介绍食品加工中的能源使用

的食品生产，以维持人体的能量平衡，因此需要持续不断地从自然资源中获取大量的能量，主要以化石燃料，如煤，石油和天然气．例如，以食物形式提供1 J的典型能量需求消耗了近10 J的自然资源。在人类消费食品的生产过程中，食品和饮料的加工过程需要相当一部分这种能量(例如，见Hufendiek和Klemes, 1997;Klemes et al.， 1999a,b)。地球上人口的稳步增长和对营养需求的不断增长，使世界粮食价格每年都在增长能源消耗在过去的十年里，食品和饮料行业的比例高达40%

许多人口众多的国家，如中国和印度，其加速发展导致能源需求大幅增加，能源成本雷竞技手机版app稳步上升。由于世界人口的增加，对能源的需求不断增长，也导致许多地区的环境状况不可预测，因为二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物、灰尘、黑碳和燃烧过程废物的排放增加(Klemes等人，2005年)。随着发展中国家粮食产量的增加，与此同时，确保生产/加工业利用粮食的最新发展也变得越来越重要能源效率并最大限度地减少产生的废物量。

食品和饮料行业有许多消耗能源的过程。在最近出版的食品、饮料和牛奶行业的最佳可用技术参考文件(BREF)中给出了这些能源消费者的全面指南(前瞻性技术研究所，2006a)，其中包括消费者:表4.1所示。

另一个相关的出版物BREF涉及屠宰场和动物副产品(前景技术研究所，2006b)。

能源和相关的环境成本，以及规定的排放和污水限制、收费和税收，大大增加了生产成本。该问题的一个潜在解决方案是优化能源消耗，提高处理效率并减少排放和废水(Klemes等人，2005年A)。

然而，与其他加工行业相比，食品加工有一些特定的特点，使得优化能源效率和降低总成本更加困难;例如，在炼油工业中，持续的大规模生产集中在几个地点，这提供了明显的大规模生产的潜力节约能源(al - riyami et al.， 2001)。总的来说，食品加工分布在非常大的区域，而且往往是在特定和有限的时间内生产，例如在制糖业的运动中。此外，该行业往往非常多样化，严重依赖小型生产商和加工商。

与其他规模相当的行业相比，食品生产/加工业的这些特点导致在能源优化方面的活动不那么激烈。节能目标也是如此，这种分析的主要目的一直围绕着经济表现。如果

表4.1食品和饮料行业的能源消费者

物料的处理和储存	•发芽
•排序/筛选	•吸烟
•皮	•硬化
•清洗和解冻	•碳酸化作用
•减少/切割/切	•融化
•混合/混合	•热烫
•磨/铣削破碎	•烹饪和煮
•形成/成型/挤压	•烘焙
•提取	•烤
•离心沉淀	•煎
•过滤	•回火
•膜分离	•巴氏灭菌法
•结晶	•蒸发
•去除脂肪酸	•干燥
•漂白	•脱水
•Deodorisation	•冷却和冷却
•Decolourisation	•冻结
•蒸馏	•冻干
•溶解	•包装和填充
•溶液化/碱性的	•清洁和消毒
•发酵	•制冷
•凝固	•压缩空气产生

生产过程不集中，规模大且连续运行，较难达到吸引人的效果投资回收期，即在较短的时间内，投入的资本通过改善经济表现而得到回报能源成本降低相关的环境成本。

然而，由于不断增加的能源成本的压力和对环境退化的担忧，即使以前在经济上不太有吸引力和耗能的食品加工厂，如生产糖、乙醇、葡萄糖、干牛奶、番茄酱、植物油、果汁等的工厂，也成为减少能源成本和环境影响的强有力的候选。

此外，食品加工业具有整合利用的潜力可再生能源以减少污染源和废物的产生，从而降低整体成本。一个典型的例子是甘蔗渣的使用生物燃料用于生产甘蔗糖厂加工所需的能源，并将剩余电力输出到配电网。

有许多成熟的方法可以优化能源的使用，从而降低运营成本。其中许多方法只需要良好的管理实践:好管家基于最优测量政策和计划的客观分析，以及基于工作流优化的最优供应链管理。废物管理和副产品回收对生命周期评估(LCA)的作用也越来越大，不仅在生产链中，而且在生产、加工、消费和废物处理的整个生命周期内(Koroneos等人，2005年;伦迪和彼得斯，2005)。

提高能源效率的一种先进方法是过程集成(Linnhoff et al.， 1982,1994;谢诺,1995)。这种方法也被称为“夹点技术”(Linnhoff和Vredeveld, 1984)，而主要与降低加热成本相关的技术领域通常被称为“热集成”。这种方法在食品加工业中具有很大的潜力。因此，本章涉及提供基本信息和参考资料，并辅以案例研究，以证明这些先进方法在食品工业中使用时的节能潜力。

