乳粉二段干燥中流化床的生命周期评价及敏感性分析

曾琦，张峻霞，张遵浩，周珊珊，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

我国乳品加工业作为关系民生的重要产业在过去几十年得到了迅速的发展[1]。近年来乳粉需求量不断增加，产能逐渐上升的同时也增加了乳粉干燥过程中的能耗。Jacopo Famiglietti 等使用了PMT_01 工具评估了不同乳制品生产对环境的影响[2]。Noya 等主要从全生命周期的角度，评估了西班牙东北部奶业的代表奶牛场的环境概况[3]。干燥作为乳粉生产过程中能耗最大的环节，对环境的影响巨大，喷雾塔和流化床二段干燥的组合，已在国内广泛应用，但目前国内对乳粉干燥领域的研究主要集中在工艺、技术方面，国外研究成果也大部分聚集在农场中牛奶生产过程的LCA 分析，尚没有相关文献对乳粉干燥设备使用全生命周期的分析方法进行过环境影响分析[4-5]。

本研究采用生命周期评价方法[6-7]，定量分析乳粉干燥过程中流化床对环境造成的影响，提出了改进措施，并采用全局敏感性法[8]分析得出流化床输入变量对环境影响的重要性排序。

1 流化床的生命周期评价

生命周期评价一般包括4 个步骤：目标与范围的定义、清单分析、影响评价、结果解释[9]。本文将按照这个步骤进行流化床生命周期评价。

1.1 目标与范围界定

流化床种类很多，由于从喷雾干燥塔中得到的半干燥乳制品颗粒，颗粒不易于流化，所以在乳品工厂最常用的是外置式振动流化床[10]，结构如图1所示。

图1 流化床结构

本研究对目前已广泛应用于乳粉二段干燥中的一款流化床[11]建立了设计模型，其主要性能参数见表1。

表1 流化床主要性能参数

假设流化床设备每天工作12 h，每年工作300 d，工作寿命为20 年，则全生命周期处理物料总量为6×104t，通过计算水分蒸发量，可将功能单位定为将6.32×104t 含水量8%乳粉干燥并冷却为含水量3%乳粉。根据生命周期评价方法将流化床分为5 个阶段如图2：原材料生产及流化床制造阶段、流化床运输安装阶段、使用阶段、清洁维护阶段、回收处理阶段。分析各个过程的能源、资源消耗和环境影响。

图2 基于全生命周期流化床的系统边界

1.2 清单分析

清单分析阶段主要工作为搜集数据，确定系统的输入和输出，研究中的数据选用由亿科环境开发的生命周期评价软件eBalance 中国基础数据库（Chinese Life Cycle Database，CLCD）和其内置Ecoinvent 数据库。本文采用基于矩阵生命周期评价方法[12-13]构建流化床的矩阵模型，可清晰识别各个单元过程以及单元过程涉及的输入输出物质等。

在原材料生产与流化床制造阶段，根据文献资料及设计手册，流化床与乳粉接触部分为不锈钢材料，其他部分为碳钢材料。原材料生产环节中主要资源消耗为生产不锈钢、碳钢材料所需的铁矿石、石灰石等，流化床制造环节消耗不锈钢、碳钢材料，能源消耗为电力。原材料生产加工数据直接从eBalance 软件内置数据库中选取。流化床制造过程能耗为0.8028 MJ/kg[14]，消耗的能量主要为电力。在运输安装阶段，根据市场调研，流化床及相关干燥设备的生产厂家一般集中在江浙一带，而乳粉生产工厂靠近奶源产地，主要集中在西北、东北和华北地区，所以将设备的运输距离设定为1 000 km，消耗的能源主要为柴油。其中安装能耗一般消耗人力，对环境影响较小，可忽略不计。

使用阶段是流化床产生环境影响的主要阶段，乳粉在流化床中的二次干燥主要分为两个阶段，第一阶段在流化床的前半段完成，通入105 ℃的热空气，将喷雾干燥塔中含水量为8%乳粉干燥为含水量为3%的乳粉；第二阶段在流化床的后半段完成，通入20 ℃的新鲜空气，将前半段完成干燥的乳粉冷却为30 ℃的乳粉，以便于进行后阶段的包装过程。按照研究工作时长，在使用过程中主要消耗为鼓风机、排风机、振动电机等的耗电量及空气加热器所消耗的蒸汽量。

