糧食烘干機生物質熱風爐系統研究與應用*

孫鳳陽 王紫微 李志民 張旭昕 張立群 馮展鵬 陳萬福 張義元

(1 中國儲備糧管理集團有限公司吉林分公司 130033)

(2 中央儲備糧吉林直屬庫有限公司 132000)

東北地區秋糧收獲后糧食自然水分高，需經機械烘干或長時間自然通風降水才能滿足安全儲存要求?，F有糧食烘干機主要以燃煤為主，隨著國家大氣污染防治、碳達峰和碳中和以及重大戰略的提出，部分區域已出臺禁煤政策，大量烘干機處于停產狀態，對糧食行業來講，制約了糧食收儲業務開展，影響高水分糧及時干燥，危及糧食安全。

生物質能是指可以進行光合作用的生命體，將太陽能以化學能的形式固定在其體內的能量形式和太陽能一樣都屬于可再生能源。從廣義范圍來講，生物質涵蓋所有的植物、微生物及將其作為食物的動物以及其生產出的廢物[1-2]。生物質能能源極其豐富，各類秸稈的年產量可達6億噸，薪柴等產量大約為2億噸。目前，除了很少一部分被用作動物口糧或者家用燃料使用外，其余大多數均被露天焚燒或者就地填埋，還有另外一部分丟在田間被生物降解[3]。將生物質作為傳統燃煤熱風爐的替代燃料，由于生物質作為可再生能源有其自身的優勢，生物質燃料本身含硫低，燃燒后無需經過脫硫處理，采用科學合理的低氮燃燒技術，可有效控制氮氧化物的排放量，尤其在“雙碳”目標的背景下，對綠色低碳發展和生態文明建設提出了更高的要求，這也充分展示了我國為應對全球氣候變化做出的新努力和新貢獻。

生物質直燃代替化石能源，不僅能夠促進節能減排，還能帶動鄉村居民的經濟發展，因此合理有效地利用生物質能既具環境效益又兼具社會效益，對促進社會經濟增長和改良生態環境極具意義[4]。王云華[5]等人對糧食烘干機熱源問題進行了調查，通過對柴煤爐、燃氣、燃油、生物質爐熱源對比發現，雖然生物質爐改造成本以及運行成本均高于其他熱源烘干機，但是生物質爐熱源污染小且生物質燃料原材料多以樹木廢料、農作物秸稈等為主，有利于秸稈禁燒，因此建議鼓勵推廣應用。朱廣飛[6]等人設計了一套生物質顆粒熱風爐與糧食烘干機耦合，將該糧食烘干設備與利用空氣源熱泵烘干糧食的經濟性對比發現：利用生物質顆粒熱風爐烘干糧食成本較低，具有明顯的經濟效益和推廣應用前景。

現有的燃煤改燃生物質熱風爐是在原有燃煤爐結構稍作改動，降氮效果不明顯，仍會存在煙氣中氮氧化物排放超標等問題，制約了生物質熱風爐的市場推廣。因此有必要開發一種以生物質為燃料的熱風爐低氮燃燒方法及裝置，有效降低氮氧化物的產生和排放，使生物質熱風爐同時能夠滿足環保排放要求和降低企業運營成本[7]。本文針對傳統燃煤熱風爐烘干過程中存在的問題，提出糧食烘干機環保改造技術方案，解決糧食干燥過程中產生環境污染和企業運營成本高等問題。

1 烘干機改燃生物質技術

現有燃煤熱風爐多采用鏈條爐燃燒方式，直接改燃秸稈成型燃料，存在出力不足、易結渣和沾污、燃燒效率低以及氮氧化物排放高等一系列問題﹐無法滿足生產及環保要求，因此需要根據燃料性質對燃燒設備進行整體改造[8]。生物質層燃可以分為4個階段，依次為干燥﹑熱解﹑燃燒和燃燼階段[9]。

燃煤熱風爐改用生物質燃料，不是一個簡單的改造問題，也不是把燃料直接替換為生物質燃料便能夠解決的問題。而是需要針對生物質燃料特性，對糧食烘干供熱的熱風爐所需要溫度、風量進行改燃生物質的專業設計，才能夠達到預期效果?；谏镔|燃料的燃燒特性，烘干機改燃生物質技術改造主要有以下內容：熱風爐改造、安裝凝渣換熱系統、余熱回收系統、煙氣除塵系統、自動上料系統。烘干機生物質改燃工藝如圖1所示。

