張懷山，李錦松，張 超，陳 濤，林遠(yuǎn)康，唐永清

（瀘州老窖集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川瀘州 646000）

0 引言

在《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》（國(guó)發(fā)〔2007〕15號(hào)）中明確提出節(jié)能減排，包括節(jié)約能源和減少排放2個(gè)方面［1-2］。盡管我國(guó)出臺(tái)了一系列節(jié)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(huán)境的惡化程度［3-5］。我國(guó)白酒行業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中存在諸多問(wèn)題，例如水污染、土地污染和空氣污染等［6-8］。環(huán)保部要求白酒釀造行業(yè)：到2017年水重復(fù)利用率達(dá)到70%以上，到2020年水重復(fù)利用率達(dá)到80% 以上［9］。

近幾年白酒釀造行業(yè)在針對(duì)減少水資源的消耗及排污的研究中，大都采用自來(lái)水作為冷酒水，未達(dá)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(huán)水系統(tǒng)對(duì)醬香型白酒生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)，節(jié)水量為10 926 m3，節(jié)電量為1 917.2 kW·h，節(jié)能量為3.412噸標(biāo)煤。張延林［14］根據(jù)茅臺(tái)酒實(shí)際生產(chǎn)耗費(fèi)資源量探討，實(shí)踐出一種大量節(jié)約水資源的冷卻水循環(huán)利用方案。胡志平等［15］采用機(jī)械化新工藝使得米香型白酒單位耗水量降幅達(dá)到45%，單位耗煤量降幅達(dá)到35%。張超等［16］對(duì)冷酒器改造為兩段進(jìn)水，以軟水作為冷酒水，通過(guò)添加一部分新水，實(shí)現(xiàn)了水資源的循環(huán)利用以及部分熱能的利用。李錦松等［17］將熱水型溴化鋰?yán)渌畽C(jī)組與封閉式冷卻塔相結(jié)合，以軟水作為冷卻水，利用冷卻水作為熱源側(cè)制取冷量并采用多級(jí)降溫方法對(duì)高溫冷卻水進(jìn)行降溫，實(shí)現(xiàn)冷卻水的閉式循環(huán)利用。然而，對(duì)于冷卻水水量不易控制和同時(shí)需達(dá)到有效控制接酒溫度、降低成本、節(jié)能減排的目的，有必要尋找更為有效的技術(shù)手段，以實(shí)現(xiàn)水資源和熱能的綜合利用［18-19］。

本文設(shè)計(jì)了一套釀酒水資源及熱能梯級(jí)利用系統(tǒng)，以軟水作為冷酒水，冷酒器出來(lái)的高溫軟水一部分用于鍋爐產(chǎn)蒸汽，另一部分梯級(jí)加熱生產(chǎn)用水，實(shí)現(xiàn)節(jié)約用能。加熱生產(chǎn)用水后的軟水經(jīng)過(guò)兩次降溫進(jìn)入冷酒器進(jìn)行再次冷酒，實(shí)現(xiàn)冷酒水循環(huán)利用。同時(shí)利用制取軟水產(chǎn)生的廢水作為清潔用水，進(jìn)一步節(jié)約水資源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

1 水資源及熱能梯級(jí)利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本文設(shè)計(jì)的水資源及熱能梯級(jí)利用系統(tǒng)以軟水作為冷酒水，冷酒器出來(lái)的高溫軟水一部分用于鍋爐產(chǎn)蒸汽，剩余部分通過(guò)板式換熱器，依次與泡糧水、燜糧水、清潔用水進(jìn)行熱交換，加熱泡糧水、燜糧水、清潔水至所需溫度，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約用能。經(jīng)過(guò)熱交換的軟水依次通過(guò)閉式冷卻塔和冷水機(jī)組處的板式換熱器，降溫至冷酒所需溫度后再進(jìn)入冷酒器進(jìn)行冷酒，從而實(shí)現(xiàn)冷酒水循環(huán)利用。利用制取軟水產(chǎn)生的廢水作為清潔用水，進(jìn)一步節(jié)約水資源。釀酒水資源及熱能梯級(jí)利用系統(tǒng)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(tǒng)組成

水資源及熱能梯級(jí)利用系統(tǒng)由軟水系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。軟水系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)之間通過(guò)管道依次連接，形成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)用于對(duì)軟水系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的功能化控制。

1.2.1 軟水系統(tǒng)

軟水系統(tǒng)包括軟水機(jī)組、冷水罐。軟水機(jī)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(jìn)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(jìn)水管與冷水機(jī)組處板式換熱器連接。

