脫氧水制水及供水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

李銘 李貫球 曾粦軍

關(guān)鍵字：脫氧水；碳酸水；分段制水；分級用水

隨著高濃釀造的普及，啤酒廠對脫氧水的需求越來越大。相關(guān)資料顯示，脫氧水制備約占啤酒企業(yè)氨系統(tǒng)制冷負(fù)荷的26%[1]，是啤酒用電耗能的重點(diǎn)關(guān)注工序。傳統(tǒng)脫氧水由釀造水經(jīng)過脫氧、冷卻和碳酸化處理制備而成，具有溶解氧含量低、水溫低和CO2含量高的特點(diǎn)。為了更好地區(qū)分，下文定義：經(jīng)脫氧而未經(jīng)碳酸化處理的水為脫氧水；經(jīng)脫氧且碳酸化處理的水為碳酸水（即傳統(tǒng)脫氧水）。過去，碳酸水廣泛用于釀造冷區(qū)各生產(chǎn)工序，如高濃稀釋、啤酒過濾和管道設(shè)備頂水，其制備工藝及使用流程存在以下問題：

首先，制水冷卻方式采用氨泵供冷和一段冷卻法，整體制水能耗較高；

其次，釀造管道/設(shè)備頂水更側(cè)重于隔氧需求，對水溫和CO2含量要求沒有稀釋用水的嚴(yán)格，統(tǒng)一采用碳酸水將造成不必要的能源消耗；

最后，制水過程填充CO2采用粗放式的手動調(diào)節(jié)方式。在一定壓力下，不同制水流量和溫度需要的CO2填充量不同，采用人工控制方式不僅無法準(zhǔn)確填充CO2，還會造成大量CO2逸出和浪費(fèi)。

當(dāng)今，節(jié)能減排既是啤酒企業(yè)的社會責(zé)任，又是啤酒企業(yè)生存發(fā)展的生命線。為持續(xù)推進(jìn)節(jié)能環(huán)保綠色工廠和碳中和工廠的建設(shè)，本文將從以下幾方面探討脫氧水制備及使用流程的優(yōu)化措施。

1 采取重力供氨及分段冷卻技術(shù)

根據(jù)制冷原理可知，同樣的制冷量，蒸發(fā)溫度越高，制冷能效比（COP）越高。因此，將部分制冷量分配在高溫蒸發(fā)區(qū)，有利于制水系統(tǒng)節(jié)能。

舊方案中，冷媒從冷站供氨至發(fā)酵車間，制水系統(tǒng)只有1 個薄板冷卻器。從能耗方面分析：①氨泵長距離輸送消耗大量電能；②采用一段冷卻法冷媒的蒸發(fā)溫度較低（約0℃），因此制冷能耗也較高。

從安全方面分析：新的生產(chǎn)安全法規(guī)要求氨不能直接進(jìn)入食品生產(chǎn)或辦公區(qū)域，舊布局方案存在安全隱患。因此無論從能耗還是安全角度考慮，制水的工藝流程及設(shè)備布局亟需優(yōu)化。目前有些工廠在糖化冰水制備工段已采用重力供氨和分段冷卻技術(shù)，并獲得較高的節(jié)能效果。[2]同理，脫氧水冷卻方案可參考糖化冰水的冷卻案例進(jìn)行優(yōu)化配置及布局。

實(shí)現(xiàn)重力供氨及制水分段冷卻，制水系統(tǒng)需配置兩個薄板冷卻器并將其布置在冷站附近，保證能滿足重力供氨要求。中間溫度選擇方面，兩段冷卻法中間溫度設(shè)計(jì)按整個降溫區(qū)間的55%考慮[3]。以夏季水溫30℃，目標(biāo)冷卻溫度2℃測算，即（30-2）×55%=15.4℃，與冬季水溫15℃基本相符，因此中間溫度設(shè)定為15℃。冷卻時一級薄板冷卻器將水溫從30℃冷卻至15℃，設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度為10℃；二級薄板冷卻器將水溫從15℃冷卻至2℃，設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度為0℃。綜合考慮冷卻薄板冷卻能力的余量要求，實(shí)際冷卻薄板能力配置如下表1：