在流化床清洗维护阶段，流化床的清洗方式主要包括设备的干洗和湿洗。在设备使用阶段，需要每日对流化床进行干洗一次，其操作方式主要采用人工进行干扫，无主要能源消耗。每月采用就地清洗系统[10]（CIP）对流化床进行湿洗一次，主要消耗0.8%～1.0%硝酸溶液、0.8%～1.2%的氢氧化钠和水。流化床的维护主要是通过人工的方式在每日生产前检查，对设备进行故障处理及维护[10]，对环境几乎没有影响，故忽略不计。

流化床的回收处置方式为：流化床使用不锈钢和碳钢的61.7%[15]采用熔化炉（耗电量为600 kW·h/t 钢材）熔化循环再利用，剩下的钢材采取掩埋处理[16-17]。

通过上述分析，将流化床的生命周期分为不锈钢生产、碳钢生产、电力生产、流化床生产、公路运输、流化床运输、蒸汽生产、流化床使用、工业用水生产、酸生产、碱生产、流化床清洁、铁水生产、垃圾掩埋、废弃流化床15 个单元过程。其中流化床生产、运输、使用、清洁及废弃单元过程不涉及实际环境排放及资源消耗，均为0。由以上15个单元过程组成的流化床技术矩阵A为

根据CLCD 数据库、eBalance 软件中内置数据库及相关文献，得出流化床生命周期所有单元过程涉及环境干预矩阵B 为

流化床功能单位为处理6.32×107kg 乳粉，则最终需求向量f为

由式(1)可求得流化床各阶段环境干预向量，为下一步进行影响评价分析提供数据。

式中：g 为环境干预向量；A 为技术矩阵；B 为干预矩阵；f为功能单位矢量。

1.3 影响评价

影响评价是建立在清单分析的基础上的，根据ISO 标准，环境影响评价需分为三步：分类、特征化、量化[18]。分类是将清单分析所得数据归到不同环境影响类型。本研究根据中点环境影响评价方法——CML 2001 Dec 07模型[19]，选取了5种普遍使用的影响类别：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（Eutro⁃phication Potential,EP）、光化学污染潜值（Photochem⁃ical Oxidation Potential,POCP），这些指标具体含义参见文献[19]。

通过查找数据库，流化床清单物质中的环境干扰因子对5种环境影响类型特征化因子矩阵可写为

特征化是指将每一种环境影响大类中的不同影响类型通过影响因子进行汇总。通过式(2)计算流化床的各阶段造成环境影响。

式中：h 为环境影响向量；Q 为特征化矩阵；g 为环境干预向量。

量化包含标准化和加权两步。标准化通过特征化结果与标准化基准值的比值得出。由于杨建新1990 年基准体系更适用于归一化的主要目的是获取影响类型的相对重要性，同时该体系也是目前进行生命周期分析时普遍选择的基准体系，故本文选择基准值为1990 年环境影响潜值标准空间均量基准。标准化结果乘以权重因子可以得出单一的环境影响指标值，称为加权影响，反映整个生命周期过程对潜在环境影响的相对度量。本研究中的权重系数通过层次分析法确定[20-21]，根据方根法或和积方法可求得各个指标的权重大小[22]。

所选5种环境影响种类基准值和权重因子见表3。

表3 环境影响潜值标准空间均量基准值[23]与权重

流化床特征化结果与基准值的比值为标准化结果，再乘相应权重因子得出总的环境影响，计算出流化床环境影响总值。

2 流化床环境影响评估的敏感性分析

研究选定流化床9 个输入变量，通过相关文献资料和设计资料[11]可得相应参数取值，名称和变化范围如表4所示。

表4 流化床设备敏感性参数及取值范围

其中在实际生产过程中，选用空气加热器的加热能力要比理想状态下通过蒸发量计算得到的热风消耗量还要大10%～20%；热能利用系数一般不低于95%。敏感性分析采用树型高斯过程法，属于全局敏感性分析方法，具有计算结果准确和可视化方便的优点。树型高斯过程敏感分析法包含两步，第一步根据输入和输出变量矩阵得出高斯过程机器学习模型[24]，第二步采用基于方差的敏感性分析法通过计算第一步得出的模型，得到不同因素的重要性程度[25]。

