乳制品行業主要能耗點及低碳技術概述

吳娜,劉凌,周明,孫慧,李國明,姜忠杰

（中國食品發酵工業研究院，北京，100015）

0 引言

乳制品行業是我國改革開放以來增長最快的重要產業之一，也是推動養殖、種植、加工、制造、流通等第一、二、三產業協調發展的重要戰略產業。在我國，乳制品已逐漸成為人民生活必需食品，乳制品消費穩步提高。全國乳制品總產量數千萬噸、總產值數千億元。乳制品加工企業數量眾多、遍布于全國各地。我國乳制品加工業生產集中度有了很大提高，大型企業的技術裝備水平達到或接近世界先進水平，產品質量明顯改善。

本文以乳制品加工過程為研究對象，分析了我國乳制品加工過程主要的能耗點，并對國際上正在乳制品行業推廣應用的低碳技術進行了分類總結。

1 我國乳制品行業生產過程中主要的能耗點[1]

我國乳制品加工行業的產品種類很多，但主要品種有4種：巴氏殺菌乳、滅菌乳、酸乳和乳粉。

1.1 巴氏殺菌乳和滅菌乳

巴氏殺菌乳和滅菌乳的工藝流程為：

原乳→驗收→凈乳→冷卻→貯乳→標準化→均質→殺菌/滅菌→冷卻→包裝→產品→貯藏

按照生產的工藝流程分析，巴氏殺菌乳的能耗點分述如下：

①凈乳：原料乳驗收后必須進行凈化處理。凈乳一般采用先過濾再離心的方法，能耗為機械設備用電。

②冷卻：凈化后的原料乳應迅速冷卻到4～10℃，以抑制細菌的繁殖，能耗為制冷設備用電。

③貯乳：為保證連續生產的需要，乳品廠需要有一定數量的原料乳低溫貯存罐，貯存期間不得超過10℃。貯乳過程能耗為給冷卻夾套內制冷介質提供冷量而產生的電耗。

④標準化：標準化目的是為了確定殺菌乳中的脂肪含量。現代乳制品生產一般采用直接標準化的方法，需要將乳加熱至55～65℃，按照預先設定好的脂肪含量分離出脫脂乳和稀奶油，并根據最終產品的脂肪含量，由設備自動控制回流到脫脂乳和稀奶油的流量。此部分的能耗包括加熱的鍋爐能耗和自動化設備的電耗。

⑤均質：均質前需要進行預熱，達到60～65℃。然后采用兩段式的均質方法。此部分的能耗包括加熱的鍋爐能耗和均質設備的電耗。

⑥殺菌：殺菌工藝主要能耗是提供殺菌蒸汽的鍋爐能耗，還有少量的設備電耗。

⑦冷卻：殺菌后的牛乳應盡快冷卻至4℃，能耗為制冷設備用電。

⑧包裝：包裝過程主要是設備用電。

⑨貯藏：巴氏殺菌乳在殺菌灌裝后立即置于4℃條件下冷藏。能耗源于制冷設備用電。

按照工藝流程分析，滅菌乳的主要能耗點和巴氏殺菌乳相同，只是具體工藝參數不同，一是殺菌的條件不同；二是殺菌后冷卻的溫度不同。

液體乳加工過程的主要能耗點為殺菌工藝的鍋爐供熱，其次是制冷工藝的電耗，兩者占總能耗的60%以上。

1.2 酸乳

目前國內的酸乳根據工藝不同主要分兩種：攪拌型酸乳和凝固型酸乳，兩種酸乳的工藝流程為：

攪拌型酸乳：原乳→驗收→凈乳→冷卻→貯乳→標準化→配料→均質→殺菌→冷卻→接種、發酵→冷卻→包裝→產品→貯藏

凝固型酸乳：原乳→驗收→凈乳→冷卻→貯乳→標準化→配料→均質→殺菌→冷卻→接種→包裝→發酵→冷卻→后熟→產品→貯藏

從原乳到標準化的前段工藝以及冷藏工段和巴氏殺菌乳相同，所以能耗點也相同，此處不再重復，和液體乳的不同之處如下：

（1）配料過程的供熱和用電能耗。凝固型酸乳添加配料時先將原料乳加熱到50℃，再添加配料。待加熱到65℃時，過濾除雜，或者將配料配成一定濃度，殺菌后加入乳中。能耗源于鍋爐提供熱量和過濾設備等的用電。

