釀酒冷卻水全封閉式循環(huán)利用系統(tǒng)的應(yīng)用研究

楊 俊，李 峰，歐雪梅，曹宇航，任劍波，彭遠(yuǎn)松，馬 卓

（瀘州老窖股份有限公司，四川瀘州 646000）

在白酒釀造過程的蒸餾工藝中，需要消耗大量的冷卻水將酒蒸汽從氣態(tài)冷凝成液態(tài)，溫度升高的冷卻水蘊(yùn)含大量的熱能。在白酒行業(yè)傳統(tǒng)工藝中，常用的冷卻方式是利用自來水冷卻后直接排放，浪費(fèi)大量的水資源，同時(shí)產(chǎn)生較大的廢水量和熱污染。針對(duì)耗水量、排污量較大的白酒釀造行業(yè)，環(huán)保部要求提高生產(chǎn)用水的重復(fù)利用率，蒸餾用冷卻水應(yīng)封閉循環(huán)利用[1]。降低耗水量和廢水排放量，特別是白酒蒸餾過程中冷卻水的消耗量，成為了白酒企業(yè)必須盡快解決的技術(shù)問題。針對(duì)高耗水、高排放的問題，白酒釀造企業(yè)開展了大量研究并提出各種不同的節(jié)水措施。洋河大曲酒業(yè)在冷卻水回收上采用全封閉回收管網(wǎng)，將冷卻水回收匯入集水池，分配給浴室和包裝車間洗瓶，最后作為生產(chǎn)生活用水使用，可節(jié)水30%左右[2]。貴州某醬香型白酒，采用赤水河河水對(duì)酒蒸汽冷卻降溫，產(chǎn)生50 ℃的低溫冷卻水直接排放至赤水河，造成赤水河熱污染，影響赤水河生態(tài)[3]。茅臺(tái)酒廠某制酒車間采用閉式冷卻塔降溫的方式再循環(huán)利用冷卻水，節(jié)約了大量的工業(yè)用水且減少了熱污染[4]。但在夏季高溫高濕天氣下，冷卻效果并不理想，同時(shí)循環(huán)冷卻水在使用過程中，容易造成冷卻塔和冷凝器結(jié)垢和腐蝕，嚴(yán)重影響冷卻效果。

白酒蒸餾冷卻工藝的高耗水、高排放、熱污染、設(shè)備結(jié)垢和腐蝕等問題都嚴(yán)重影響白酒企業(yè)的發(fā)展，本文對(duì)釀酒冷卻水進(jìn)行研究，以期減少水資源的消耗以及余熱能的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)冷卻水的循環(huán)使用和余熱回收利用。

1 白酒冷卻水系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)程

國(guó)內(nèi)某大型白酒生產(chǎn)企業(yè)通過對(duì)釀酒冷卻水循環(huán)利用系統(tǒng)不斷改進(jìn)，在白酒行業(yè)中首次應(yīng)用和投入建成了釀酒冷卻水全封閉式循環(huán)利用系統(tǒng)，從而成功解決了高耗水、熱污染、設(shè)備結(jié)垢和腐蝕等問題，并有效控制和降低了冷卻水溫度，為白酒生產(chǎn)提供可靠的冷卻水條件，提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。本文將對(duì)此系統(tǒng)的不同發(fā)展情況進(jìn)行介紹和分析，為白酒行業(yè)的冷卻水系統(tǒng)提供參考。

1.1 傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)

該企業(yè)最初的冷卻水系統(tǒng)見圖1，是采用自來水直接冷卻，不經(jīng)過降溫處理，直接排放，這造成了水資源浪費(fèi)及熱污染。同時(shí)自來水在冷卻過程中蒸發(fā)，鈣鎂離子濃度不斷升高，造成工藝設(shè)備嚴(yán)重結(jié)垢、腐蝕，影響冷卻效果，也將加大自來水的用量。

圖1 傳統(tǒng)白酒蒸餾冷卻工藝

1.2 冷卻塔冷卻系統(tǒng)