3 结果与讨论

3.1 不同影响类型的环境影响分析

从不同环境影响类型的角度，分析流化床的环境影响，如图3 所示。初级能源消耗（PED）在总环境影响中占比最大，达到了85.62%，其次为全球变暖潜值（GWP），占比为9.31%，酸化潜值（AP）、富营养化潜值（EP）、光化学污染潜值（POCP）3 类在总环境影响中占比都较少，分别为1.73%、2.31%和1.03%。

图3 流化床各环境影响类别百分比

流化床的初级能源消耗在不同的生命阶段都有重要的环境影响，除废弃回收阶段对于环境有正面影响外，在使用阶段占比最大。所以降低使用阶段的初级能源消耗，将会明显减少流化床的生命周期环境影响。

在流化床生命周期过程中，全球变暖潜值由使用阶段主导，这是因为流化床使用过程及通过酸、碱性洗涤剂进行清洁的过程消耗能量最多，并产生大量的温室气体排放，如CO2、CH4等气体。

富营养化潜值与NH4、COD 及水的排放有关，而电力生产产生大量NH4和COD，使用阶段对富营养化潜值的贡献最大。流化床整个生命周期过程中，富营养化潜值对环境影响仅次于初级能源消耗和全球变暖潜值，占总环境影响的2.53%。

酸化潜值的结果与全球变暖潜值的趋势基本一致，使用阶段对酸化潜值影响最大，由于使用过程对电力的需求较高，电力的生产过程会释放大量酸性气体。在清洗维护阶段，使用酸性洗涤剂的过程中也会排放大量酸性气体。在原材料生产阶段，钢材的生产也会释放大量的SO2和NOX。运输安装过程中对酸化潜值影响较小。

在流化床全生命周期中，酸化潜值对环境的影响排第4，占总环境影响的1.73%。光化学污染潜值在使用阶段占主导地位，另外由于不锈钢与碳钢的生产会产生大量的CH4、CO 等气体，所以原材料生产与流化床制造阶段的POCP 也较高。

3.2 不同生命周期阶段对环境的影响

流化床在不同生命周期阶段的不同环境影响类型的最终计算值如表5 所示，图4 为流化床不同生命周期阶段对于环境影响的百分比。使用阶段在流化床生命周期中贡献最大，占所有阶段环境影响的98.92%。在选定的5 种环境影响指标中，使用阶段的贡献都达到了95%以上。这是由于使用过程中对电力及蒸汽的需求较大，电力的生产过程对煤、原油、天然气的需求较高，对环境有非常明显的影响。因此，为了减少流化床生命周期的环境影响，应重点分析如何减少在使用阶段的影响。

图4 流化床生命周期各阶段环境影响占比

表5 流化床生命周期环境影响总值

清洁维护阶段和原材料生产与流化床制造阶段对环境的影响较小。清洁维护阶段计算的是流化床从开始生产至废弃所有清洗维护环节所造成的环境影响，由于酸、碱洗剂和水耗量较多，对环境影响的贡献排第二位，占约0.72%。原材料生产与流化床制造阶段对环境的影响占所有阶段环境影响的0.36%，主要由铁矿石、石灰石及其他辅助材料的开采及加工过程造成，远远大于流化床制造环节所造成的环境影响。

运输安装阶段对环境造成的影响占流化床全生命周期阶段的0.01%，几乎可以忽略不计。回收处理阶段环境影响贡献为负值，主要由于不锈钢与碳钢的回收对环境产生积极作用，抵消了原材料生产过程对环境造成的不利影响，一定程度上减少了流化床全生命周期内的各种环境影响。

3.3 敏感性结果分析

图5 是基于树型高斯过程敏感性分析法得出的流化床各因素对环境影响重要性的分析结果。图5（a）表示不同因素单独变化时对于输出变量的变化（称为主效应，Main effect），主效应的变化范围在0～1 之间，如图5（b）所示，主效应值越大表明该因素越重要。

