釀酒用稻殼清蒸余熱蒸汽的回收利用

丁國建，張宿義，2，張洪飛，邱小林，趙 杰，羅志勇*，彭遠松，馬 卓

（1.瀘州老窖股份有限公司，四川瀘州 646000；2.國家固態(tài)釀造工程技術研究中心，四川瀘州 646000）

瀘州老窖積極響應國家貫徹落實制造業(yè)轉型升級及智能化發(fā)展的號召，開展了一系列的釀酒裝備自動化、智能化研究開發(fā)及示范應用工作，將仿真技術、自動化技術、工業(yè)機器人、在線檢測、傳感器、大數(shù)據(jù)等先進科技率先應用到白酒生產(chǎn)全過程中，有效提升了白酒釀造的穩(wěn)定性、產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，建成了行業(yè)內(nèi)首個涵蓋白酒釀造全過程的智能釀造基地。

稻殼作為釀酒生產(chǎn)的主要輔料，是發(fā)酵過程中優(yōu)質(zhì)的填充劑和疏松劑。由于稻殼中含有多縮戊糖、果膠質(zhì)等成分，多縮戊糖在微生物的作用下生成糠醛，在發(fā)酵過程中影響酒質(zhì)，使用前須進行清蒸，去除稻殼中的生味、多糖等雜質(zhì)，保證基酒質(zhì)量。原有清蒸工藝是將稻殼置于蒸餾甑內(nèi)，通入蒸汽進行敞開清蒸，清蒸后的稻殼經(jīng)過攤晾冷卻，使其水分、雜味盡量散除[1]。隨著釀酒機械化裝備的發(fā)展，稻殼清蒸工藝也進行了調(diào)整優(yōu)化，采用集中蒸糠工藝，進一步提高了生產(chǎn)效率。蒸糠機作為智能釀造工藝路線的重要輔助設備，在實現(xiàn)自動化、智能化的前提下，綠色低碳、節(jié)能環(huán)保是一個必要的發(fā)展方向。

蒸糠余汽中蘊含一定品位的熱能，直接散失至大氣將產(chǎn)生較大的能源浪費，同時國家對資源節(jié)約、能源的綜合利用及節(jié)能減排等方面提出了相關要求。本文通過引入蒸糠機WSR 節(jié)能系統(tǒng)，將廢熱蒸汽通過熱交換進行余熱回收利用，并經(jīng)純化和增壓處理后輸出符合蒸糠工藝需求的新鮮蒸汽，理論聯(lián)系實際，最終節(jié)能效果達40%以上[2]。

1 余熱利用市場（行業(yè)）情況

目前余熱利用途徑主要有3 種：第一種是熱交換，是回收工業(yè)余熱最直接、效率較高的經(jīng)濟方法，該類途徑不改變余熱能量的形式，只是通過換熱設備將余熱能量直接傳遞給自身工藝的耗能流程，降低一次能源消耗；第二種是熱功轉換，利用熱功轉換可提高余熱的品位，主要采用余熱鍋爐發(fā)電，是工業(yè)余熱利用的主要形式；第三種是采用熱泵系統(tǒng)回收余熱，適用于工業(yè)和民用的低溫余熱回收[3]。本文將介紹熱泵系統(tǒng)回收余熱（蒸汽熱泵）技術。

廢蒸汽純化增壓回收技術是基于目前各工業(yè)領域廣泛應用的蒸煮、蒸餾、濃縮蒸發(fā)等高能耗工藝，研發(fā)的新型熱能節(jié)能技術。利用熱交換、熱平衡、火用平衡和能級平衡理論，對廢蒸汽進行先純化，然后利用能量在不同形式的轉化過程實現(xiàn)蒸汽無損耗減壓，壓降過程回收并壓縮純化產(chǎn)生的低壓再生蒸汽，達到低壓蒸汽循環(huán)利用的節(jié)能目的[4]。在廢蒸汽余熱回收領域?qū)儆趧?chuàng)新思路及技術，自動化程度高，運行可靠，故障率低，操作簡便。