為了避免熱污染問題，該企業(yè)在傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，改造后的冷卻水系統(tǒng)見圖2。采用常規(guī)的冷卻塔降溫后，再進(jìn)行排放的工藝流程，釀酒車間排出冷卻水的溫度為50～60 ℃，經(jīng)過兩級(jí)冷卻塔降至40 ℃以下后，直接排放。這在一定程度上減少了熱污染，但每天冷卻水用量大，水資源仍被大量排放，存在水資源、能源浪費(fèi)的問題。冷卻塔的降溫效果與濕球溫度密切相關(guān)，在夏季高溫高濕天氣下，冷卻效果并不理想，同時(shí)冷卻水在使用過程中，容易造成冷卻塔和冷凝器結(jié)垢和腐蝕，嚴(yán)重影響冷卻效果。而且隨著企業(yè)的擴(kuò)大生產(chǎn)，冷卻水的用水量和排放量逐漸增加，排放量超過企業(yè)的排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 白酒蒸餾冷卻塔冷卻工藝

為了解決大量自來水被浪費(fèi)的問題，一些白酒企業(yè)提出將采用冷卻塔降溫后的冷卻水再送回釀酒車間循環(huán)利用[4-5]。這實(shí)現(xiàn)了冷卻水循環(huán)利用，節(jié)約了大量水資源。但通過冷卻塔降溫送回至釀酒車間的冷卻水溫度在32 ℃左右，需要加大冷卻水的流量和自來水補(bǔ)水量，才能達(dá)到冷卻效果。同時(shí)用冷卻塔降溫的效果易受外界影響，無法有效降低和控制冷卻的水溫度，影響釀酒生產(chǎn)。

該循環(huán)冷卻水系統(tǒng)屬于敞開式循環(huán)系統(tǒng)，冷卻水在使用過程中不斷蒸發(fā)，各種無機(jī)物濃縮析出晶體和有機(jī)物易滋生微生物導(dǎo)致冷卻水變質(zhì)，且冷卻塔在室外受到陽(yáng)光照射、風(fēng)吹雨淋、灰塵雜物進(jìn)入，造成設(shè)備腐蝕和微生物的大量滋生，從而影響制冷效果。

圖3 白酒蒸餾冷卻塔冷卻循環(huán)利用工藝

1.3 制冷機(jī)組輔助制冷冷卻系統(tǒng)

為有效地降低和控制冷卻水的回用溫度，許多研究者提出了不同的方案。宋新南[6]提出了在原有冷卻塔后增加大型離心式制冷機(jī)組，實(shí)現(xiàn)冷卻水溫度的有效降低和控制。2018 年茅臺(tái)酒廠采用閉式冷卻塔將冷卻水的溫度降至32 ℃左右后，再采用直燃型（燃?xì)怛?qū)動(dòng)）制冷機(jī)進(jìn)行二次冷卻降溫至22 ℃，22 ℃的低溫水再經(jīng)過原冷凝器循環(huán)，解決了在炎熱的夏季無法進(jìn)行冷卻的問題，但額外增加了天然氣的消耗[3]。這兩套輔助制冷冷卻系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了冷卻水的循環(huán)利用，有效地節(jié)約了水資源、減少了熱污染，但需要額外消耗大量電能和天然氣，冷卻水在循環(huán)使用中，易造成設(shè)備結(jié)垢、腐蝕等問題還未解決。

圖4 白酒蒸餾制冷機(jī)組輔助制冷冷卻工藝

1.4 新型水資源綜合利用系統(tǒng)

為回收冷酒水的熱能，張超等[7]提出了一種新型水資源綜合利用系統(tǒng)。將冷酒后的高溫軟水一部分通過板式換熱器、閉式塔降溫后循環(huán)利用，另一部分用于鍋爐產(chǎn)蒸汽。冷酒器采用分段進(jìn)水設(shè)計(jì)，首先將大量補(bǔ)充新水通入冷凝器一段進(jìn)行冷卻，再通過調(diào)節(jié)二段冷卻的循環(huán)水進(jìn)水的流量以調(diào)節(jié)蒸餾出水溫度，從而保持合適的接酒溫度。其中板式熱交換器是以自來水作為冷源，熱交換后的自來水溫度升高，儲(chǔ)存于熱水桶作為生產(chǎn)用水使用后再排放。此系統(tǒng)利用了冷酒水的熱能進(jìn)行生產(chǎn)和產(chǎn)一部分高溫蒸汽，節(jié)約了一定用水量和蒸汽生產(chǎn)費(fèi)用。但在冷酒過程中還需要一直通入大量軟水進(jìn)行冷卻，同時(shí)生產(chǎn)用水經(jīng)使用后仍需向外排放，造成了水資源的浪費(fèi)和生產(chǎn)成本的增加。

