生物質(zhì)燃料在糧食烘干中的應(yīng)用

王桂英，吳文福，徐 巖

(1.吉林大學(xué)超塑性與塑性研究所，吉林 長(zhǎng)春 130025； 2.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130025)

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生物質(zhì)燃料在糧食烘干中的應(yīng)用

王桂英1，吳文福2，徐 巖2

(1.吉林大學(xué)超塑性與塑性研究所，吉林 長(zhǎng)春 130025； 2.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130025)

在全球節(jié)能減排、低碳環(huán)保的形勢(shì)下，生物質(zhì)燃料由于具有來(lái)源廣、成本低、污染小、可再生等優(yōu)點(diǎn)而被世界各國(guó)以新的形式開發(fā)利用。糧食烘干是高能耗的作業(yè)，而我國(guó)又是多煤貧油的國(guó)家，如果將生物質(zhì)燃料作為糧食烘干的熱源，將會(huì)更有助于降低糧食烘干成本和保護(hù)環(huán)境，而開發(fā)生物質(zhì)燃料熱風(fēng)爐將是未來(lái)糧食烘干熱源裝置的趨勢(shì)。我國(guó)自主研制的生物質(zhì)燃料熱風(fēng)爐的典型代表是稻殼爐，液體和氣體生物質(zhì)燃料熱風(fēng)爐還處于研究階段，但會(huì)隨著液體和氣體生物質(zhì)燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)以及燃油爐、燃?xì)鉅t制造技術(shù)的進(jìn)步，逐步用于糧食烘干領(lǐng)域。

生物質(zhì)燃料；糧食烘干；熱風(fēng)爐

我國(guó)是世界上最大的糧食生產(chǎn)和消費(fèi)的國(guó)家，最新報(bào)道顯示，2013年我國(guó)糧食總產(chǎn)量已超過(guò)6億t。目前我國(guó)廣大地區(qū)的糧食干燥仍然以人工晾曬為主，每年機(jī)械化干燥的糧食約為3 700萬(wàn)t。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)干燥1 t糧食消耗標(biāo)準(zhǔn)煤0.07 t，所以僅糧食干燥一項(xiàng)每年就需耗用約260萬(wàn)t的標(biāo)準(zhǔn)煤[1]。我國(guó)是以煤作為主要能源的國(guó)家，糧食烘干機(jī)也多采用煤作為熱源。若按照目前我國(guó)化石能源的污染物排放系數(shù)，消耗260 萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤會(huì)排放約700萬(wàn)t CO2，1.9萬(wàn)t SO2，2萬(wàn)t NOx和0.72萬(wàn)t煙塵。我國(guó)糧食干燥系統(tǒng)大多沒(méi)有配備節(jié)能減排設(shè)備，燃料燃燒產(chǎn)生的CO2、SO2、NOx等氣體排放物直接排入大氣，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染?？梢?jiàn)糧食烘干是高能耗、高污染的作業(yè)，而且隨著糧食機(jī)械化烘干規(guī)模的擴(kuò)大，需要的能源更多，污染物的排放量會(huì)更大。

在目前人類社會(huì)正面臨著能源危機(jī)與環(huán)境污染的雙重壓力下，世界各國(guó)都提倡節(jié)能減排、低碳環(huán)保，如何開發(fā)利用清潔能源用于糧食烘干是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要議題，生物質(zhì)燃料是由此應(yīng)用而生的具有成本低、污染小、可再生的新能源。

1 生物質(zhì)燃料

生物質(zhì)燃料是生物質(zhì)能的載體，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的形式貯存[2]。所謂生物質(zhì)能，就是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式儲(chǔ)存在生物質(zhì)中的能量形式，即以生物質(zhì)為載體的能量。它直接或間接來(lái)源于綠色植物的光合作用，可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)燃料，取之不盡，用之不竭[3]。

與傳統(tǒng)化石燃料相比，生物質(zhì)能源具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①生物質(zhì)能源可以通過(guò)光合作用再生，與風(fēng)能和太陽(yáng)能一樣同屬可再生能源，資源豐富，可以循環(huán)利用。②生物質(zhì)在生長(zhǎng)中需要的CO2量相當(dāng)于作為燃料時(shí)排放的CO2量，CO2凈排放量近似為0，是碳平衡燃料。③生物質(zhì)含硫、氮量低，燃燒時(shí)生成的SO2和NOx較少，硫和灰分含量?jī)H為中質(zhì)煙煤的1/10左右。研究發(fā)現(xiàn)，提供相同能量，煤炭的S和NOx排放量分別是秸稈的7倍和1.15倍，用1萬(wàn)t秸稈替代煤炭能量，煙塵排放將減少100 t。因此，在生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面，生物質(zhì)作為能源比煤炭等化石燃料具有更大的優(yōu)越性。

