白酒釀造水資源綜合利用研究

張 超，李錦松，張懷山，林遠(yuǎn)康，陳 濤，傅其旭，唐永清

（瀘州老窖集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 瀘州 646000）

我國(guó)水資源較匱乏、分布不均，長(zhǎng)年的“低價(jià)水”使很多行業(yè)忽視了對(duì)水資源的保護(hù)和有效利用，造成水資源的嚴(yán)重污染和浪費(fèi)[1-3]。為節(jié)約用水、減少排污，國(guó)家出臺(tái)大量關(guān)于水資源利用的法律法規(guī)，以法律來(lái)控制污染，最終保護(hù)水資源，保障水資源的可持續(xù)利用[4-5]。針對(duì)耗水、排污較大的白酒釀造行業(yè)，環(huán)保部要求到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[6]。因此，如何降低白酒釀造行業(yè)的耗水量，實(shí)現(xiàn)水資源的綜合利用，成為一個(gè)廣為關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題[7-8]。本文從傳統(tǒng)水資源利用系統(tǒng)、涼水塔水資源利用系統(tǒng)、制冷設(shè)備水資源利用系統(tǒng)三個(gè)方面總結(jié)了白酒釀造水資源利用發(fā)展概況，分析比較三種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)一步提出水資源綜合利用解決方案，為白酒釀造行業(yè)的節(jié)能減排提供參考。

1 白酒釀造水資源利用概況

傳統(tǒng)白酒釀造水資源經(jīng)一次利用后大部分直接排放，耗水量及排污量均較大[9-10]。隨著白酒釀造行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，水資源利用系統(tǒng)不斷改進(jìn)，為減少水資源的消耗以及排污，出現(xiàn)了涼水塔水資源利用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)冷酒水的循環(huán)利用[11-14]。為穩(wěn)定保證冷酒效果，進(jìn)一步在涼水塔的基礎(chǔ)上進(jìn)行了研究，引入大型制冷機(jī)組，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷酒水溫度的有效降低和控制[15-16]。

1.1 傳統(tǒng)水資源利用系統(tǒng)

以小曲清香白酒釀造為例，年生產(chǎn)時(shí)間350 d，日生產(chǎn)時(shí)間16 h，年產(chǎn)小曲清香白酒2萬(wàn)t，總用水量為1 009 t/d，總排污量為764 t/d，如圖1所示。由圖1可知，耗水量最大為蒸餾冷酒水，約14 t水/t酒（800 t/d），其他耗水為軟水裝置用水、泡糧用水、燜糧用水。耗能為加熱泡糧水、燜糧水至所需溫度，鍋爐產(chǎn)蒸汽。蒸餾后的高溫冷酒水（80℃）一部分用于泡糧、燜糧，一部分用于清潔用水，剩余400 t/d的高溫冷酒水直接排放，增加了大量的排污。

圖1 傳統(tǒng)水資源利用系統(tǒng)耗水量及排污量Fig.1 Water consumption and emissions of traditional water resources utilization system

1.2 涼水塔水資源利用系統(tǒng)

由圖1可知，冷酒水主要用于冷酒，不產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，不產(chǎn)生污染，冷酒后僅將水溫提高，這部分冷酒水完全可以降溫后重復(fù)循環(huán)利用[17-18]。涼水塔冷酒水利用工藝流程見(jiàn)圖2。為達(dá)到節(jié)約用水的目的，張延林等[19-21]在傳統(tǒng)水資源利用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)：利用涼水塔冷卻高溫冷酒水并補(bǔ)充一定的新水，實(shí)現(xiàn)了冷酒水的循環(huán)利用。

圖2 涼水塔冷酒水利用工藝流程圖Fig.2 Flow chart of cool water utilization process with cooling tower

1.3 大型制冷機(jī)組水資源利用系統(tǒng)

