食品企業(yè)生產(chǎn)過程中用能情況及電能替代途徑分析

齊士偉 趙博 周景宏

摘要：食品行業(yè)的能源需求主要分為機械動力能源和熱能，其中機械動力能源主要采用電能，而限于經(jīng)濟性問題，熱能的主要供給形式還以煤、氣、油為主，隨著人們對食品質(zhì)量和安全性要求的不斷提高，加之各地對環(huán)保的要求，食品企業(yè)用電能替代其他能源獲取熱能已成為一種趨勢，本文簡要分析了食品企業(yè)的主要生產(chǎn)工藝流程的耗能情況、分析了電能替代的途徑，最后分析了食品企業(yè)電能替代的可行性。

Abstract： Energy demand in food industry is mainly divided into mechanical power energy and thermal energy， among which mechanical power energy mainly uses electric energy. But limited to economic problems， the main forms of heat energy supply are coal， gas and oil. With the continuous improvement of people's requirements for food quality and safety， together with the need for environmental protection everywhere， it has become a trend for food enterprises to use electricity instead of other energy sources to obtain heat energy. This paper briefly analyzed the energy consumption of the main production processes of food enterprises， analyzed the ways of electric energy substitution， and finally analyzed the feasibility of electric energy substitution in food enterprises.

關(guān)鍵詞：食品行業(yè);用能分析;電能替代

Key words： food industry;energy analysis;electricity substitution

中圖分類號：TF083? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）31-0158-03

0? 引言

當(dāng)前，我國大部分食品企業(yè)仍以農(nóng)副食品原料的初加工為主，精細加工程度低，同時，食品行業(yè)的競爭激烈，行業(yè)集中度較低，中小企業(yè)比例高，技術(shù)水平普遍較低，同質(zhì)化嚴(yán)重，利潤率較低等。為了適應(yīng)市場競爭，食品行業(yè)的始整合逐步開始，大型食品企業(yè)的利潤在同行業(yè)中相對較高，行業(yè)成熟度逐步提高，規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化將是食品行業(yè)發(fā)展的主要方向之一。食品行業(yè)的能源消耗主要以熱能為主，根據(jù)各企業(yè)規(guī)模情況和生產(chǎn)工藝的不同，用能環(huán)節(jié)工藝多樣。燃煤、燃氣、燃油、電等幾乎所有能夠提供熱能的能源均可成為該行業(yè)的主要能源。而且，根據(jù)企業(yè)所處的地理位置不同，可采用的能源形勢與各地的環(huán)保政策有關(guān)。本文選取食品行業(yè)中乳品、酒精制造、副食品加工三類企業(yè)作為研究對象分析食品企業(yè)的生產(chǎn)工藝、用能情況和電能替代途徑。

1? 食品企業(yè)生產(chǎn)流程及用能

1.1 乳品企業(yè)生產(chǎn)工藝特點及用能

乳制品的生產(chǎn)工序連續(xù)，主要耗能設(shè)備為牛奶分離凈化機、高壓均質(zhì)機、殺菌設(shè)備、濃縮設(shè)備、噴霧干燥設(shè)備及粉體包裝機等，其中濃縮和乳品的加熱殺菌設(shè)備耗能量最大。乳品行業(yè)自動化水平高，其整個生產(chǎn)過程中主要傳動機械和傳熱設(shè)備都用電力驅(qū)動。乳品行業(yè)消耗的能源有電力、熱力和煤。全脂乳粉是乳制品中產(chǎn)量最大的一類，也是耗能較大的子行業(yè)。其生產(chǎn)流程主要分五部分：

過濾凈化：鮮乳驗收后，必須經(jīng)過預(yù)處理，以去除原乳中的機械雜質(zhì)并減少微生物的數(shù)量。其工藝過程為鮮乳在電機驅(qū)動的機械外力推動下，克服過濾介質(zhì)的阻力達到鮮乳與雜質(zhì)分離的目的，主要耗能設(shè)備為過濾機和凈化機。

