糧食干燥系統(tǒng)尾氣廢熱回收技術(shù)及應(yīng)用

文 // 張信榮 鄭秋云 北京大學(xué)工學(xué)院 高建芝 史新華 北京中競同創(chuàng)能源環(huán)境技術(shù)股份有限公司

據(jù)統(tǒng)計，我國2014年糧食總產(chǎn)量已經(jīng)突破6億t，其中至少20%的新糧需要干燥達(dá)到安全水分后才能進(jìn)入糧倉儲存。新鮮的糧食中含有大量的水分，在特定的環(huán)境中水分會不斷地蒸發(fā)，同時導(dǎo)致糧食出現(xiàn)霉變等，為此需要進(jìn)行糧食加工處理和烘干作業(yè)。

在糧食干燥過程中，新鮮熱風(fēng)經(jīng)過順流、逆流等過程，用熱風(fēng)中的熱量加熱糧食，并將糧食中的水分隨熱風(fēng)攜帶出，形成低溫濕熱空氣。同時，糧食中的谷殼、灰塵和其他一些殘渣也隨低溫濕熱空氣排放。直接排放的干燥尾氣不僅將熱量排放到大氣中造成熱污染，而且里面的谷殼、灰塵和殘渣也會污染空氣。

我國是一個糧食生產(chǎn)大國，每年糧食儲存、加工和干燥過程中熱能浪費巨大。因此，若能將這些余熱進(jìn)行回收，可有效地降低化石能源消耗，提高能源利用效率，實現(xiàn)可再生能源的低成本規(guī)?；_發(fā)利用。圖1為典型糧食烘干塔的原理圖。

1 糧食干燥尾氣廢熱回收中的應(yīng)用設(shè)計

糧食干燥過程中的尾氣具有排放量大、雜物大量、溫度低等特性，在其尾氣回收利用過程中必須考慮以下幾方面：

①尾氣廢熱回收過程中的堵塞問題。避免尾氣中的雜物造成堵塞，影響設(shè)備的正常運行，降低尾氣廢熱的回收利用效率；

② 尾氣廢熱回收過程中的腐蝕性問題。因為尾氣是濕熱空氣，里面雜物較多，長時間使用由于雜物發(fā)酵等原因容易對廢熱回收利用設(shè)備造成腐蝕損壞；

③ 效率、安全性問題。糧食干燥行業(yè)屬于低收益、高能耗行業(yè)，但也屬于國家戰(zhàn)略戰(zhàn)備相關(guān)，所以在尾氣回收利用過程中不僅要高效，減少使用者的投資回收周期，而且更需要在整個尾氣回收利用過程中保證糧食干燥的安全性。

針對以上幾個問題，在實際應(yīng)用過程中，利用水氣直接接觸換熱法將尾氣中濕熱空氣的熱量交換至水中，過濾掉尾氣中大部分的雜物，避免在糧食干燥過程中造成粉塵、碎屑、谷殼等雜物堆大氣的污染，同時也避免了由于尾氣熱能品位低、風(fēng)量大而導(dǎo)致在間接換熱器設(shè)計過程中設(shè)備大、容易堵塞等缺陷。

通過水氣直接換熱后將尾氣中的熱量集中到水中形成30℃左右的中低溫?zé)崴?，并通過水過濾裝置去除水中雜物，這樣避免了直接對干燥尾氣過濾造成的熱量損耗，以及由于干燥尾氣風(fēng)量大且分散導(dǎo)致的過濾不干凈、費用高等問題。

通過除雜后的中低溫?zé)崴行У乇苊饬嗽趽Q熱過程中的堵塞問題，從而利用高效蒸汽壓縮熱力學(xué)循環(huán)系統(tǒng)回收中低溫水的中熱量，制取60～80℃的熱水，再將制取的熱水通過熱風(fēng)換熱器加熱新風(fēng)，替代部分糧食干燥用燃煤，達(dá)到糧食干燥過程中尾氣的回收利用。整個尾氣廢熱回收再利用的技術(shù)思路見圖2。

其中蒸汽壓縮熱力學(xué)循環(huán)系統(tǒng)是將低品位、分散的尾氣廢熱資源回收制取中高溫?zé)崴闹匾b置，采用蒸汽壓縮熱力學(xué)循環(huán)系統(tǒng)裝置可以有效地減少石化能源的消耗。蒸汽壓縮熱力學(xué)循環(huán)系統(tǒng)制熱的能效比（COP值）計算公式為：