2 糧食干燥

糧食干燥是指運(yùn)用糧食干燥機(jī)械設(shè)備，采用相應(yīng)的干燥工藝與技術(shù)手段，通過(guò)人工控制或自動(dòng)控制糧食的溫度、濕度等因素，在不損害糧食品質(zhì)的前提下，降低糧食中的含水量，并使其達(dá)到國(guó)家制定的糧食安全貯藏標(biāo)準(zhǔn)[4]。糧食干燥是糧食產(chǎn)后加工的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是糧食安全儲(chǔ)藏的重要條件之一。

2.1 糧食干燥工藝

按糧食干燥機(jī)的工作原理，即谷物與氣流運(yùn)動(dòng)方向的不同，糧食干燥工藝可分為橫流干燥工藝、順流干燥工藝、逆流干燥工藝、混流干燥工藝，以及兩種工藝的聯(lián)合。相應(yīng)的糧食干燥機(jī)也有橫流式干燥機(jī)、順流式干燥機(jī)、逆流式干燥機(jī)、混流式干燥機(jī)以及順逆流、混逆流和順混流干燥機(jī)等。無(wú)論采用哪種干燥工藝，使用哪種干燥機(jī)，都需要供熱設(shè)備，熱源裝置是糧食干燥機(jī)的關(guān)鍵部件；而且熱耗是評(píng)定糧食干燥機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。我國(guó)糧食干燥機(jī)單位能耗在6 700 kJ/(kgH2O)左右，而國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家單位能耗約為4 600 kJ/(kgH2O)，降低干燥機(jī)能耗，減少糧食干燥成本，是糧食干燥機(jī)設(shè)計(jì)者和干燥機(jī)用戶一致的目標(biāo)。改變能源結(jié)構(gòu)，采用價(jià)廉的生物質(zhì)燃料熱源是降低糧食干燥成本行之有效的方法之一。

2.2 糧食干燥的供熱裝置——熱風(fēng)爐

從熱源上分析，我國(guó)糧食機(jī)械化干燥絕大部分采用熱風(fēng)式干燥。熱風(fēng)干燥屬于對(duì)流干燥，即使用熱空氣或潔凈煙氣作為介質(zhì)，與糧食直接接觸，同時(shí)向糧食供熱并帶走氣化的水分。熱風(fēng)爐是糧食干燥設(shè)備的主要供熱系統(tǒng)。熱風(fēng)爐按供熱方式可分為直接供熱和間接供熱兩種。間接加熱式熱風(fēng)爐，主要由燃燒室和煙氣-空氣熱交換器組成，即由燃燒室產(chǎn)生高溫?zé)煔猓ㄟ^(guò)熱交換器間接加熱空氣，將得到的潔凈熱風(fēng)作為熱媒，用于干燥工藝過(guò)程。間接加熱由于經(jīng)過(guò)了換熱器環(huán)節(jié)，不但影響熱效率而且增加了龐大的換熱裝置。相比較而言，直接加熱式熱風(fēng)爐，以高溫?zé)煔馀c室外空氣混合氣體作為熱媒，省卻換熱設(shè)備而提高了熱效率。糧食作為一種食品，對(duì)干燥品質(zhì)要求較高，需要熱媒具有較高潔凈度。一般而言，以煤、稻殼、秸稈等燃料作為熱源的干燥系統(tǒng)，由于不易完全燃燒，煙氣含有污染物，通常需要配備換熱器，間接干燥糧食；以柴油、天然氣、煤氣等作為燃料的干燥系統(tǒng)，則因燃燒器技術(shù)完善，燃燒煙氣相對(duì)潔凈，不需要配備換熱設(shè)備，可直接干燥糧食。

評(píng)價(jià)糧食干燥工藝是否完善、合理，應(yīng)符合高效、節(jié)能、無(wú)污染的原則，采用生物質(zhì)燃料熱風(fēng)爐就符合節(jié)能和污染小的原則。

3 生物質(zhì)燃料在糧食干燥中的應(yīng)用

生物質(zhì)燃料是一種可再生的新型清潔能源，具有環(huán)保節(jié)能、低碳減排等特點(diǎn)，用于糧食干燥的熱源有廣闊的發(fā)展前景。

目前用于糧食干燥的生物質(zhì)燃料主要有3類：①固體燃料，如秸稈、稻殼、成型生物質(zhì)燃料等；②液體燃料，如生物柴油；③生物質(zhì)燃?xì)?，如沼氣、稻殼煤氣、生物質(zhì)發(fā)酵制取氫氣等氣體燃料。

3.1 生物質(zhì)固體燃料在糧食干燥中的應(yīng)用

3.1.1 生物質(zhì)固體燃料的燃燒特性及經(jīng)濟(jì)性

生物質(zhì)固體燃料基本上由有機(jī)物組成，其主要組成是粗纖維(包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素)，還有少量的蛋白質(zhì)、糖類和脂類物質(zhì)[5]，因此燃燒著火點(diǎn)低，如稻殼的燃點(diǎn)為350℃。和煤炭相比較，生物質(zhì)固體燃料的揮發(fā)分含量要高的多，材料中焦碳的燃燒著火很大程度上是依靠揮發(fā)分燃燒放出的熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這與煤粒的著火有很大區(qū)別。研究表明，生物質(zhì)材料的揮發(fā)分析出迅速猛烈，而且在揮發(fā)分幾乎完全燃燒后焦碳才開始燃燒。

