乳粉噴霧干燥工藝參數(shù)對(duì)環(huán)境影響的不確定性研究

張遵浩，張峻霞，田瑋，周珊珊，宋雅慧，曾琦，李洋

（1.天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300222；2.天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300222；3.黑龍江甄源坊乳品有限公司，黑龍江虎林158400；4.天津理工大學(xué)藝術(shù)學(xué)院，天津300384）

0 引 言

乳粉需求的逐年提升，促進(jìn)了產(chǎn)能的釋放，增大了乳粉行業(yè)的能耗和對(duì)環(huán)境的排放[1-2]。作為乳粉生產(chǎn)中能耗最大的環(huán)節(jié)，噴霧干燥的工藝參數(shù)的不確定導(dǎo)致了所產(chǎn)生的環(huán)境影響的不確定。因此對(duì)其進(jìn)行不確定性分析，找到對(duì)環(huán)境影響最大的工藝參數(shù)十分重要。然而目前缺少該方面的研究，僅有一些針對(duì)其他設(shè)備或過程的不確定性分析[3-11]。孟獻(xiàn)昊[3]對(duì)乳品降膜蒸發(fā)器進(jìn)行了不確定性分析，發(fā)現(xiàn)蒸汽消耗量對(duì)系統(tǒng)不確定性影響最大，占比60%。

本文建立乳粉噴霧干燥系統(tǒng)生命周期評(píng)價(jià)模型，分析工藝參數(shù)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)境影響的不確定性，找到對(duì)環(huán)境的不確定性影響最大的工藝參數(shù)。填補(bǔ)了該方向不確定性研究的空白，為乳粉生產(chǎn)商和設(shè)備制造商可持續(xù)經(jīng)營和發(fā)展提供了指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 評(píng)價(jià)方法

為定量分析乳粉噴霧干燥工藝參數(shù)對(duì)系統(tǒng)環(huán)境影響的不確定性，首先建立了系統(tǒng)的生命周期評(píng)價(jià)模型，通過輸入特定的產(chǎn)能需求，能夠求解對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)生命周期的環(huán)境影響總值。

1.1.1 乳粉噴霧干燥過程

以兩段式乳粉噴霧干燥系統(tǒng)為研究對(duì)象，與資源、能源消耗以及排放相關(guān)的主要設(shè)備包括空氣加熱器、干燥塔、振動(dòng)流化床、旋風(fēng)分離器、進(jìn)風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)[12-13]。具體干燥過程如下：濃縮乳經(jīng)高壓泵送至干燥塔頂部，由霧化器將其分散成霧狀液滴。液滴與由進(jìn)風(fēng)機(jī)引入干燥塔的熱空氣充分接觸，其水分被迅速蒸發(fā)呈干粉狀落入塔底，完成第一階段干燥。再通過振動(dòng)流化床實(shí)現(xiàn)第二階段干燥，經(jīng)篩分機(jī)篩選，含有微粉的空氣通過旋風(fēng)分離器進(jìn)行分離，廢氣通過排風(fēng)機(jī)排出。

1.1.2 目標(biāo)與范圍確定

本研究主體為年產(chǎn)量3 000 t的全脂乳粉的噴霧干燥系統(tǒng)，每天工作12 h，年工作300 d，工作壽命為20年，功能單位為將總質(zhì)量為1.23×109t，含水量為52%的濃縮乳干燥為含水量3%的乳粉產(chǎn)品。根據(jù)生命周期評(píng)價(jià)方法，將全脂乳粉噴霧干燥系統(tǒng)分解為6個(gè)階段，如圖1所示，包括系統(tǒng)原材料獲取、系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)制造、設(shè)備的運(yùn)輸、系統(tǒng)的使用、系統(tǒng)的維護(hù)以及系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的回收處理階段。

圖1 乳粉噴霧干燥系統(tǒng)LCA流程

1.1.3 清單分析

本研究基于四川大學(xué)和億科公司合作開發(fā)的eBalance軟件中的中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫（Chinese Life Cycle Database，CLCD），并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)。在原材料獲取及設(shè)備生產(chǎn)制造階段，系統(tǒng)主要設(shè)備如干燥塔、流化床等材質(zhì)以不銹鋼為主，因此將設(shè)備原材料設(shè)為不銹鋼，該階段主要資源消耗為鐵礦石、石灰石等不銹鋼原材料。在設(shè)備生產(chǎn)制造期間主要消耗不銹鋼，設(shè)備制造過程主要消耗電力，能耗為0.8028 MJ/kg[14]。運(yùn)輸階段采用載重量8 t的中型貨車，燃料為柴油。使用階段主要為加熱干燥奶粉的空氣所需的蒸汽，以及保證奶粉干燥過程中進(jìn)氣、排氣正常所消耗的電力。系統(tǒng)維護(hù)階段主要涉及清洗，包括設(shè)備的干洗和濕洗，其中干洗頻率為1次/d，濕洗頻率為1次/月，本研究考慮設(shè)備清洗階段需要消耗大量的工業(yè)用水和堿性清洗劑。系統(tǒng)回收處理方式包括熔化回收和掩埋，其中系統(tǒng)設(shè)備鋼材的61.7%采用耗電量為600 k Wh/t的熔化爐熔化為鐵水進(jìn)行循環(huán)再利用，其余部分采取掩埋處理[15]。