表1. 分段制水冷卻薄板能力

2 分級用水應(yīng)用

分析發(fā)現(xiàn)，部分管道和設(shè)備每次頂水用量少、頂水操作只是為了隔氧和預(yù)冷，對水體的溫度和CO2含量要求沒有稀釋用水的高。以年產(chǎn)30 萬千升釀造產(chǎn)能測算，釀造各工序脫氧水和碳酸水的用水統(tǒng)計(jì)如下表2 所示。

表2. 脫氧水和碳酸水用水統(tǒng)計(jì)

表2 數(shù)據(jù)可知，脫氧水和碳酸水的總用水量927m3/天，其中脫氧水用量48m3/天（占比5.2%），碳酸水用量879m3/天（占比94.8%）。即每天有48m3脫氧水不需要二級降溫和碳酸化處理,可進(jìn)一步降低制水系統(tǒng)能耗和CO2消耗。為實(shí)現(xiàn)分級用水的需求，應(yīng)從儲水和供水兩方面進(jìn)行基本配套設(shè)計(jì)。

在儲水方面，至少配置2 個儲水罐，分別用于儲存脫氧水和碳酸水。儲水罐配套高位和低位壓力變送器，通過高、低位壓力算出儲水液位，實(shí)時顯示儲水量；儲水罐還需配置高位液位開關(guān)，避免儲水罐進(jìn)水過多造成溢流；儲水罐中部配置溫度變送器，用于監(jiān)測儲水罐水溫并反饋信息至控制系統(tǒng)，自動控制儲水罐冷媒閥開關(guān)。

在供水方面，至少配置2 條供水管路滿足分級用水的需求。供水管路分別配套變頻泵和壓力變送器，保證供水系統(tǒng)恒壓供水，用于脫氧水和碳酸水單獨(dú)供出。儲水罐底部出水管路配置液位開關(guān)，用于保護(hù)供水泵，防止儲水罐空后供水泵空轉(zhuǎn)。

3 制水控制

舊式制水設(shè)備自動化水平還有待提高，前充和后充CO2均采用浮子流量計(jì)顯示添加量，通過人工調(diào)整截止閥開度來控制CO2添加量（圖1）。CO2添加量則通過現(xiàn)場測量制水結(jié)果來確認(rèn)，確認(rèn)添加量后的截止閥開度一般不作調(diào)整。

圖1. 前充及后充CO2 浮子流量計(jì)

由亨利定律可知， CO2在液體中的溶解度取決于溫度、壓力及氣體純度。在一定的壓力和氣體純度下，制水流量不同、不同季節(jié)水溫的變化均會影響填充CO2的需求量。由于人工操作無法實(shí)時調(diào)整CO2的添加量，因此需要提高電氣儀表閥門的應(yīng)用才能滿足精準(zhǔn)填充CO2的要求。具體實(shí)施方案如圖2 所示：

圖2. 脫氧水制備設(shè)備流程圖

1）在進(jìn)水管路增加流量變送器和溫度變送器，監(jiān)測進(jìn)水流量和溫度。當(dāng)制水流量偏離設(shè)定值時，通過調(diào)整進(jìn)口調(diào)節(jié)閥開度來調(diào)整進(jìn)水流量。

2）前充CO2管路增加質(zhì)量流量計(jì)和氣動調(diào)節(jié)閥。其中，質(zhì)量流量計(jì)能準(zhǔn)確監(jiān)測前充CO2添加量，氣動調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)在線CO2添加量?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)每升水在實(shí)時溫度下CO2的飽和溶解度，通過實(shí)時監(jiān)測的進(jìn)水流量、溫度和在線CO2添加量，調(diào)整氣動調(diào)節(jié)閥開度，從而達(dá)到精準(zhǔn)添加CO2的控制要求。同理，后充CO2管路同樣配套質(zhì)量流量計(jì)和氣動調(diào)節(jié)閥，控制系統(tǒng)通過后充CO2添加量根據(jù)進(jìn)水流量、溫度、CO2水中飽和溶解度和目標(biāo)CO2添加量進(jìn)行精準(zhǔn)添加控制。