生物質(zhì)固體燃料多數(shù)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的有機(jī)廢料，價(jià)格低廉，稻殼的價(jià)格僅為煤的1/6，柴油的1/20，而稻殼的熱值則為煤的1/2，柴油的1/3。即1 kg的秸稈或稻殼的發(fā)熱量相當(dāng)于0.5 kg的煤，計(jì)算表明，1 hm2土地上的玉米秸稈能量能供約10 hm2土地上玉米的干燥?？梢?jiàn)，燃燒生物質(zhì)熱風(fēng)爐不僅環(huán)境污染程度低，而且由于設(shè)備投資小，燃料費(fèi)用較低，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。我國(guó)現(xiàn)有不同熱源熱風(fēng)爐主要指標(biāo)的比較見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，生物質(zhì)熱風(fēng)爐跟燃煤、燃油熱風(fēng)爐相比，具有污染程度低、設(shè)備投資小、熱源費(fèi)用小等特點(diǎn)；雖然電加熱裝置具有無(wú)污染、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，但是電加熱使用的是二次能源，熱源費(fèi)用極大。

表1 不同熱源熱風(fēng)爐主要指標(biāo)比較表

3.1.2 生物質(zhì)固體燃料在糧食干燥中的應(yīng)用

燃燒生物質(zhì)固體燃料的熱風(fēng)爐主要是秸稈燃燒爐和稻殼爐。由于秸稈、稻殼等燃料含水率大，而且成分復(fù)雜，變化大，隨機(jī)性大，不同品種、不同地區(qū)、不同季節(jié)的秸稈成分不會(huì)完全一致，這要求熱風(fēng)爐具有更高的適應(yīng)性。另外生物廢料在燃燒過(guò)程中，可能發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象，影響熱風(fēng)爐的正常運(yùn)行，燒結(jié)與溫度、風(fēng)速和氣氛有關(guān)，溫度是最主要因素，每種生物質(zhì)燃料都有一定的燒結(jié)溫度。在設(shè)計(jì)熱風(fēng)爐時(shí)這些因素均應(yīng)考慮在內(nèi)。

燃燒技術(shù)一般分為固定床、流化床和懸浮燃燒三種形式，相應(yīng)的生物質(zhì)燃料燃燒裝置主要有層狀燃燒裝置、流化燃燒裝置和擴(kuò)散燃燒裝置三類。生物質(zhì)層狀燃燒控制比較困難，但與其他熱風(fēng)爐相比較，具有造價(jià)低、燃料費(fèi)用低等特點(diǎn)。粉碎后的生物質(zhì)燃料形狀各異，在流化床中不能單獨(dú)進(jìn)行流化，通常加入廉價(jià)惰性物料如沙子、白云石等來(lái)改善流化性能。采用擴(kuò)散燃燒方式的爐子，由于在燃燒室中生物質(zhì)燃料和空氣接觸較為充分，燃燒完全，溫度也較穩(wěn)定[6]。

生物質(zhì)熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)必須采用適合于生物質(zhì)燃料的結(jié)構(gòu)和措施。在設(shè)計(jì)中采用逆流燃燒方式，即燃燒火焰方向與進(jìn)料方向相反，這種燃燒方式使熱煙氣流經(jīng)過(guò)濕燃料表面，促進(jìn)了燃料的干燥和水蒸氣輸送，使燃料易于著火。在配風(fēng)方面,由于熱風(fēng)爐后部配有引風(fēng)機(jī)，爐膛燃燒方式為微負(fù)壓燃燒，一次空氣通過(guò)爐排下的爐渣室吸入，二次空氣通過(guò)高壓鼓風(fēng)機(jī)沿兩側(cè)風(fēng)管切向噴入爐膛。這樣既可有效地控制強(qiáng)風(fēng)將爐排上的飛灰和未燃盡的碳粒吹走，又保證了生物質(zhì)燃料完全燃燒所必需的大量空氣[7]。

目前正在研究和使用的固體生物質(zhì)燃料熱風(fēng)爐有以下幾種。

3.1.2.1 采用傳統(tǒng)燃燒方式的層狀燃燒熱風(fēng)爐

層燃爐具有多種形式，包括固定床、活動(dòng)爐排、鏈條爐排、旋轉(zhuǎn)爐排和振動(dòng)爐排等，層燃爐適用于含水率高、燃料尺寸變化大和灰分含量高的生物質(zhì)燃料。設(shè)計(jì)爐排時(shí)需要保證燃料均勻分布，并且保證一次空氣在爐排不同區(qū)域的均勻供給，灰層能覆蓋整個(gè)爐排面。層燃爐的另一項(xiàng)重要技術(shù)是分階段燃燒，它將燃燒區(qū)域分為初級(jí)燃燒室和二次燃燒室，分離了氣化和氧化階段，避免了二次空氣過(guò)早混合。