1.2.2 熱水系統(tǒng)

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

1.2.3 換熱系統(tǒng)

換熱系統(tǒng)由3個(gè)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(jìn)出水管和自來(lái)水進(jìn)出水管。熱水罐的出水管通過(guò)管道依次與3個(gè)板式換熱器的軟水進(jìn)水管連接，泡糧水罐、燜糧水罐、清潔水罐進(jìn)水管分別與各自對(duì)應(yīng)的板式換熱器自來(lái)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(jìn)水管連接。

1.2.4 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)由閉式冷卻塔、冷水機(jī)組、板式換熱器組成。閉式冷卻塔出水管與冷水機(jī)組處板式換熱器進(jìn)水管連接。

1.2.5 自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行控制，具有遠(yuǎn)程和近端操作功能。

（1）自動(dòng)控制水溫：對(duì)泡糧水罐、燜糧水罐、清潔水罐、冷水罐內(nèi)水溫度實(shí)行PID控制。當(dāng)泡糧水、燜糧水、清潔水溫度低于設(shè)定值時(shí)，向泡糧水罐、燜糧水罐、清潔水罐中通入蒸汽，使溫度達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)泡糧水、燜糧水、清潔水溫度接近設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)板式換熱器自來(lái)水進(jìn)水閥，減小或加大自來(lái)水流量，使溫度達(dá)到設(shè)定值。

（2）自動(dòng)控制水罐液位：控制補(bǔ)水閥使水罐水位在設(shè)置范圍內(nèi)。水罐水位低于設(shè)定值時(shí)，打開(kāi)補(bǔ)水閥。水罐水位高于設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉補(bǔ)水閥。

（3）界面顯示：顯示各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，包含壓力、溫度、流量、液位等。

1.3 系統(tǒng)工藝流程

本系統(tǒng)投入使用前，需先設(shè)置好壓力、溫度、流量、液位，設(shè)置完畢后系統(tǒng)即可正常運(yùn)行，工藝流程如下：

（1）啟動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，打開(kāi)冷水罐、冷酒器處的閥門(mén)并啟動(dòng)冷水泵，將冷水罐中軟水（水溫為15～20 ℃）泵入冷酒器。

（2）經(jīng)過(guò)冷酒器冷酒后的軟水，經(jīng)自壓進(jìn)入熱水罐，此時(shí)冷酒水水溫達(dá)到80 ℃以上。

（3）當(dāng)生產(chǎn)需要用蒸汽時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)熱水罐連接鍋爐的閥門(mén)，并啟動(dòng)熱水泵，通過(guò)熱水泵將熱水一部分泵入鍋爐；當(dāng)生產(chǎn)需要冷酒水時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)熱水罐連接板式換熱器的閥門(mén)，并啟動(dòng)熱水泵，通過(guò)熱水泵將高溫冷酒水依次經(jīng)過(guò)泡糧水罐、燜糧水罐、清潔水罐前端的板式換熱器，與自來(lái)水進(jìn)行熱交換。經(jīng)過(guò)板式換熱器被加熱的自來(lái)水達(dá)到泡糧需求溫度（75～80 ℃），進(jìn)入泡糧水罐，作為泡糧用水；經(jīng)過(guò)板式換熱器被加熱的自來(lái)水達(dá)到燜糧需求溫度（50～60 ℃），進(jìn)入燜糧水罐，作為燜糧用水；經(jīng)過(guò)板式換熱器被加熱的廢水達(dá)到清潔用水需求溫度（40～45 ℃），進(jìn)入清潔水罐，作為清潔用水。

（4）經(jīng)過(guò)3次熱交換后的冷卻水還有余熱，此時(shí)溫度在55 ℃左右，進(jìn)入閉式冷卻塔進(jìn)行降溫冷卻，降至約33 ℃（夏季最高溫度）。

（5）33 ℃冷酒水通過(guò)板式換熱器與冷水機(jī)組的冷凍水進(jìn)行換熱，將冷酒水冷至15～20 ℃，然后進(jìn)入冷水罐暫存。以此重復(fù)循環(huán)實(shí)現(xiàn)整個(gè)冷酒水的循環(huán)利用和熱能梯級(jí)利用。

（6）當(dāng)生產(chǎn)需要泡糧水、燜糧水、清潔水時(shí)，打開(kāi)對(duì)應(yīng)水罐處的閥門(mén)，直接用于生產(chǎn)或清潔。當(dāng)冷水罐中的軟水低于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)軟水機(jī)組，通過(guò)軟水機(jī)組制取軟水（水溫為18～20 ℃），制取軟水后的廢水經(jīng)過(guò)板式換熱器換熱后進(jìn)入清潔水罐，用于清潔生產(chǎn)。

