利用冷水机组运行时间、冷酒水循环量、冷水机组能效比，并通过式（1）即可计算出冷水机组电量消耗。电量消耗为15×105kW·h/a。

2.4 理论效果分析

系统使用效果理论计算值如表1所示。根据表1可知，采用本文的系统后，年产1万t白酒，耗水量由20 t减少至12 t，可减少用水8万吨，年耗水量节约40%；蒸汽消耗量由3.2 t减少至2.9 t，可减少蒸汽消耗0.3万t，年消耗量减少9%。冷却水14×105t/a全部循环利用，水重复利用总量为25.5×105t/a，排污总量为 6×105t/a，水重复利用率达到76%。

表1 使用效果理论计算值Tab.1 Theoretical calculation value of use effect

利用本文设计的系统后，水费减少23.8万元/年，电费增加28.4万元/年，蒸汽费减少75万元/年，维修费增加5.1万元。与现有运行成本相比，可节省65.3万元/年。

由上述分析可知，本文系统的研发使用，可节约用水、减少能源消耗，实现水资源循环利用和热能梯级利用，经济效益显著。

3 结语

本文设计的水资源及热能梯级利用系统，以软水作为蒸馏冷却用水，提高了冷酒用水质量，避免因水中存在杂质而影响冷酒效率，保证白酒品质。同时实现冷却水100%循环利用，满足清洁生产的白酒制造业一级标准，实现水资源综合利用率达76%。冷却水用于锅炉产生蒸汽，减少天然气的消耗量，节约能源；加热自来水供泡粮、闷粮、清洁使用，进一步节约能源；将制取软水产生的废水用冷却水加热用作清洁用水，废水再利用，提高水资源的利用价值。水资源及热能梯级利用系统的研发可有效控制冷却水温度，满足冷酒工艺需求，提高白酒优质酒率，为实现白酒酿造行业的节能减排奠定了基础。