1.1.4 系統(tǒng)環(huán)境影響評(píng)價(jià)

環(huán)境影響評(píng)價(jià)是對(duì)環(huán)境輸入輸出的潛在影響進(jìn)行識(shí)別和評(píng)價(jià)，并確定系統(tǒng)環(huán)境影響貢獻(xiàn)大小以及相對(duì)重要性?？偣卜?個(gè)步驟，包括影響類別選擇、特征化以及量化評(píng)價(jià)。通過清單分析和相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)主要的環(huán)境排放為CO2、SO2、CO、COD等，因此結(jié)合環(huán)境影響類別對(duì)應(yīng)的當(dāng)量物質(zhì)，本研究選取的類別為初級(jí)能源消耗（Primary Energy Demand，PED）、全球變暖潛值（Global Warming Potential，GWP）、酸化潛值（Acidification Potential，AP）、富營養(yǎng)化潛值（Eutrophication Potential，EP）、光化學(xué)污染潛值（Photochemical Oxidation Potential，POCP）。

1.2 乳粉噴霧干燥工藝不確定性分析

在給定的物料參數(shù)和產(chǎn)能需求的前提下，由于乳粉噴霧干燥工藝參數(shù)存在不確定性，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的環(huán)境影響的不確定，因此本文分析了工藝參數(shù)對(duì)環(huán)境的影響程度。

1.2.1 不確定性分析步驟

本研究采用蒙特卡洛方法進(jìn)行不確定性分析，具體步驟為：首先根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)選取乳粉噴霧干燥工藝參數(shù)及對(duì)應(yīng)變化區(qū)間；然后對(duì)參數(shù)按均勻分布進(jìn)行區(qū)間內(nèi)的拉丁超立方抽樣，生成200個(gè)參數(shù)組合樣本，并導(dǎo)入乳粉噴霧干燥系統(tǒng)的LCA模型，求出系統(tǒng)對(duì)環(huán)境影響的不確定性結(jié)果，如圖2。

圖2 系統(tǒng)不確定性分析流程

1.2.2 乳粉噴霧干燥工藝參數(shù)的選取

結(jié)合噴霧干燥系統(tǒng)相關(guān)文獻(xiàn)[12-13]，選定了乳粉噴霧干燥系統(tǒng)工藝參數(shù)及其變化區(qū)間如表1所示。

表1 乳粉噴霧干燥工藝參數(shù)及取值范圍

1.2.3 不確定性分析方法

結(jié)合經(jīng)驗(yàn)累計(jì)分布函數(shù)（Empirical Cumulative Distribution Function，ECDF）方法對(duì)乳粉噴霧干燥系統(tǒng)環(huán)境影響進(jìn)行不確定性分析[16]。其原理簡述如下。

設(shè)x1，x2，…xn為總體X的一組樣本數(shù)為n的觀測值，

則Fn(X)為總體X的經(jīng)驗(yàn)累積分布函數(shù)，其中H為指示函數(shù)，即

可以看出，經(jīng)驗(yàn)累計(jì)分布函數(shù)是對(duì)樣本中生成點(diǎn)的累積分布函數(shù)的估計(jì)。對(duì)于每個(gè)觀測值，一個(gè)經(jīng)驗(yàn)累計(jì)分布函數(shù)顯示小于該值的點(diǎn)的百分比。由于點(diǎn)的個(gè)數(shù)是有限的，經(jīng)驗(yàn)累計(jì)分布函數(shù)是一個(gè)階梯函數(shù)。

1.3 乳粉噴霧干燥工藝敏感性分析方法

樹型高斯過程模型（Treed Gaussian process，TGP）是將靜態(tài)高斯過程與決策樹相結(jié)合的全局敏感性方法，該敏感性分析方法是將TGP與基于方差分解的Sobol方法相結(jié)合，可更好地處理非線性動(dòng)態(tài)模型[17]。TGP方法共分為兩步，首先根據(jù)輸入和輸出變量的矩陣得出了高斯過程的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，然后采用基于方差的敏感性分析法通過計(jì)算該模型，得到不同因素的重要性程度。