利用涼水塔冷卻高溫冷酒水后的極限水溫度為當(dāng)?shù)貪袂驕囟?，由于濕球溫度與環(huán)境氣候有很大關(guān)系，不同地區(qū)的濕球溫度不一致，尤其是夏天，冷卻后的冷酒水水溫已達(dá)35℃左右，無(wú)法滿(mǎn)足大部分白酒企業(yè)使用冷酒水控制接酒溫度的生產(chǎn)工藝要求，只能通過(guò)大量補(bǔ)充新水來(lái)保證接酒溫度，從而造成水資源的浪費(fèi)[22-24]。大型制冷機(jī)組冷酒水利用工藝流程如圖3所示。

圖3 大型制冷機(jī)組冷酒水利用工藝流程圖Fig.3 Flow chart of cool water utilization process with large refrigerating units

為進(jìn)一步節(jié)約水資源，宋新南等[25-26]在涼水塔水資源利用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)：利用涼水塔對(duì)高溫冷酒水冷卻后再引入大型制冷機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷酒水溫度的有效降低和控制。

1.4 綜合分析

采用涼水塔冷卻冷酒水，實(shí)現(xiàn)了冷酒水的循環(huán)利用；在涼水塔的基礎(chǔ)上引入大型制冷機(jī)組，不僅實(shí)現(xiàn)冷酒水的循環(huán)利用，還能實(shí)現(xiàn)冷酒水溫度的有效降低和控制。但是采用大型制冷機(jī)組，其設(shè)備昂貴，電功率消耗較大，夏季釀酒冷酒水的降溫也因白酒釀造成本限制而無(wú)法采用[27-28]。并且，三種系統(tǒng)所采用的冷酒水均為自來(lái)水，自來(lái)水硬度高，含有大量的鈣鎂離子，造成大量水垢積累，直接影響換熱效率以及冷酒水的使用量，且冷酒器除垢清理勞動(dòng)強(qiáng)度大，降低冷酒器的使用壽命[29]。此外，上述幾種系統(tǒng)僅考慮冷酒水循環(huán)利用，并未對(duì)冷酒水的熱能充分利用，從而造成能源的浪費(fèi)。

為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，本文提出一種新型水資源綜合利用系統(tǒng)。首先，采用軟水作為冷酒水，冷酒后的高溫軟水一部分降溫后循環(huán)利用，另一部分用于鍋爐產(chǎn)蒸汽；其次，冷酒器采用分段進(jìn)水設(shè)計(jì)，一段通入低溫軟水，二段通入經(jīng)封閉式?jīng)鏊鋮s后的軟水，通過(guò)打開(kāi)一段進(jìn)水管并同時(shí)調(diào)節(jié)二段進(jìn)水管內(nèi)軟水的流量，來(lái)穩(wěn)定保證接酒溫度，實(shí)現(xiàn)冷酒水循環(huán)利用；最后，利用中央控制系統(tǒng)對(duì)軟水系統(tǒng)、蒸餾系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)進(jìn)行功能化控制。

2 新型水資源綜合利用系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成與功能

圖4 新型水資源綜合利用布局圖Fig.4 Layout chart of new water resources comprehensive utilization system

如圖4所示，整個(gè)白酒釀造水資源綜合利用系統(tǒng)由軟水系統(tǒng)、蒸餾系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)組成，軟水系統(tǒng)、蒸餾系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)之間依次連接，并且冷卻系統(tǒng)與蒸餾系統(tǒng)之間連接，形成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)。中央控制系統(tǒng)用于對(duì)軟水系統(tǒng)、蒸餾系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)的功能化控制。

2.1.1 軟水系統(tǒng)

軟水系統(tǒng)包括軟水裝置、軟水箱和軟水泵，軟水箱上安裝有壓力變送器，當(dāng)軟水箱中的水位低于壓力變送器設(shè)定值時(shí)，中央控制系統(tǒng)自動(dòng)控制軟水裝置的啟停，向軟水箱內(nèi)補(bǔ)充軟水，以滿(mǎn)足軟水需求。

