乳粉二段干燥中流化床的生命周期評價及敏感性分析

曾琦，張峻霞，張遵浩，周珊珊，李洋

（1.天津市輕工與食品工程機械裝備集成設(shè)計與在線監(jiān)控重點實驗室，天津 300222；2.天津科技大學機械工程學院，天津 300222；3.黑龍江甄源坊乳品有限公司，黑龍江虎林 158400；4.天津理工大學藝術(shù)學院，天津 300384）

0 引言

我國乳品加工業(yè)作為關(guān)系民生的重要產(chǎn)業(yè)在過去幾十年得到了迅速的發(fā)展[1]。近年來乳粉需求量不斷增加，產(chǎn)能逐漸上升的同時也增加了乳粉干燥過程中的能耗。Jacopo Famiglietti 等使用了PMT_01 工具評估了不同乳制品生產(chǎn)對環(huán)境的影響[2]。Noya 等主要從全生命周期的角度，評估了西班牙東北部奶業(yè)的代表奶牛場的環(huán)境概況[3]。干燥作為乳粉生產(chǎn)過程中能耗最大的環(huán)節(jié)，對環(huán)境的影響巨大，噴霧塔和流化床二段干燥的組合，已在國內(nèi)廣泛應(yīng)用，但目前國內(nèi)對乳粉干燥領(lǐng)域的研究主要集中在工藝、技術(shù)方面，國外研究成果也大部分聚集在農(nóng)場中牛奶生產(chǎn)過程的LCA 分析，尚沒有相關(guān)文獻對乳粉干燥設(shè)備使用全生命周期的分析方法進行過環(huán)境影響分析[4-5]。

本研究采用生命周期評價方法[6-7]，定量分析乳粉干燥過程中流化床對環(huán)境造成的影響，提出了改進措施，并采用全局敏感性法[8]分析得出流化床輸入變量對環(huán)境影響的重要性排序。

1 流化床的生命周期評價

生命周期評價一般包括4 個步驟：目標與范圍的定義、清單分析、影響評價、結(jié)果解釋[9]。本文將按照這個步驟進行流化床生命周期評價。

1.1 目標與范圍界定

流化床種類很多，由于從噴霧干燥塔中得到的半干燥乳制品顆粒，顆粒不易于流化，所以在乳品工廠最常用的是外置式振動流化床[10]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 流化床結(jié)構(gòu)

本研究對目前已廣泛應(yīng)用于乳粉二段干燥中的一款流化床[11]建立了設(shè)計模型，其主要性能參數(shù)見表1。

表1 流化床主要性能參數(shù)

假設(shè)流化床設(shè)備每天工作12 h，每年工作300 d，工作壽命為20 年，則全生命周期處理物料總量為6×104t，通過計算水分蒸發(fā)量，可將功能單位定為將6.32×104t 含水量8%乳粉干燥并冷卻為含水量3%乳粉。根據(jù)生命周期評價方法將流化床分為5 個階段如圖2：原材料生產(chǎn)及流化床制造階段、流化床運輸安裝階段、使用階段、清潔維護階段、回收處理階段。分析各個過程的能源、資源消耗和環(huán)境影響。

圖2 基于全生命周期流化床的系統(tǒng)邊界

1.2 清單分析

清單分析階段主要工作為搜集數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)的輸入和輸出，研究中的數(shù)據(jù)選用由億科環(huán)境開發(fā)的生命周期評價軟件eBalance 中國基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫（Chinese Life Cycle Database，CLCD）和其內(nèi)置Ecoinvent 數(shù)據(jù)庫。本文采用基于矩陣生命周期評價方法[12-13]構(gòu)建流化床的矩陣模型，可清晰識別各個單元過程以及單元過程涉及的輸入輸出物質(zhì)等。

