国产化低压动态煮沸设备在中国啤酒工业中的应用

刘尚义

上世纪九十年代以前中国啤酒糖化煮沸工序均是采用传统工艺。传统工艺糖化二次蒸汽直接排放，能量不能回收，白白浪费掉。煮沸时间长，总蒸发强度大，耗能高，不能有效去除可挥发性芳香组分，对蛋白质组分的凝聚有破坏作用，而且排放物污染环境。

“低压煮沸”是1976 年由德国霍普曼（Huppmann）公司推出。低压动态煮沸是从普通低压煮沸发展而来，1996 年开始应用到啤酒生产中。

上世纪90 年代初，我国开始从国外引进低压煮沸设备，主要厂家包括武汉中德啤酒厂、沈阳雪花啤酒有限公司、青岛啤酒二厂等。低压煮沸主要以节能为目的，但对啤酒质量兼顾不足。低压煮沸配备了二次蒸汽回收和热能贮存系统。

煮沸锅内压力在0.01-0.03M 的恒定压力下煮沸。通过提高煮沸过程的锅内压力，从而提高麦汁温度，使煮沸时麦汁对流强烈，缩短煮沸时间，即可以提高煮沸效果又可以节约蒸汽。

麦汁从暂存槽进入煮沸锅前，首先通过板式换热器进行预热。糖化二次蒸汽将78℃的热水加热到98℃，再用其将72℃麦汁预热到93℃,进到煮沸锅内，98℃热水冷却到78℃。这样，二次蒸汽回收的热量将麦汁从72℃预热到93℃，节省大量能源。也有另加一组板式换热器将98℃热水加热到100-102℃，将麦汁从72℃加热到95—97℃。使外用蒸气只加热5—3℃，便可以使麦汁加热到100—102℃。

回收热能中的40%用于煮沸前的麦汁升温，从72℃升至93℃—97℃，剩余的60%热能制备成85℃热水，供CIP 和包装及锅炉用水。

到本世纪初期，我国一直都从国外引进“低压动态煮沸技术”。2007 年长春市万峰轻工设备有限公司首先独立自主的开发出国内第一套低压动态煮沸系统装置，并在华润雪花啤酒（宜昌）有限公司首次应用，一次试车成功。从此，国产装置替代了进口产品。

低压动态煮沸是在低压煮沸和热能回收的基础上，利用自动控制技术，实现低压动态煮沸功能。原理是麦汁在煮沸期间利用周期的升压和放压过程，通过对煮沸锅反复5 ～6 次增压和减压使之“瞬间闪蒸”，煮沸锅内麦汁翻江倒海般沸腾，达到节能降耗和提高麦汁质量的目的。低压动态煮沸的特点，就是运用膨胀蒸发的原理，当高压液体被降至低压时，液体的沸点降低，能量释放，在液体内部形成蒸气泡（二次蒸汽），这样在煮沸锅内形成了强烈的煮沸循环，从后续的麦汁蒸发中产生的气提水蒸气同时将麦汁中挥发性的有机物物质，和气提水蒸气一起从麦汁中分离出来。因此，低压动态煮沸可以进一步提高麦汁的质量达到新的工艺技术要求。

系统组成包括蒸汽冷凝器、热能回收贮存罐、麦汁预热用的热交换器等。核心技术是在低压煮沸系统的基础上，通过设在煮沸锅排气筒旁的控制阀，控制蒸汽冷凝器的流通速度，使煮沸锅内反复升压、降压，麦汁沸腾闪蒸（快速蒸发）。国产低压动态煮沸系统采用1 台工控机和1 套SIEMENS S7, 采用PROFIBUS 现场总线技术, 组成糖化煮沸锅低压煮沸、低压动态煮沸、二次蒸汽热能回收控制系统。主要控制煮沸锅的煮沸过程，煮沸锅的压力自动控制，热能回收自动控制，麦汁预热自动控制，储能罐液位自动控制。控制系统具有自动和手动操作模式,并可随时切换。工艺过程分三个步骤。