2 結(jié)果與分析

乳粉噴霧干燥工藝參數(shù)對(duì)環(huán)境的不確定性影響如圖3所示。由圖3（a）柱狀圖和圖3（b）經(jīng)驗(yàn)累計(jì)分布函數(shù)圖可以看出，乳粉加工過程對(duì)環(huán)境的影響總值主要分布在1.8×104～2.1×104之間，其中1.85×104～2.00×104為最大概率范圍，環(huán)境負(fù)荷的均值為1.93×104，標(biāo)準(zhǔn)差約為7.55×102，中位數(shù)為1.934×104。圖4為環(huán)境影響對(duì)乳粉噴霧干燥工藝參數(shù)的敏感性分析結(jié)果。

圖3 系統(tǒng)環(huán)境影響的不確定性

圖4 工藝參數(shù)對(duì)系統(tǒng)環(huán)境影響的不確定性

由圖4可以看出，3個(gè)子圖分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的參數(shù)的主效應(yīng)、一階效應(yīng)以及全效應(yīng)。主效應(yīng)圖中顯示了環(huán)境影響隨著乳粉噴霧干燥工藝參數(shù)的變化情況。從圖4（a）中可以看到環(huán)境影響與干燥塔進(jìn)口空氣溫度（X 1）呈明顯的正相關(guān)性，表明隨著干燥塔進(jìn)口空氣溫度的升高會(huì)明顯提高乳粉加工過程對(duì)環(huán)境的影響，這是由于干燥過程所用的空氣采用發(fā)電廠的蒸汽加熱，我國的電力結(jié)構(gòu)以燃煤發(fā)電廠為主，電力的生產(chǎn)需要燃燒大量的煤炭，并產(chǎn)生各種排放（如溫室氣體），因此干燥塔進(jìn)口空氣溫度越高，蒸汽消耗量越多，乳粉加工過程對(duì)環(huán)境的影響越大。圖4（a）中還可以看到進(jìn)風(fēng)機(jī)（X 4）和排風(fēng)機(jī)（X 5）的全風(fēng)壓也對(duì)環(huán)境影響起到較為明顯的作用，這是因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)風(fēng)壓決定了風(fēng)機(jī)所用電機(jī)的功率，功率影響了乳粉加工過程的總耗電量，電力生產(chǎn)對(duì)環(huán)境也產(chǎn)生了重要的影響。敏感性分析顯示濃縮乳進(jìn)料溫度（X 2）和干燥塔廢氣溫度（X 3）與環(huán)境影響的相關(guān)性較小。

圖4（b）和4（c）顯示了乳粉加工工藝參數(shù)的一階效應(yīng)和全效應(yīng)，一個(gè)參數(shù)的一階效應(yīng)和總效應(yīng)值越大則說明該變量越重要。一階效應(yīng)與總效應(yīng)之間的差異是由于該變量與其他輸入變量之間的交互作用而產(chǎn)生的輸出的方差。兩者差異越大意味著該變量與其他變量之間的交互作用越強(qiáng)[18]。從圖4（b）中可以看出，干燥塔進(jìn)口空氣溫度對(duì)環(huán)境影響占比約92%，排風(fēng)機(jī)全風(fēng)壓和進(jìn)風(fēng)機(jī)全風(fēng)壓對(duì)環(huán)境影響占比分別約6%、2%，也證實(shí)了圖4（a）中進(jìn)口空氣溫度的決定性作用。圖4（c）中顯示排風(fēng)機(jī)全風(fēng)壓和進(jìn)風(fēng)機(jī)全風(fēng)壓的值較主效應(yīng)值均有約1%～2%的降低，表明兩個(gè)參數(shù)與其他參數(shù)間存在一定的抑制作用。