在原材料生產(chǎn)與流化床制造階段，根據(jù)文獻資料及設(shè)計手冊，流化床與乳粉接觸部分為不銹鋼材料，其他部分為碳鋼材料。原材料生產(chǎn)環(huán)節(jié)中主要資源消耗為生產(chǎn)不銹鋼、碳鋼材料所需的鐵礦石、石灰石等，流化床制造環(huán)節(jié)消耗不銹鋼、碳鋼材料，能源消耗為電力。原材料生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)直接從eBalance 軟件內(nèi)置數(shù)據(jù)庫中選取。流化床制造過程能耗為0.8028 MJ/kg[14]，消耗的能量主要為電力。在運輸安裝階段，根據(jù)市場調(diào)研，流化床及相關(guān)干燥設(shè)備的生產(chǎn)廠家一般集中在江浙一帶，而乳粉生產(chǎn)工廠靠近奶源產(chǎn)地，主要集中在西北、東北和華北地區(qū)，所以將設(shè)備的運輸距離設(shè)定為1 000 km，消耗的能源主要為柴油。其中安裝能耗一般消耗人力，對環(huán)境影響較小，可忽略不計。

使用階段是流化床產(chǎn)生環(huán)境影響的主要階段，乳粉在流化床中的二次干燥主要分為兩個階段，第一階段在流化床的前半段完成，通入105 ℃的熱空氣，將噴霧干燥塔中含水量為8%乳粉干燥為含水量為3%的乳粉；第二階段在流化床的后半段完成，通入20 ℃的新鮮空氣，將前半段完成干燥的乳粉冷卻為30 ℃的乳粉，以便于進行后階段的包裝過程。按照研究工作時長，在使用過程中主要消耗為鼓風機、排風機、振動電機等的耗電量及空氣加熱器所消耗的蒸汽量。

在流化床清洗維護階段，流化床的清洗方式主要包括設(shè)備的干洗和濕洗。在設(shè)備使用階段，需要每日對流化床進行干洗一次，其操作方式主要采用人工進行干掃，無主要能源消耗。每月采用就地清洗系統(tǒng)[10]（CIP）對流化床進行濕洗一次，主要消耗0.8%～1.0%硝酸溶液、0.8%～1.2%的氫氧化鈉和水。流化床的維護主要是通過人工的方式在每日生產(chǎn)前檢查，對設(shè)備進行故障處理及維護[10]，對環(huán)境幾乎沒有影響，故忽略不計。

流化床的回收處置方式為：流化床使用不銹鋼和碳鋼的61.7%[15]采用熔化爐（耗電量為600 kW·h/t 鋼材）熔化循環(huán)再利用，剩下的鋼材采取掩埋處理[16-17]。

通過上述分析，將流化床的生命周期分為不銹鋼生產(chǎn)、碳鋼生產(chǎn)、電力生產(chǎn)、流化床生產(chǎn)、公路運輸、流化床運輸、蒸汽生產(chǎn)、流化床使用、工業(yè)用水生產(chǎn)、酸生產(chǎn)、堿生產(chǎn)、流化床清潔、鐵水生產(chǎn)、垃圾掩埋、廢棄流化床15 個單元過程。其中流化床生產(chǎn)、運輸、使用、清潔及廢棄單元過程不涉及實際環(huán)境排放及資源消耗，均為0。由以上15個單元過程組成的流化床技術(shù)矩陣A為

根據(jù)CLCD 數(shù)據(jù)庫、eBalance 軟件中內(nèi)置數(shù)據(jù)庫及相關(guān)文獻，得出流化床生命周期所有單元過程涉及環(huán)境干預(yù)矩陣B 為

流化床功能單位為處理6.32×107kg 乳粉，則最終需求向量f為

由式(1)可求得流化床各階段環(huán)境干預(yù)向量，為下一步進行影響評價分析提供數(shù)據(jù)。

式中：g 為環(huán)境干預(yù)向量；A 為技術(shù)矩陣；B 為干預(yù)矩陣；f為功能單位矢量。

1.3 影響評價

影響評價是建立在清單分析的基礎(chǔ)上的，根據(jù)ISO 標準，環(huán)境影響評價需分為三步：分類、特征化、量化[18]。分類是將清單分析所得數(shù)據(jù)歸到不同環(huán)境影響類型。本研究根據(jù)中點環(huán)境影響評價方法——CML 2001 Dec 07模型[19]，選取了5種普遍使用的影響類別：初級能源消耗（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（Eutro?phication Potential,EP）、光化學污染潛值（Photochem?ical Oxidation Potential,POCP），這些指標具體含義參見文獻[19]。