黑龍江農(nóng)墾學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所主持研制的CL-40秸稈燃燒爐，可作為通風(fēng)干燥倉(cāng)和干燥機(jī)的配套能源設(shè)備，該爐單位熱量燃料費(fèi)低，僅相當(dāng)于煤的1/3，柴油的1/7[8]。稻殼熱風(fēng)爐在糧食干燥方面有很好的應(yīng)用價(jià)值，按照降水5.5個(gè)百分點(diǎn)計(jì)算，使用稻殼熱風(fēng)爐的干燥機(jī)與使用燃油爐相比，干燥1 t稻谷可以節(jié)省6/7左右的能耗成本[9]。佳木斯科佳干燥設(shè)備廠開發(fā)出了適應(yīng)燃燒稻殼的5LWD-240型燃稻殼熱風(fēng)爐[10]。河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院的史艷珍等設(shè)計(jì)的小型移動(dòng)式糧食干燥機(jī)，是以秸稈、稻殼為燃料的生物質(zhì)熱風(fēng)爐提供熱源的糧食干燥機(jī)，經(jīng)性能試驗(yàn)，可滿足糧食干燥要求[11]。

2006年安徽金錫公司自主研制出了以礱糠、柴、秸稈等農(nóng)作物廢棄物為熱源的節(jié)能環(huán)保型熱風(fēng)爐，為干燥機(jī)提供熱源，溫度可任意設(shè)定，熱效率高達(dá)85%，配置自動(dòng)恒溫通風(fēng)裝置，能瞬間降低干燥層內(nèi)溫度，確保谷物品質(zhì)，降低破碎率和使用成本，受到用戶歡迎。

安徽省近年來(lái)糧食干燥機(jī)械化發(fā)展速度位居全國(guó)前列，尤以中聯(lián)重科股份有限公司為代表，該公司2014年并購(gòu)奇瑞重工，于2016年推出的5LLS-60生物質(zhì)熱風(fēng)爐，可使用秸稈、稻殼、木屑等加工而成的生物質(zhì)燃料。該產(chǎn)品采用全自動(dòng)恒溫干燥技術(shù)，可同時(shí)連接多臺(tái)干燥機(jī)，獨(dú)創(chuàng)的配風(fēng)設(shè)計(jì)，使熱值效率達(dá)到95%以上[12]。

3.1.2.2 改進(jìn)燃燒方式的旋浮式稻殼熱風(fēng)爐

佛岡縣求實(shí)機(jī)械有限公司于2011年開發(fā)了5LXZR旋浮式稻殼熱風(fēng)爐，該熱風(fēng)爐利用稻殼等生物質(zhì)作燃料，燃料在爐膛內(nèi)旋浮燃燒，電腦自動(dòng)控制給料，使稻殼燃燒充分，熱效率≥65%。該熱風(fēng)爐稻殼耗量：30～400 kg/h，發(fā)熱量：1 256～6 699 MJ/h，可產(chǎn)生熱風(fēng)溫度：45～160℃，而且粉塵濃度≤10 mg/m3。因此，該爐進(jìn)一步降低了干燥成本，可代替依賴煤和油為燃料的高能耗傳統(tǒng)熱風(fēng)爐，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，降低環(huán)境污染，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)糧食等農(nóng)產(chǎn)品的干燥有著重要意義[13]。

2003-12-19在由農(nóng)業(yè)部農(nóng)機(jī)化技術(shù)開發(fā)推廣總站與上海三久機(jī)械有限公司共同主辦的“三久谷物干燥中心應(yīng)用(稻殼燃燒爐)熱能示范發(fā)表會(huì)上，推出了粗糠爐干燥系統(tǒng)[14]，該干燥系統(tǒng)的熱源是稻殼爐，該爐通過(guò)電腦自動(dòng)控制從頂部上料，底部點(diǎn)火的逆向燃燒方式，配風(fēng)從圓柱形爐體的爐墻切向噴入，旋風(fēng)保證煙氣與空氣的良好混和，燃料燃燒充分。能實(shí)現(xiàn)根據(jù)干燥機(jī)設(shè)定的溫度自動(dòng)調(diào)整熱風(fēng)溫度和自動(dòng)控制熱風(fēng)進(jìn)風(fēng)量。烘后糧食品質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，干燥成本只有燃油燃燒機(jī)的1/10，也遠(yuǎn)低于人工曬谷干燥方式。通過(guò)低溫快速干燥，干燥出的稻谷碎米少，食味值高。實(shí)踐證明，1 t稻谷產(chǎn)生的稻殼可干燥3 t濕谷，生產(chǎn)出的稻殼灰還能做有機(jī)廢料出售，大幅降低干燥成本[15]。

