生物質(zhì)能源在糧食烘干中的應(yīng)用

◎ 謝建松

（鄭州中糧科研設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450053）

中國(guó)作為世界上最大的糧食生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，每年的糧食產(chǎn)量均居于世界首位，其中高水分糧食約占20%，由于收獲后的糧食水分含量較高，若不及時(shí)干燥，易發(fā)生霉變蟲(chóng)害，造成糧食品質(zhì)降低，我國(guó)每年因糧食受氣候因素影響或因干燥水分未達(dá)要求而造成的霉變腐爛損失達(dá)糧食總產(chǎn)量的5%，而造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，糧食干燥是糧食安全儲(chǔ)運(yùn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是確保我國(guó)糧食增產(chǎn)增收，減少儲(chǔ)糧損失，避免糧食品質(zhì)降低的重要途徑。糧食干燥成本中很大一部分來(lái)源于能耗，我國(guó)采用的能源絕多以煤等常規(guī)能源為主要熱源，熱效率低，能源消耗大，僅干燥過(guò)程所用能源占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總能耗的12%左右。常規(guī)能源的使用在糧食干燥過(guò)程中會(huì)排放大量CO2、SO2和灰分固體廢棄物，對(duì)環(huán)境的污染比較嚴(yán)重。因此，解決我國(guó)糧食的干燥的熱源利用問(wèn)題，提高糧食干燥過(guò)程的能源利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的糧食烘干已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要內(nèi)容。

1 生物質(zhì)能源概述

生物質(zhì)能源，是指貯藏在林木生物質(zhì)中的生物量轉(zhuǎn)化形成的能源，主要是指通過(guò)直接燃燒或者現(xiàn)代轉(zhuǎn)化技術(shù)形成的可用于發(fā)電和供熱的能源。是地球上最普遍的能源之一，具有可再生、數(shù)量巨大等特點(diǎn)。生物質(zhì)能源在地球上的儲(chǔ)量?jī)H次于煤、石油和天然氣，在整個(gè)能源構(gòu)成系統(tǒng)中占有重要的地位。我國(guó)具有非常多的生物質(zhì)資源，將生物質(zhì)能資源換算成為標(biāo)煤，大約等于50億噸，是中國(guó)當(dāng)前能源消耗量的4倍左右[1-3]。

我國(guó)的生物質(zhì)資源主要以農(nóng)林廢棄物為主，每年農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量約6億噸，其中除用作造紙和畜牧原料外，大部分未被有效利用，不僅造成了資源的浪費(fèi)，還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境污染。作為一種可再生能源，生物質(zhì)能源一直與太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能和潮汐能共同推動(dòng)世界能源的發(fā)展。大規(guī)模開(kāi)發(fā)和利用生物質(zhì)能源，既可降低我國(guó)對(duì)原油的過(guò)度依賴(lài)，保證國(guó)家能源安全，維持國(guó)家經(jīng)濟(jì)的有效運(yùn)轉(zhuǎn)，又能在保護(hù)生態(tài)環(huán)境和減緩溫室效應(yīng)的同時(shí)，保證農(nóng)村經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)民就業(yè)，維護(hù)社會(huì)的和諧與穩(wěn)定。清潔可再生生物能源的研究與利用具有極其重要的意義和廣闊的發(fā)展前景。

生物質(zhì)能源具有如下特點(diǎn)：①數(shù)量巨大，分布廣泛。我國(guó)秸稈等生物質(zhì)資源在農(nóng)村數(shù)量巨大，來(lái)源廣泛，可以保證充足的利用和能源供給。②低污染性。生物質(zhì)的硫含量為0.01%～0.1%，遠(yuǎn)低于煤中硫含量（0.5%～1.5%）。生物質(zhì)作為能源資源比石油、煤炭、天然氣等燃料，在減少有害氣體排放方面具有更大的優(yōu)越性。生物質(zhì)燃燒過(guò)程中所排放的CO2相當(dāng)于植物生長(zhǎng)過(guò)程中所吸收的CO2，所以燃用生物質(zhì)時(shí)可以認(rèn)為CO2的凈排放是零，可有效緩解溫室效應(yīng)，因此生物質(zhì)與礦物燃料相比更為潔凈[2]。③可再生性。生物質(zhì)資源是植物通過(guò)光合作用產(chǎn)生，屬于可再生資源，不僅資源豐富，且可循環(huán)利用。④可存儲(chǔ)性與替代性。生物質(zhì)能是有機(jī)資源，可對(duì)于資源本身或其液體或氣體燃料產(chǎn)品進(jìn)行存儲(chǔ)。綜上所述，生物質(zhì)能是一種資源豐富、含碳量低的可再生能源，在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占有舉足輕重的地位。

2 我國(guó)糧食干燥熱源現(xiàn)狀及生物質(zhì)能源的應(yīng)用

在我國(guó)糧食干燥領(lǐng)域，應(yīng)用最廣泛的燃料為煤，其次為天然氣、蒸汽、柴油等。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[4-6]。熱風(fēng)爐是糧食干燥設(shè)備的主要供熱系統(tǒng)。熱風(fēng)爐能源具有廣泛的來(lái)源，目前糧食烘干機(jī)所采用的熱源主要有煤、油、天然氣、生物質(zhì)燃料、電（空氣源熱泵）等，由于受我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的制約，糧食烘干熱源燃料以煤為主，約占總量的90%；而生物質(zhì)固體燃料如稻殼、秸稈約占5%；柴油、天然氣、煤氣、沼氣約占2%；其他熱源占到3%，見(jiàn)表1。

