糧食烘干機生物質(zhì)熱風爐系統(tǒng)研究與應(yīng)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(qū)秋糧收獲后糧食自然水分高，需經(jīng)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(xiàn)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(zhàn)略的提出，部分區(qū)域已出臺禁煤政策，大量烘干機處于停產(chǎn)狀態(tài)，對糧食行業(yè)來講，制約了糧食收儲業(yè)務(wù)開展，影響高水分糧及時干燥，危及糧食安全。

生物質(zhì)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(nèi)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(zhì)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(chǎn)出的廢物[1-2]。生物質(zhì)能能源極其豐富，各類秸稈的年產(chǎn)量可達6億噸，薪柴等產(chǎn)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(shù)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(zhì)作為傳統(tǒng)燃煤熱風爐的替代燃料，由于生物質(zhì)作為可再生能源有其自身的優(yōu)勢，生物質(zhì)燃料本身含硫低，燃燒后無需經(jīng)過脫硫處理，采用科學合理的低氮燃燒技術(shù)，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(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)提出了更高的要求，這也充分展示了我國為應(yīng)對全球氣候變化做出的新努力和新貢獻。

生物質(zhì)直燃代替化石能源，不僅能夠促進節(jié)能減排，還能帶動鄉(xiāng)村居民的經(jīng)濟發(fā)展，因此合理有效地利用生物質(zhì)能既具環(huán)境效益又兼具社會效益，對促進社會經(jīng)濟增長和改良生態(tài)環(huán)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(diào)查，通過對柴煤爐、燃氣、燃油、生物質(zhì)爐熱源對比發(fā)現(xiàn)，雖然生物質(zhì)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(zhì)爐熱源污染小且生物質(zhì)燃料原材料多以樹木廢料、農(nóng)作物秸稈等為主，有利于秸稈禁燒，因此建議鼓勵推廣應(yīng)用。朱廣飛[6]等人設(shè)計了一套生物質(zhì)顆粒熱風爐與糧食烘干機耦合，將該糧食烘干設(shè)備與利用空氣源熱泵烘干糧食的經(jīng)濟性對比發(fā)現(xiàn)：利用生物質(zhì)顆粒熱風爐烘干糧食成本較低，具有明顯的經(jīng)濟效益和推廣應(yīng)用前景。

現(xiàn)有的燃煤改燃生物質(zhì)熱風爐是在原有燃煤爐結(jié)構(gòu)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(zhì)熱風爐的市場推廣。因此有必要開發(fā)一種以生物質(zhì)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(chǎn)生和排放，使生物質(zhì)熱風爐同時能夠滿足環(huán)保排放要求和降低企業(yè)運營成本[7]。本文針對傳統(tǒng)燃煤熱風爐烘干過程中存在的問題，提出糧食烘干機環(huán)保改造技術(shù)方案，解決糧食干燥過程中產(chǎn)生環(huán)境污染和企業(yè)運營成本高等問題。

1 烘干機改燃生物質(zhì)技術(shù)

現(xiàn)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(jié)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(chǎn)及環(huán)保要求，因此需要根據(jù)燃料性質(zhì)對燃燒設(shè)備進行整體改造[8]。生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)燃料便能夠解決的問題。而是需要針對生物質(zhì)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(zhì)的專業(yè)設(shè)計，才能夠達到預期效果?；谏镔|(zhì)燃料的燃燒特性，烘干機改燃生物質(zhì)技術(shù)改造主要有以下內(nèi)容：熱風爐改造、安裝凝渣換熱系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、煙氣除塵系統(tǒng)、自動上料系統(tǒng)。烘干機生物質(zhì)改燃工藝如圖1所示。

圖1 烘干機生物質(zhì)改燃主要工藝簡圖

1.1 熱風爐改造

為了解決現(xiàn)有生物質(zhì)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(zhì)熱風爐對原有燃煤熱風爐進行改造，保留原有爐排和兩側(cè)部分爐墻，爐體整體加高，增加爐膛內(nèi)部空間，使揮發(fā)分與氧氣充分接觸，降低爐膛內(nèi)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(zhì)專用料斗，防止料斗回燃；增設(shè)助燃增效系統(tǒng)；增設(shè)低氮燃燒系統(tǒng)。

1.2 安裝凝渣換熱系統(tǒng)

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(nèi)，增大管束的管間節(jié)距，既可以防止管外結(jié)渣搭橋堵塞煙道，又可以阻擋并沉降煙塵顆粒物。經(jīng)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(nèi)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(tǒng)

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(shè)計回收風速，回收管道對稱布置，不會影響烘糧質(zhì)量，且無需增加任何動力裝置。

1.4 煙氣除塵系統(tǒng)

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(xù)有效運行。

1.5 自動上料系統(tǒng)

生物質(zhì)自動上料系統(tǒng)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(xiàn)自動給料，全天候作業(yè)。燃料倉的設(shè)置解決燃料儲存問題和生物質(zhì)燃料避免混合雨雪潮濕問題，保障能夠連續(xù)供料，減輕勞動強度，降低人工成本，提高生產(chǎn)率。

