糧食干燥熱源現(xiàn)狀及展望

◎ 謝建松，楊占國(guó)，李軍五，夏朝勇

（鄭州中糧科研設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450053）

糧食干燥是糧食流通中的重要環(huán)節(jié)，具有提高糧食貯藏穩(wěn)定性、改善糧食加工品質(zhì)、提高糧食籽粒發(fā)芽率、降低運(yùn)輸費(fèi)用，減少田間損失等意義。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2017年全國(guó)糧食總產(chǎn)量61 791萬(wàn)t，為歷史第二高產(chǎn)年，其中玉米、稻谷及小麥3種主要谷物的產(chǎn)量合計(jì)55 422.5萬(wàn)t，占糧食總產(chǎn)量的89.7%。世界發(fā)達(dá)國(guó)家糧食機(jī)械干燥可達(dá)糧食總產(chǎn)量的90%以上，我國(guó)的機(jī)械干燥與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有很大的差距。近幾年，隨著我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的加速發(fā)展，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化調(diào)整，機(jī)械化水平的不斷提高，糧食機(jī)械干燥的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越普及，糧食機(jī)械化干燥的需求也會(huì)逐步增大。

在糧食干燥領(lǐng)域，對(duì)流熱力干燥是最廣泛的方法，加熱空氣作為干燥介質(zhì)起著載熱和載濕的雙重作用。干燥介質(zhì)的熱量主要由熱源供給，使用最多的燃料仍然是煤炭。然而，燃煤帶來(lái)的溫室氣體和SO2等污染物排放對(duì)大氣造成的危害，已經(jīng)嚴(yán)重制約了糧食干燥機(jī)的發(fā)展。國(guó)務(wù)院印發(fā)的《大氣十條》提出，到2017年，除必要保留的以外，地級(jí)及以上城市建成區(qū)基本淘汰每小時(shí)10蒸噸及以下的燃煤鍋爐，其他地區(qū)原則上不再新建每小時(shí)10蒸噸以下的燃煤鍋爐。目前，全國(guó)范圍內(nèi)許多地區(qū)已經(jīng)關(guān)停了以煤作為燃料的糧食干燥機(jī)，因此，尋找和研發(fā)糧食干燥替代能源已經(jīng)迫在眉睫。

1　糧食干燥熱源現(xiàn)狀

大型糧食干燥系統(tǒng)熱能需求較大，配套熱源型式主要為燃煤熱風(fēng)爐，其他類型熱源應(yīng)用不多。小型糧食干燥系統(tǒng)熱能需求較小、熱源選擇范圍多，除了煤外，還有生物質(zhì)、熱泵、太陽(yáng)能、燃油等多種熱源應(yīng)用。

1.1　潔凈煤

煤炭在為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)作出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也排放出大量的SO2、NOX和煙塵等大氣污染物。我國(guó)一直大力發(fā)展?jié)崈裘合嚓P(guān)技術(shù)，最大限度地降低煤炭使用對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。潔凈煤技術(shù)涉及開采到利用的全過(guò)程，旨在減少污染物排放和提高利用效率，大致可分為燃燒前的煤炭加工和轉(zhuǎn)化技術(shù)、煤炭燃燒技術(shù)和燃燒后的煙氣脫硫技術(shù)[1]。

（1）燃燒前加工和轉(zhuǎn)化技術(shù)包括煤炭的洗選和加工轉(zhuǎn)化技術(shù)。①煤炭洗選技術(shù)。根據(jù)原煤、礦物雜質(zhì)和煤矸石的物理化學(xué)性質(zhì)差別，清除原煤中的有害雜質(zhì)，降低灰分、硫分、水分，減少使用過(guò)程中的污染物排放。②型煤技術(shù)。將一種或數(shù)種煤或者摻混低熱值燃料或廢棄物，與一定比例的黏結(jié)劑、添加劑等加工成一定形狀尺寸、有一定理化性能的燃料或原料。③動(dòng)力配煤技術(shù)。將兩種以上不同種類、不同性質(zhì)的煤按一定比例摻配加工成混煤，改變其化學(xué)組成、物理性能和燃燒性能，達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、煤質(zhì)互補(bǔ)、適應(yīng)設(shè)備對(duì)煤質(zhì)需求、提高燃燒效率、減少污染物排放、降低煤炭運(yùn)輸成本等目的。④褐煤提質(zhì)技術(shù)。通過(guò)加工改變褐煤的成分和結(jié)構(gòu)，降低水分、提高發(fā)熱量，生成具有類似煙煤性質(zhì)的提質(zhì)煤，便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存，提高能量轉(zhuǎn)換效率，擴(kuò)大使用范圍。⑤煤制天然氣技術(shù)。將合成氣通過(guò)甲烷化反應(yīng)合成替代天然氣（SNG）的過(guò)程。