3）CO2在水中飽和溶解度受壓力影響，為了保證后充CO2能充分溶解，需在出口管路配置背壓閥、壓力變送器作為穩(wěn)壓作用。

4）為了保證填充的CO2能夠快速完全的溶解，需要配置衛(wèi)生型靜態(tài)混合器，將水中未溶解的氣體大氣泡變?yōu)樾馀荩黾託怏w與水的接觸面積，確保湍流狀態(tài)下促進(jìn)CO2快速完全溶解。

4 預(yù)期節(jié)能效果

以年產(chǎn)30 萬千升釀造產(chǎn)能，每年生產(chǎn)200 天，制水能力50m3/h 測算：

1）實(shí)現(xiàn)重力供氨后，可節(jié)省一臺22kw氨泵，全年可節(jié)約用電：

927÷50×22×200=81576kw.h

2）實(shí)現(xiàn)分段制水后，冷站制冷COP提高，可降低制冷電耗：

表3.兩種制冷方法的設(shè)備參數(shù)對比

對比兩種制冷方法的制冷能效比，其中兩段制冷法平均COP 為4.15，一段制冷法COP 為3.18，兩段制冷法的COP 比一段制冷法提高30.5%，有利于冷站系統(tǒng)節(jié)能。

表4. 兩種制冷方法電耗對比

合計(jì)耗電量 8281兩段制冷法比一段制冷法節(jié)省電量(kw.h) 1879

兩段冷卻法耗電量比一段冷卻法節(jié)能：1879÷10160×100%=18.5%每年可節(jié)約用電量：200×1879=375800kw.h

3）實(shí)現(xiàn)分級用水后，制備脫氧水無需碳酸化處理。查表可知，常壓下CO2飽和溶解度與溫度關(guān)系如表5。

表5 常壓下CO2在水中的飽和溶解度

從表5 數(shù)據(jù)可知，常壓下15℃時CO2飽和溶解度1.97g/l，30℃時CO2飽和溶解度1.26g/l。此處常壓下CO2在水中的飽和溶解度即為前充CO2后脫氧水的飽和CO2含量。設(shè)定碳酸水目標(biāo)CO2含量為5g/l，則后充CO2理論值等于碳酸水目標(biāo)CO2含量減去脫氧水飽和CO2含量。

表6. 不同溫度對應(yīng)后充CO2量

由于不同溫度對應(yīng)的后充CO2理論用量不同，為了方便計(jì)算，后充CO2量按平均值3.38g/l 測算：

分級用水可節(jié)省后充CO2百分比：

48÷927×100%=5.2%

分級用水每年可節(jié)省CO2：

48×3.38÷1000×200=32.45t

4）采用精準(zhǔn)填充CO2比手動添加方式更能節(jié)省CO2。參考表6數(shù)據(jù)，如果制水系統(tǒng)不能根據(jù)具體水溫自動控制CO2添加量，則前充CO2往往按冬天工況（1.97g/l）控制，后充CO2則按夏季工況（3.74g/l）控制，將造成CO2大量浪費(fèi)。采用精準(zhǔn)控制后，由于不同溫度對應(yīng)的CO2添加量不同，無法以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)作為數(shù)據(jù)對比。為方便對比優(yōu)化前后的能耗數(shù)據(jù)，前充CO2按平均值1.62g/l，后充CO2平均值按3.38g/l測算。則優(yōu)化后前充CO2可減少添加0.35g/l，可節(jié)省前充CO217.8%，每年節(jié)約64.89t；優(yōu)化后后充CO2可減少添加0.36g/l，可節(jié)省后充CO29.6%，全年節(jié)省63.29t。

5 配套設(shè)計(jì)