吉林大學(xué)熱能工程系的蘇俊林等研制出用于糧食及其他農(nóng)副產(chǎn)品干燥的新型熱風(fēng)爐[16]。該熱風(fēng)爐采用了氣力送料和懸浮燃燒系統(tǒng)，即生物質(zhì)燃料(如稻殼)通過(guò)二次風(fēng)機(jī)經(jīng)調(diào)節(jié)閥和噴嘴噴射到高溫爐膛內(nèi)，立即著火并且懸浮燃燒，這種送料方式易調(diào)節(jié)且完全機(jī)械化。爐拱與爐膛及爐排配合形成良好的燃燒區(qū)域，而未燃盡的稻殼連續(xù)在傾斜爐排上實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)燃燒。噴射、爐拱和傾斜爐排三者有機(jī)結(jié)合使得此爐實(shí)現(xiàn)連續(xù)式燃燒，使生物質(zhì)燃料——稻殼燃燒完全，不必人工加料和播火，節(jié)省燃料，污染小。此爐還采用高強(qiáng)化傳熱管組成的換熱器，其傳熱能力比光管強(qiáng)化2～3倍。

沈陽(yáng)常久機(jī)械銷售服務(wù)有限公司出售的太陽(yáng)全自動(dòng)稻殼爐，是三升農(nóng)機(jī)科技股份有限公司生產(chǎn)的，該稻殼爐采用固定床及沸騰床相結(jié)合，在燃燒過(guò)程中，稻殼呈浮動(dòng)狀態(tài)，配有二級(jí)助燃風(fēng)，壓縮氣體打散，加強(qiáng)稻殼及煙氣的擾動(dòng)，促進(jìn)其揮發(fā)成分及細(xì)小顆粒的燃盡，稻殼灰燼呈灰色粉末狀，整機(jī)熱效率高，可達(dá)80%，平均稻殼燃燒量?jī)H在100～150 kg/h左右，而且爐膛采用高溫耐火泥(包括高純度重?zé)V砂，以及碳素、石墨)整體澆注而成，爐膛外框架為優(yōu)質(zhì)耐高溫合金鋼，配有“8段變頻”稻殼輸送系統(tǒng)，全自動(dòng)精準(zhǔn)調(diào)控?zé)犸L(fēng)溫度，電腦調(diào)風(fēng)裝置，保證干燥溫度自動(dòng)恒溫，作為熱源裝置，用于糧食干燥機(jī)，烘后糧食品質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。常久公司還自行研發(fā)了稻殼爐，采用雙拱爐膛，用一級(jí)粘土磚發(fā)碹式砌筑，用在糧食干燥機(jī)上也有一定的優(yōu)勢(shì)。

浙江如雷和安徽松志達(dá)等糧食干燥機(jī)生產(chǎn)廠家也已經(jīng)應(yīng)用了稻殼等生物質(zhì)能熱風(fēng)爐，尤其是安徽中聯(lián)重科于2016年推出的DA130旋浮式熱風(fēng)爐，該機(jī)型克服了燃燒稻殼產(chǎn)生黑煙、污染環(huán)境的缺點(diǎn)，是旋浮式稻殼熱風(fēng)爐的典型代表?？梢?jiàn)我國(guó)直接燃燒生物質(zhì)固體燃料的熱風(fēng)爐尤其是稻殼爐用于糧食干燥機(jī)的技術(shù)已經(jīng)基本成熟。

3.1.2.3 使用成型生物質(zhì)燃料的熱風(fēng)爐

秸稈熱值低、密度小、體積大，將具有一定粒度的生物質(zhì)原料，在一定壓力作用下(加熱或不加熱)，可以制成棒狀、粒狀和塊狀等各種成型燃料。原料經(jīng)擠壓成形后，密度可達(dá)1.1～1.4 t/m3，能量密度與中質(zhì)煤相當(dāng)，燃燒特性明顯改善，火力持久，黑煙少，爐膛溫度高，燃燒速度均勻適中，燃燒所需的氧量與外界滲透擴(kuò)散的氧量能夠較好地匹配，燃燒波浪減小，燃燒相對(duì)穩(wěn)定，而且便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存。

國(guó)外生物質(zhì)成型燃料的生產(chǎn)制造技術(shù)已商品化和規(guī)?；?，設(shè)備制造規(guī)范性強(qiáng)，但普遍價(jià)格昂貴，能耗較高，生物質(zhì)成型燃料也轉(zhuǎn)向了生產(chǎn)應(yīng)用。而我國(guó)從20世紀(jì)80年代引進(jìn)螺旋推進(jìn)式秸稈成型機(jī)開始，對(duì)固體生物質(zhì)燃料成型技術(shù)和成型設(shè)備進(jìn)行研究和開發(fā)已有近30年的歷史。雖然對(duì)生物質(zhì)固體成型燃料有一定的研究，而且成功開發(fā)出擠壓式、液壓沖擊式、螺桿式等成型燃料生產(chǎn)設(shè)備，但目前企業(yè)具備的生物質(zhì)成型燃料和成型機(jī)的生產(chǎn)制造能力比較弱，技術(shù)不成熟，缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)生物質(zhì)成型燃料和成型機(jī)的研究開發(fā)能力有待進(jìn)一步提高，對(duì)使用成型生物質(zhì)燃料的熱風(fēng)爐，并將其用于糧食干燥，有學(xué)者進(jìn)行了初步的研究。

