國產(chǎn)化低壓動態(tài)煮沸設(shè)備在中國啤酒工業(yè)中的應(yīng)用

劉尚義

上世紀(jì)九十年代以前中國啤酒糖化煮沸工序均是采用傳統(tǒng)工藝。傳統(tǒng)工藝糖化二次蒸汽直接排放，能量不能回收，白白浪費掉。煮沸時間長，總蒸發(fā)強度大，耗能高，不能有效去除可揮發(fā)性芳香組分，對蛋白質(zhì)組分的凝聚有破壞作用，而且排放物污染環(huán)境。

“低壓煮沸”是1976 年由德國霍普曼（Huppmann）公司推出。低壓動態(tài)煮沸是從普通低壓煮沸發(fā)展而來，1996 年開始應(yīng)用到啤酒生產(chǎn)中。

上世紀(jì)90 年代初，我國開始從國外引進(jìn)低壓煮沸設(shè)備，主要廠家包括武漢中德啤酒廠、沈陽雪花啤酒有限公司、青島啤酒二廠等。低壓煮沸主要以節(jié)能為目的，但對啤酒質(zhì)量兼顧不足。低壓煮沸配備了二次蒸汽回收和熱能貯存系統(tǒng)。

煮沸鍋內(nèi)壓力在0.01-0.03M 的恒定壓力下煮沸。通過提高煮沸過程的鍋內(nèi)壓力，從而提高麥汁溫度，使煮沸時麥汁對流強烈，縮短煮沸時間，即可以提高煮沸效果又可以節(jié)約蒸汽。

麥汁從暫存槽進(jìn)入煮沸鍋前，首先通過板式換熱器進(jìn)行預(yù)熱。糖化二次蒸汽將78℃的熱水加熱到98℃，再用其將72℃麥汁預(yù)熱到93℃,進(jìn)到煮沸鍋內(nèi)，98℃熱水冷卻到78℃。這樣，二次蒸汽回收的熱量將麥汁從72℃預(yù)熱到93℃，節(jié)省大量能源。也有另加一組板式換熱器將98℃熱水加熱到100-102℃，將麥汁從72℃加熱到95—97℃。使外用蒸氣只加熱5—3℃，便可以使麥汁加熱到100—102℃。

回收熱能中的40%用于煮沸前的麥汁升溫，從72℃升至93℃—97℃，剩余的60%熱能制備成85℃熱水，供CIP 和包裝及鍋爐用水。

到本世紀(jì)初期，我國一直都從國外引進(jìn)“低壓動態(tài)煮沸技術(shù)”。2007 年長春市萬峰輕工設(shè)備有限公司首先獨立自主的開發(fā)出國內(nèi)第一套低壓動態(tài)煮沸系統(tǒng)裝置，并在華潤雪花啤酒（宜昌）有限公司首次應(yīng)用，一次試車成功。從此，國產(chǎn)裝置替代了進(jìn)口產(chǎn)品。

低壓動態(tài)煮沸是在低壓煮沸和熱能回收的基礎(chǔ)上，利用自動控制技術(shù)，實現(xiàn)低壓動態(tài)煮沸功能。原理是麥汁在煮沸期間利用周期的升壓和放壓過程，通過對煮沸鍋反復(fù)5 ～6 次增壓和減壓使之“瞬間閃蒸”，煮沸鍋內(nèi)麥汁翻江倒海般沸騰，達(dá)到節(jié)能降耗和提高麥汁質(zhì)量的目的。低壓動態(tài)煮沸的特點，就是運用膨脹蒸發(fā)的原理，當(dāng)高壓液體被降至低壓時，液體的沸點降低，能量釋放，在液體內(nèi)部形成蒸氣泡（二次蒸汽），這樣在煮沸鍋內(nèi)形成了強烈的煮沸循環(huán)，從后續(xù)的麥汁蒸發(fā)中產(chǎn)生的氣提水蒸氣同時將麥汁中揮發(fā)性的有機物物質(zhì)，和氣提水蒸氣一起從麥汁中分離出來。因此，低壓動態(tài)煮沸可以進(jìn)一步提高麥汁的質(zhì)量達(dá)到新的工藝技術(shù)要求。

系統(tǒng)組成包括蒸汽冷凝器、熱能回收貯存罐、麥汁預(yù)熱用的熱交換器等。核心技術(shù)是在低壓煮沸系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過設(shè)在煮沸鍋排氣筒旁的控制閥，控制蒸汽冷凝器的流通速度，使煮沸鍋內(nèi)反復(fù)升壓、降壓，麥汁沸騰閃蒸（快速蒸發(fā)）。國產(chǎn)低壓動態(tài)煮沸系統(tǒng)采用1 臺工控機和1 套SIEMENS S7, 采用PROFIBUS 現(xiàn)場總線技術(shù), 組成糖化煮沸鍋低壓煮沸、低壓動態(tài)煮沸、二次蒸汽熱能回收控制系統(tǒng)。主要控制煮沸鍋的煮沸過程，煮沸鍋的壓力自動控制，熱能回收自動控制，麥汁預(yù)熱自動控制，儲能罐液位自動控制?？刂葡到y(tǒng)具有自動和手動操作模式,并可隨時切換。工藝過程分三個步驟。

