食品企业生产过程中用能情况及电能替代途径分析

齐士伟 赵博 周景宏

摘要：食品行业的能源需求主要分为机械动力能源和热能，其中机械动力能源主要采用电能，而限于经济性问题，热能的主要供给形式还以煤、气、油为主，随着人们对食品质量和安全性要求的不断提高，加之各地对环保的要求，食品企业用电能替代其他能源获取热能已成为一种趋势，本文简要分析了食品企业的主要生产工艺流程的耗能情况、分析了电能替代的途径，最后分析了食品企业电能替代的可行性。

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.

关键词：食品行业;用能分析;电能替代

Key words： food industry;energy analysis;electricity substitution

中图分类号：TF083                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）31-0158-03

0  引言

当前，我国大部分食品企业仍以农副食品原料的初加工为主，精细加工程度低，同时，食品行业的竞争激烈，行业集中度较低，中小企业比例高，技术水平普遍较低，同质化严重，利润率较低等。为了适应市场竞争，食品行业的始整合逐步开始，大型食品企业的利润在同行业中相对较高，行业成熟度逐步提高，规模化、标准化将是食品行业发展的主要方向之一。食品行业的能源消耗主要以热能为主，根据各企业规模情况和生产工艺的不同，用能环节工艺多样。燃煤、燃气、燃油、电等几乎所有能够提供热能的能源均可成为该行业的主要能源。而且，根据企业所处的地理位置不同，可采用的能源形势与各地的环保政策有关。本文选取食品行业中乳品、酒精制造、副食品加工三类企业作为研究对象分析食品企业的生产工艺、用能情况和电能替代途径。

1  食品企业生产流程及用能

1.1 乳品企业生产工艺特点及用能

乳制品的生产工序连续，主要耗能设备为牛奶分离净化机、高压均质机、杀菌设备、浓缩设备、喷雾干燥设备及粉体包装机等，其中浓缩和乳品的加热杀菌设备耗能量最大。乳品行业自动化水平高，其整个生产过程中主要传动机械和传热设备都用电力驱动。乳品行业消耗的能源有电力、热力和煤。全脂乳粉是乳制品中产量最大的一类，也是耗能较大的子行业。其生产流程主要分五部分：

过滤净化：鲜乳验收后，必须经过预处理，以去除原乳中的机械杂质并减少微生物的数量。其工艺过程为鲜乳在电机驱动的机械外力推动下，克服过滤介质的阻力达到鲜乳与杂质分离的目的，主要耗能设备为过滤机和净化机。

杀菌：经过预处理的鲜奶进入贮料罐，进入杀菌工序。乳品的殺菌主要采用超高温杀菌方式进行温控杀菌，是乳粉生产耗能的主要部分。

浓缩：乳品的浓缩主要采取真空加热蒸发的方式进行。浓缩也是乳粉生产中的主要热交换工艺步骤和耗能过程。

喷雾干燥：浓缩后的鲜乳经过滤器过滤后，经过进入高压泵增压，送至塔顶经机械式雾化器喷入干燥塔与干燥或低湿的空气进行传热、传质，使乳液中的大部分水分瞬时蒸发，成为乳粉。主要耗能设备为喷雾干燥设备。

分离、包装：干燥后的乳粉经旋风分离器分离，进入贮粉器，送往包装机完成产品包装。

1.2 酒精制造生产工艺及用能

酒精是配置白酒、果酒等酒精饮料的重要原料。严格的说，食用酒精的配制是淀粉产品的深入加工工艺。酒精制造中消耗的主要能源是热力和电力等。其工艺过程主要包含以下步骤：

粉碎：酒精厂常用的粉碎方法一般有两种，即湿法粉碎和干法粉碎。湿法粉碎比干法粉碎节省蒸煮时所消耗的蒸汽少，但是电耗要高于干法8%～10%，适合加工量较小的企业，大企业通常采用干法粉碎。粉碎过程主要消耗的能源是煤。

蒸煮：是将淀粉质原料经过加温吸水膨胀后，成为溶解状糊液，使之更容易与淀粉酶发生作用。其方法主要有两个：高温高压蒸煮和低温低压蒸煮。前者的蒸汽消耗量约占整个酒精生产能耗的30%以上，因此，近年温低压蒸煮法的使用范围正在逐渐扩大。蒸煮过程主要消耗的能源是煤。

发酵：淀粉质原料经过蒸煮后，在糖化剂的作用下生成可发酵性糖，在酵母菌的作用下，经过化学反应原理生成酒精的过程。由于发酵过程对温度控制要求较高，因此，该过程耗电量较大。发酵过程主要消耗的能源是电力。