由图5（a）可知，除出口乳粉含水量（w2）和钢材回收率（ReR）外，所有因素对于环境影响都是正作用，即当这些输入变量增加时都导致环境影响增加。其中热空气焓（H）和进口乳粉含水量（w1）这2 个变量的影响明显大于其余7 个变量，通过图5（b）也可以得到证实。图5（b）给出的另外信息是敏感性指标（主效应）的不确定性，采用箱线图表达。流化床中热空气焓对于环境影响有一定的不确定性，但其不确定性与其它因素的效应值几乎没有重叠，表明即使考虑不确定性，热空气焓仍然是最重要的因素，环境影响的60.68%变化都由热空气焓造成。造成热空气焓值不确定性的因素主要是热空气温度及湿度，温度与湿度越高，热空气焓值越高，所以在一定范围内降低热空气的温度能减少流化床使用过程中空气加热器的蒸汽耗量，从而减少对环境的影响。

图5 流化床中9个因素环境影响重要性的敏感性分析

另外一个重要的变量是进口乳粉含水量，其不确定性约占环境影响变化的36%。进口乳粉含水量在5%～8%这一合理范围内时，含水量越低造成的环境影响越低。但如果乳粉进入流化床时含水量低，则在喷雾干燥塔内需蒸发的水分增加，造成喷雾干燥塔在使用阶段的能耗增加，进而环境影响潜值增加。所以对于进口乳粉含水量这一变量，需要综合考虑乳粉的整个干燥阶段，才能给出合理的建议。

另外，空气加热器加热能力（β）的不确定性对环境也有一部分影响，证明空气加热器的加热能力越高，蒸汽耗量就会越少，对环境造成的影响也会越小。出口乳粉含水量占环境影响比例比其他几个变量稍高，但不显著。可能是由于出口乳粉含水量的变化范围小，按照相关规定[26]需要将乳粉干燥到一定的含水量才能进行下一步的包装环节。

钢材回收率与环境影响成反比，即环境影响潜值随着其增加而减小。所以通过改进设备加工工艺和精细化管理设备加工过程，以加大钢材回收率，能够在一定程度上缓解流化床对于环境的负面影响。

其他4 个因素包括流化面积（S）、热能利用效率（η）、振动电机功率（EC）和制造能耗（MEC）变化对环境影响负荷的敏感性很低，对环境的影响占比小于1%，基本不会影响整个环境敏感性分析的可靠性。图5（c）表示全效应（Total effect）箱线图，全效应与主效应的区别是除输入变量单独变化外，还需考虑变量之间的交互作用。通过比较图5（b）和图5（c）可知主效应与全效应值相差不大，表明输入变量间的交互作用不明显。

4 结论

本研究对乳粉二段干燥中的流化床设备进行了生命周期的环境影响评价及敏感性分析，评价结果如下：

（1）在流化床的生产制造、运输安装、使用、清洗维护、回收处理5 个阶段中，除回收处理阶段由于回收材料对环境影响有正面作用外，其产生的环境影响主要集中在使用阶段。因此，在电力和蒸汽生产过程中，应增加可再生能源的使用。电力方面可加大采用风力发电、水力发电等方式，蒸汽生产可采用太阳能聚光热利用、生物质能燃烧替换传统的煤燃烧。还可通过提高设备使用效率，达到降低使用阶段能源消耗，也可减少流化床的全生命周期环境影响。另外，在排气口增加净化器，使排入大气中的SO2、NO2等物质的量降低，这样对全球变暖潜值和酸化潜值等环境影响都有一定的降低。

（2）在流化床对环境影响结果中，初级能源消耗（PED）在总环境影响中占比最大，为85.62%，其次为温室效应潜值（GWP）为9.31%，其它三类指标即富营养化潜值（EP）、酸化潜值（AP）、光化学污染潜值（POCP）影响较小，分别为2.31%、1.73%和1.03%。所以降低使用阶段的初级能源消耗，会明显减少流化床的环境影响。

（3）通过全局敏感性分析，得出了9 个输入变量对于环境影响潜值的重要性排序，热空气焓（H）是最重要的因素，其变化可导致系统环境影响潜值约60%的变化，另外一个重要因素是进口乳粉含水量（w1）约占系统输出变化量的36%。其他5 个因素包括流化面积（S）、热能利用效率（η）、振动电机功率（EC）、制造能耗（MEC）和钢材回收率（ReR）的变化对环境影响负荷的敏感性很低，对环境的影响占比小于1%，基本不会影响整个环境敏感性分析的可靠性。