江蘇省無(wú)錫市惠山區(qū)農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣服務(wù)中心的顧靖峰等對(duì)間接式秸稈熱風(fēng)爐的設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究和計(jì)算分析[17]，為間接式秸稈熱風(fēng)爐的開發(fā)提供了理論依據(jù)。而且該農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣服務(wù)中心和久川機(jī)械設(shè)備有限公司共同研究開發(fā)的“間接式秸稈熱風(fēng)爐”，獲得江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械局頒發(fā)的農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣鑒定證書，目前該產(chǎn)品己投入批量生產(chǎn)，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段。該熱風(fēng)爐采用成型秸稈塊(顆粒)燃料，燃燒室設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，燃燒充分；采用超導(dǎo)熱管技術(shù)制作間接式秸稈熱風(fēng)爐的換熱器，既提高了換熱效率，又延長(zhǎng)了熱風(fēng)爐的使用壽命；采用供風(fēng)風(fēng)溫傳感器和送料控制器實(shí)現(xiàn)供風(fēng)風(fēng)溫和風(fēng)量的緩變控制，自動(dòng)化程度高，具有國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。將該熱風(fēng)爐用在糧食烘干機(jī)上，烘干的糧食品質(zhì)高，節(jié)能環(huán)保。該產(chǎn)品與原有燃油熱風(fēng)爐相比，為用戶節(jié)省使用成本一半以上，減輕環(huán)境污染，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[18]。

吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院的張?jiān)拼T對(duì)一種新型節(jié)能環(huán)保型熱風(fēng)爐進(jìn)行了可行性研究。該熱風(fēng)爐使用秸稈致密成型顆粒作為燃料，無(wú)換熱器，使高溫?zé)煔馀c被加熱空氣直接混合，熱風(fēng)經(jīng)由靜電除塵器除塵后直接烘干糧食。無(wú)換熱器使用直混式熱風(fēng)直接烘干減少了熱風(fēng)爐的體積，減少了熱損耗，提高了熱效率，節(jié)省能源可達(dá)10%～15%。而且秸稈含硫、氮量低，燃燒后SO2、NOx排放量低，采用靜電除塵，減少粉塵污染，起到節(jié)能環(huán)保的目的[19]。

3.2 液體生物質(zhì)燃料在糧食烘干中的應(yīng)用

液態(tài)生物質(zhì)燃料是指采用生物質(zhì)原料生產(chǎn)的、用于替代汽油和柴油的燃料乙醇和生物柴油。生物柴油是指以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物的油脂以及動(dòng)物脂肪、餐飲廢油等為原料，通過(guò)酯交換工藝制成的，可代替柴油的一種清潔的可再生燃料。生物柴油環(huán)保性能突出，含硫量很低，可減少約30%(有催化劑時(shí)為70%)的二氧化硫及硫化物的排放。檢測(cè)表明，與普通柴油相比，使用生物柴油可降低90%的空氣毒性，可降低94%的患癌率。由于生物柴油含氧量高，使其燃燒時(shí)排煙少，一氧化碳的排放與柴油相比減少約10%(有催化劑時(shí)為95%)，生物柴油的生物降解性高[20]。我國(guó)具有國(guó)際領(lǐng)先水平的生物柴油合成技術(shù)，2007年全國(guó)已建成20家萬(wàn)噸級(jí)生物柴油加工企業(yè)，年產(chǎn)量約為30萬(wàn)t，我國(guó)生物柴油進(jìn)入了準(zhǔn)備推廣階段;但是，用作燃料來(lái)烘干糧食最大的阻力是其價(jià)格較高,而隨著科技的進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的擴(kuò)大，生物柴油的價(jià)格將逐漸降低，使用普通柴油的谷物烘干機(jī)就可以改用生物柴油。一些發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、日本、俄羅斯在燃油烘干機(jī)利用上有著多年的經(jīng)驗(yàn)，其技術(shù)比較成熟先進(jìn)，可以借鑒。

3.3 生物質(zhì)燃?xì)庠诩Z食烘干中的應(yīng)用

3.3.1 生物質(zhì)氣體燃料的特性分析及氣化技術(shù)

生物質(zhì)氣體燃料主要有沼氣和生物質(zhì)氣化燃?xì)?。沼氣是利用人畜糞便、植物秸稈、野草、城市垃圾和某些工業(yè)有機(jī)廢料等，經(jīng)過(guò)厭氧菌發(fā)酵，在菌酵解下可獲得一種可燃?xì)怏w，即人工沼氣。沼氣原料來(lái)源廣泛、價(jià)廉，其低位發(fā)熱量為20 900 J/m3，高于一般城市煤氣，屬于中等發(fā)熱量煤氣。