殺菌：經(jīng)過預(yù)處理的鮮奶進入貯料罐，進入殺菌工序。乳品的殺菌主要采用超高溫殺菌方式進行溫控殺菌，是乳粉生產(chǎn)耗能的主要部分。

濃縮：乳品的濃縮主要采取真空加熱蒸發(fā)的方式進行。濃縮也是乳粉生產(chǎn)中的主要熱交換工藝步驟和耗能過程。

噴霧干燥：濃縮后的鮮乳經(jīng)過濾器過濾后，經(jīng)過進入高壓泵增壓，送至塔頂經(jīng)機械式霧化器噴入干燥塔與干燥或低濕的空氣進行傳熱、傳質(zhì)，使乳液中的大部分水分瞬時蒸發(fā)，成為乳粉。主要耗能設(shè)備為噴霧干燥設(shè)備。

分離、包裝：干燥后的乳粉經(jīng)旋風(fēng)分離器分離，進入貯粉器，送往包裝機完成產(chǎn)品包裝。

1.2 酒精制造生產(chǎn)工藝及用能

酒精是配置白酒、果酒等酒精飲料的重要原料。嚴(yán)格的說，食用酒精的配制是淀粉產(chǎn)品的深入加工工藝。酒精制造中消耗的主要能源是熱力和電力等。其工藝過程主要包含以下步驟：

粉碎：酒精廠常用的粉碎方法一般有兩種，即濕法粉碎和干法粉碎。濕法粉碎比干法粉碎節(jié)省蒸煮時所消耗的蒸汽少，但是電耗要高于干法8%～10%，適合加工量較小的企業(yè)，大企業(yè)通常采用干法粉碎。粉碎過程主要消耗的能源是煤。

蒸煮：是將淀粉質(zhì)原料經(jīng)過加溫吸水膨脹后，成為溶解狀糊液，使之更容易與淀粉酶發(fā)生作用。其方法主要有兩個：高溫高壓蒸煮和低溫低壓蒸煮。前者的蒸汽消耗量約占整個酒精生產(chǎn)能耗的30%以上，因此，近年溫低壓蒸煮法的使用范圍正在逐漸擴大。蒸煮過程主要消耗的能源是煤。

發(fā)酵：淀粉質(zhì)原料經(jīng)過蒸煮后，在糖化劑的作用下生成可發(fā)酵性糖，在酵母菌的作用下，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)原理生成酒精的過程。由于發(fā)酵過程對溫度控制要求較高，因此，該過程耗電量較大。發(fā)酵過程主要消耗的能源是電力。

蒸餾：通過蒸餾的方法分離發(fā)酵液中酒精和一些發(fā)酵副產(chǎn)物。酒精廠的蒸溜車間消耗大量的熱能，一般約占總蒸汽量的70%左右。蒸餾過程主要消耗的能源是煤。

1.3 香腸類農(nóng)副食品加工生產(chǎn)流程及用能

香腸類農(nóng)副食品加工生產(chǎn)過程主要消耗的能源是電力。原料是存放運送到廠的生豬的場所，給予通風(fēng)、照明。生產(chǎn)流程包括以下環(huán)節(jié)及步驟：

屠宰：將生豬進行宰殺的工序。主要用電設(shè)備是沖洗機、電暈機、倒掛機、升降機、運送機、剝皮機、鋸半機、降溫風(fēng)扇、降溫空調(diào)等。

降溫：宰殺后將整豬保持在一定溫度內(nèi)保鮮的工序。主要用電設(shè)備是照明燈、制冷機、風(fēng)扇等。

分切：將整豬中各類肉質(zhì)進行分離的工序。主要用電設(shè)備是控制室溫的精肉車間空調(diào)機，制冷機等。

處理：對分切后的各類肉質(zhì)進行處理的工序。主要用電設(shè)備是照明、解凍庫、空調(diào)、酒精急速凍結(jié)機、冷藏庫等。

加工：是將肉加工成香腸的工序。主要用電設(shè)備是照明、空調(diào)、調(diào)料機、按摩機、剝油機、注射機、砍排機、絞肉機、細切乳化機、制冰機、自動充填機、高速充填機等。