2 蒸糠機節(jié)能應用理論分析

2.1 蒸糠機能效分析

以瀘州老窖智能釀造生產(chǎn)中的1 條蒸糠試驗生產(chǎn)線為例進行用熱分析。該生產(chǎn)線的稻殼產(chǎn)量為2800 kg/h；稻殼進入蒸糠機前的平均溫度為15 ℃，含水率為13%；蒸糠機進汽壓力0.1 MPa，蒸汽用量為2200 kg/h。

2.1.1 進入蒸糠機熱量

蒸糠機的平均進汽壓力P1=0.1 MPa，對應飽和蒸汽的焓值為h1=2706 kJ/kg，流量為m1=2200 kg/h。蒸糠機為常壓設備，清蒸過程要求控制設備內(nèi)部溫度不低于99 ℃，實際上前、中、后各部測點溫度均達100 ℃。100 ℃熱水的焓值h2=419 kJ/kg。假設進入蒸糠機的蒸汽全部放熱冷凝成100 ℃的飽和水，那么進入蒸糠機蒸汽可釋放的熱量為：

2.1.2 稻殼吸收熱量

已知進入蒸糠機前稻殼的含水率為a=13 %，生產(chǎn)線產(chǎn)量B=2800 kg/h，稻殼的比熱容為c1=1.62 kJ/kg·K，水的比熱容為c2=4.19 kJ/kg·K，進蒸糠機稻殼從溫度t1=15 ℃到完全加熱到溫度t2=100 ℃需要的熱量為：

進入蒸糠機稻殼對蒸汽能夠釋放熱量的有效利用率為：

2.1.3 煙囪排走熱量

從上面計算可以知道蒸糠機設備本身的熱效率低，且設備本身是全密閉設備，生產(chǎn)車間又相對密封，設備散熱損失有限，所以可以推斷進入蒸糠機的絕大部分蒸汽從煙囪排走。下面對蒸糠機煙囪排走蒸汽量進行測算來驗證。

從測算結果可以得出，煙囪排走的蒸汽量，有很大的熱能回收價值。

2.2 節(jié)能改造措施

2.2.1 蒸糠機尾氣回收

從上面測算結果可知，從蒸糠機煙囪排走的蒸汽量有1927 kg/h，占蒸糠機總進汽的88 %。蒸糠機排走的熱量雖然不少，但品位不高，而且含有大量的空氣和其他雜質(zhì)，不適合直接回收利用。通過技術分析，可以考慮將廢汽的熱能先轉換處理成熱水后再利用，現(xiàn)在有很多利用熱水的技術路徑，比如用來低溫發(fā)電或者是吸收式制冷，但都是基于廢熱有很大的量才值得實施。蒸糠機廢熱蒸汽不多不少的情況下，用上述技術路徑處理不太適用，節(jié)能效率很低。將從煙囪排走的廢蒸汽先經(jīng)過純化處理，產(chǎn)生潔凈再生蒸汽再經(jīng)壓縮升壓、升溫后返回蒸糠機循環(huán)使用，這樣的回收利用將是比較合理的。

（1）蒸糠機尾氣回收節(jié)能改造方案

①改造流程圖

圖1 尾氣回收改造流程圖

②具體改造說明

a.在蒸糠機旁邊增加一套WSR節(jié)能設備（廢熱蒸汽純化增壓裝置），將蒸糠機排放的廢蒸汽從WSR的吸氣口引入。

b.廢蒸汽首先進入到WSR的純化系統(tǒng)，通過熱交換將里面的空氣和液滴除掉后利用軟水產(chǎn)生潔凈再生蒸汽，余下空氣排到煙囪抽走，冷凝水收集排到廢水站處理。

c.純化系統(tǒng)輸出的潔凈再生蒸汽輸出到WSR膨脹壓縮機，利用動力蒸汽（0.4 MPa 以上）為動力，經(jīng)過膨脹做功后再將潔凈再生蒸汽壓縮升溫。

d.做功降壓后的動力蒸汽和再生蒸汽混合等壓后再一起輸送到蒸糠機使用。

（2）尾氣回收節(jié)省蒸汽量

WSR 的設計能效比為P=1.8，已知蒸糠機節(jié)能改造前用汽量m1=2200 kg/h，那么蒸糠機尾氣回收節(jié)省的蒸汽量：

2.2.2 節(jié)汽效果

經(jīng)過上述節(jié)汽改造，蒸糠機尾氣回收節(jié)省蒸汽量m2=978 kg/h，改造前蒸糠機消耗蒸汽m1=2200 kg/h，節(jié)汽改造后的綜合節(jié)汽效果：