通過查找數(shù)據(jù)庫，流化床清單物質(zhì)中的環(huán)境干擾因子對5種環(huán)境影響類型特征化因子矩陣可寫為

特征化是指將每一種環(huán)境影響大類中的不同影響類型通過影響因子進行匯總。通過式(2)計算流化床的各階段造成環(huán)境影響。

式中：h 為環(huán)境影響向量；Q 為特征化矩陣；g 為環(huán)境干預(yù)向量。

量化包含標準化和加權(quán)兩步。標準化通過特征化結(jié)果與標準化基準值的比值得出。由于楊建新1990 年基準體系更適用于歸一化的主要目的是獲取影響類型的相對重要性，同時該體系也是目前進行生命周期分析時普遍選擇的基準體系，故本文選擇基準值為1990 年環(huán)境影響潛值標準空間均量基準。標準化結(jié)果乘以權(quán)重因子可以得出單一的環(huán)境影響指標值，稱為加權(quán)影響，反映整個生命周期過程對潛在環(huán)境影響的相對度量。本研究中的權(quán)重系數(shù)通過層次分析法確定[20-21]，根據(jù)方根法或和積方法可求得各個指標的權(quán)重大小[22]。

所選5種環(huán)境影響種類基準值和權(quán)重因子見表3。

表3 環(huán)境影響潛值標準空間均量基準值[23]與權(quán)重

流化床特征化結(jié)果與基準值的比值為標準化結(jié)果，再乘相應(yīng)權(quán)重因子得出總的環(huán)境影響，計算出流化床環(huán)境影響總值。

2 流化床環(huán)境影響評估的敏感性分析

研究選定流化床9 個輸入變量，通過相關(guān)文獻資料和設(shè)計資料[11]可得相應(yīng)參數(shù)取值，名稱和變化范圍如表4所示。

表4 流化床設(shè)備敏感性參數(shù)及取值范圍

其中在實際生產(chǎn)過程中，選用空氣加熱器的加熱能力要比理想狀態(tài)下通過蒸發(fā)量計算得到的熱風消耗量還要大10%～20%；熱能利用系數(shù)一般不低于95%。敏感性分析采用樹型高斯過程法，屬于全局敏感性分析方法，具有計算結(jié)果準確和可視化方便的優(yōu)點。樹型高斯過程敏感分析法包含兩步，第一步根據(jù)輸入和輸出變量矩陣得出高斯過程機器學習模型[24]，第二步采用基于方差的敏感性分析法通過計算第一步得出的模型，得到不同因素的重要性程度[25]。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同影響類型的環(huán)境影響分析

從不同環(huán)境影響類型的角度，分析流化床的環(huán)境影響，如圖3 所示。初級能源消耗（PED）在總環(huán)境影響中占比最大，達到了85.62%，其次為全球變暖潛值（GWP），占比為9.31%，酸化潛值（AP）、富營養(yǎng)化潛值（EP）、光化學污染潛值（POCP）3 類在總環(huán)境影響中占比都較少，分別為1.73%、2.31%和1.03%。

圖3 流化床各環(huán)境影響類別百分比

流化床的初級能源消耗在不同的生命階段都有重要的環(huán)境影響，除廢棄回收階段對于環(huán)境有正面影響外，在使用階段占比最大。所以降低使用階段的初級能源消耗，將會明顯減少流化床的生命周期環(huán)境影響。

在流化床生命周期過程中，全球變暖潛值由使用階段主導，這是因為流化床使用過程及通過酸、堿性洗滌劑進行清潔的過程消耗能量最多，并產(chǎn)生大量的溫室氣體排放，如CO2、CH4等氣體。

富營養(yǎng)化潛值與NH4、COD 及水的排放有關(guān)，而電力生產(chǎn)產(chǎn)生大量NH4和COD，使用階段對富營養(yǎng)化潛值的貢獻最大。流化床整個生命周期過程中，富營養(yǎng)化潛值對環(huán)境影響僅次于初級能源消耗和全球變暖潛值，占總環(huán)境影響的2.53%。

酸化潛值的結(jié)果與全球變暖潛值的趨勢基本一致，使用階段對酸化潛值影響最大，由于使用過程對電力的需求較高，電力的生產(chǎn)過程會釋放大量酸性氣體。在清洗維護階段，使用酸性洗滌劑的過程中也會排放大量酸性氣體。在原材料生產(chǎn)階段，鋼材的生產(chǎn)也會釋放大量的SO2和NOX。運輸安裝過程中對酸化潛值影響較小。