秸稈汽化燃?xì)馐抢棉r(nóng)作物秸稈及木本生物質(zhì)，如谷殼、花生殼、蘆葦、樹枝、木屑等做原料，經(jīng)適當(dāng)粉碎后，由螺旋式給料器加入到氣化器，通過(guò)不完全燃燒產(chǎn)生粗煤氣(發(fā)生爐煤氣)，再經(jīng)過(guò)凈化除塵和除焦油等操作得到的燃?xì)猓? kg秸稈可產(chǎn)氣2 m3，燃?xì)獾臒嶂荡蠹s為5 200 kJ/m3。氣化技術(shù)是生物質(zhì)能源高效利用的主要方式之一，氣化可使低能量密度的生物質(zhì)從固態(tài)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w，相對(duì)直接燃燒具有燃燒穩(wěn)定、熱效率高、污染少等優(yōu)點(diǎn)，尤其是PM2.5指數(shù)低[21]。

氣化爐原理是生物質(zhì)在高溫缺氧條件下，產(chǎn)生熱化學(xué)反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，物質(zhì)中的碳、氫、氧等元素的原子，在反應(yīng)條件下按照化學(xué)鍵的成鍵原理，生成一氧化碳、甲烷、氫氣等可燃性氣體。氣體燃料高效、清潔、方便，生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究和開發(fā)在國(guó)內(nèi)外取得一定的進(jìn)展，低熱值秸稈汽化技術(shù)已初步實(shí)現(xiàn)了商品化和產(chǎn)業(yè)化，我國(guó)已生產(chǎn)出各種類型的氣化爐。

3.3.2 生物質(zhì)氣體燃料在糧食烘干中的應(yīng)用

生物質(zhì)燃?xì)鈦?lái)源廣泛，我國(guó)目前農(nóng)村建有大量的沼氣工程，我國(guó)小型沼氣技術(shù)及其利用，從技術(shù)水平到使用范圍，乃至應(yīng)用數(shù)量，在國(guó)際上都處于領(lǐng)先地位。因此，將沼氣燃?xì)庾鳛楹娓杉Z食的氣源可以從農(nóng)村現(xiàn)有沼氣工程或略加改造直接獲取，我國(guó)稻殼資源豐富，稻殼氣化作為烘干能源是將劣質(zhì)固體燃料轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)氣體燃料的積極措施。我國(guó)以稻殼煤氣作為能源用于發(fā)電的技術(shù)在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位，將富余稻殼煤氣用于糧食烘干也是一種有效的利用途徑。用生物質(zhì)燃?xì)庾鳛闊嵩吹募Z食烘干裝置主要有以下幾種實(shí)現(xiàn)形式。

3.3.2.1 生物質(zhì)燃?xì)庾詣?dòng)燃燒機(jī)

生物質(zhì)燃?xì)庾詣?dòng)燃燒機(jī)是針對(duì)低熱值生物質(zhì)(低位熱值大于等于4.6 MJ/m3)燃?xì)庠O(shè)計(jì)的專用燃燒機(jī)。它將燃?xì)獾墓┙o、供風(fēng)、點(diǎn)火、火焰監(jiān)察及運(yùn)行調(diào)節(jié)控制等各部分集合為一個(gè)總體，具有著火可靠、燃燒穩(wěn)定、穩(wěn)焰范圍寬、燃燒完全無(wú)殘留、火焰換熱效率高等特點(diǎn)，能按程序自動(dòng)工作，并有預(yù)吹風(fēng)、自動(dòng)點(diǎn)火、火焰監(jiān)控、點(diǎn)火保護(hù)、熄火保護(hù)、燃?xì)馇穳罕Ｗo(hù)、空氣欠壓保護(hù)等安全控制功能，可實(shí)現(xiàn)燃燒過(guò)程的全自動(dòng)控制。

四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院的熊昌國(guó)等自行研制的5HDXY4-40型多倉(cāng)移動(dòng)循環(huán)式秸稈燃?xì)饧Z食烘干機(jī)，采用生物質(zhì)燃?xì)庾詣?dòng)燃燒機(jī)轉(zhuǎn)換的熱源，烘干介質(zhì)溫度穩(wěn)定、清潔，衛(wèi)生符合烘干設(shè)備要求[22]。

3.3.2.2 燃?xì)馐郊t外輻射器

生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂灯毡檩^低，應(yīng)用在燃?xì)鉄犸L(fēng)爐上比天然氣困難。與傳統(tǒng)的熱傳導(dǎo)和對(duì)流加熱技術(shù)相比，紅外輻射加熱具有不需要任何媒介、熱損失小、熱流密度大、傳熱速度快、加熱慣性小、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