3 具體實驗

3.1 實驗時間與地點

實驗時間：2021 年10 月—2022 年5 月；實驗地點：瀘州老窖智能釀造蒸糠試驗生產(chǎn)線。

3.2 實驗方法

按上述理論方法對設備和節(jié)能系統(tǒng)進行現(xiàn)場改造。

3.3 實驗結果

蒸糠質(zhì)量經(jīng)現(xiàn)場經(jīng)驗豐富的嘗評員進行感官評定，確認無生糠味、異味，且骨力正常。經(jīng)現(xiàn)場儀器儀表測量，蒸糠機節(jié)能改造后用汽量m3=1180 kg/h，實際節(jié)汽效果為：

電耗W=4.04 kw/h，水耗q=1180 kg/h，按節(jié)能減排（以碳排放量）綜合計算節(jié)能效果為（蒸汽參考折標系數(shù)0.09 kgce/t，電參考折標系數(shù)0.123 kgce/kw·h，除鹽水參考折標系數(shù)0.486 kgce/m3）：

3.4 經(jīng)濟效益

以單條蒸糠試驗生產(chǎn)線計，蒸糠機WSR 節(jié)能系統(tǒng)改造前蒸糠機的蒸汽用量為2200 kg/h，通過節(jié)能改造后，蒸糠機的蒸汽用量降低到1180 kg/h，按年運行時間4700 h，每年可節(jié)約蒸汽4794 噸；蒸汽單價按200 元/噸計，則每年節(jié)約95.88 萬元；再扣除相應電耗、水耗、污水處理、設備折舊等費用，每年可實現(xiàn)經(jīng)濟效益約54萬元。

3.5 社會效益

通過蒸糠機WSR 節(jié)能系統(tǒng)改造，單條蒸糠試驗生產(chǎn)線每年可減少蒸汽消耗4794 噸。0.4 MPa飽和蒸汽的折標系數(shù)為：1噸蒸汽折0.09噸標煤，每年節(jié)約的蒸汽折合標煤數(shù)為0.09×4794=431.5（噸）。節(jié)約蒸汽，相當于從源頭上減少了鍋爐污染物的排放，符合國家節(jié)能減排的方針，具有很好的社會效益。

4 小結與展望

通過現(xiàn)場實驗，節(jié)能效果與理論計算基本吻合，但系統(tǒng)中還有很多可以優(yōu)化的地方，其中：

（1）WSR 排放的廢水余熱可通過換熱器對系統(tǒng)所需軟水進行預熱，提高節(jié)能效果。

（2）經(jīng)WSR 處置后的廢氣仍可通過換熱器對軟水進一步預熱，提高節(jié)能效果。

（3）新蒸汽管道中有部分冷凝水排出，可回收至系統(tǒng)，減少軟水用量，進一步提高節(jié)能效果。

綜合分析，要提高系統(tǒng)的節(jié)能效率，只有從利用一切可利用的余熱，提高換熱效率，減少資源浪費等方面來考慮。

根據(jù)稻殼清蒸的生產(chǎn)工藝特點，從余熱回收和環(huán)保的角度出發(fā)，采用廢熱蒸汽純化增壓回收裝置和廢氣無煙排放裝置，配套相應輔助設施，利用成套自控制系統(tǒng)實現(xiàn)全自動集中控制，實現(xiàn)蒸糠余熱蒸汽的熱回收及環(huán)保處理，達到節(jié)能減排目的，不失為當前蒸糠余熱回收利用的一種新路徑。節(jié)能優(yōu)化和技術的推廣方面，值得后續(xù)繼續(xù)深入研究。