表1 我國(guó)不同熱源熱風(fēng)爐主要指標(biāo)比較表

燃煤熱風(fēng)爐是我國(guó)廣泛使用的間接加熱設(shè)備，存在熱效率不高、設(shè)備投資大、使用壽命短、污染程度大等缺點(diǎn)。電加熱裝置雖然具有無(wú)污染、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，但作為二次能源，其使用成本極高，不適合于大規(guī)模糧食烘干使用[7]。針對(duì)燃煤價(jià)格的不斷高漲以及國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題特別重視，尤其是近年對(duì)燃煤熱風(fēng)爐的取締和關(guān)停，綜合節(jié)能減排及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，生物質(zhì)熱風(fēng)爐比燃煤、燃油及電加熱風(fēng)爐更具優(yōu)勢(shì)。

將4種不同干燥熱源進(jìn)行糧食烘干作業(yè)生產(chǎn)成本中熱源部分的成本進(jìn)行對(duì)比，可以看出：使用生物質(zhì)燃料的烘干機(jī)，因生物質(zhì)燃料的成本及自身發(fā)熱值等原因的影響，每噸糧降1%水燃料成本較燃煤有一定增加，但與柴油、電加熱相比較，成本仍較低，見(jiàn)表2。如疊加考慮到國(guó)家環(huán)保政策對(duì)燃煤熱風(fēng)爐的限制及燃煤排放物的脫硫除塵處理，以生物質(zhì)作為熱源的糧食干燥技術(shù)更加具有競(jìng)爭(zhēng)力，采用生物質(zhì)顆粒為燃料，與燃煤型鍋爐相比大大減少了硫化物和氮化物的排放，減少了環(huán)境污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益。不僅可解決我國(guó)能源短缺和環(huán)境污染的問(wèn)題，還可降低因燃煤限制造成的烘干成本。此外，生物質(zhì)燃料燃燒后的廢料還可以繼續(xù)利用，如使用以稻殼作為熱源，稻殼燃燒后產(chǎn)生的草木灰，可以繼續(xù)作為肥料使用，在大大降低了生產(chǎn)成本的同時(shí)，還避免了資源的浪費(fèi)[8]。

目前用于糧食干燥的生物質(zhì)燃料主要有3類(lèi)：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。

表2 不同干燥熱源生產(chǎn)成本熱源部分比較表

3 生物質(zhì)能源用于糧食烘干存在的問(wèn)題

3.1 生物質(zhì)熱源供應(yīng)量少

生物質(zhì)熱源供應(yīng)量少，不能滿(mǎn)足大范圍糧食烘干使用。在環(huán)保形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻的形勢(shì)下，利用生物質(zhì)熱源來(lái)干燥糧食，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效果，是目前糧食烘干作業(yè)較理想的熱源之一。生物質(zhì)能源的推廣使用，依賴(lài)于生物質(zhì)顆粒機(jī)設(shè)備及產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化，而稻殼、棉稈、秸稈塊等生物質(zhì)供應(yīng)量少等阻礙了技術(shù)設(shè)備的推廣。

3.2 收集體系不健全

我國(guó)生物質(zhì)能利用環(huán)節(jié)所面臨的最大難題是集中利用。我國(guó)的生物質(zhì)原料數(shù)量巨大，但較為分散，收集和運(yùn)輸成本高，與農(nóng)場(chǎng)化耕作模式不同，急需建議一套科學(xué)合理的收集體系。

3.3 成型工藝及成型設(shè)備問(wèn)題

隨著生物質(zhì)壓縮技術(shù)的發(fā)展，已開(kāi)發(fā)了多種成型工藝和成型設(shè)備。熱壓成型技術(shù)是我國(guó)應(yīng)用最多的技術(shù)，目前我國(guó)用于生物質(zhì)成型的設(shè)備還普遍存在成型部件磨損快、使用壽命短、維修費(fèi)用高、可靠性及穩(wěn)定性不佳，能耗較高等問(wèn)題。

3.4 烘干設(shè)備的創(chuàng)新

目前國(guó)內(nèi)燃用成型燃料的燃燒設(shè)備一般都是從燃煤設(shè)備改造而來(lái)，都是依據(jù)煤燃燒的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)制造。普遍存在著熱效率低、污染物排放量高等問(wèn)題。因此，烘干設(shè)備的創(chuàng)新也限制了其規(guī)?；瓦B續(xù)化生產(chǎn)。

4 前景與展望

我國(guó)生物質(zhì)資源豐富，根據(jù)《中國(guó)可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告》，中國(guó)清潔能源開(kāi)采資源量為21.48億 t標(biāo)煤，其中生物質(zhì)能占54.5%，具有極大的儲(chǔ)量。且生物質(zhì)能源是唯一可再生的碳源，并能轉(zhuǎn)化為固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)燃料。

近年來(lái)，國(guó)家提倡節(jié)能環(huán)保，并不斷出臺(tái)政策對(duì)燃煤鍋爐逐漸取締和改造。生物質(zhì)燃料以其清潔環(huán)保，污染排放低，燃燒穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在糧食烘干作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，有效降低了一次能源的消耗，實(shí)現(xiàn)了碳循環(huán)，增加了農(nóng)業(yè)附加值。環(huán)境保護(hù)是我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策，生物質(zhì)燃料在我國(guó)可持續(xù)發(fā)展、推行能源多元化等方面具有重要作用，發(fā)展前景十分廣闊。