燃?xì)馐郊t外輻射器是一種低壓引射式完全預(yù)混燃燒器，而火孔的設(shè)置，使得其同樣適用于如低熱值的生物質(zhì)燃?xì)狻＝陙?lái)，燃?xì)饧t外輻射燃燒技術(shù)不斷發(fā)展，李建設(shè)等采用全預(yù)混燃燒技術(shù)研制的大型金屬纖維燃?xì)饧t外輻射板、大功率燃?xì)饧t外燃燒器等已突破沼氣燃燒器穩(wěn)定燃燒和安全自控問(wèn)題的技術(shù)瓶頸，燃?xì)廨椛錈嵝蔬_(dá)86%以上，煙氣中CO和NOx均達(dá)到國(guó)家有關(guān)規(guī)定要求的家用燃?xì)馊紵骶吲欧艠?biāo)準(zhǔn)。這就為使用生物質(zhì)燃?xì)夂娓杉Z食規(guī)模發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，燃?xì)馐郊t外輻射器已廣泛應(yīng)用于鍋爐、陶瓷生產(chǎn)、茶葉殺青、紙張烘干等方面。國(guó)外學(xué)者Niamnuy對(duì)燃?xì)馐郊t外輻射聯(lián)合熱空氣振動(dòng)干燥大豆進(jìn)行了研究，結(jié)果表明燃?xì)馐郊t外輻射聯(lián)合熱空氣振動(dòng)干燥比熱空氣流化床干燥和過(guò)熱蒸汽流化床干燥能獲得更快的干燥速率和更短的干燥時(shí)間，大豆的營(yíng)養(yǎng)成分損失最少[23]。

3.3.2.3 其他形式

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所的蔣劍春等利用錐形流化床生物質(zhì)氣化技術(shù)在安徽舒城糧食加工廠建立了4 683.84×104kJ/h稻殼流化床氣化供熱機(jī)組，代替原來(lái)利用柴油遠(yuǎn)紅外糧食干燥設(shè)備。氣化供熱系統(tǒng)運(yùn)行8個(gè)多月，替代原有燃油裝置，累計(jì)節(jié)省80 t以上的液體燃料，運(yùn)行效果良好，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益[24]。

4 結(jié)論

(1)隨著糧食烘干機(jī)械化的發(fā)展，糧食烘干作業(yè)趨向于農(nóng)村種糧大戶的個(gè)體行為，熱源的選擇應(yīng)該因地制宜；因此生物質(zhì)燃料是農(nóng)民比較便利、低成本的選擇。

(2)我國(guó)在生物質(zhì)燃料用于糧食烘干上的研究起步較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比有一定差距。雖然一些直接燃燒秸稈、稻殼的熱風(fēng)爐技術(shù)相對(duì)比較成熟，尤以安徽中聯(lián)重科的旋浮式稻殼爐、三久公司的稻殼爐以及三升公司的太陽(yáng)全自動(dòng)稻殼爐為代表，但是由于技術(shù)的原因，使用燃油爐和燃?xì)鉅t用于糧食烘干機(jī)的熱源裝置并不多見(jiàn)。

(3)生物質(zhì)燃料低碳、環(huán)保、可再生，適應(yīng)糧食干燥節(jié)能減排的發(fā)展要求,具有廣闊的發(fā)展前景，隨著生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)的進(jìn)步，生物質(zhì)能源能更好的適應(yīng)糧食干燥的熱源需求。

(4)生物質(zhì)燃料由固態(tài)、液態(tài)到氣態(tài)，提高了能源生產(chǎn)的速度和效率，適應(yīng)21世紀(jì)輕質(zhì)、虛擬信息時(shí)代的工業(yè)形式，而且適應(yīng)人類能源利用的“脫碳”趨勢(shì)，即能源分子中氫和碳的比率減?。浑S著液體生物質(zhì)燃料、氣體生物質(zhì)燃料及燃油爐、燃?xì)鉅t生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，液體、氣體生物質(zhì)燃料將能更廣泛地應(yīng)用在糧食烘干機(jī)上。

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(責(zé)任編輯：俞蘭苓)

Applicaton of biomass fuels in grain drying

WANG Gui-ying1,WU Wen-fu2,XU Yan3

(1.Superplasticity and Plasticity Research Institute, Jilin University, Changchun 130025,China; 2.Biology and Agriculture Engineer College, Jilin University, Changchun 130025,China)

In the situation about energy saving and emission reduction, low-carbon environmental protection,biomass fuels is used in new forms because of its advantage of extensive source,low cost, low pollution and reproducible etc. Grain drying is a high energy consumption production, China has multi-coal resource but poor oil, using biomass fuels in grain drying,could save the grain drying cost and protect environment. In the future, for grain drying equipment, biomass fuels hot-blast heater is a tendency. Rice husk furnace is a typical example, which is independently designed and manufactured by ourselves. Liquid and gas biomass fuels hot-blast heater is still studying, they will be used in grain drying along with the improvement of liquid and gas biomass fuels conversion technology and oil fired furnace or gas stove manufacturing technology.

biomass fuels; grain drying; hot-blast heater

2016-12-26；

2017-05-28

王桂英(1975-)，女，碩士，主要從事糧食干燥用熱風(fēng)爐的設(shè)計(jì)工作。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.07.004

S226.6;TK6

A

1003-6202(2017)07-0011-06