2 釀酒生產(chǎn)冷卻水全封閉式循環(huán)利用系統(tǒng)

2.1 工藝流程及原理

為了充分利用冷卻水熱能、減少潔凈水用量和降低廢水排放，該企業(yè)首次成功研究和應(yīng)用了一種釀酒冷卻水全封閉式循環(huán)利用系統(tǒng)，通過回收釀酒車間熱水的余熱進(jìn)行制冷。相比其他的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，本文的全封閉式系統(tǒng)主要在以下幾方面進(jìn)行了創(chuàng)新和改進(jìn)：首先在整個(gè)系統(tǒng)中均采用鈣鎂離子濃度低的除鹽水代替自來水，防止冷卻水在循環(huán)使用中造成系統(tǒng)設(shè)備結(jié)垢、腐蝕的問題。同時(shí)為了利用冷卻水余熱和實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的能量自平衡，將開式冷凝器改造為密閉式冷凝器，提高冷凝器的換熱效率，從而提高冷凝器的冷卻水出水溫度，使之達(dá)到全封閉式循環(huán)利用系統(tǒng)的要求，并保證冷卻水不與外界環(huán)境直接接觸，在整個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)全封閉式循環(huán)使用；然后采用密閉式冷凝器產(chǎn)生的高溫冷卻水（75 ℃以上）的余熱能驅(qū)動(dòng)熱水型溴化鋰吸收式制冷機(jī)進(jìn)行制冷，并對(duì)熱水型吸收式制冷機(jī)進(jìn)行改進(jìn)以滿足極端工況下的制冷需求，從而保證全年釀酒生產(chǎn)的正常運(yùn)行；最后在整個(gè)系統(tǒng)中采用三級(jí)冷卻對(duì)車間熱水進(jìn)行逐級(jí)降溫冷卻，再次保障系統(tǒng)冷卻水的出口溫度。通過以上幾點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)了冷卻水在密閉式冷凝器、熱水型溴化鋰制冷機(jī)之間進(jìn)行全封閉式循環(huán)使用，與外界無接觸且無排放，并回收冷卻水的余熱能驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，減少了電能和潔凈水用量。

圖5 新型水資源綜合利用系統(tǒng)工藝

釀酒冷卻水全封閉式循環(huán)利用系統(tǒng)工藝流程圖如圖6 所示。回收各釀酒車間密閉式冷凝器排出熱水（75 ℃以上）儲(chǔ)存在熱水箱中，熱水箱中的高溫?zé)崴紫冗M(jìn)入熱水型溴化鋰制冷機(jī)發(fā)生器進(jìn)行一級(jí)冷卻，降溫至56 ℃左右，然后再送入閉式冷卻塔進(jìn)行二級(jí)冷卻，降溫至35 ℃左右，最后再將冷卻水送回至溴化鋰制冷機(jī)組蒸發(fā)器進(jìn)行三級(jí)冷卻，最后制取20 ℃以下的冷水供釀酒車間循環(huán)使用。在本系統(tǒng)中，采用開式冷卻塔為熱水型溴化鋰吸收式制冷機(jī)進(jìn)行降溫處理。在此冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中，不但實(shí)現(xiàn)了全封閉式冷卻循環(huán)，同時(shí)回收了釀酒車間排出的高溫冷卻水的熱能來驅(qū)動(dòng)機(jī)組對(duì)釀酒冷卻水進(jìn)行降溫處理，不需要另外提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了釀酒冷卻水制冷環(huán)節(jié)的能量自平衡，有效降低了釀酒生產(chǎn)的能耗。在整個(gè)系統(tǒng)中，只有閉式冷卻塔和開式冷卻塔因蒸發(fā)散熱會(huì)損失一部分水分到大氣中，需在運(yùn)行中對(duì)冷卻塔進(jìn)行間斷補(bǔ)水。但此過程不涉及向外排放廢水而造成環(huán)境污染。

