乳粉喷雾干燥工艺参数对环境影响的不确定性研究

2021-08-14张遵浩张峻霞田玮周珊珊宋雅慧曾琦李洋

中国乳品工业 2021年7期

张遵浩，张峻霞，田玮，周珊珊，宋雅慧，曾琦，李洋

（1.天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室，天津300222；2.天津科技大学机械工程学院，天津300222；3.黑龙江甄源坊乳品有限公司，黑龙江虎林158400；4.天津理工大学艺术学院，天津300384）

0 引言

乳粉需求的逐年提升，促进了产能的释放，增大了乳粉行业的能耗和对环境的排放[1-2]。作为乳粉生产中能耗最大的环节，喷雾干燥的工艺参数的不确定导致了所产生的环境影响的不确定。因此对其进行不确定性分析，找到对环境影响最大的工艺参数十分重要。然而目前缺少该方面的研究，仅有一些针对其他设备或过程的不确定性分析[3-11]。孟献昊[3]对乳品降膜蒸发器进行了不确定性分析，发现蒸汽消耗量对系统不确定性影响最大，占比60%。

本文建立乳粉喷雾干燥系统生命周期评价模型，分析工艺参数对系统产生的环境影响的不确定性，找到对环境的不确定性影响最大的工艺参数。填补了该方向不确定性研究的空白，为乳粉生产商和设备制造商可持续经营和发展提供了指导。

1 实验

1.1 评价方法

为定量分析乳粉喷雾干燥工艺参数对系统环境影响的不确定性，首先建立了系统的生命周期评价模型，通过输入特定的产能需求，能够求解对应的系统生命周期的环境影响总值。

1.1.1 乳粉喷雾干燥过程

以两段式乳粉喷雾干燥系统为研究对象，与资源、能源消耗以及排放相关的主要设备包括空气加热器、干燥塔、振动流化床、旋风分离器、进风机、排风机[12-13]。具体干燥过程如下：浓缩乳经高压泵送至干燥塔顶部，由雾化器将其分散成雾状液滴。液滴与由进风机引入干燥塔的热空气充分接触，其水分被迅速蒸发呈干粉状落入塔底，完成第一阶段干燥。再通过振动流化床实现第二阶段干燥，经筛分机筛选，含有微粉的空气通过旋风分离器进行分离，废气通过排风机排出。

1.1.2 目标与范围确定

本研究主体为年产量3 000 t的全脂乳粉的喷雾干燥系统，每天工作12 h，年工作300 d，工作寿命为20年，功能单位为将总质量为1.23×109t，含水量为52%的浓缩乳干燥为含水量3%的乳粉产品。根据生命周期评价方法，将全脂乳粉喷雾干燥系统分解为6个阶段，如图1所示，包括系统原材料获取、系统相关设备的生产制造、设备的运输、系统的使用、系统的维护以及系统相关设备的回收处理阶段。

图1 乳粉喷雾干燥系统LCA流程

1.1.3 清单分析

本研究基于四川大学和亿科公司合作开发的eBalance软件中的中国生命周期基础数据库（Chinese Life Cycle Database，CLCD），并结合相关文献中的数据。在原材料获取及设备生产制造阶段，系统主要设备如干燥塔、流化床等材质以不锈钢为主，因此将设备原材料设为不锈钢，该阶段主要资源消耗为铁矿石、石灰石等不锈钢原材料。在设备生产制造期间主要消耗不锈钢，设备制造过程主要消耗电力，能耗为0.8028 MJ/kg[14]。运输阶段采用载重量8 t的中型货车，燃料为柴油。使用阶段主要为加热干燥奶粉的空气所需的蒸汽，以及保证奶粉干燥过程中进气、排气正常所消耗的电力。系统维护阶段主要涉及清洗，包括设备的干洗和湿洗，其中干洗频率为1次/d，湿洗频率为1次/月，本研究考虑设备清洗阶段需要消耗大量的工业用水和碱性清洗剂。系统回收处理方式包括熔化回收和掩埋，其中系统设备钢材的61.7%采用耗电量为600 k Wh/t的熔化炉熔化为铁水进行循环再利用，其余部分采取掩埋处理[15]。