蒸馏：通过蒸馏的方法分离发酵液中酒精和一些发酵副产物。酒精厂的蒸溜车间消耗大量的热能，一般约占总蒸汽量的70%左右。蒸馏过程主要消耗的能源是煤。

1.3 香肠类农副食品加工生产流程及用能

香肠类农副食品加工生产过程主要消耗的能源是电力。原料是存放运送到厂的生猪的场所，给予通风、照明。生产流程包括以下环节及步骤：

屠宰：将生猪进行宰杀的工序。主要用电設备是冲洗机、电晕机、倒挂机、升降机、运送机、剥皮机、锯半机、降温风扇、降温空调等。

降温：宰杀后将整猪保持在一定温度内保鲜的工序。主要用电设备是照明灯、制冷机、风扇等。

分切：将整猪中各类肉质进行分离的工序。主要用电设备是控制室温的精肉车间空调机，制冷机等。

处理：对分切后的各类肉质进行处理的工序。主要用电设备是照明、解冻库、空调、酒精急速冻结机、冷藏库等。

加工：是将肉加工成香肠的工序。主要用电设备是照明、空调、调料机、按摩机、剥油机、注射机、砍排机、绞肉机、细切乳化机、制冰机、自动充填机、高速充填机等。

蒸煮：对加工后成型生香肠类进行煮熟的工序。主要用电设备是照明、锅炉风机、干燥机、蒸煮机、电烤箱等。

降温：对煮熟的香肠类肉制品进行冷却降温，进入冻结状态的工序。主要用电设备是照明、水冷却泵、制冷机等。

包装：对冻结状态的香肠类肉制品进行外包装的工序。主要用电设备是照明、空调、进排气风机、蒸空机、打码机、封口机等。

杀菌：对香肠类肉制品成品及附属包装进行消毒杀菌的工序。主要用电设备是杀菌锅、升降机、进排气风机、冰水机等。

冻结：香肠类肉制品成品进行低温冷冻处理，保鲜的工序。主要用电设备是制冷机等。

保管：将冻结后的香肠类肉制品成品保持在一定温度保鲜，是香肠类肉制品制造的最后工序。主要用电设备是制冷机等。

2  电能替代途径分析

从能源利用角度分析，食品企业的能源利用主要在传动机械的动力能耗与生产工艺中的用热环节，电能的替代方向主要集中在用热产品生产上。

2.1 浓缩设备

浓缩是食品工业重要的单元操作之一，同时也是重要的能量消耗及能量交换单元，其工艺单元的设备的自动化水平的提高直接影响了能源消耗水平。浓缩设备主要消耗的能源是煤。

根据浓缩工艺能量利用方式，食品的浓缩可分为：

①加热蒸发浓缩：采取外部提供热能的方式，是目前应用最广泛的浓缩技术。加热蒸发浓缩按照蒸发面的压力可分为常压蒸发和真空蒸发。常压蒸发温度高，能耗较大，因此目前正逐渐被真空浓缩取代。典型的加热浓缩设备包括加热器、蒸发器、冷凝器和溶剂接收器等组成。加热器的能源利用品种目前较多，属于典型的用热的能量替换环节。由于真空设备一般也有电力提供能源，随着真空浓缩技术的普及，电能在该工艺中的比重有进一步增加的潜力。

②冷冻浓缩：利用外界制冷将溶剂以冰晶的形式去除，以提高浓度的方法。冷冻浓缩装置主要由结晶设备和分离设备两部分组成。结晶设备主要包括各种热交换器;分离设备有压滤机、过滤式离心机、洗涤塔等。整体工艺基本用电，主要能耗在电制冷环节。

③超滤浓缩：主要利用筛分膜使溶质和溶剂间分离，与其他工艺相比，膜技术只消耗部分控制所需电能，其他能量消耗最少，具有较大的应用潜力。

2.2 干燥设备

食品干燥是利用热能使食品中的水分由液态的水或固体的冰变为蒸汽从食品表面除去的过程。根据加热的方式不同，可分为电加热式、蒸汽加热式、煤气加热式等形式，因此消耗的能源包括电力、煤炭、煤气等。实验室用干燥箱多为电热恒温干燥箱，工业用干燥箱多为蒸汽加热的干燥箱。根据干燥的不同工艺要求，其设备主要有：

箱式干燥机：是各种类型食品厂普遍采用的干燥机械。其加热热源可采用蒸汽、热水、电、远红外等。

真空干燥机：与热风干燥相比，设备投资较大，消耗量大，产量较低。典型的真空干燥机械是带式真空干燥机，热源可采用蒸汽、导热油、电或燃煤（油）热风炉，选择性强。物料的加工过程分为蒸汽加热、热水加热和冷却三个功能区域，耗热水、汽量较大。

喷雾干燥机：多用于奶粉、蛋粉等粉状食品的加工。主要组成部分为进料系统、雾化系统、进气系统、排气系统、冷风系统、粉料排料系统和粉料冷却装置及干燥塔及其附属装置。其中的热装置可以选择电、电和蒸汽、燃油（气、煤）热风炉等作为加热源。