2.1.2 蒸餾系統(tǒng)

蒸餾系統(tǒng)包括封閉式套管冷卻器、蒸餾甑、熱電偶。封閉式套管冷卻器采用一段進(jìn)水與二段進(jìn)水設(shè)計(jì)且出水管上安裝有熱電偶，可在線監(jiān)測(cè)封閉式套管冷卻器出水溫度；中央控制系統(tǒng)通過(guò)熱電偶反饋的信號(hào)，自動(dòng)打開(kāi)一段進(jìn)水管并調(diào)節(jié)二段進(jìn)水管內(nèi)軟水流量，以保證接酒溫度。

2.1.3 熱水系統(tǒng)

熱水系統(tǒng)包括熱水箱、鍋爐多級(jí)給水泵、臥式燃?xì)庹羝仩t，熱水箱起緩存軟水的作用。熱水箱上安裝有壓力變送器，當(dāng)熱水箱中的水位低于壓力變送器設(shè)定值時(shí)，軟水依次經(jīng)軟水裝置出水管、二段水管、封閉式套管冷卻器、封閉式套管冷卻器出水管進(jìn)入熱水箱，以補(bǔ)充熱水箱中的軟水。中央控制系統(tǒng)可自動(dòng)控制鍋爐多級(jí)給水泵啟停，以滿(mǎn)足鍋爐用水。

2.1.4 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)包括熱水泵、板式換熱器、熱水桶和封閉式?jīng)鏊?，高溫軟水通過(guò)板式換熱器、封閉式?jīng)鏊M(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫冷酒水降溫后循環(huán)利用，并節(jié)約能源。

2.1.5 中央控制系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器、模擬量輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、通訊模塊、電源模塊、報(bào)警模塊、繼電器等組成。中央控制系統(tǒng)可根據(jù)軟水箱、熱水箱、熱水桶的液位信息控制相關(guān)進(jìn)水管的開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)并補(bǔ)充軟水與自來(lái)水，根據(jù)熱電偶反饋信號(hào)調(diào)節(jié)二段進(jìn)水流量并控制封閉式?jīng)鏊倪\(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)水資源的綜合利用。

2.2 系統(tǒng)工作原理

水資源綜合利用系統(tǒng)投入使用前，需先設(shè)置好壓力傳感器的啟動(dòng)液位（簡(jiǎn)稱(chēng)高限）和終止液位（簡(jiǎn)稱(chēng)低限），設(shè)置完畢后，實(shí)現(xiàn)水資源的綜合利用可分為以下幾個(gè)個(gè)步驟：

步驟一：將糟醅加入蒸餾甑的同時(shí)，臥式燃?xì)庹羝仩t加熱軟水，并向蒸餾甑中通入高溫蒸汽，蒸餾甑完成上甑后，將甑蓋加在蒸餾甑上，調(diào)小蒸汽通入量并繼續(xù)通入高溫蒸汽進(jìn)行蒸餾產(chǎn)生酒蒸汽。

步驟二：開(kāi)啟軟水系統(tǒng)，軟水由出水管進(jìn)入封閉式套管冷卻器作為蒸餾的一段進(jìn)水，經(jīng)封閉式?jīng)鏊蟮能浰鳛檎麴s的二段進(jìn)水，一段進(jìn)水一直保持進(jìn)水，通過(guò)調(diào)節(jié)二段進(jìn)水的大小以調(diào)節(jié)蒸餾出水溫度，從而保持合適的接酒溫度。

步驟三：軟水在封閉式套管冷卻器中溫度升高后，作為蒸餾出水進(jìn)入熱水箱。

步驟四：熱水箱中的蒸餾出水一部分進(jìn)入臥式燃?xì)庹羝仩t被加熱產(chǎn)生高溫蒸汽，另一部分進(jìn)入板式換熱器，板式熱交換器以自來(lái)水作為冷源，熱交換后的自來(lái)水溫度升高，儲(chǔ)存于熱水桶用于泡糧、燜糧。