采用技術(shù)改造后，相較于傳統(tǒng)糧食烘干熱風爐的優(yōu)勢體現(xiàn)在：一是實現(xiàn)高效燃燒。優(yōu)化熱風爐爐膛前、后拱、墻設(shè)計，增設(shè)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(xiàn)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(xiàn)低氮燃燒。設(shè)置再循環(huán)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(qū)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(jié)焦掛壁。外界冷空氣通過管道與一次過氧燃燒區(qū)的鼓風機相通，控制此燃燒區(qū)的溫度不超過800℃，從而解決結(jié)焦掛壁問題。

2 試點項目效益分析

根據(jù)上述技術(shù)改進，2020年至2022年在中儲糧吉林直屬庫進行烘干機生物質(zhì)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(huán)保檢測機構(gòu)監(jiān)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(jīng)費用測算，其經(jīng)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(jīng)過長達2年多的運行測試，對運行進行檢測和數(shù)據(jù)整理，進行以下效益分析。

表1 大氣污染物排放指標

2.1 環(huán)保效益分析

生物質(zhì)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(yīng)充足。生物質(zhì)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(zhì)燃燒時CO2凈排放量近似為0，屬于碳平衡燃料。生物質(zhì)含硫量低，燃燒時生成的SO2較少。生物質(zhì)中硫的質(zhì)量分數(shù)為0.01%～0.1%，遠低于煤中硫的質(zhì)量分數(shù)0.5%～1.5%。研究發(fā)現(xiàn)，在釋放相同熱量的情況下，煤炭燃燒排放SO2和NOX的數(shù)量分別是生物質(zhì)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(jù)不完全統(tǒng)計，烘干1 t玉米需要消耗煤50 kg～75 kg，使用生物質(zhì)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(jīng)濟效益分析

項目測試時(2020年初)，使用2級秸稈壓塊燃料，發(fā)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(chǎn)量760 t左右，經(jīng)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(fā)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(zhì)燃料烘干成本優(yōu)勢更為明顯。如表2經(jīng)濟性對比分析所示，發(fā)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(fā)熱量3500 Kcal/kg的生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)比用煤噸糧降1%水的費用節(jié)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(jīng)濟性對比分析表

3 現(xiàn)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(shè)備連續(xù)運行時間仍低于使用燃煤爐。三是數(shù)據(jù)積累待完善。改燃后的生物質(zhì)成型燃料熱風爐系統(tǒng)測試時間與數(shù)據(jù)不足，未在東北地區(qū)極寒時段測試，烘干糧食水分普遍偏低。除了上述技術(shù)問題之外，在生物質(zhì)熱風爐的推廣及應(yīng)用中還存在以下問題：一是原料供應(yīng)不穩(wěn)定。目前，生物質(zhì)成型燃料供應(yīng)較為穩(wěn)定，但集中供熱企業(yè)和糧食收儲企業(yè)廣泛推廣應(yīng)用生物質(zhì)成型燃料熱風爐(鍋爐)后，可能會出現(xiàn)需求緊張，價格上漲，供應(yīng)量不足等問題，尤其是二級以上成型燃料可能會出現(xiàn)供應(yīng)不穩(wěn)定問題。二是支持政策不明確。目前，生物質(zhì)成型燃料熱風爐發(fā)展還處在初期，糧食收儲企業(yè)烘干機改造的積極性不高，市場培育不完善，產(chǎn)業(yè)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(zhì)熱風爐應(yīng)用前景廣闊，但是糧食烘干生物質(zhì)熱風爐技術(shù)的推廣應(yīng)用任重道遠，各級農(nóng)業(yè)農(nóng)村部門應(yīng)從糧食安全儲藏的角度出發(fā)，高度重視并制定相應(yīng)措施，促進糧食烘干生物質(zhì)熱風爐技術(shù)的大規(guī)模運用。

4 總結(jié)與展望

生物質(zhì)資源的能源化利用對于解決化石能源日趨緊張和環(huán)境污染日益嚴重問題具有重大意義，國家大力推行生物質(zhì)能源的綜合利用是一項“功在當代、利在千秋”的政治性戰(zhàn)略，從而徹底改變使用傳統(tǒng)燃煤鍋(窯)爐給糧食收儲企業(yè)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(wěn)定等問題，生物質(zhì)成型燃料熱風爐技術(shù)已趨于成熟，具有較好的可行性和經(jīng)濟性。生物質(zhì)成型燃料熱風爐已開始逐步應(yīng)用于鄉(xiāng)(鎮(zhèn))所在地居民集中供暖、中小型工業(yè)園區(qū)集中供汽和生物質(zhì)電廠熱電聯(lián)產(chǎn)等項目上，但至今還沒有廣泛應(yīng)用到糧食收儲企業(yè)的糧食烘干上。特別是近期，煤價高漲，生物質(zhì)燃料成本優(yōu)勢愈發(fā)明顯。因此，將燃煤烘干機熱風爐改燃生物質(zhì)已成為未來發(fā)展趨勢。