圖1 烘干機生物質改燃主要工藝簡圖

1.1 熱風爐改造

為了解決現有生物質熱風爐燃燒不充分、燃燒效率低、尾部煙氣NOx濃度高﹑煙塵堵塞換熱器等問題，本生物質熱風爐對原有燃煤熱風爐進行改造，保留原有爐排和兩側部分爐墻，爐體整體加高，增加爐膛內部空間，使揮發分與氧氣充分接觸，降低爐膛內氧含量，降低氮氧化物排放濃度。新砌筑爐拱、干擾拱、阻塵墻；加裝生物質專用料斗，防止料斗回燃；增設助燃增效系統；增設低氮燃燒系統。

1.2 安裝凝渣換熱系統

在熱風爐與換熱器之間增加一套凝渣換熱裝置，煙氣走管外，空氣走管內，增大管束的管間節距，既可以防止管外結渣搭橋堵塞煙道，又可以阻擋并沉降煙塵顆粒物。經過凝渣換熱裝置后煙氣溫度降低，再進入換熱器(速度是15 m/s)，有助于減輕煙塵在換熱管內掛壁問題。將凝渣換熱裝置加熱的空氣引至換熱器冷風入口，與回收的塔體廢氣混合后進入換熱器，有助于解決廢氣進入冷風口掛霜問題的同時提高換熱效率和換熱器的使用壽命。

1.3 余熱回收系統

烘干機三號熱風機供熱的下部干燥段的干燥廢氣和冷卻段排出的冷卻廢氣全部回收至換熱器冷風入口的混風箱，與被凝渣換熱裝置加熱的空氣混合后一起進入換熱器，供3臺熱風機使用。合理設計回收風速，回收管道對稱布置，不會影響烘糧質量，且無需增加任何動力裝置。

1.4 煙氣除塵系統

在熱風爐尾部加裝展開面積720 m2的布袋除塵器，濾袋耐高溫230℃，與之配套螺桿空壓機，1.5 m3貯氣罐等，保障除塵器連續有效運行。

1.5 自動上料系統

生物質自動上料系統由燃料倉、倉前輸送機、倉下輸送機、上料斗及阻旋料位計組成，可實現自動給料，全天候作業。燃料倉的設置解決燃料儲存問題和生物質燃料避免混合雨雪潮濕問題，保障能夠連續供料，減輕勞動強度，降低人工成本，提高生產率。

采用技術改造后，相較于傳統糧食烘干熱風爐的優勢體現在：一是實現高效燃燒。優化熱風爐爐膛前、后拱、墻設計，增設干擾拱和阻塵墻、延長火焰和高溫煙氣在爐膛停留時間，分級配風、半氣化分段燃燒。秸稈燃料燃燒充分，灰渣含碳量<10%，燃盡率>95%，熱效率>85%。二是實現加濕助燃。將烘干機排出的濕熱廢氣引送回風室加濕助燃，提高燃盡率5%，提高熱效率2%。三是實現低氮燃燒。設置再循環煙道，將排放的部分煙氣分上、中、下三路送回爐膛，降低氣體燃燒區溫度和煙氣中的含氧量，形成低氮燃燒，有效抑制熱力型氮氧化物的生成。四是解決結焦掛壁。外界冷空氣通過管道與一次過氧燃燒區的鼓風機相通，控制此燃燒區的溫度不超過800℃，從而解決結焦掛壁問題。

2 試點項目效益分析

根據上述技術改進，2020年至2022年在中儲糧吉林直屬庫進行烘干機生物質改燃試點研究。以2020年為例，2020年1月至3月，分三個階段進行糧食烘干試驗，歷時34 d，累計烘干22.0%水分玉米3.1萬噸。期間委托環保檢測機構監測了尾氣煙塵顆粒物、二氧化硫、氮氧化物以及煙氣黑度等指標，大氣污染物排放指標如表1所示，項目排放指標均低于國家和吉林省標準。經費用測算，其經濟運行指標與燃煤基本相當。2020年8月，試點項目通過專家驗收。經過長達2年多的運行測試，對運行進行檢測和數據整理，進行以下效益分析。