微波干燥机：将超高频电磁波转化为热能的过程，耗电量很大。常用的设备有箱式、隧道式、平板式微波干燥炉。

滚筒干燥机：是将料液通过滚筒旋转或喷嘴均匀分布在转动的、蒸汽加热的滚筒上的干燥机械。其供热介质简便。常用饱和水蒸气，压力较低，对某些低温加热物料可采用热水作为热媒。

冷冻干燥机：其过程是将冷冻后析出的冰直接进行加热的方式使其直接升华，以免由于受热破坏食品的品质。其耗能部分主要是制冷系统和加热系统，前者主要是电制冷，而加热可采用电热或循环油间接加热。冷冻干燥设备投资高、动力消耗大。

食品干燥是食品加工中的重要单元操作，其耗能较大，能源利用形式多样，也是电能替代其他能源利用形式的主要关注领域，主要是替代热能。

2.3 杀菌设备

食品杀菌是食品加工的一个重要环节，其方法主要有物理杀菌和化学杀菌两大类。由于化学杀菌存在化学残留物等影响，因此通过高温进行杀菌的物理杀菌法成为工业应用的主要方式。根据杀菌设备所用热源不同，可分为直接蒸汽加热杀菌设备、热水加热连续杀菌设备、火焰连续杀菌设备及照射杀菌设备。杀菌设备主要消耗的能源是热力和煤炭。根据工艺特点应用的不同，杀菌设备主要包括四种：

间歇杀菌设备：主要设备为回转式杀菌机，其加工过程包括加热水的制备、加热升温、杀菌、回收热水、冷却等工艺流程，其加热过程自动程度高，主要采取用电作为能耗方式。

常压连续加工设备：通常设备的结构分为三层，第一层为预热杀菌层;第二层为杀菌或冷却两用槽;第三层为冷却槽。其中第二层是耗热、耗汽环节，其他为电动环节。

加压连续加工设备：按杀菌时压力的形成分为静水压连续杀菌和蒸汽连续杀菌设备。前者利用水柱的高度造成压力决定饱和蒸汽压力;后者时需要充满高压蒸汽的锅体容器，属耗汽量较大的环节。

超高温杀菌机械设备：超高温杀菌方式的根据设备的加热方式不同分为间接加热式和直接加热式两种方法。直接式是将预热的物料与一定压力的热蒸汽混合，蒸汽冷凝放热将产品加热至所需温度，主要设备为直接加热UHT系统;间接加热则是通过传热装置将物料加热，主要有超高温板式加热系统、管式杀菌机。

杀菌工序由于加热方式的多样化，也成为电能替代热力和煤炭的主要领域。

3  电能替代可行性分析

从上述分析可知，食品企业电能替代其他能源的主要途径集中在加热环节对热能的替代。从技术、经济、环保、安全方面讨论电能替代其他能源的可行性。

在技术方面，在食品加工工业环节中用电炉、电锅炉替代各类小型燃煤锅炉是完全可行的。从生产工艺改进的角度看，各种原始的加工技术正在逐步地为现代化加工技术所替代，现代化程度越高电能所占的比重就越高，例如：真空加工技术正逐步替代原有的常压加工技术，低温干燥技术替代常温或高温干燥技术，微波加工技术替代常规加工技术等等。

在經济性方面，由于食品行业中的加热环节对能源品质要求不高，所以该环节用那种能源直接与该能源的成本有关。以食品加工企业的蒸汽锅炉为例，采用电锅炉、燃煤锅炉、燃油锅炉三种加热方式进行的费用比较，三种锅炉以燃煤锅炉经济性最好，电锅炉的经济性较差。从生产工艺改进的角度看，各种现代化生产工艺，虽然一次性投资成本较高，但是，但是其运行成本低，易实现规模化生产，综合起来其单位产品的生产成本较低，例如：真空加工技术，由于常压加工工艺的耗能量大成本高，采用真空加工技术能明显降低耗能量，从而降低成本。另一方面，有些加工环节要求较高，用电力加工可以提高产品的质量，因此也会提高产品的市场售价。

在环保性方面，电能在使用过程中，对使用地的污染最小，有助于缓解当地的环境状况。对于一些处于城市中心地带的企业，由于环保的要求也有使用电能加热的进一步要求。随着清洁能源在电网中的比重的提高，电力在环保方面的优势将更加明显。从生产工艺改进的角度看，消除了污染源，改善了企业生产环境周边地区生活环境，另一方面，由于现代化的生产工艺降低了单位产品的能耗，从而更具有环保上的优势。

在安全性方面，由于食品行业的特殊性，食品行业生产的卫生情况直接影响到食品安全性，电能在使用终端具有清洁性不会对食品造成污染，另一方面，电能又具有稳定性，容易满足生产过程的工艺要求，从而能够保持生产工况的稳定。

参考文献：

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