2 本系統(tǒng)使用前后的效果分析

選擇現(xiàn)有清香型白酒廠家為例進(jìn)行運(yùn)行成本對(duì)比分析。首先，計(jì)算本系統(tǒng)使用前后的年耗水量、排污量、耗蒸汽量、耗電量；其次，根據(jù)各耗能和設(shè)備投入分別計(jì)算出該廠使用系統(tǒng)前后的費(fèi)用支出；最后，分析二者費(fèi)用。

2.1 耗水及排污分析

以某清香型白酒生產(chǎn)廠家為例，該廠采用自來(lái)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(kāi)式冷卻塔降溫后與高鹽高硬度水混合進(jìn)入消防水池冷卻后進(jìn)行排放。以年產(chǎn)1萬(wàn)t白酒核算，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出實(shí)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(shè)計(jì)的釀酒水資源及熱能梯級(jí)利用系統(tǒng)后，耗水量及排污量如圖3所示?？傆盟繛?28 t/d，總排污量為169 t/d。

2.2 蒸汽消耗分析

對(duì)比圖2、圖3可知，新系統(tǒng)有84 t/d的80 ℃冷酒水用于鍋爐生產(chǎn)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(jié)省量可通過(guò)式（1）計(jì)算得出［20］。

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

圖3 新設(shè)計(jì)系統(tǒng)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(zhì)的比熱容，J/（kg·℃）；

m——質(zhì)量，kg；

Δt——溫度變化值，℃。

根據(jù)式（1），計(jì)算出的蒸汽節(jié)省量為8.4 t/d，按年生產(chǎn)時(shí)間350天、日生產(chǎn)時(shí)間16小時(shí)計(jì)，則年節(jié)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(guò)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(jī)組將33 ℃的冷酒水降至15 ℃，運(yùn)行時(shí)間為180天。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置，冷酒水循環(huán)量為25 t/h，冷水機(jī)組能效比為5。利用冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)間、冷酒水循環(huán)量、冷水機(jī)組能效比，并通過(guò)式（1）即可計(jì)算出冷水機(jī)組電量消耗。電量消耗為15×105kW·h/a。

2.4 理論效果分析

系統(tǒng)使用效果理論計(jì)算值如表1所示。根據(jù)表1可知，采用本文的系統(tǒng)后，年產(chǎn)1萬(wàn)t白酒，耗水量由20 t減少至12 t，可減少用水8萬(wàn)噸，年耗水量節(jié)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(wàn)t，年消耗量減少9%。冷卻水14×105t/a全部循環(huán)利用，水重復(fù)利用總量為25.5×105t/a，排污總量為 6×105t/a，水重復(fù)利用率達(dá)到76%。

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

利用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)后，水費(fèi)減少23.8萬(wàn)元/年，電費(fèi)增加28.4萬(wàn)元/年，蒸汽費(fèi)減少75萬(wàn)元/年，維修費(fèi)增加5.1萬(wàn)元。與現(xiàn)有運(yùn)行成本相比，可節(jié)省65.3萬(wàn)元/年。

由上述分析可知，本文系統(tǒng)的研發(fā)使用，可節(jié)約用水、減少能源消耗，實(shí)現(xiàn)水資源循環(huán)利用和熱能梯級(jí)利用，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的水資源及熱能梯級(jí)利用系統(tǒng)，以軟水作為蒸餾冷卻用水，提高了冷酒用水質(zhì)量，避免因水中存在雜質(zhì)而影響冷酒效率，保證白酒品質(zhì)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)冷卻水100%循環(huán)利用，滿足清潔生產(chǎn)的白酒制造業(yè)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)水資源綜合利用率達(dá)76%。冷卻水用于鍋爐產(chǎn)生蒸汽，減少天然氣的消耗量，節(jié)約能源；加熱自來(lái)水供泡糧、悶糧、清潔使用，進(jìn)一步節(jié)約能源；將制取軟水產(chǎn)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(jià)值。水資源及熱能梯級(jí)利用系統(tǒng)的研發(fā)可有效控制冷卻水溫度，滿足冷酒工藝需求，提高白酒優(yōu)質(zhì)酒率，為實(shí)現(xiàn)白酒釀造行業(yè)的節(jié)能減排奠定了基礎(chǔ)。