圖6 釀酒冷卻水全封閉式循環(huán)利用系統(tǒng)工藝

2.2 系統(tǒng)配置

本文以該企業(yè)在羅漢釀酒生態(tài)園修建的冷卻循環(huán)水站為例，進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。該循環(huán)水站為園區(qū)所有的釀酒中心供應(yīng)釀酒冷卻循環(huán)水，釀酒生產(chǎn)為24 h 連續(xù)生產(chǎn)，全年生產(chǎn)天數(shù)250 d。根據(jù)釀酒車間生產(chǎn)工藝要求，釀酒冷卻水的進(jìn)口溫度需在20 ℃以下，釀酒出水溫度為75 ℃以上。本系統(tǒng)選用了2 臺(tái)2105 kW 的熱水型溴化鋰制冷機(jī)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 熱水型溴化鋰吸收式制冷機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3 能量自平衡

在本系統(tǒng)中，釀酒冷卻循環(huán)水分別通過溴化鋰機(jī)組發(fā)生器段、閉式冷卻塔、溴化鋰機(jī)組蒸發(fā)器段進(jìn)行逐級(jí)降溫冷卻。其中整個(gè)系統(tǒng)的制冷量計(jì)算公式為：

式中：Q——系統(tǒng)的制冷量，kW；

C——比熱容，水的比熱容為4.18 kJ/（kg·℃）；

m——冷水的循環(huán)流量，m3/h；

ρ——水的密度，1000 kg/m3；

T1——發(fā)生器熱水進(jìn)口溫度，℃；

T4——蒸發(fā)器冷水出口溫度，℃。

發(fā)生器的吸熱量計(jì)算公式為：

式中，T2—發(fā)生器熱水出口溫度，也是閉式冷卻塔的進(jìn)口溫度，℃。

閉式冷卻塔的制冷量計(jì)算公式為：

式中，T3—閉式冷卻塔的出口溫度，也是蒸發(fā)器冷水進(jìn)口溫度，℃。

蒸發(fā)器的制冷量計(jì)算公式為：

整個(gè)系統(tǒng)的能量實(shí)現(xiàn)了自平衡：

溴化鋰制冷機(jī)的制冷循環(huán)性能系數(shù)COP 為蒸發(fā)器產(chǎn)生的制冷量與發(fā)生器輸入熱量的比值，計(jì)算公式如下：

在常用工況（釀酒冷卻水出口溫度為75 ℃以上）下，本系統(tǒng)各級(jí)的制冷能力情況如表2所示。

表2 常用工況下冷卻水循環(huán)利用系統(tǒng)制冷量

閉式冷卻塔的出口溫度與外界環(huán)境的濕球溫度密切相關(guān)。瀘州主要的氣象參數(shù)如下：夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算干球溫度為34.6 ℃，夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算濕球溫度為27.1 ℃，夏季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算日平均溫度為31 ℃，極端最高氣溫39.8 ℃[8]。

在極端工況下，釀酒車間的熱水出口溫度最低為75 ℃，瀘州市濕球溫度為32 ℃，此時(shí)溴化鋰主機(jī)發(fā)生器的出口溫度為53 ℃，閉式冷卻塔的出口溫度可達(dá)到36 ℃。在本系統(tǒng)中，熱水型溴化鋰制冷機(jī)的COP為0.82，當(dāng)T1=75 ℃，T2=53 ℃，T3=36 ℃時(shí)，根據(jù)公式（6）可得出，冷卻水的出口溫度T4=17.96 ℃。在夏季極端工況的情況下，釀酒冷卻水的出口溫度可達(dá)到20 ℃以下，滿足釀酒生產(chǎn)的要求。本系統(tǒng)通過引入熱水型溴化鋰制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)釀酒車間熱能的回收利用，同時(shí)采用三級(jí)冷卻降溫和PLC 控制系統(tǒng)，根據(jù)工藝設(shè)備用水需求，熱水泵變頻控制，保證了冷水的供水溫度在20 ℃以下，穩(wěn)定保證了釀酒車間的出酒溫度。