步驟五：熱交換后的蒸餾冷酒水進(jìn)入封閉式?jīng)鏊?，后的蒸餾冷酒水作為蒸餾的二段進(jìn)水進(jìn)入封閉式套管冷卻器，然后用于酒蒸汽后溫度升高，進(jìn)入熱水箱，依次實(shí)現(xiàn)循環(huán)。

2.3 軟水補(bǔ)充質(zhì)量計(jì)算

釀酒過(guò)程中白酒的接酒溫度控制尤為重要。由于夏季封閉式?jīng)鏊畹蜏囟葹?5℃，采用封閉式?jīng)鏊?，此時(shí)的接酒溫度為35～36℃，而冷酒工藝要求的接酒溫度為20～30℃，因此，還需補(bǔ)充少量低溫軟水（20℃）才能使35～36℃的白酒出酒降溫至20～30℃。此外，由于一段進(jìn)水管不可調(diào)節(jié)，為避免熱水箱的軟水溢出，一段進(jìn)水管軟水補(bǔ)充質(zhì)量（通過(guò)軟水裝置補(bǔ)充）應(yīng)小于鍋爐用水量（9 900 kg/h）。因此，一段進(jìn)水管的軟水補(bǔ)充質(zhì)量需詳細(xì)設(shè)計(jì)。根據(jù)酒降溫釋放熱量Q放與軟水升溫吸收熱量Q吸相等，可計(jì)算出軟水補(bǔ)充質(zhì)量，軟水補(bǔ)充量計(jì)算公式如下：

式中：Q為吸收或釋放的熱量，J/h；c為比熱，水的比熱為4 200 J/（kg·℃）；m為質(zhì)量，kg/h；Δt為溫度變化值，℃。

酒降溫釋放熱量Q放：由于酒精的比熱比水小，為穩(wěn)定保證效果，在計(jì)算酒精釋放的熱量時(shí)，以最大釋放熱量來(lái)計(jì)算，即以水的比熱來(lái)計(jì)算，因此，c為4 200 J/（kg·℃）；年生產(chǎn)時(shí)間350 d，日生產(chǎn)時(shí)間16 h，年產(chǎn)小曲清香白酒2萬(wàn)t，故m為3600kg/h；Δt為36℃的白酒降溫至20℃的溫度變化（即16℃）。根據(jù)式（1）即可得到釋放熱量Q放=4200J/（kg·℃）×3 600 kg/h×16℃=241 920 000 J/h。

軟水補(bǔ)充質(zhì)量m：根據(jù)上述分析可知，Q吸=Q放=241 920 000 J/h；c為4 200 J/kg；Δt為20 ℃的軟水升溫至35℃的溫度變化（即15℃）。根據(jù)式（1），即可得到軟水補(bǔ)充質(zhì)量m=241 920 000 J/h÷4 200 J/（kg·℃）÷15℃=3 840 kg/h。

2.4 新型水資源綜合利用系統(tǒng)耗水與排污

采用新型白酒釀造水資源綜合利用系統(tǒng)后，年產(chǎn)小曲清香酒2萬(wàn)t，冷酒水全部循環(huán)利用，總用水量為689 t/d，排污量為384 t/d，耗水量及排污量如圖5所示。

圖5 新型水資源綜合利用耗水量及排污量Fig.5 Water consumption and emissions of new water resources comprehensive utilization system

3 綜合比較白酒釀造水資源利用效果的理論計(jì)算

上述內(nèi)容對(duì)新型水資源綜合利用系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步分析其使用效果，需與另外三種系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。首先，根據(jù)白酒產(chǎn)量分別計(jì)算出四種水資源利用系統(tǒng)的水資源消耗量及排污量；其次，根據(jù)水電消耗、排污總量、設(shè)備投資計(jì)算出總消耗費(fèi)用；最后，以新型水資源綜合利用消耗費(fèi)用為基準(zhǔn)，分別計(jì)算另外三種系統(tǒng)的節(jié)約費(fèi)用，從而得出新型水資源綜合利用系統(tǒng)的理論使用效果，白酒釀造水資源利用使用效果理論計(jì)算值如表1所示。