在流化床全生命周期中，酸化潛值對環(huán)境的影響排第4，占總環(huán)境影響的1.73%。光化學污染潛值在使用階段占主導地位，另外由于不銹鋼與碳鋼的生產(chǎn)會產(chǎn)生大量的CH4、CO 等氣體，所以原材料生產(chǎn)與流化床制造階段的POCP 也較高。

3.2 不同生命周期階段對環(huán)境的影響

流化床在不同生命周期階段的不同環(huán)境影響類型的最終計算值如表5 所示，圖4 為流化床不同生命周期階段對于環(huán)境影響的百分比。使用階段在流化床生命周期中貢獻最大，占所有階段環(huán)境影響的98.92%。在選定的5 種環(huán)境影響指標中，使用階段的貢獻都達到了95%以上。這是由于使用過程中對電力及蒸汽的需求較大，電力的生產(chǎn)過程對煤、原油、天然氣的需求較高，對環(huán)境有非常明顯的影響。因此，為了減少流化床生命周期的環(huán)境影響，應(yīng)重點分析如何減少在使用階段的影響。

圖4 流化床生命周期各階段環(huán)境影響占比

表5 流化床生命周期環(huán)境影響總值

清潔維護階段和原材料生產(chǎn)與流化床制造階段對環(huán)境的影響較小。清潔維護階段計算的是流化床從開始生產(chǎn)至廢棄所有清洗維護環(huán)節(jié)所造成的環(huán)境影響，由于酸、堿洗劑和水耗量較多，對環(huán)境影響的貢獻排第二位，占約0.72%。原材料生產(chǎn)與流化床制造階段對環(huán)境的影響占所有階段環(huán)境影響的0.36%，主要由鐵礦石、石灰石及其他輔助材料的開采及加工過程造成，遠遠大于流化床制造環(huán)節(jié)所造成的環(huán)境影響。

運輸安裝階段對環(huán)境造成的影響占流化床全生命周期階段的0.01%，幾乎可以忽略不計?；厥仗幚黼A段環(huán)境影響貢獻為負值，主要由于不銹鋼與碳鋼的回收對環(huán)境產(chǎn)生積極作用，抵消了原材料生產(chǎn)過程對環(huán)境造成的不利影響，一定程度上減少了流化床全生命周期內(nèi)的各種環(huán)境影響。

3.3 敏感性結(jié)果分析

圖5 是基于樹型高斯過程敏感性分析法得出的流化床各因素對環(huán)境影響重要性的分析結(jié)果。圖5（a）表示不同因素單獨變化時對于輸出變量的變化（稱為主效應(yīng)，Main effect），主效應(yīng)的變化范圍在0～1 之間，如圖5（b）所示，主效應(yīng)值越大表明該因素越重要。

由圖5（a）可知，除出口乳粉含水量（w2）和鋼材回收率（ReR）外，所有因素對于環(huán)境影響都是正作用，即當這些輸入變量增加時都導致環(huán)境影響增加。其中熱空氣焓（H）和進口乳粉含水量（w1）這2 個變量的影響明顯大于其余7 個變量，通過圖5（b）也可以得到證實。圖5（b）給出的另外信息是敏感性指標（主效應(yīng)）的不確定性，采用箱線圖表達。流化床中熱空氣焓對于環(huán)境影響有一定的不確定性，但其不確定性與其它因素的效應(yīng)值幾乎沒有重疊，表明即使考慮不確定性，熱空氣焓仍然是最重要的因素，環(huán)境影響的60.68%變化都由熱空氣焓造成。造成熱空氣焓值不確定性的因素主要是熱空氣溫度及濕度，溫度與濕度越高，熱空氣焓值越高，所以在一定范圍內(nèi)降低熱空氣的溫度能減少流化床使用過程中空氣加熱器的蒸汽耗量，從而減少對環(huán)境的影響。