蒸煮：對加工后成型生香腸類進行煮熟的工序。主要用電設(shè)備是照明、鍋爐風(fēng)機、干燥機、蒸煮機、電烤箱等。

降溫：對煮熟的香腸類肉制品進行冷卻降溫，進入凍結(jié)狀態(tài)的工序。主要用電設(shè)備是照明、水冷卻泵、制冷機等。

包裝：對凍結(jié)狀態(tài)的香腸類肉制品進行外包裝的工序。主要用電設(shè)備是照明、空調(diào)、進排氣風(fēng)機、蒸空機、打碼機、封口機等。

殺菌：對香腸類肉制品成品及附屬包裝進行消毒殺菌的工序。主要用電設(shè)備是殺菌鍋、升降機、進排氣風(fēng)機、冰水機等。

凍結(jié)：香腸類肉制品成品進行低溫冷凍處理，保鮮的工序。主要用電設(shè)備是制冷機等。

保管：將凍結(jié)后的香腸類肉制品成品保持在一定溫度保鮮，是香腸類肉制品制造的最后工序。主要用電設(shè)備是制冷機等。

2? 電能替代途徑分析

從能源利用角度分析，食品企業(yè)的能源利用主要在傳動機械的動力能耗與生產(chǎn)工藝中的用熱環(huán)節(jié)，電能的替代方向主要集中在用熱產(chǎn)品生產(chǎn)上。

2.1 濃縮設(shè)備

濃縮是食品工業(yè)重要的單元操作之一，同時也是重要的能量消耗及能量交換單元，其工藝單元的設(shè)備的自動化水平的提高直接影響了能源消耗水平。濃縮設(shè)備主要消耗的能源是煤。

根據(jù)濃縮工藝能量利用方式，食品的濃縮可分為：

①加熱蒸發(fā)濃縮：采取外部提供熱能的方式，是目前應(yīng)用最廣泛的濃縮技術(shù)。加熱蒸發(fā)濃縮按照蒸發(fā)面的壓力可分為常壓蒸發(fā)和真空蒸發(fā)。常壓蒸發(fā)溫度高，能耗較大，因此目前正逐漸被真空濃縮取代。典型的加熱濃縮設(shè)備包括加熱器、蒸發(fā)器、冷凝器和溶劑接收器等組成。加熱器的能源利用品種目前較多，屬于典型的用熱的能量替換環(huán)節(jié)。由于真空設(shè)備一般也有電力提供能源，隨著真空濃縮技術(shù)的普及，電能在該工藝中的比重有進一步增加的潛力。

②冷凍濃縮：利用外界制冷將溶劑以冰晶的形式去除，以提高濃度的方法。冷凍濃縮裝置主要由結(jié)晶設(shè)備和分離設(shè)備兩部分組成。結(jié)晶設(shè)備主要包括各種熱交換器;分離設(shè)備有壓濾機、過濾式離心機、洗滌塔等。整體工藝基本用電，主要能耗在電制冷環(huán)節(jié)。

③超濾濃縮：主要利用篩分膜使溶質(zhì)和溶劑間分離，與其他工藝相比，膜技術(shù)只消耗部分控制所需電能，其他能量消耗最少，具有較大的應(yīng)用潛力。