1.1.4 系统环境影响评价

环境影响评价是对环境输入输出的潜在影响进行识别和评价，并确定系统环境影响贡献大小以及相对重要性。总共分3个步骤，包括影响类别选择、特征化以及量化评价。通过清单分析和相关文献发现系统主要的环境排放为CO2、SO2、CO、COD等，因此结合环境影响类别对应的当量物质，本研究选取的类别为初级能源消耗（Primary Energy Demand，PED）、全球变暖潜值（Global Warming Potential，GWP）、酸化潜值（Acidification Potential，AP）、富营养化潜值（Eutrophication Potential，EP）、光化学污染潜值（Photochemical Oxidation Potential，POCP）。

1.2 乳粉喷雾干燥工艺不确定性分析

在给定的物料参数和产能需求的前提下，由于乳粉喷雾干燥工艺参数存在不确定性，会导致系统的环境影响的不确定，因此本文分析了工艺参数对环境的影响程度。

1.2.1 不确定性分析步骤

本研究采用蒙特卡洛方法进行不确定性分析，具体步骤为：首先根据相关文献选取乳粉喷雾干燥工艺参数及对应变化区间；然后对参数按均匀分布进行区间内的拉丁超立方抽样，生成200个参数组合样本，并导入乳粉喷雾干燥系统的LCA模型，求出系统对环境影响的不确定性结果，如图2。

图2 系统不确定性分析流程

1.2.2 乳粉喷雾干燥工艺参数的选取

结合喷雾干燥系统相关文献[12-13]，选定了乳粉喷雾干燥系统工艺参数及其变化区间如表1所示。

表1 乳粉喷雾干燥工艺参数及取值范围

1.2.3 不确定性分析方法

结合经验累计分布函数（Empirical Cumulative Distribution Function，ECDF）方法对乳粉喷雾干燥系统环境影响进行不确定性分析[16]。其原理简述如下。

设x1，x2，…xn为总体X的一组样本数为n的观测值，

则Fn(X)为总体X的经验累积分布函数，其中H为指示函数，即

可以看出，经验累计分布函数是对样本中生成点的累积分布函数的估计。对于每个观测值，一个经验累计分布函数显示小于该值的点的百分比。由于点的个数是有限的，经验累计分布函数是一个阶梯函数。

1.3 乳粉喷雾干燥工艺敏感性分析方法

树型高斯过程模型（Treed Gaussian process，TGP）是将静态高斯过程与决策树相结合的全局敏感性方法，该敏感性分析方法是将TGP与基于方差分解的Sobol方法相结合，可更好地处理非线性动态模型[17]。TGP方法共分为两步，首先根据输入和输出变量的矩阵得出了高斯过程的机器学习模型，然后采用基于方差的敏感性分析法通过计算该模型，得到不同因素的重要性程度。

2 结果与分析

乳粉喷雾干燥工艺参数对环境的不确定性影响如图3所示。由图3（a）柱状图和图3（b）经验累计分布函数图可以看出，乳粉加工过程对环境的影响总值主要分布在1.8×104～2.1×104之间，其中1.85×104～2.00×104为最大概率范围，环境负荷的均值为1.93×104，标准差约为7.55×102，中位数为1.934×104。图4为环境影响对乳粉喷雾干燥工艺参数的敏感性分析结果。