5.1 因地制宜的設(shè)備布局

1）滿足重力供氨的設(shè)計(jì)。氨液供冷是最高效和最經(jīng)濟(jì)的冷卻方式，但是當(dāng)前環(huán)保安全要求，很多食品工廠的氨系統(tǒng)不允許進(jìn)入到生產(chǎn)車間內(nèi)部，因此，制水機(jī)布局應(yīng)盡量的接近冷站，這樣才可利用重力供氨的技術(shù)，減少供氨的輸送和水的輸送用電量。

2）供水管道的優(yōu)化。應(yīng)用重力供氨布局增加了制水機(jī)與儲水罐間的距離，必須做好兩者之間的管路保溫設(shè)計(jì)，避免輸水過程水溫過度上升和溶解在水中的CO2溢出。另外，供水管路管徑應(yīng)與制水管路的一致，避免增大管徑造成供水失壓，水中的CO2溢出。

5.2 錯峰用電應(yīng)用

夏季是啤酒的傳統(tǒng)生產(chǎn)旺季，同時也是電網(wǎng)用電高峰期，企業(yè)一般采用錯峰用電降低制水用電費(fèi)用。本次設(shè)計(jì)制水機(jī)能力為50m3/h，碳酸水罐有效容積300m3。按每天927m3用水需求，即每天有效制水時間18.5h，可安排制水機(jī)在谷電和平電時段邊制水邊供水，在峰電時段來臨前將儲水罐制備高位，保證儲水量滿足峰電時段的供水需求。若投資經(jīng)費(fèi)充足，可提高制水機(jī)能力和增大儲水罐容積，將制水時間全部集中在谷電時段，具體情況需結(jié)合當(dāng)?shù)氐腻e峰用電政策進(jìn)行。

5.3 閥陣應(yīng)用

傳統(tǒng)的儲水系統(tǒng)采用接管板方式滿足進(jìn)水、供水和清洗功能，但人工轉(zhuǎn)接管件既增加操作人員的工作量，又容易帶來微生物污染和溶解氧增加的風(fēng)險，不利于啤酒風(fēng)味一致性的控制。

隨著人力成本上升、啤酒質(zhì)量控制和自動化生產(chǎn)要求的提高，啤酒雙座閥陣應(yīng)用越來越普及，建議儲水罐底采用雙座閥閥陣最大限度地簡化儲水系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)。設(shè)備選型時注意選用自帶閥芯清洗功能的雙座閥，在管路清洗時能自動清洗相應(yīng)管路的閥芯，避免出現(xiàn)管板設(shè)計(jì)的清洗死角問題。在操作方面，通過釀造操作系統(tǒng)自動控制閥陣閥門開關(guān)，實(shí)現(xiàn)儲水系統(tǒng)進(jìn)水、供水和清洗全自動，同時避免了交叉污染的風(fēng)險。

6 結(jié)論

近年來，一方面是能源和原料價格不斷上漲，推高啤酒行業(yè)的生產(chǎn)成本；另一方面是碳達(dá)峰和碳中和已納入國家總體發(fā)展戰(zhàn)略，環(huán)保要求越趨嚴(yán)格。因此，做好“節(jié)能減排，綠色低碳”是啤酒企業(yè)的發(fā)展方向。本文從多方面探討制水和供水系統(tǒng)的優(yōu)化措施：

1）采用重力供氨及分段制水技術(shù)能有效降低制水電耗，每年可節(jié)約用電457376kw.h。

2）采用分級用水和精準(zhǔn)控制CO2能有效降低制水過程CO2消耗，每年可節(jié)約CO2160.63t，相當(dāng)于減少160.63tCO2排放。

3）在制水和用水配套方面，建議做好以下三方面設(shè)計(jì)：①盡量縮短制水機(jī)與冷站的距離，滿足重力供氨應(yīng)用要求；同時要提前做好供水管道保溫和管徑設(shè)計(jì)。②結(jié)合錯峰用電政策綜合做好儲水罐容積設(shè)計(jì)和制水機(jī)能力選型。③采用雙座閥閥陣替代接管板方式，提高儲水和供水系統(tǒng)的自動化水平。