表1 大氣污染物排放指標

2.1 環保效益分析

生物質燃料是可存儲、可運輸、可再生的一次能源，可以通過光合作用再生，與風能和太陽能一樣同屬可再生能源，資源豐富，供應充足。生物質燃料在生長中需要的CO2量相當于作為燃料燃燒時排放量，生物質燃燒時CO2凈排放量近似為0，屬于碳平衡燃料。生物質含硫量低，燃燒時生成的SO2較少。生物質中硫的質量分數為0.01%～0.1%，遠低于煤中硫的質量分數0.5%～1.5%。研究發現，在釋放相同熱量的情況下，煤炭燃燒排放SO2和NOX的數量分別是生物質秸稈的7倍和1.15倍。1臺500 t/d烘干機按照每年烘干90 d測算，據不完全統計，烘干1 t玉米需要消耗煤50 kg～75 kg，使用生物質改燃后每年可替代燃煤2250 t～3375 t，可減排CO26057.7 t～9086.5 t，SO214.1 t～21.1 t，NOX2.3 t～3.4 t。

2.2 經濟效益分析

項目測試時(2020年初)，使用2級秸稈壓塊燃料，發熱量為3500 Kcal/kg，價格600元/t，500 t/d烘干機每日消耗秸稈壓塊燃料25 t左右，烘干產量760 t左右，經測算，噸糧降低1%水的燃料費用在3.5元左右，與使用850元/t發熱量5000 Kcal/kg煤燃料費用基本相當。

由于近幾年煤炭價格高漲，煤電緊缺使用生物質燃料烘干成本優勢更為明顯。如表2經濟性對比分析所示，發熱量5000 Kcal/kg燃煤價格已上漲至2000元/t左右，其噸糧降1%水的燃料費用已達6.0元左右；發熱量3500 Kcal/kg的生物質壓塊價格上漲至850元/t左右，噸糧降1%水的烘干費用在4.5元左右。烘干機燃煤熱風爐比生物質壓塊熱風爐烘干噸糧降1%水的費用高1.5元。1臺500 t/d燃煤烘干機生物質改燃(含余熱回收等)需投資170萬元左右。如果煤價居高不下，使用生物質比用煤噸糧降1%水的費用節約1.5元，500 t/d烘干8.1萬噸糧食可收回改造投資成本。如果燃煤烘干機不改造，只能停用，直接收購市售的烘干糧，噸糧成本至少增加25元/t，自己收購烘干6.8萬噸糧食可收回改造投資成本。

表2 經濟性對比分析表

3 現有改造存在的問題

在項目測試過程中主要存在以下問題：一是測試潮糧水分22%，缺少更高水分糧食的烘干實踐。二是設備連續運行時間仍低于使用燃煤爐。三是數據積累待完善。改燃后的生物質成型燃料熱風爐系統測試時間與數據不足，未在東北地區極寒時段測試，烘干糧食水分普遍偏低。除了上述技術問題之外，在生物質熱風爐的推廣及應用中還存在以下問題：一是原料供應不穩定。目前，生物質成型燃料供應較為穩定，但集中供熱企業和糧食收儲企業廣泛推廣應用生物質成型燃料熱風爐(鍋爐)后，可能會出現需求緊張，價格上漲，供應量不足等問題，尤其是二級以上成型燃料可能會出現供應不穩定問題。二是支持政策不明確。目前，生物質成型燃料熱風爐發展還處在初期，糧食收儲企業烘干機改造的積極性不高，市場培育不完善，產業體系不夠健全，各地方政府認識程度和支持力度還存在很大差異，需要各級政府加大項目補助政策支持力度?？傊?，糧食烘干機生物質熱風爐應用前景廣闊，但是糧食烘干生物質熱風爐技術的推廣應用任重道遠，各級農業農村部門應從糧食安全儲藏的角度出發，高度重視并制定相應措施，促進糧食烘干生物質熱風爐技術的大規模運用。

4 總結與展望

生物質資源的能源化利用對于解決化石能源日趨緊張和環境污染日益嚴重問題具有重大意義，國家大力推行生物質能源的綜合利用是一項“功在當代、利在千秋”的政治性戰略，從而徹底改變使用傳統燃煤鍋(窯)爐給糧食收儲企業進行糧食烘干的歷史。中儲糧吉林分公司通過近三年的研究與試點，已解決堿金屬掛壁、氮氧化物超標、爐溫和熱風溫度不穩定等問題，生物質成型燃料熱風爐技術已趨于成熟，具有較好的可行性和經濟性。生物質成型燃料熱風爐已開始逐步應用于鄉(鎮)所在地居民集中供暖、中小型工業園區集中供汽和生物質電廠熱電聯產等項目上，但至今還沒有廣泛應用到糧食收儲企業的糧食烘干上。特別是近期，煤價高漲，生物質燃料成本優勢愈發明顯。因此，將燃煤烘干機熱風爐改燃生物質已成為未來發展趨勢。