（2）發酵過程的攪拌和保溫能耗。發酵過程需要提供熱量，保證乳酸菌的增殖，熱源有電加熱和蒸汽管道加熱兩種，攪拌型酸乳還要持續攪拌，能耗源于提供熱源的電、攪拌機械用電和鍋爐。

酸乳產品能耗最大的工段是發酵，其次是貯藏，兩個工段的能耗占總能耗的60%左右。

1.3 乳粉

目前國內乳制品加工企業的乳粉工藝流程大體如下：

原乳→驗收→凈乳→冷卻→貯乳→標準化→均質→殺菌→濃縮→噴霧干燥→包裝→產品→貯藏

乳粉的前段工藝：從原乳到標準化和液體乳相同，所以能耗點也相同，此處不再重復分析，后段工藝和液體乳及酸乳的能耗點不同：

①濃縮過程的水蒸汽蒸發和提供真空的能耗。

濃縮通常采用單效或多效真空蒸發器進行。水蒸汽蒸發需要提供熱量，一般多效蒸發器比單效蒸發器蒸發單位質量的水蒸汽能效更高。真空濃縮需要由鍋爐產生的飽和蒸汽不斷供給熱量，還要使后段蒸汽冷卻變成水排掉，需要泵提供真空。所以此工段能耗巨大，包括鍋爐、泵和制冷用電。

②噴霧干燥過程的水蒸汽蒸發能耗。

相比其他乳制品，乳粉的能耗最高，主要原因是液體乳中大量水分的蒸發耗能，體現在乳粉制備過程的預濃縮和噴霧干燥，這兩個工序的能耗占總能耗的70%左右。

綜合以上4種產品的能耗情況，可以看出乳制品加工企業的能耗主要包括鍋爐燃煤（氣，電），設備及廠區用電。

2 乳制品生產過程中的低碳技術、設備和工藝[2-3]

乳制品企業可能采取的低碳技術很多，參考美國和加拿大關于乳制品行業的節能降耗文獻資料，歸類如下。

2.1 具體乳制品加工工藝過程的低碳技術

（1）巴氏殺菌、消毒以及其他類似熱處理的節能措施。在熱回收或者在現有回收單元增加板。熱回收是廣泛應用技術，它把冷卻巴氏殺菌乳的熱加熱原料乳，熱回收效率超過95%。采用少量的蒸汽完成加熱原料乳，少量的制冷劑應用于完成冷卻巴氏殺菌乳。安裝一個再回收工藝設施可節省費用。采用再回收工藝的工廠，在現有回收單元基礎上增加板是提高熱回收經濟性的方法。

（2）螺旋式熱交換設施。螺旋換熱設施相比傳統的管殼換熱器可提供更快的熱交換速度，減少故障，降低維修費用。這種熱交換方法使連續的巴氏殺菌和消毒工藝更加節能。

（4）維修。蒸發系統中通常的耗能損失和熱損失包括排氣，輻射和傳統的損失，真空系統效率低，空氣泄漏，水泄漏，結垢和分離效率低。及時維修蒸發系統能幫助減少和避免很多能源的損失。一般而言，一個固定的維修系統包括檢測和避免蒸汽系統泄漏；清洗熱交換表面，保證能量的有效交換；檢查和替換濕的、損壞或者腐朽的隔熱設施；保持蒸汽分離設施的清潔；檢查和避免水泄漏到系統中稀釋產品；保持蒸發過程的最佳壓力。