常壓預(yù)煮沸。鍋內(nèi)的麥汁加熱10 分鐘后，開始預(yù)熱煮沸5 ～6 分鐘，以除去煮沸鍋、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和蒸汽冷凝器中的空氣。

動態(tài)煮沸。開始升壓，當(dāng)壓力升到150mbar、溫度達(dá)到103℃時，開始減壓，3 分鐘后，煮沸鍋內(nèi)的壓力以一定速率降低到50mbar。壓力降低同時，相應(yīng)的沸點也降低到101℃，并且整個鍋內(nèi)都產(chǎn)生氣泡。然后又開始升壓、再降壓，通過6 個重復(fù)循環(huán)“瞬間蒸發(fā)”過程。

常壓后熟。壓力降到常壓狀態(tài)，再經(jīng)過3 分鐘“后熟”即完成低壓動態(tài)煮沸全過程。

“瞬間閃蒸”是與常壓煮沸最大的區(qū)別。采用低壓動態(tài)煮沸可在55min 左右內(nèi)完成煮沸,保證蒸發(fā)率在3.5-5%。

優(yōu)點一是節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本。采用低壓動態(tài)煮沸，總蒸發(fā)量由10%～12%降為3.5%～5%，減少能耗40%以上。二是提高產(chǎn)品質(zhì)量。通過“閃蒸”使麥汁沸騰，利于有害物質(zhì)揮發(fā)（DMS ＜20ppm），保留形成泡沫的可凝固性氮。三是縮短麥汁煮沸時間。由常壓煮沸90 ～120 分鐘縮短到45 ～60 分鐘，利于提高生產(chǎn)能力，增加產(chǎn)量。四是保護(hù)環(huán)境。減少不良揮發(fā)物質(zhì)的排放。煮沸鍋CIP 刷洗間隔周期延長，減少刷洗次數(shù), 同時也減少污水排放和減少環(huán)境污染。

2007 年長春市萬峰輕工設(shè)備有限公司設(shè)計制造的低壓動態(tài)煮沸系統(tǒng)應(yīng)用到云南瀾滄江啤酒企業(yè)集團(tuán)有限公司，那里是高原地區(qū)，海拔2000 米以上。煮沸溫度沸點由95℃,變?yōu)榉悬c可達(dá)100，煮沸時間由原來的120 分鐘則可大大縮短。

1. 常壓煮沸耗熱量計算：

沸終后熱麥汁產(chǎn)量=50m3=500hl, 蒸發(fā)量10% 即50hl

將進(jìn)入煮沸鍋的過濾麥汁加熱到100℃所需耗熱量:

熱損失按10%計算, 則

Q2 =6437200×10%=643720KJ

升溫總耗熱量 : Q3= Q1+Q2=6437200+643720 = 7080920KJ

汽化熱：Q4 =50×540×4.18×100

=11286000K

熱損失按10%計算, 則

Q5 =11286000×10%= 1128600KJ

汽化熱總熱量：Q6 = Q4+Q5

=11286000 ＋1128600

=12414600KJ

常壓煮沸時總耗熱量 Q7= Q3+Q6

=7080920+12414600

=19495520KJ

2.低壓動動態(tài)煮沸耗熱量:

沸終麥汁產(chǎn)量 = 50kl = 500hl, 蒸發(fā)量5%即25hl

升溫?zé)崃? Q1=（500+25）×（100 - 93 )×4.18×100

= 1536150KJ

熱損失按10%計算:

Q2= 1536150×10%=153615KJ

升溫總熱量:Q3= Q1+Q2=1536150+153615=1689765KJ

汽化熱: Q4=25×540×4.18×100=5643000KJ

熱損失按10%計算，則 Q5=5643000×10%=564300KJ

汽化總耗熱: Q6=Q4+Q5=5643000+564300

=6207300KJ

低壓動動態(tài)煮沸耗熱量:

Q7=Q3+Q5=1689765+6207300

=7897065KJ

3.低壓動態(tài)煮沸對比常壓煮沸節(jié)省耗能量:

Q=19495520-7897065

=11598455KJ

節(jié)能效率: ? =11598455/19495520

= 59.5%

4.經(jīng)濟效益分析：

將麥汁從72℃預(yù)熱到93℃時1 鍋酒耗熱量：

Q1= G×C×Δ

= 55×103 ×（93-72）×4.18

=4827×103 ≈ 4.9MKJ

年生產(chǎn)鍋次300 天, 每天生產(chǎn)7 鍋酒, 7×300=2100 鍋/年

全年麥汁生產(chǎn)總預(yù)熱量：Q2=4.9MKJ×2100 鍋=10290MKJ

噸煤產(chǎn)生的熱量：Q3=8.2MKJ

年節(jié)省煤量:Q/Q=10290MKJ/8.2MKJ=1255 噸

年節(jié)省費用：1255 噸煤×460 元/噸=57.7 萬元

采用動態(tài)煮沸，每鍋減少汽化熱：25×540=1.35MKJ，年節(jié)省費用1.35MKJ×2100 鍋÷8.2MKJ×460 元/噸=15.9 萬元。

全年節(jié)省費合計：57.7+15.9=73.6 萬元。