（2）燃燒后的煙氣脫硫技術(shù)主要有濕式石灰石-石膏法，是目前世界上技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最多的脫硫工藝。應(yīng)用設(shè)備主要有噴淋塔、填料塔，以及比較先進(jìn)的渦輪增壓湍流脫硫塔等[2]。

1.2　生物質(zhì)熱源

生物質(zhì)是指利用大氣、水、土地等通過(guò)光合作用而產(chǎn)生的各種有機(jī)體，即一切有生命、可以生長(zhǎng)的有機(jī)物質(zhì)。生物質(zhì)的特點(diǎn)包括可再生、低污染、分布廣泛。生物質(zhì)能是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物中的一種能量形式，直接或間接來(lái)源于植物的光合作用。生物質(zhì)燃料燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)選擇須從其燃燒特性出發(fā)。生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)主要有層燃技術(shù)、流化床技術(shù)兩種方式。

固化成型技術(shù)是規(guī)?；蒙镔|(zhì)能源的一種有效途徑，是指以無(wú)定型的生物質(zhì)（如秸稈、稻殼、木屑、樹枝等農(nóng)林廢棄物）為原料，經(jīng)干燥、粉碎到一定粒度，在一定的溫度、濕度和壓力條件下，使生物質(zhì)原料顆粒位置重新排列并發(fā)生機(jī)械變形和塑性變形，成為形狀規(guī)則、密度較大、燃燒值較高的棒狀、塊狀或顆粒狀等固體燃料[3]。固化成型技術(shù)可以使固體體積壓縮到原始生物質(zhì)體積的1/15～1/8。生物質(zhì)成型燃料具有密度高、熱值高、易于運(yùn)輸、使用方便、燃燒過(guò)程CO2零排放等顯著優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)生物質(zhì)熱源，我國(guó)環(huán)境保護(hù)部明確“生物質(zhì)成型燃料非高污染燃料”，同時(shí)指出，生物質(zhì)成型燃料在燃燒不完全或污染治理設(shè)施運(yùn)行不正常的情況下，都有可能造成一定程度的空氣污染，即地方政府仍有一定的自主決定權(quán)。有些地方鼓勵(lì)生物質(zhì)燃料推廣，同時(shí)有些地方限制推廣，在一定程度上影響了生物質(zhì)熱源糧食干燥系統(tǒng)的全面普及。

1.3　天然氣

天然氣被公認(rèn)是地球上最干凈的化石能源，代表了化石能源的未來(lái)。1 m3天然氣的熱值約為8 000 kCal。天然氣儲(chǔ)量豐富、用途廣泛，而且相對(duì)環(huán)境影響更小，產(chǎn)生的污染物和排放要比煤炭和石油少得多。天然氣代表著原油中較輕的組分，它是一種混合物，其中主要是甲烷，它燃燒更徹底，幾乎不產(chǎn)生二氧化硫或顆粒物，產(chǎn)生的氮氧化物僅為石油的20%，二氧化碳比石油少30%、比煤炭少50%。除了氣田煤氣、油田煤氣等常規(guī)天然氣外，我國(guó)的非常規(guī)天然氣資源同樣非常豐富，頁(yè)巖氣、致密氣和煤層氣可采資源量是常規(guī)天然氣的1.5倍。

天然氣熱源市場(chǎng)化的一個(gè)主要障礙是輸送能力，天然氣液化技術(shù)很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。在天然氣液化技術(shù)出現(xiàn)前，大規(guī)模輸送天然氣的唯一方法是利用管道。液化天然氣（LNG）是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下把天然氣冷卻到-162 ℃左右，使之液化后再用低溫儲(chǔ)罐或低溫瓶運(yùn)輸，運(yùn)抵后重新注入已有的管道系統(tǒng)。液化天然氣的體積約為氣態(tài)體積的1/625，極大地提高了運(yùn)輸能力。液化天然氣的運(yùn)輸相對(duì)安全，天然氣在空氣中的可燃濃度范圍很窄，為5%～15%，也就是說(shuō)，天然氣的濃度低于5%或者高于15%都不會(huì)被點(diǎn)燃。在糧食干燥實(shí)際應(yīng)用中，可以選擇市政管道供氣，也可以通過(guò)用LNG儲(chǔ)存罐租建小型液化氣站。

1.4　熱泵

熱泵是一種高效制熱裝置，產(chǎn)出的熱能/消耗的熱能＞100%。熱泵糧食干燥系統(tǒng)是熱泵裝置和糧食干燥機(jī)的有機(jī)結(jié)合。熱泵干燥裝置可實(shí)現(xiàn)以電代煤，其主要優(yōu)點(diǎn)是高效節(jié)能，在實(shí)踐中，節(jié)能幅度一般可達(dá)30%以上，綜合干燥成本可降低10%～30%，不僅實(shí)現(xiàn)了污染物零排放，而且比燃煤節(jié)能。