4.2节能和最小化:工艺集成/夹点技术，热电联产最小化，能源和水联产最小化

这是一种新的方法，可以减少由单个处理单元和综合公用事业系统组成的场地的能源需求和排放，同时最大限度地提高热电联产轴的产量

6150 * 6150

(a)热流分别绘制

(b)复合热流

图4.1合并热流以产生热复合曲线．CP = Cm(热容流量=比热x质量流量)(在CPI 2004a和2005a之后)。

6150 * 6150

(a)热流分别绘制

(b)复合热流

图4.1将热流合并形成热复合曲线。CP = Cm(热容流量=比热x质量流量)(在CPI 2004a和2005a之后)。

在20世纪80年代末和90年代，由曼彻斯特大学科学技术学院(UMIST)的过程集成系(现在是曼彻斯特大学化学工程和分析科学学院(CEAS)的过程集成中心)开发和开创(Linnhoff和Hindmarsh 1982;林霍夫等人，1982,1994;林霍夫和弗里德，1984;史密斯,2005)。这种方法是基于通过使用温度-焓图来分析和理解过程流之间的热交换。图中曲线的具体绘制步骤如图4.1至4.3所示。方法论首先确定了热源(称为“热流”)和热汇(称为“冷流”)在工艺流程中。表4.2给出了一个简单的示例。热源可以组合在一起构建复合热流(图4.1)，热源也可以组合在一起构建复合冷流(图4.2)。这些曲线在温度-焓图上的相对位置取决于热交换的允许温度差。因此，下一步是选择热流和冷流之间的最低允许温度方法。选择最合适或最优的ATmin是经济评估和资本和运营成本(主要是成本)之间权衡的结果能源使用)所分析的过程。较大的ATmin意味着较高的能源使用和成本，以及较低的资本成本。因此，对于增加能源成本(例如天然气价格)，最佳ATmin降低，这意味着热交换器系统可以回收更多的能量，但代价是为更大的传热面积支付更多的资本。这个问题已经在其他地方进行了更详细的讨论(Taal et al, 2003;唐纳利等人，2005年;史密斯,2005)。

(a)冷气流分布图(b)复合冷气流分布图

图4.2将冷流合并形成冷复合曲线(经过

CPI 2004a和2005a)。

图4.3绘制冷热复合曲线。Tmin，最小温差;QCmin，最小冷却要求(冷却负荷);QHmin，最低加热要求(加热负荷);QREC，热回收(在CPI 2004a和2005a之后)。

表4.2冷热流

流	类型	供应温度Ts(°C)	目标温度Tt(°C)	啊(千瓦)	热容流量，CP (kW/°C)
淡水	冷	20.	180	3200	20.
热点产品1	热	250	40	-3150年	15
汁循环	冷	140	230	2700	30.
热点产品2	热	200	80	-3000年	25

CP = CPm(热容流量=比热x质量流量)。

CP = CPm(热容流量=比热x质量流量)。

在本例中，为简单起见，选择的ATmin为10°C。在相同的图形空间中绘制复合曲线(图4.3)，可以得到最大热回收和最小冷热效用的值。这些被称为目标。在ATmin = 10°C的特定情况下，最低热效用要求为750 kW，最低冷效用要求为1000 kW。

在图4.3中，我们还可以确定夹点的位置。夹点表示热复合曲线和冷复合曲线最接近的位置(对于ATmin大于零的情况)。夹点为热集成方法(“夹点技术”)提供了名称，并具有各种重要特征，对最大能量回收系统的设计做出了重大贡献，也对最经济有效的换热器网络的设计做出了重大贡献。

已经开发了各种设计方法，使这些目标在实践中既可用于基层设计(Linnhoff等人，1982,1994)，更重要的是，用于现有工厂的改造(Asante和Zhu, 1997;Urbaniec等人，2000年;al - riyami等人，2001)。这些方法由流程集成软件支持，该软件提供设计和改造支持，以及自动化设计(SPRINT, 2006;明星,2006)。

然而，在大多数情况下，我们有一个以上的热和一个冷公用设施可用于食品加工厂能源回收后的加热和冷却需求。在这些情况下，我们的任务是找到并评估最便宜和最理想的可用工具组合(图4.4)。为了辅助这一选择，并进一步加强从冷热复合曲线得到的信息，开发了一种额外的图形结构。这被称为大复合曲线(图4.5)，并为冷热设施的最佳布置和缩放提供了明确的指导方针。大复合曲线和平衡复合曲线(添加了选定公用设施的复合曲线)为冷热公用设施的最佳布置和选择提供了方便的工具。图4.6显示了选择公用设施及其布置的一个例子。