所以，蒸汽壓縮熱力學(xué)循環(huán)系統(tǒng)在廢熱回收利用過程中制熱的COP＞1。故蒸汽壓縮熱力學(xué)循環(huán)系統(tǒng)一方面其從廢熱過程中吸取熱量，減少廢熱產(chǎn)生的熱污染，另一方面高效制取的高品位高溫?zé)嵩纯晒┕I(yè)、民用等，減少了企業(yè)、城市等對石化能源或電力資源的依賴。在能源缺乏的今天，蒸汽壓縮熱力學(xué)循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)充分體現(xiàn)了清潔、環(huán)保能源技術(shù)在廢熱回收過程中的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保優(yōu)勢，對國家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2 案例經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益分析

案例概況：山東省濱州市無棣縣某糧庫糧食干燥尾氣廢熱回收再利用項目。該糧庫的糧食干燥塔每天可以干燥小麥150～200t，每天可以干燥玉米120～150t，對小麥和玉米需要采用75℃左右的熱風(fēng)進(jìn)行干燥。糧食干燥塔的尾氣排放溫度為40℃左右，大約40000m3/h。項目大約回收30000m3/h的干燥尾氣，利用該系統(tǒng)制取60～70℃左右的熱水，然后利用換熱器對糧食干燥的進(jìn)風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，從而實現(xiàn)糧食干燥尾氣廢熱的回收在利用。

實際運行過程，經(jīng)檢測可生產(chǎn)600t/d的熱水（每天運行20h），溫度由54.4℃提升到59.3℃，溫升為4.9℃，產(chǎn)生熱量12348MJ/d，其中蒸汽壓縮熱力學(xué)循環(huán)系統(tǒng)的COP=5.207左右。若水的比熱c=4.2kJ/(kg·K)；1kg煤熱量=5000kcal；鍋爐效率=55%。將采用廢熱回收技術(shù)與傳統(tǒng)鍋爐加熱相對比進(jìn)行核算，則有上述廢熱回收技術(shù)產(chǎn)生的熱量相當(dāng)于每天需煤量L1為:

圖2 糧食干燥尾氣廢熱回收再利用技術(shù)思路

而在實際運行過程中在加裝糧食干燥尾氣廢熱回收再利用裝置前每天需要消耗5.9t煤左右，加裝后每天需4.8t左右，每天可以節(jié)煤1.1t左右，節(jié)煤率為18.6%。實際節(jié)煤量與計算的差別主要來源于現(xiàn)場用于糧食干燥的煤熱值和鍋爐效率都略低于計算值。

每年山東糧食干燥周期累計大約4個月，共計約120d。如果每年糧食干燥按照120d，每天節(jié)煤量按計算值計算，上述的案例企業(yè)每年可以為企業(yè)節(jié)省煤128.28t。如果煤價按照目前大約450元/t計算，則每年在糧食干燥周期內(nèi)可以為企業(yè)節(jié)省大約5.8萬元的煤炭成本。

同時，5000kcal的煤含碳量大約60%,1t煤焚燒后大約產(chǎn)生400kg的煤渣，采用尾氣回收再利用后，可以減少大約51t煤渣的產(chǎn)生，也減少了煤渣對環(huán)境的污染。

按照含碳量來計算，企業(yè)每年可減少CO2排放約282t左右，減少NOx排放947kg左右，減少煙塵排放335kg左右，減少SO2排放1008kg左右，有利于改善該糧食干燥企業(yè)周邊的大氣環(huán)境，具有很好的環(huán)保和社會效益。

以2011年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算，我國糧食干燥需消耗標(biāo)煤約170萬t，同時排放CO2約624萬t、NOX約6.375萬t，SO2約12.75萬t。使用本項目的糧食干燥尾氣回收在利用技術(shù)后，按照節(jié)省能耗18%計算，年可以節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤約30.6萬t，減少CO2、NOX、SO2等合計115.7萬t，節(jié)能減排效益明顯。

3 結(jié)論

目前我國特別是北方廣大地區(qū)，糧食干燥需求量非常大，但是能耗為國外發(fā)達(dá)地區(qū)的1.5～2倍。而且大多數(shù)的糧食干燥尾氣都直接排放到大氣，造成環(huán)境污染，也浪費了大量的能源。采用本文中的糧食干燥尾氣回收再利用技術(shù)，可以高效地回收利用尾氣中的低品位能源，減少糧食干燥過程中化石能源的使用，可為糧食干燥企業(yè)每年至少節(jié)省18%左右的能源消耗，同時減少相應(yīng)的CO2、NOX、SO2等廢氣排放，可避免90%以上糧食干燥過程尾氣中灰塵、糧食碎屑等雜物的無序排放。這對于實現(xiàn)糧食干燥行業(yè)的轉(zhuǎn)型，降低行業(yè)對化石、電力等高品位能源的消耗和依賴，貫徹國家的節(jié)能減排方針，對實現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。