（5）多效蒸發器。一般而言，最大節能措施可通過采用多效蒸發器取代單效蒸發器。

（6）蒸汽再壓縮。一般而言，比多效蒸發器更有效的節能系統是采用蒸汽再壓縮系統，其中存在蒸發的蒸汽被壓縮（因此增加了蒸發溫度），然后作為蒸汽再次引入加熱體系。

（7）膜濃縮。因為膜濃縮不需要相變（相對于蒸發），因此比傳統的蒸發方法節能。膜過濾系統已經成功應用于乳制品加工過程，不僅在酸乳的標準化中取代單效蒸發，而且用于其他產品以及蒸發前的濃縮，蒸發的預濃縮提高了固形物含量，降低了后續蒸發的能耗。乳制品工業中最經常采用的膜過濾系統是反滲透和超濾。

（8）乳清粉生產過程中采用結晶工藝。最直接的方法是通過蒸發的方法將乳清液濃縮到固含量45%，然后噴霧干燥。如果乳糖在乳清液中結晶，會降低乳清粉的吸濕性，這個過程也稱為高效濃縮，在干燥之前采用蒸發的方法從乳清中除去更多的水分。雖然結晶步驟會增加4～24 h的工藝操作時間，但相比直接干燥，每公斤產品的蒸汽耗量從6.6 kg降到5.5 kg。如果采用多效干燥方法，蒸汽的耗量可下降到5.0 kg/kg產品。相比單級干燥節能約24%，此外，經過結晶乳糖處理后的乳清粉具有更高的抗結塊性，產品質量更高。

（9）在干燥之前采用蒸發或者其他濃縮技術。雖然干燥之前可以不采用任何濃縮工藝，但在去除水分方面干燥比膜濃縮和蒸發效率低，每去除1 kg水的蒸汽耗量是6倍。蒸發之前采用膜濃縮和蒸發的方法去除水分相比直接干燥節能。

（10）噴霧干燥溫度的優化。對于噴霧干燥的最有效節能方法是：進風溫度盡可能高，出風溫度盡可能低。

（11）進氣的戰略布局。進風的質量對噴霧干燥有很大的影響。顯而易見，熱的進風優于冷的進風，因為在加熱過程的能耗較低。

（12）進風的監測儀。雖然噴霧干燥的條件不變，但實際進風的溫度和濕度是變化的。因此，干燥經常沒有在最高效率下進行。安裝可隨時監測進風溫度和濕度的監測儀可幫助操作者根據進風條件的變化實時改變操作條件，節約能耗。

由表2可知，在一級指標中經濟性與環保性對應指標權重較大，因為在運行成本、投資是用戶比較在意的。對于政策支持、潛在替代量和環保是投資人士較為看中的，而適用性作為一個電能替代項目的初選指標，因此權重相對不是特別高。

（13）多級干燥。最近，兩級或者三級干燥已經走進主流生產工藝過程。多級干燥中間產品的水分含量可相對較高。例如，噴霧干燥的粉末和大量過剩的空氣混合，因此相比噴霧干燥高效得多，但流化床適宜干燥水分含量低的物料以避免結塊，將其應用于干燥的后期，并和其他干燥方法配合使用，可節約能耗。

（14）余熱的回收。通常，干燥器外部的空氣仍然很熱，可進行余熱回收。估計可回收余熱的30%。但因為周圍的空氣經常被乳制品的微粒污染，需要過濾以避免回收的熱空氣污染。

（15）酸奶、奶酪和其他產品在發酵罐中良好的混合。使一些需要發酵的乳制品進行良好的混合有很多好處。可使產品更均一，更好的控制產品質量，降低溫度梯度，產品的熱傳遞效率更高，可以降低能耗。