2.4 系統(tǒng)運(yùn)行分析

在系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行過程中，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄，以9 月19 日—11 月29 日的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。

圖7 所示的是9 月19 日—11 月29 日溴化鋰機(jī)組發(fā)生器段熱水進(jìn)出口溫度變化曲線圖，熱水進(jìn)口溫度基本在75～90 ℃之間，熱水出口溫度基本在30～60 ℃之間，50～60 ℃的占比最大，進(jìn)出口溫差在20～40 ℃之間，說明主機(jī)發(fā)生器段的吸熱效果顯著，能有效的降低熱水溫度。

圖7 溴化鋰機(jī)組發(fā)生器段熱水進(jìn)出口溫度

圖8 所示的是9 月19 日—11 月29 日閉式塔進(jìn)出口溫度變化曲線圖，閉式塔進(jìn)口溫度基本在30～60 ℃之間，出口溫度基本在17～30 ℃之間，進(jìn)出口溫差在20～30 ℃之間，這說明閉式塔的降溫效果好，有時(shí)能僅通過兩級(jí)冷卻就將釀酒車間的熱水降低到20 ℃以下。

圖8 閉式塔進(jìn)出口溫度

圖9 所示的是9 月19 日—11 月29 日溴化鋰機(jī)組蒸發(fā)器段冷水進(jìn)出口溫度變化曲線圖，冷水進(jìn)口溫度基本在17～30 ℃之間，出口溫度基本在6.5～16 ℃之間，出口溫度均在20 ℃以下，達(dá)到了釀酒生產(chǎn)工藝的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)冷水溫度的有效降低。

圖9 溴化鋰機(jī)組蒸發(fā)器段冷水進(jìn)出口溫度

在本系統(tǒng)中，由于冷卻塔的蒸發(fā)冷卻，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中冷卻塔會(huì)蒸發(fā)損失一部分水分，因此需每日對(duì)冷卻塔進(jìn)行補(bǔ)水。在9 月19 日—11 月29 日的生產(chǎn)期間，平均日供釀酒冷卻水為2310.18 m3，系統(tǒng)平均日補(bǔ)水量為251.41 m3，系統(tǒng)平均日節(jié)水1923.39 m3，節(jié)水率為83 %，平均日減排量為2310.18 m3。通過采用釀酒冷卻水全封閉式循環(huán)利用系統(tǒng)，達(dá)到了余熱回收以及冷卻水循環(huán)使用、零排放的目的。

3 總結(jié)

為了利用冷卻水熱能、減少?gòu)U水排放，該大型白酒企業(yè)首次成功應(yīng)用了釀酒冷卻水全封閉式循環(huán)利用系統(tǒng)，通過回收釀酒車間熱水的余熱進(jìn)行制冷，為白酒行業(yè)的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)提供了參考方案。

（1）在整個(gè)系統(tǒng)中采用除鹽水作為循環(huán)水，避免因自來水中存在的各種礦物質(zhì)、離子和雜質(zhì)等造成設(shè)備腐蝕、結(jié)垢等，影響傳熱效率，減少了設(shè)備維護(hù)成本。

（2）將開式冷凝器改造為密閉式冷凝器，提高了出冷凝器的冷卻水溫度，極大地利用了釀酒車間高溫?zé)崴臒崮?，?shí)現(xiàn)了循環(huán)水在密閉式冷凝器、熱水型溴化鋰制冷機(jī)、閉式冷卻塔之間進(jìn)行全封閉式循環(huán)使用。

（3）采用釀酒車間高溫?zé)崴臒崮茯?qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了能量實(shí)現(xiàn)自平衡，并采用三級(jí)冷卻對(duì)車間熱水進(jìn)行逐級(jí)冷卻，使釀酒冷卻循環(huán)水供水溫度可控制在20 ℃以下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)冷水溫度的有效控制。

（4）實(shí)現(xiàn)了釀酒車間的冷卻水循環(huán)利用，整個(gè)系統(tǒng)節(jié)水率可達(dá)到80 %以上，減少了潔凈水的消耗以及廢水排放量。