圖4（a）中標(biāo)準(zhǔn)化輸入變量在-0.4～0.4之間時(shí)，干燥塔進(jìn)口空氣溫度（X 1）、進(jìn)風(fēng)機(jī)（X 4）和排風(fēng)機(jī)（X 5）的全風(fēng)壓與環(huán)境影響的正相關(guān)性明顯，但在標(biāo)準(zhǔn)化輸入變量小于-0.4和大于0.4時(shí)，3個(gè)變量的正相關(guān)性均有所減弱，斜率趨于平緩，意味著此時(shí)3個(gè)變量對(duì)系統(tǒng)環(huán)境影響的貢獻(xiàn)程度減弱。3個(gè)變量的減弱程度不同，其中X 1的減弱程度最大，明顯大于X 4和X 5，此時(shí)X 4、X 5對(duì)環(huán)境影響的貢獻(xiàn)程度增大，再根據(jù)圖4（c）可知此時(shí)2個(gè)變量與其他變量間的抑制作用也增大。由此可以進(jìn)一步解釋圖3中環(huán)境影響總值的分布情況，圖3中顯示環(huán)境影響總值在小于1.8×104和大于2.05×104時(shí)的分布較少，僅為0.75%，此時(shí)的干燥塔進(jìn)口空氣溫度對(duì)環(huán)境影響總值的貢獻(xiàn)減弱，而進(jìn)風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓與其他變量間的抑制作用增強(qiáng)，增大了環(huán)境影響的取值難度，從而降低了取值的概率。在環(huán)境影響總值為1.8×104～2.05×104區(qū)間時(shí)，干燥塔進(jìn)口空氣溫度重要程度即斜率均勻，意味著其對(duì)環(huán)境影響的主導(dǎo)作用不變，同時(shí)進(jìn)風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)的全風(fēng)壓的作用減弱，交互作用也減弱，因此該區(qū)間的取值分布也更均勻。盡管通過敏感性分析可知，降低干燥塔進(jìn)口空氣溫度、排風(fēng)機(jī)和進(jìn)風(fēng)機(jī)的全風(fēng)壓能有效降低乳粉噴霧干燥過程對(duì)環(huán)境的影響，但是乳粉生產(chǎn)的最重要的目標(biāo)是保證乳粉的品質(zhì)，也取決于乳粉加工過程的工藝參數(shù)[19]。有研究表明含水量、吸濕性和溶解度等表征乳粉品質(zhì)的特性與干燥塔進(jìn)口空氣溫度密切相關(guān)[20]，因此改進(jìn)乳粉噴霧干燥工藝參數(shù)時(shí)，需要在保護(hù)環(huán)境和保證品質(zhì)之間尋找平衡點(diǎn)。乳粉的含水量對(duì)乳粉的品質(zhì)至關(guān)重要，水分含量過低會(huì)降低乳粉在味道、色澤等方面對(duì)消費(fèi)者的吸引力，而水分過高會(huì)導(dǎo)致口感黏稠[21]。吸濕性過高會(huì)降低儲(chǔ)存時(shí)間，從而影響營養(yǎng)素的保存[22]。研究表明降低干燥塔進(jìn)口空氣溫度能夠顯著降低吸濕性，這是由于較低的進(jìn)氣溫度會(huì)增加產(chǎn)品的含水量。溶解度對(duì)于確定乳粉的重建過程也非常重要，有研究表明其隨著干燥塔進(jìn)口空氣溫度的提高而提高[23]。

3 結(jié) 論

本研究針對(duì)乳粉噴霧干燥過程在乳粉加工中對(duì)環(huán)境影響最大的現(xiàn)狀，構(gòu)建了乳粉噴霧干燥系統(tǒng)的LCA模型，并對(duì)環(huán)境影響進(jìn)行了不確定性分析和敏感性分析，找到了影響環(huán)境的主要工藝參數(shù)，具體得出以下結(jié)論：

（1）乳粉加工過程對(duì)環(huán)境的影響總值主要分布在1.8×104～2.1×104之間，其中主要集中在1.85×104～2.00×104之間。環(huán)境負(fù)荷的均值為1.93×104，標(biāo)準(zhǔn)差約為7.55×102，中位數(shù)為1.934×104。

（2）干燥塔進(jìn)口空氣溫度對(duì)環(huán)境影響最大，占比約92%，且呈正相關(guān)性，其次為排風(fēng)機(jī)和進(jìn)風(fēng)機(jī)的全風(fēng)壓，對(duì)環(huán)境的影響占比分別約6%和2%，濃縮乳進(jìn)料溫度和干燥塔廢氣溫度對(duì)環(huán)境的影響較小。

（3）雖然通過調(diào)整乳粉相關(guān)工藝參數(shù)能夠降低系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響，但是要考慮改善環(huán)境與保障乳粉品質(zhì)之間的平衡，例如干燥塔進(jìn)口空氣溫度與乳粉的含水量、吸濕性和溶解度等特性直接相關(guān)，因此改進(jìn)時(shí)需要綜合考慮。

（4）乳粉噴霧干燥過程所消耗的蒸汽在本研究中由鍋爐產(chǎn)生，需要消耗大量煤炭，并產(chǎn)生大量排放，因此有必要尋找其他生產(chǎn)蒸汽的方式或替代燃料，其中生產(chǎn)方式上可以考慮采用太陽能熱利用方式生成蒸汽，替代燃料方面可考慮采用生物質(zhì)燃料代替?zhèn)鹘y(tǒng)煤，上述兩種方式可以大大降低蒸汽消耗產(chǎn)生的環(huán)境影響。