（16）關于巴氏殺菌工藝。利用脈沖電場技術巴氏殺菌。利用脈沖電場技術對液體食品巴氏殺菌是一種新興技術。紫外線巴氏殺菌。此技術采用高強度的紫外線對流動的液體進行巴氏殺菌。高凈水壓的方法進行巴氏殺菌。將液體裝在一個相對靈活的容器中，浸入水中，獲得極高的壓力。微濾作為巴氏殺菌的方法。微濾和超濾反滲透相似，已經廣泛應用于乳制品行業。采用此類殺菌方法可替代原殺菌工藝所涉及的加熱和冷卻工序，節約能耗。

（17）采用酶法進行CIP清洗。可節約水耗和能耗。

2.2 非乳制品行業專屬的低碳技術

2.2.1 鍋爐相關系統的低碳技術

（1）安裝空氣流動的自動監測器。排出氣體中CO或者煙氣含量的增高是空氣不足的信號，安裝自動空氣流動的監測器，可優化燃料和空氣的比例，最大程度降低能耗和其他污染物的排放。

（2）因為鍋爐中有孔隙，經常會有額外的煙氣從中產生，這類孔隙會降低蒸汽的熱傳遞效率并增加泵的負荷。孔隙可通過修補進行改善，達到節能的目的。

（3）使用新的材料，例如陶瓷纖維，既可以更好的起到絕緣作用，又具有較低的熱容。

（4）煙氣的熱回收經常是蒸汽系統熱回收的最好途徑。煙氣系統的回收熱可用于預熱鍋爐水。此技術較適合大型的鍋爐，因為大型鍋爐有空間回收更多的熱量。

（5）冷凝水回收。回用鍋爐的冷卻水可節約能源，減少鍋爐給水量。如鍋爐采用新鮮給水，那首先要除去可能會在鍋爐中產生沉積的固形物；使用冷凝水可大量減少除去沉積物所需購買的化學試劑。

（6）放空的蒸汽回收。當水從高壓的鍋爐中放出時，壓力下降經常會產生大量的蒸汽。這種蒸汽的溫度較低，但可以應用于暖氣和鍋爐用水的預熱。除了節省能耗外，放空蒸汽的回用也可以降低蒸汽系統腐蝕的潛在危害。

（7）根據所需加熱溫度不同對熱水體系進行分離。在實際應用中需要各種不同溫度的熱水，使用不同的鍋爐產生不同溫度的水蒸汽可節約能耗。

（8）改善和維護蒸汽輸送系統的隔熱材料。選擇隔熱材料的幾個關鍵因素包括低導熱性、溫度改變時尺寸穩定性、防水和阻燃性。當保溫隔熱系統維修后，系統外的保溫材料需及時補充。此外，保溫材料在使用過程中還會變脆和腐爛，也需及時維護。

（9）蒸汽閥門的監測和維護。簡單的檢修蒸汽閥門系統可確保它們正常運行，可用很少的費用節省大量的能耗。

2.2.2 電機和泵系統的低碳技術

（1）電機的選擇和合理使用。選擇電機時有幾個因素很重要，包括電機的轉速，功率，機箱類型、額定溫度、效率水平和電源質量。選購電機時，電機使用過程的消耗相比購買和安裝費用也是十分重要的。使用過程中當最大負荷降低時，電機的功率也可降低。運行過程中還要盡量保證電壓平衡，因為電壓的不平衡會導致電流的不平衡，結果就是轉矩的脈動，震動和機械應力增加，損失增加，電機過熱，這會降低電機中絕緣線圈的壽命。電壓的不平衡可能由于功率因數校正設備的錯誤操作，變壓器的不平衡，或者線路開路。

（2）電機的維修。電機維修的目的是延長電機壽命并預防電機故障，電機維修措施分為預防和預測。預防的目的是避免電機不期望的故障。預測的目的是觀察電機的運行溫度，震動以及其他運行數據來判斷何時需要大修或者更換。