常压预煮沸。锅内的麦汁加热10 分钟后，开始预热煮沸5 ～6 分钟，以除去煮沸锅、压力调节系统和蒸汽冷凝器中的空气。

动态煮沸。开始升压，当压力升到150mbar、温度达到103℃时，开始减压，3 分钟后，煮沸锅内的压力以一定速率降低到50mbar。压力降低同时，相应的沸点也降低到101℃，并且整个锅内都产生气泡。然后又开始升压、再降压，通过6 个重复循环“瞬间蒸发”过程。

常压后熟。压力降到常压状态，再经过3 分钟“后熟”即完成低压动态煮沸全过程。

“瞬间闪蒸”是与常压煮沸最大的区别。采用低压动态煮沸可在55min 左右内完成煮沸,保证蒸发率在3.5-5%。

优点一是节约能源、降低生产成本。采用低压动态煮沸，总蒸发量由10%～12%降为3.5%～5%，减少能耗40%以上。二是提高产品质量。通过“闪蒸”使麦汁沸腾，利于有害物质挥发（DMS ＜20ppm），保留形成泡沫的可凝固性氮。三是缩短麦汁煮沸时间。由常压煮沸90 ～120 分钟缩短到45 ～60 分钟，利于提高生产能力，增加产量。四是保护环境。减少不良挥发物质的排放。煮沸锅CIP 刷洗间隔周期延长，减少刷洗次数, 同时也减少污水排放和减少环境污染。

2007 年长春市万峰轻工设备有限公司设计制造的低压动态煮沸系统应用到云南澜沧江啤酒企业集团有限公司，那里是高原地区，海拔2000 米以上。煮沸温度沸点由95℃,变为沸点可达100，煮沸时间由原来的120 分钟则可大大缩短。

1. 常压煮沸耗热量计算：

沸终后热麦汁产量=50m3=500hl, 蒸发量10% 即50hl

将进入煮沸锅的过滤麦汁加热到100℃所需耗热量:

热损失按10%计算, 则

Q2 =6437200×10%=643720KJ

升温总耗热量 : Q3= Q1+Q2=6437200+643720 = 7080920KJ

汽化热：Q4 =50×540×4.18×100

=11286000K

热损失按10%计算, 则

Q5 =11286000×10%= 1128600KJ

汽化热总热量：Q6 = Q4+Q5

=11286000 ＋1128600

=12414600KJ

常压煮沸时总耗热量 Q7= Q3+Q6

=7080920+12414600

=19495520KJ

2.低压动动态煮沸耗热量:

沸终麦汁产量 = 50kl = 500hl, 蒸发量5%即25hl

升温热量: Q1=（500+25）×（100 - 93 )×4.18×100

= 1536150KJ

热损失按10%计算:

Q2= 1536150×10%=153615KJ

升温总热量:Q3= Q1+Q2=1536150+153615=1689765KJ

汽化热: Q4=25×540×4.18×100=5643000KJ

热损失按10%计算，则 Q5=5643000×10%=564300KJ

汽化总耗热: Q6=Q4+Q5=5643000+564300

=6207300KJ

低压动动态煮沸耗热量:

Q7=Q3+Q5=1689765+6207300

=7897065KJ

3.低压动态煮沸对比常压煮沸节省耗能量:

Q=19495520-7897065

=11598455KJ

节能效率: ŋ =11598455/19495520

= 59.5%

4.经济效益分析：

将麦汁从72℃预热到93℃时1 锅酒耗热量：

Q1= G×C×Δ

= 55×103 ×（93-72）×4.18

=4827×103 ≈ 4.9MKJ

年生产锅次300 天, 每天生产7 锅酒, 7×300=2100 锅/年

全年麦汁生产总预热量：Q2=4.9MKJ×2100 锅=10290MKJ

吨煤产生的热量：Q3=8.2MKJ

年节省煤量:Q/Q=10290MKJ/8.2MKJ=1255 吨

年节省费用：1255 吨煤×460 元/吨=57.7 万元

采用动态煮沸，每锅减少汽化热：25×540=1.35MKJ，年节省费用1.35MKJ×2100 锅÷8.2MKJ×460 元/吨=15.9 万元。

全年节省费合计：57.7+15.9=73.6 万元。