2.2 干燥設(shè)備

食品干燥是利用熱能使食品中的水分由液態(tài)的水或固體的冰變?yōu)檎羝麖氖称繁砻娉サ倪^程。根據(jù)加熱的方式不同，可分為電加熱式、蒸汽加熱式、煤氣加熱式等形式，因此消耗的能源包括電力、煤炭、煤氣等。實驗室用干燥箱多為電熱恒溫干燥箱，工業(yè)用干燥箱多為蒸汽加熱的干燥箱。根據(jù)干燥的不同工藝要求，其設(shè)備主要有：

箱式干燥機：是各種類型食品廠普遍采用的干燥機械。其加熱熱源可采用蒸汽、熱水、電、遠紅外等。

真空干燥機：與熱風(fēng)干燥相比，設(shè)備投資較大，消耗量大，產(chǎn)量較低。典型的真空干燥機械是帶式真空干燥機，熱源可采用蒸汽、導(dǎo)熱油、電或燃煤（油）熱風(fēng)爐，選擇性強。物料的加工過程分為蒸汽加熱、熱水加熱和冷卻三個功能區(qū)域，耗熱水、汽量較大。

噴霧干燥機：多用于奶粉、蛋粉等粉狀食品的加工。主要組成部分為進料系統(tǒng)、霧化系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷風(fēng)系統(tǒng)、粉料排料系統(tǒng)和粉料冷卻裝置及干燥塔及其附屬裝置。其中的熱裝置可以選擇電、電和蒸汽、燃油（氣、煤）熱風(fēng)爐等作為加熱源。

微波干燥機：將超高頻電磁波轉(zhuǎn)化為熱能的過程，耗電量很大。常用的設(shè)備有箱式、隧道式、平板式微波干燥爐。

滾筒干燥機：是將料液通過滾筒旋轉(zhuǎn)或噴嘴均勻分布在轉(zhuǎn)動的、蒸汽加熱的滾筒上的干燥機械。其供熱介質(zhì)簡便。常用飽和水蒸氣，壓力較低，對某些低溫加熱物料可采用熱水作為熱媒。

冷凍干燥機：其過程是將冷凍后析出的冰直接進行加熱的方式使其直接升華，以免由于受熱破壞食品的品質(zhì)。其耗能部分主要是制冷系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，前者主要是電制冷，而加熱可采用電熱或循環(huán)油間接加熱。冷凍干燥設(shè)備投資高、動力消耗大。

食品干燥是食品加工中的重要單元操作，其耗能較大，能源利用形式多樣，也是電能替代其他能源利用形式的主要關(guān)注領(lǐng)域，主要是替代熱能。

2.3 殺菌設(shè)備

食品殺菌是食品加工的一個重要環(huán)節(jié)，其方法主要有物理殺菌和化學(xué)殺菌兩大類。由于化學(xué)殺菌存在化學(xué)殘留物等影響，因此通過高溫進行殺菌的物理殺菌法成為工業(yè)應(yīng)用的主要方式。根據(jù)殺菌設(shè)備所用熱源不同，可分為直接蒸汽加熱殺菌設(shè)備、熱水加熱連續(xù)殺菌設(shè)備、火焰連續(xù)殺菌設(shè)備及照射殺菌設(shè)備。殺菌設(shè)備主要消耗的能源是熱力和煤炭。根據(jù)工藝特點應(yīng)用的不同，殺菌設(shè)備主要包括四種：

間歇殺菌設(shè)備：主要設(shè)備為回轉(zhuǎn)式殺菌機，其加工過程包括加熱水的制備、加熱升溫、殺菌、回收熱水、冷卻等工藝流程，其加熱過程自動程度高，主要采取用電作為能耗方式。

常壓連續(xù)加工設(shè)備：通常設(shè)備的結(jié)構(gòu)分為三層，第一層為預(yù)熱殺菌層;第二層為殺菌或冷卻兩用槽;第三層為冷卻槽。其中第二層是耗熱、耗汽環(huán)節(jié)，其他為電動環(huán)節(jié)。