（3）泵系統的維護。維修不充分會降低泵系統的效率，導致泵的故障率增加，增加泵的能耗。

（4）葉輪修剪。修剪葉輪是指通過加工降低葉輪的直徑，這會減少流體通過泵的能耗。

（5）合適尺寸的管路。管路直徑太小使流速增加，從而增加泵系統的能耗。如果可能，可增加管路的直徑來減少泵體系的能耗，但是管路直徑增加產生的節能必須和管路零配件的消耗平衡。

（6）可調速驅動器。可調功率的泵是可調速驅動器工作的良好條件，根據泵系統需求的改變，利用可調速驅動器調節泵的轉速來適應不同的需求，可節約能耗。

2.2.3 制冷系統的低碳技術

（1）制冷系統良好的管理。包括確保冷藏室門隨時關閉。確保冷藏溫度不高于實際所需。盡量減少冷倉內的發熱源，因為它們產生的熱需制冷系統去除。冷倉壁和門上結了冰要隨時報告，冰的存在表明冷倉內進入了大量的空氣，它們會帶走水汽從而在冷凍過程產生熱，增加制冷負載。當沒有必要時，隨時關閉系統的泵和風扇，泵和風扇會增加操作過程的制冷負載。隨時報告和修復制冷系統管路的隔熱部分，經常檢查壓縮機的油量確保潤滑。

（2）監測系統。監測系統可幫助發現制冷系統的小問題使其不轉變為大故障，幫助減少大額的維修費用和保持系統高效運行。

（3）定期檢查制冷劑的量是否充足及污染情況。制冷劑的量太低將會影響許多小的直接的擴展系統，如果任其發展，將導致系統的巨大損壞和能耗增加。此外油、水、或者碎片會使制冷劑產生污染，還可能會導致系統的操作和維護問題。

（4）制冷系統的控制。系統的控制通過確保制冷需求和各部件的負載相符來幫助改善制冷系統的能耗。

（5）高效的管路設計。管路的連接設計應考慮它們的尺寸和流體的最小摩擦以及壓降。

（6）非高峰階段冷量的儲存。儲存系統是一種可儲存能量并在隨后使用的方法。常應用于以下3種情況：一是制冷供大于求時，制冷系統在一個恒定的功率運行，將儲存系統作為儲存制冷能量的緩沖，當供小于求時將制冷的能量放出。減少制冷系統在低效運行的時間。二是使制冷系統整個在非高峰時段運行，在高峰時段使用其儲存下的冷量。第三，兩種方法結合使用。

（7）分隔不同的冷卻溫度需求。如果有不同冷卻溫度的需求，那么采用不同的冷卻體系來達到不同的溫度將是有益的。這樣將會把較低效率的低溫制冷系統的冷量轉移到較高效率的高溫制冷系統。

