食品企業生產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，隨著人們對食品質量和安全性要求的不斷提高，加之各地對環保的要求，食品企業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的主要生產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.

關鍵詞：食品行業;用能分析;電能替代

Key words： food industry;energy analysis;electricity substitution

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

0? 引言

當前，我國大部分食品企業仍以農副食品原料的初加工為主，精細加工程度低，同時，食品行業的競爭激烈，行業集中度較低，中小企業比例高，技術水平普遍較低，同質化嚴重，利潤率較低等。為了適應市場競爭，食品行業的始整合逐步開始，大型食品企業的利潤在同行業中相對較高，行業成熟度逐步提高，規模化、標準化將是食品行業發展的主要方向之一。食品行業的能源消耗主要以熱能為主，根據各企業規模情況和生產工藝的不同，用能環節工藝多樣。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的主要能源。而且，根據企業所處的地理位置不同，可采用的能源形勢與各地的環保政策有關。本文選取食品行業中乳品、酒精制造、副食品加工三類企業作為研究對象分析食品企業的生產工藝、用能情況和電能替代途徑。

1? 食品企業生產流程及用能

1.1 乳品企業生產工藝特點及用能

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

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

殺菌：經過預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，是乳粉生產耗能的主要部分。

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

噴霧干燥：濃縮后的鮮乳經過濾器過濾后，經過進入高壓泵增壓，送至塔頂經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，使乳液中的大部分水分瞬時蒸發，成為乳粉。主要耗能設備為噴霧干燥設備。

分離、包裝：干燥后的乳粉經旋風分離器分離，進入貯粉器，送往包裝機完成產品包裝。

1.2 酒精制造生產工藝及用能

酒精是配置白酒、果酒等酒精飲料的重要原料。嚴格的說，食用酒精的配制是淀粉產品的深入加工工藝。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，大企業通常采用干法粉碎。粉碎過程主要消耗的能源是煤。

蒸煮：是將淀粉質原料經過加溫吸水膨脹后，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。

發酵：淀粉質原料經過蒸煮后，在糖化劑的作用下生成可發酵性糖，在酵母菌的作用下，經過化學反應原理生成酒精的過程。由于發酵過程對溫度控制要求較高，因此，該過程耗電量較大。發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酵液中酒精和一些發酵副產物。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 香腸類農副食品加工生產流程及用能

香腸類農副食品加工生產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、照明。生產流程包括以下環節及步驟：

屠宰：將生豬進行宰殺的工序。主要用電設備是沖洗機、電暈機、倒掛機、升降機、運送機、剝皮機、鋸半機、降溫風扇、降溫空調等。

降溫：宰殺后將整豬保持在一定溫度內保鮮的工序。主要用電設備是照明燈、制冷機、風扇等。

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

處理：對分切后的各類肉質進行處理的工序。主要用電設備是照明、解凍庫、空調、酒精急速凍結機、冷藏庫等。

加工：是將肉加工成香腸的工序。主要用電設備是照明、空調、調料機、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。主要用電設備是照明、鍋爐風機、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，進入凍結狀態的工序。主要用電設備是照明、水冷卻泵、制冷機等。

包裝：對凍結狀態的香腸類肉制品進行外包裝的工序。主要用電設備是照明、空調、進排氣風機、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。主要用電設備是殺菌鍋、升降機、進排氣風機、冰水機等。

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

保管：將凍結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，食品企業的能源利用主要在傳動機械的動力能耗與生產工藝中的用熱環節，電能的替代方向主要集中在用熱產品生產上。

2.1 濃縮設備

濃縮是食品工業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，其工藝單元的設備的自動化水平的提高直接影響了能源消耗水平。濃縮設備主要消耗的能源是煤。

根據濃縮工藝能量利用方式，食品的濃縮可分為：

①加熱蒸發濃縮：采取外部提供熱能的方式，是目前應用最廣泛的濃縮技術。加熱蒸發濃縮按照蒸發面的壓力可分為常壓蒸發和真空蒸發。常壓蒸發溫度高，能耗較大，因此目前正逐漸被真空濃縮取代。典型的加熱濃縮設備包括加熱器、蒸發器、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節。由于真空設備一般也有電力提供能源，隨著真空濃縮技術的普及，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晶設備和分離設備兩部分組成。結晶設備主要包括各種熱交換器;分離設備有壓濾機、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節。

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

2.2 干燥設備

食品干燥是利用熱能使食品中的水分由液態的水或固體的冰變為蒸汽從食品表面除去的過程。根據加熱的方式不同，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，工業用干燥箱多為蒸汽加熱的干燥箱。根據干燥的不同工藝要求，其設備主要有：

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：與熱風干燥相比，設備投資較大，消耗量大，產量較低。典型的真空干燥機械是帶式真空干燥機，熱源可采用蒸汽、導熱油、電或燃煤（油）熱風爐，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、霧化系統、進氣系統、排氣系統、冷風系統、粉料排料系統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）熱風爐等作為加熱源。

微波干燥機：將超高頻電磁波轉化為熱能的過程，耗電量很大。常用的設備有箱式、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或噴嘴均勻分布在轉動的、蒸汽加熱的滾筒上的干燥機械。其供熱介質簡便。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。其耗能部分主要是制冷系統和加熱系統，前者主要是電制冷，而加熱可采用電熱或循環油間接加熱。冷凍干燥設備投資高、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注領域，主要是替代熱能。

2.3 殺菌設備

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

間歇殺菌設備：主要設備為回轉式殺菌機，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。

常壓連續加工設備：通常設備的結構分為三層，第一層為預熱殺菌層;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、耗汽環節，其他為電動環節。

加壓連續加工設備：按殺菌時壓力的形成分為靜水壓連續殺菌和蒸汽連續殺菌設備。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，屬耗汽量較大的環節。

超高溫殺菌機械設備：超高溫殺菌方式的根據設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。直接式是將預熱的物料與一定壓力的熱蒸汽混合，蒸汽冷凝放熱將產品加熱至所需溫度，主要設備為直接加熱UHT系統;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、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域。

3? 電能替代可行性分析

從上述分析可知，食品企業電能替代其他能源的主要途徑集中在加熱環節對熱能的替代。從技術、經濟、環保、安全方面討論電能替代其他能源的可行性。

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

在經濟性方面，由于食品行業中的加熱環節對能源品質要求不高，所以該環節用那種能源直接與該能源的成本有關。以食品加工企業的蒸汽鍋爐為例，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濟性最好，電鍋爐的經濟性較差。從生產工藝改進的角度看，各種現代化生產工藝，雖然一次性投資成本較高，但是，但是其運行成本低，易實現規模化生產，綜合起來其單位產品的生產成本較低，例如：真空加工技術，由于常壓加工工藝的耗能量大成本高，采用真空加工技術能明顯降低耗能量，從而降低成本。另一方面，有些加工環節要求較高，用電力加工可以提高產品的質量，因此也會提高產品的市場售價。

在環保性方面，電能在使用過程中，對使用地的污染最小，有助于緩解當地的環境狀況。對于一些處于城市中心地帶的企業，由于環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中的比重的提高，電力在環保方面的優勢將更加明顯。從生產工藝改進的角度看，消除了污染源，改善了企業生產環境周邊地區生活環境，另一方面，由于現代化的生產工藝降低了單位產品的能耗，從而更具有環保上的優勢。

在安全性方面，由于食品行業的特殊性，食品行業生產的衛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，電能又具有穩定性，容易滿足生產過程的工藝要求，從而能夠保持生產工況的穩定。

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