图3 系统环境影响的不确定性

图4 工艺参数对系统环境影响的不确定性

由图4可以看出，3个子图分别对应系统的参数的主效应、一阶效应以及全效应。主效应图中显示了环境影响随着乳粉喷雾干燥工艺参数的变化情况。从图4（a）中可以看到环境影响与干燥塔进口空气温度（X 1）呈明显的正相关性，表明随着干燥塔进口空气温度的升高会明显提高乳粉加工过程对环境的影响，这是由于干燥过程所用的空气采用发电厂的蒸汽加热，我国的电力结构以燃煤发电厂为主，电力的生产需要燃烧大量的煤炭，并产生各种排放（如温室气体），因此干燥塔进口空气温度越高，蒸汽消耗量越多，乳粉加工过程对环境的影响越大。图4（a）中还可以看到进风机（X 4）和排风机（X 5）的全风压也对环境影响起到较为明显的作用，这是因为进风机和排风机风压决定了风机所用电机的功率，功率影响了乳粉加工过程的总耗电量，电力生产对环境也产生了重要的影响。敏感性分析显示浓缩乳进料温度（X 2）和干燥塔废气温度（X 3）与环境影响的相关性较小。

图4（b）和4（c）显示了乳粉加工工艺参数的一阶效应和全效应，一个参数的一阶效应和总效应值越大则说明该变量越重要。一阶效应与总效应之间的差异是由于该变量与其他输入变量之间的交互作用而产生的输出的方差。两者差异越大意味着该变量与其他变量之间的交互作用越强[18]。从图4（b）中可以看出，干燥塔进口空气温度对环境影响占比约92%，排风机全风压和进风机全风压对环境影响占比分别约6%、2%，也证实了图4（a）中进口空气温度的决定性作用。图4（c）中显示排风机全风压和进风机全风压的值较主效应值均有约1%～2%的降低，表明两个参数与其他参数间存在一定的抑制作用。

图4（a）中标准化输入变量在-0.4～0.4之间时，干燥塔进口空气温度（X 1）、进风机（X 4）和排风机（X 5）的全风压与环境影响的正相关性明显，但在标准化输入变量小于-0.4和大于0.4时，3个变量的正相关性均有所减弱，斜率趋于平缓，意味着此时3个变量对系统环境影响的贡献程度减弱。3个变量的减弱程度不同，其中X 1的减弱程度最大，明显大于X 4和X 5，此时X 4、X 5对环境影响的贡献程度增大，再根据图4（c）可知此时2个变量与其他变量间的抑制作用也增大。由此可以进一步解释图3中环境影响总值的分布情况，图3中显示环境影响总值在小于1.8×104和大于2.05×104时的分布较少，仅为0.75%，此时的干燥塔进口空气温度对环境影响总值的贡献减弱，而进风机和排风机的风压与其他变量间的抑制作用增强，增大了环境影响的取值难度，从而降低了取值的概率。在环境影响总值为1.8×104～2.05×104区间时，干燥塔进口空气温度重要程度即斜率均匀，意味着其对环境影响的主导作用不变，同时进风机和排风机的全风压的作用减弱，交互作用也减弱，因此该区间的取值分布也更均匀。尽管通过敏感性分析可知，降低干燥塔进口空气温度、排风机和进风机的全风压能有效降低乳粉喷雾干燥过程对环境的影响，但是乳粉生产的最重要的目标是保证乳粉的品质，也取决于乳粉加工过程的工艺参数[19]。有研究表明含水量、吸湿性和溶解度等表征乳粉品质的特性与干燥塔进口空气温度密切相关[20]，因此改进乳粉喷雾干燥工艺参数时，需要在保护环境和保证品质之间寻找平衡点。乳粉的含水量对乳粉的品质至关重要，水分含量过低会降低乳粉在味道、色泽等方面对消费者的吸引力，而水分过高会导致口感黏稠[21]。吸湿性过高会降低储存时间，从而影响营养素的保存[22]。研究表明降低干燥塔进口空气温度能够显著降低吸湿性，这是由于较低的进气温度会增加产品的含水量。溶解度对于确定乳粉的重建过程也非常重要，有研究表明其随着干燥塔进口空气温度的提高而提高[23]。