在需要某种形式的冷却或压缩制冷的次环境食品加工过程中，大复合曲线也是针对冷却要求的有用工具。向工艺提供低温冷却的单一制冷电平的示例如图4.7所示。在这种情况下，大综合曲线为制冷过程必须除去的热量提供了一个目标，并显示了需要制冷的温度。然而，通过利用制冷系统排出的热量向高于环境的工艺提供低水平加热，从而节省由另一种公用事业来源(如热水)提供的热量，可以改进整个工艺/公用事业系统(图4.8)。还可以对系统进行进一步的改进，如图4.9所示，采用两级制冷系统。这个系统，与

锅炉房及电厂

燃料

锅炉房和发电厂

燃料

图4.4选择冷热设施的潜力。HP、MP、LP分别为高、中、低压(在CPI 2004a和2005a之后)。

热
泵

图4.4选择冷热设施的潜力。HP、MP、LP分别为高、中、低压(在CPI 2004a和2005a之后)。

在Ul

图4.6在大综合曲线的帮助下(经过

CPI 2004a和2005a)。

图4.6在大综合曲线的帮助下(经过

CPI 2004a和2005a)。

使用一级系统，减少了最冷制冷循环的负荷，在大多数情况下将降低公用事业成本。食品加工过程中实现最大能源效率和最低成本所需的冷却/制冷级的位置和数量是一个总体优化问题(CPI 2004, 2005;史密斯,2005)。

传统的夹点分析通过包含五个步骤的系统设计程序来评估工艺的最小实际能量需求:

1 .工厂数据的收集。

设定最低实际能源需求目标。

检查有助于实现目标的过程变更。

图4.7单级制冷提供冷却，热量排入环境的大复合曲线。T*W和To分别为冷却水位移温度和环境位移温度;QC，冷却负荷(CPI

2004b和2005b)。

图4.7单级制冷提供冷却，热量排入环境的大复合曲线。T*W和To分别为冷却水位移温度和环境位移温度;QC，冷却负荷(CPI

2004b和2005b)。

图4.8单级制冷提供冷却和工艺拒热的大复合曲线(在CPI 2004b和2005b之后)。

图4.9两个制冷等级提供冷却时的大综合曲线(2004b和2005b之后)。

4获得达到目标的最小能量设计。

5 .优化，在能源成本和资本成本之间进行权衡。

热集成方法已进一步扩展到包括总场址，它被定义为与公用事业供应系统集成的加工厂的组合(Klemes等，1997)。全站分析扩展了包括食品加工业在内的许多行业的节能范围。一个典型的例子是一个场地，包括一个制糖厂和额外的乙醇生产。这两个过程都由发电厂提供服务，此外，主要在冬季，发电厂还为附近的城镇提供热量(图4.10)。

全现场方法(Dhole和Linnhoff, 1993)产生了与合理投资策略相结合的综合工艺设计，可以节省大量资金。在考虑了热电联产后，在研究的全部站点上发现了高达20%的燃料使用节省。这些节约是通过同时优化生产流程和现场公用事业系统实现的。与单个工艺改进相比，整个现场分析还使全球二氧化碳水平和其他排放减少了至少50%。在整个站点的设计策略中考虑了半连续和批量操作的具体特征，以及多目标优化。环境成本和可能的管制行动也被纳入其中。开发了支持该方法的软件工具。总的场地项目导致了在过程和场地公用系统投资的“路线图”的概念。

排放

排放

图4.10总场地公用设施安排(继Klemes等人，1997年之后)。

图4.11公用事业系统及其与环境的相互作用，追踪CO2循环(继Varbanov等人，2005年之后)。

该方法已得到进一步发展和扩展，包括以低温室气体排放为特征的公用事业系统的最佳综合(Varbanov et al.， 2005)。简化的现场配置如图4.11所示。

在最典型的全现场系统中，公用事业系统为现场工艺提供蒸汽加热。或者，可以从高温过程冷却中产生蒸汽，然后将其传递给蒸汽系统。采用冷却水、风冷或制冷来满足冷却需求。此外，还需要公用事业系统来满足场地的电力需求。与公用事业系统的运行有关的相互作用有三大类。首先，整个站点不太可能处于能量平衡状态。它们通常需要进口或出口电力。其次，燃料和电力的市场价格等经济条件随时间而变化。在产品需求、原料组成、环境条件等方面也有变化。第三，需要将公用事业系统的环境影响纳入综合模型。 This is dictated by the need for significant reduction of emissions. The integration should be carried out accounting for the economics, since the decisions in industry are driven by profitability. The most recent developments in the field have been summarised by Klemes and Stehlik (2003) and by Klemes and Friedler (2005).

继续阅读:食品行业的可再生能源

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