（8）管路的隔熱。有制冷劑的管路應適當隔熱，以最大限度降低熱滲透。管路隔熱系統應該定期檢查，一旦發現有泄漏立即修補。

（9）降低熱負載。制冷系統的壓縮機所處位置通風不佳且周圍有暖空氣會降低壓縮機的性能和效率。壓縮機所處位置應該通風良好，以確保壓縮機周圍是冷涼的空氣。

（10）自由冷卻。當外界條件允許時，自由冷卻可將室外空氣用于制冷，降低制冷系統的負載。

（11）合適的電機。制冷系統的泵和風扇的功率太大會造成不必要的能耗。

（12）優化空氣的流動狀態。在冷倉和鼓風單元，空氣的流動狀態通常不是最優的，會產生溫度梯度和真空地帶以及支路循環狀態，這都會降低熱交換的效率。

（13）冷卻塔。采用冷卻塔冷卻水可節省很大的能耗。

（14）提高系統的抽氣壓力。在壓縮機系統的兩個階段，一個簡單的節能方法是當環境溫度下降時增加抽氣壓力和溫度。

（15）壓縮機產熱回收。當經濟上可能時，將壓縮機產熱回收用于室內加熱或者水加熱。

（16）將一臺壓縮機專門用于除霜。將一個大的系統中的一臺壓縮機用于除霜，在除霜所需壓力下循環，則其他的壓縮機可在較低壓力下工作。

（17）保持冷凝器清潔。冷凝器應該定期檢查有無污染物，冰等堵塞噴嘴，這些污染物會降低熱傳遞效率，升高冷凝溫度。水冷和蒸汽冷凝器也應該避免使用硬質水或者微生物含量較高的水，這會引起結垢、堵塞等，從而增加冷凝溫度。蒸發冷凝器應定期清洗，除去非冷凝性氣體，他們會通過增加系統的水頭壓力和阻礙冷凝器換熱而降低制冷系統的效率。

（18）冷凝器風扇安裝可調速驅動器。因為對于制冷系統而言，設備固有功率和實際操作所需功率存在很大差別，安裝可調速驅動器會大大降低能耗。

（19）冷藏室蒸發風扇的循環。即便是不連續開啟蒸發風扇，也有可能保持低溫倉的溫度。所以，有時可以關閉蒸發風扇或者階段性關小來節約用電，同時仍然可以保持冷藏的溫度。

（20）除霜需求。蒸發器在必要時除霜。這個除霜的需求在于儀表的壓力讀數，當儀表的壓降增加時需要除霜。水除霜比熱氣除霜更有效。

2.2.4 壓縮空氣系統的低碳技術

（1）良好的維修。維修不及時會降低壓縮機的效率，增加空氣泄漏或者壓力的可靠性，增加操作溫度，濕度控制不佳以及額外的污染。

（2）減少空氣泄漏。空氣泄漏是浪費能源的主要方面。一個傳統的工廠如果沒有良好的維護，空氣的泄漏至少占整個壓縮空氣的20%左右。

（3）當有個別設備需要較高壓力時，只要更改此設備的配套系統，而不需要增加整個系統的操作壓力。

（4）用其他能源代替壓縮空氣。采用其他能源可能會更高效和經濟。例如采用流動的高壓空氣而不是壓縮空氣產生真空；采用流動的空氣進行冷卻、抽氣、攪拌、混合、或者充氣包裝而不是采用壓縮空氣；采用刷子、鼓風設備或者真空泵系統取代壓縮空氣清洗零件或者去除碎片。

（5）改善負載。壓縮機能耗大，所以要盡量避免其負載不滿的情況。

（6）降低入口溫度。如果空氣流速穩定，那么降低入口的溫度可降低壓縮機所需能耗。在許多工廠，可抽入室外的空氣降低入口溫度。

（7）合適尺寸的管徑。在可能的范圍將管路的直徑放到最大對于壓縮空氣系統可幫助降低壓力損失和泄漏，節約能耗。

（8）壓縮機產熱回收。工廠空氣壓縮機電能的大部分轉化為熱。一般可回收這些熱的50%以上。

（9）非工作時間將溫度調回。在非使用時間將建筑的室內溫度在冬天調低或者夏天調高，可大量節能。

3 結束語

乳制品加工行業的能耗主要源于鍋爐和用電。其低碳、節能措施基本分兩類：一類是新技術、新設備、新系統，新配件，這類措施需要企業增加資金、技術和人員的投入，達到節能減排的效果。還有一類是加強企業管理，例如建立對鍋爐、蒸汽輸送系統、泵、制冷系統進行維護、檢修、監測的常規企業制度。減少不必要的鍋爐熱損失、減少管道蒸汽泄漏，減少蒸汽輸送系統的熱損失，減少制冷劑的泄漏，保證加熱系統、熱輸送系統、泵和制冷系統的高效率運行。檢查冷藏室門的關閉情況，移除排風口熱源，減少冷倉中不必要的熱源，降低制冷負載。經常清除管道污垢，提高熱交換效率，等等。此類低碳技術，無需企業在資金、技術和人員上進行明顯投入，而且節能效果立竿見影。

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