圖5 流化床中9個因素環(huán)境影響重要性的敏感性分析

另外一個重要的變量是進口乳粉含水量，其不確定性約占環(huán)境影響變化的36%。進口乳粉含水量在5%～8%這一合理范圍內(nèi)時，含水量越低造成的環(huán)境影響越低。但如果乳粉進入流化床時含水量低，則在噴霧干燥塔內(nèi)需蒸發(fā)的水分增加，造成噴霧干燥塔在使用階段的能耗增加，進而環(huán)境影響潛值增加。所以對于進口乳粉含水量這一變量，需要綜合考慮乳粉的整個干燥階段，才能給出合理的建議。

另外，空氣加熱器加熱能力（β）的不確定性對環(huán)境也有一部分影響，證明空氣加熱器的加熱能力越高，蒸汽耗量就會越少，對環(huán)境造成的影響也會越小。出口乳粉含水量占環(huán)境影響比例比其他幾個變量稍高，但不顯著。可能是由于出口乳粉含水量的變化范圍小，按照相關(guān)規(guī)定[26]需要將乳粉干燥到一定的含水量才能進行下一步的包裝環(huán)節(jié)。

鋼材回收率與環(huán)境影響成反比，即環(huán)境影響潛值隨著其增加而減小。所以通過改進設(shè)備加工工藝和精細化管理設(shè)備加工過程，以加大鋼材回收率，能夠在一定程度上緩解流化床對于環(huán)境的負面影響。

其他4 個因素包括流化面積（S）、熱能利用效率（η）、振動電機功率（EC）和制造能耗（MEC）變化對環(huán)境影響負荷的敏感性很低，對環(huán)境的影響占比小于1%，基本不會影響整個環(huán)境敏感性分析的可靠性。圖5（c）表示全效應(yīng)（Total effect）箱線圖，全效應(yīng)與主效應(yīng)的區(qū)別是除輸入變量單獨變化外，還需考慮變量之間的交互作用。通過比較圖5（b）和圖5（c）可知主效應(yīng)與全效應(yīng)值相差不大，表明輸入變量間的交互作用不明顯。

4 結(jié)論

本研究對乳粉二段干燥中的流化床設(shè)備進行了生命周期的環(huán)境影響評價及敏感性分析，評價結(jié)果如下：

（1）在流化床的生產(chǎn)制造、運輸安裝、使用、清洗維護、回收處理5 個階段中，除回收處理階段由于回收材料對環(huán)境影響有正面作用外，其產(chǎn)生的環(huán)境影響主要集中在使用階段。因此，在電力和蒸汽生產(chǎn)過程中，應(yīng)增加可再生能源的使用。電力方面可加大采用風力發(fā)電、水力發(fā)電等方式，蒸汽生產(chǎn)可采用太陽能聚光熱利用、生物質(zhì)能燃燒替換傳統(tǒng)的煤燃燒。還可通過提高設(shè)備使用效率，達到降低使用階段能源消耗，也可減少流化床的全生命周期環(huán)境影響。另外，在排氣口增加凈化器，使排入大氣中的SO2、NO2等物質(zhì)的量降低，這樣對全球變暖潛值和酸化潛值等環(huán)境影響都有一定的降低。

（2）在流化床對環(huán)境影響結(jié)果中，初級能源消耗（PED）在總環(huán)境影響中占比最大，為85.62%，其次為溫室效應(yīng)潛值（GWP）為9.31%，其它三類指標即富營養(yǎng)化潛值（EP）、酸化潛值（AP）、光化學污染潛值（POCP）影響較小，分別為2.31%、1.73%和1.03%。所以降低使用階段的初級能源消耗，會明顯減少流化床的環(huán)境影響。

（3）通過全局敏感性分析，得出了9 個輸入變量對于環(huán)境影響潛值的重要性排序，熱空氣焓（H）是最重要的因素，其變化可導致系統(tǒng)環(huán)境影響潛值約60%的變化，另外一個重要因素是進口乳粉含水量（w1）約占系統(tǒng)輸出變化量的36%。其他5 個因素包括流化面積（S）、熱能利用效率（η）、振動電機功率（EC）、制造能耗（MEC）和鋼材回收率（ReR）的變化對環(huán)境影響負荷的敏感性很低，對環(huán)境的影響占比小于1%，基本不會影響整個環(huán)境敏感性分析的可靠性。