食品企業(yè)生產(chǎn)過程中用能情況
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摘要：食品行業(yè)的能源需求主要分為機(jī)械動(dòng)力能源和熱能，其中機(jī)械動(dòng)力能源主要采用電能，而限于經(jīng)濟(jì)性問題，熱能的主要供給形式還以煤、氣、油為主，隨著人們對(duì)食品質(zhì)量和安全性要求的不斷提高，加之各地對(duì)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(shì)，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。
關(guān)鍵詞：食品行業(yè)；用能分析；電能替代
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(diǎn)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(jī)、高壓均質(zhì)機(jī)、殺菌設(shè)備、濃縮設(shè)備、噴霧干燥設(shè)備及粉體包裝機(jī)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(dòng)化水平高，其整個(gè)生產(chǎn)過程中主要傳動(dòng)機(jī)械和傳熱設(shè)備都用電力驅(qū)動(dòng)。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(yàn)收后，必須經(jīng)過預(yù)處理，以去除原乳中的機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械外力推動(dòng)下，克服過濾介質(zhì)的阻力達(dá)到鮮乳與雜質(zhì)分離的目的，主要耗能設(shè)備為過濾機(jī)和凈化機(jī)。殺菌：經(jīng)過預(yù)處理的鮮奶進(jìn)入貯料罐，進(jìn)入殺菌工序。乳品的殺菌主要采用超高溫殺菌方式進(jìn)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(jìn)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(jìn)入高壓泵增壓，送至塔頂經(jīng)機(jī)械式霧化器噴入干燥塔與干燥或低濕的空氣進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)，使乳液中的大部分水分瞬時(shí)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(jìn)入貯粉器，送往包裝機(jī)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(shí)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(gè)：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(gè)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(kuò)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(duì)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(yùn)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(jìn)行宰殺的工序。主要用電設(shè)備是沖洗機(jī)、電暈機(jī)、倒掛機(jī)、升降機(jī)、運(yùn)送機(jī)、剝皮機(jī)、鋸半機(jī)、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(jī)、風(fēng)扇等。分切：將整豬中各類肉質(zhì)進(jìn)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(jī)，制冷機(jī)等。處理：對(duì)分切后的各類肉質(zhì)進(jìn)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(jī)、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(jī)、按摩機(jī)、剝油機(jī)、注射機(jī)、砍排機(jī)、絞肉機(jī)、細(xì)切乳化機(jī)、制冰機(jī)、自動(dòng)充填機(jī)、高速充填機(jī)等。蒸煮：對(duì)加工后成型生香腸類進(jìn)行煮熟的工序。主要用電設(shè)備是照明、鍋爐風(fēng)機(jī)、干燥機(jī)、蒸煮機(jī)、電烤箱等。降溫：對(duì)煮熟的香腸類肉制品進(jìn)行冷卻降溫，進(jìn)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(jī)等。包裝：對(duì)凍結(jié)狀態(tài)的香腸類肉制品進(jìn)行外包裝的工序。主要用電設(shè)備是照明、空調(diào)、進(jìn)排氣風(fēng)機(jī)、蒸空機(jī)、打碼機(jī)、封口機(jī)等。殺菌：對(duì)香腸類肉制品成品及附屬包裝進(jìn)行消毒殺菌的工序。主要用電設(shè)備是殺菌鍋、升降機(jī)、進(jìn)排氣風(fēng)機(jī)、冰水機(jī)等。凍結(jié)：香腸類肉制品成品進(jìn)行低溫冷凍處理，保鮮的工序。主要用電設(shè)備是制冷機(jī)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(jī)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(dòng)機(jī)械的動(dòng)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(shí)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(dòng)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(jìn)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(jī)、過濾式離心機(jī)、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(shí)驗(yàn)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(jī)：是各種類型食品廠普遍采用的干燥機(jī)械。其加熱熱源可采用蒸汽、熱水、電、遠(yuǎn)紅外等。真空干燥機(jī)：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(jī)械是帶式真空干燥機(jī)，熱源可采用蒸汽、導(dǎo)熱油、電或燃煤（油）熱風(fēng)爐，選擇性強(qiáng)。物料的加工過程分為蒸汽加熱、熱水加熱和冷卻三個(gè)功能區(qū)域，耗熱水、汽量較大。噴霧干燥機(jī)：多用于奶粉、蛋粉等粉狀食品的加工。主要組成部分為進(jìn)料系統(tǒng)、霧化系統(tǒng)、進(jìn)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(jī)：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(jī)：是將料液通過滾筒旋轉(zhuǎn)或噴嘴均勻分布在轉(zhuǎn)動(dòng)的、蒸汽加熱的滾筒上的干燥機(jī)械。其供熱介質(zhì)簡便。常用飽和水蒸氣，壓力較低，對(duì)某些低溫加熱物料可采用熱水作為熱媒。冷凍干燥機(jī)：其過程是將冷凍后析出的冰直接進(jìn)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(dòng)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(gè)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(jìn)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(diǎn)應(yīng)用的不同，殺菌設(shè)備主要包括四種：間歇?dú)⒕O(shè)備：主要設(shè)備為回轉(zhuǎn)式殺菌機(jī)，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(dòng)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(dòng)環(huán)節(jié)。加壓連續(xù)加工設(shè)備：按殺菌時(shí)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(shí)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(jī)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(jī)。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(duì)熱能的替代。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、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(jìn)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(jì)性方面，由于食品行業(yè)中的加熱環(huán)節(jié)對(duì)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(jìn)行的費(fèi)用比較，三種鍋爐以燃煤鍋爐經(jīng)濟(jì)性最好，電鍋爐的經(jīng)濟(jì)性較差。從生產(chǎn)工藝改進(jìn)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(yùn)行成本低，易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(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(huì)提高產(chǎn)品的市場售價(jià)。在環(huán)保性方面，電能在使用過程中，對(duì)使用地的污染最小，有助于緩解當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境狀況。對(duì)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(jìn)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(shì)將更加明顯。從生產(chǎn)工藝改進(jìn)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(shì)。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(huì)對(duì)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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作者：齊士偉 趙博 周景宏 單位：國網(wǎng)吉林省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院