加壓連續(xù)加工設(shè)備：按殺菌時壓力的形成分為靜水壓連續(xù)殺菌和蒸汽連續(xù)殺菌設(shè)備。前者利用水柱的高度造成壓力決定飽和蒸汽壓力;后者時需要充滿高壓蒸汽的鍋體容器，屬耗汽量較大的環(huán)節(jié)。

超高溫殺菌機械設(shè)備：超高溫殺菌方式的根據(jù)設(shè)備的加熱方式不同分為間接加熱式和直接加熱式兩種方法。直接式是將預(yù)熱的物料與一定壓力的熱蒸汽混合，蒸汽冷凝放熱將產(chǎn)品加熱至所需溫度，主要設(shè)備為直接加熱UHT系統(tǒng);間接加熱則是通過傳熱裝置將物料加熱，主要有超高溫板式加熱系統(tǒng)、管式殺菌機。

殺菌工序由于加熱方式的多樣化，也成為電能替代熱力和煤炭的主要領(lǐng)域。

3? 電能替代可行性分析

從上述分析可知，食品企業(yè)電能替代其他能源的主要途徑集中在加熱環(huán)節(jié)對熱能的替代。從技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)保、安全方面討論電能替代其他能源的可行性。

在技術(shù)方面，在食品加工工業(yè)環(huán)節(jié)中用電爐、電鍋爐替代各類小型燃煤鍋爐是完全可行的。從生產(chǎn)工藝改進的角度看，各種原始的加工技術(shù)正在逐步地為現(xiàn)代化加工技術(shù)所替代，現(xiàn)代化程度越高電能所占的比重就越高，例如：真空加工技術(shù)正逐步替代原有的常壓加工技術(shù)，低溫干燥技術(shù)替代常溫或高溫干燥技術(shù)，微波加工技術(shù)替代常規(guī)加工技術(shù)等等。

在經(jīng)濟性方面，由于食品行業(yè)中的加熱環(huán)節(jié)對能源品質(zhì)要求不高，所以該環(huán)節(jié)用那種能源直接與該能源的成本有關(guān)。以食品加工企業(yè)的蒸汽鍋爐為例，采用電鍋爐、燃煤鍋爐、燃油鍋爐三種加熱方式進行的費用比較，三種鍋爐以燃煤鍋爐經(jīng)濟性最好，電鍋爐的經(jīng)濟性較差。從生產(chǎn)工藝改進的角度看，各種現(xiàn)代化生產(chǎn)工藝，雖然一次性投資成本較高，但是，但是其運行成本低，易實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，綜合起來其單位產(chǎn)品的生產(chǎn)成本較低，例如：真空加工技術(shù)，由于常壓加工工藝的耗能量大成本高，采用真空加工技術(shù)能明顯降低耗能量，從而降低成本。另一方面，有些加工環(huán)節(jié)要求較高，用電力加工可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，因此也會提高產(chǎn)品的市場售價。

在環(huán)保性方面，電能在使用過程中，對使用地的污染最小，有助于緩解當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境狀況。對于一些處于城市中心地帶的企業(yè)，由于環(huán)保的要求也有使用電能加熱的進一步要求。隨著清潔能源在電網(wǎng)中的比重的提高，電力在環(huán)保方面的優(yōu)勢將更加明顯。從生產(chǎn)工藝改進的角度看，消除了污染源，改善了企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境周邊地區(qū)生活環(huán)境，另一方面，由于現(xiàn)代化的生產(chǎn)工藝降低了單位產(chǎn)品的能耗，從而更具有環(huán)保上的優(yōu)勢。

在安全性方面，由于食品行業(yè)的特殊性，食品行業(yè)生產(chǎn)的衛(wèi)生情況直接影響到食品安全性，電能在使用終端具有清潔性不會對食品造成污染，另一方面，電能又具有穩(wěn)定性，容易滿足生產(chǎn)過程的工藝要求，從而能夠保持生產(chǎn)工況的穩(wěn)定。

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