表1 理論計(jì)算值Table 1 Theoretical calculating value

由表1可知，新型水資源綜合利用系統(tǒng)較三種系統(tǒng)均有優(yōu)勢(shì)：與傳統(tǒng)水資源利用系統(tǒng)相比，可節(jié)水約12萬(wàn)t/年，節(jié)約水費(fèi)36萬(wàn)元/年；減排約13萬(wàn)t/年，減少排污費(fèi)117萬(wàn)元/年。由于軟水系統(tǒng)、封閉式?jīng)鏊\(yùn)行費(fèi)用約為10萬(wàn)元/年，因此，可降低生產(chǎn)成本約141萬(wàn)元/年；與涼水塔水資源利用系統(tǒng)相比，冷酒器采用分段進(jìn)水設(shè)計(jì)，避免不同溫度的軟水從同一進(jìn)水口進(jìn)入冷酒器，從而降低用水量，且便于調(diào)節(jié)接酒溫度，保證白酒質(zhì)量；與大型制冷機(jī)組水資源利用系統(tǒng)相比，可節(jié)省設(shè)備投入，從而降低投資約300萬(wàn)元。此外，采用大型制冷機(jī)組將800 t/d的36℃的冷酒水至20℃，需消耗電費(fèi)140萬(wàn)元/年，采用本文的系統(tǒng)，扣除軟水系統(tǒng)、封閉式?jīng)鏊\(yùn)行電費(fèi)以及設(shè)備折舊后仍可節(jié)省費(fèi)用160萬(wàn)元/年。

本文的水資源綜合利用系統(tǒng)以軟水作為蒸餾用水，提高了用水質(zhì)量，可減少設(shè)備維護(hù)成本約30萬(wàn)元。并且由于冷酒水的循環(huán)利用（800 t/d），可實(shí)現(xiàn)水重復(fù)利用率達(dá)到70%以上（總循環(huán)量與總耗水量加循環(huán)量的比值，總循環(huán)量為1 489 t/d）。冷酒后的高溫水（159 t/d）用于鍋爐用水，避免將20℃的低溫軟水加熱至80℃，從而節(jié)約蒸汽16 t/d。同時(shí)避免將362 t/d的20℃泡糧水、燜糧水加熱至57℃，從而節(jié)約蒸汽22 t/d。蒸汽價(jià)格為200 t/d，從而節(jié)約蒸汽消耗費(fèi)用約260萬(wàn)元/年。

由上述分析可知，白酒釀造水資源綜合利用系統(tǒng)的研發(fā)使用，可節(jié)約用水、降低污水排放量、降低生產(chǎn)成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的水資源綜合利用系統(tǒng)，以軟水作為蒸餾用水，提高了冷酒用水質(zhì)量，避免因水中存在雜質(zhì)而對(duì)冷酒效率的影響，保證白酒品質(zhì)，同時(shí)減少設(shè)備維護(hù)成本。另一方面，采用中央控制系統(tǒng)集成控制，自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，極大提高生產(chǎn)效率。此外，蒸餾采用分段進(jìn)水設(shè)計(jì)，避免不同水溫的軟水直接混合，便于控制接酒溫度，保證白酒質(zhì)量。蒸餾出水一部分進(jìn)入熱水系統(tǒng)用于蒸餾，另一部分經(jīng)系統(tǒng)后作為蒸餾進(jìn)水，實(shí)現(xiàn)蒸餾出水的循環(huán)利用，節(jié)約用水，減少排污，降低能耗，水重復(fù)利用率達(dá)到70%以上。本文的白酒釀造水資源綜合利用系統(tǒng)的研發(fā)，為白酒釀造行業(yè)的節(jié)能減排提供了參考方案。

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