根據(jù)工作中干燥介質(zhì)的循環(huán)方式不同，熱泵干燥裝置可分為開式、半開式和封閉式。開式熱泵干燥裝置是指干燥介質(zhì)（空氣）從環(huán)境中吸入，經(jīng)熱泵升溫后進(jìn)入干燥機(jī)，干燥糧食后再排入環(huán)境。半開式指干燥介質(zhì)（空氣）部分從環(huán)境中吸入，與干燥機(jī)的部分廢氣混合并經(jīng)熱泵升溫后進(jìn)入干燥機(jī)，出干燥機(jī)的廢氣部分排入環(huán)境，部分再循環(huán)進(jìn)入熱泵重新加熱。封閉式熱泵干燥裝置的干燥介質(zhì)（空氣）全部在裝置中循環(huán)。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)干燥物料特性，還有許多改進(jìn)形式[4]。

1.5　液化石油氣

石油氣是在石油煉制過(guò)程中在進(jìn)行原油催化裂解與熱裂解時(shí)所得到的副產(chǎn)品，由多種低沸點(diǎn)氣體組成的混合物，沒有固定的組成，主要成分是丁烯、丙烯、丁烷和丙烷。液化石油氣（LPG）是指經(jīng)高壓或低溫液化的石油氣。LPG熱值為1 1000 kCal/kg。

與其他燃料相比，LPG具有如下的優(yōu)點(diǎn)：①在空氣中可以充分燃燒，生成CO2和H2O，無(wú)污染物、粉塵排放。②發(fā)熱量高。同樣重量LPG的發(fā)熱量相當(dāng)于煤的2倍。③運(yùn)輸、儲(chǔ)存簡(jiǎn)單，供應(yīng)靈活，氣站用LPG儲(chǔ)罐儲(chǔ)存，又可裝在氣瓶里供用戶使用，也可通過(guò)配氣站和供應(yīng)管網(wǎng)，實(shí)行管道供氣。

2　糧食干燥新型熱源展望

2.1　太陽(yáng)能

太陽(yáng)能是目前取之不盡、用之不竭的天然潔凈能源，最原始的谷物晾曬干燥實(shí)際上就是利用太陽(yáng)能進(jìn)行干燥的方法。太陽(yáng)能糧食干燥系統(tǒng)，主要是利用集熱器收集熱量，使經(jīng)過(guò)集熱器的空氣溫度升高，再用風(fēng)機(jī)把熱空氣輸送給干燥設(shè)備進(jìn)行糧食干燥[5]。利用太陽(yáng)能進(jìn)行糧食干燥的優(yōu)點(diǎn)是免費(fèi)獲得、無(wú)污染，可以被用到偏遠(yuǎn)的地方；缺點(diǎn)是建設(shè)及使用成本高、技術(shù)門檻高、受季節(jié)和當(dāng)?shù)貧夂蛴绊?，且只能在白天獲取。谷物太陽(yáng)能干燥裝置廣泛應(yīng)用于國(guó)外糧食主產(chǎn)區(qū)的農(nóng)村地區(qū)，在我國(guó)應(yīng)用較少。

2.2　沼氣

沼氣是有機(jī)物質(zhì)在厭氧條件下，經(jīng)過(guò)微生物的發(fā)酵作用而生成的一種混合氣，主要成分是甲烷，其特性與天然氣類似，是一種很好的清潔燃料。每1 m3沼氣熱值約4 500 kCal。建設(shè)沼氣池可以人畜糞便及生活垃圾、秸稈果殼、枝葉雜草為原料，廢棄物發(fā)酵后可以用作有機(jī)肥料。利用沼氣燃燒加熱空氣，然后把熱空氣輸送至干燥機(jī)對(duì)糧食進(jìn)行干燥。具備沼氣制備條件的地方，可以考慮用沼氣作為糧食干燥熱源。

2.3　多種熱源組合

根據(jù)熱量需求量及熱源特性進(jìn)行合理組合，達(dá)到干燥效率高、熱源利用率的最佳結(jié)果。例如，可以將太陽(yáng)能熱源和沼氣熱源相結(jié)合，在太陽(yáng)充足時(shí)，利用太陽(yáng)能進(jìn)行糧食干燥，在太陽(yáng)不足時(shí)，燃燒沼氣加熱空氣進(jìn)行糧食干燥。

3　結(jié)語(yǔ)

開發(fā)利用新型能源替代煤炭等非再生的石化能源是我國(guó)的基本國(guó)策。在糧食干燥配套熱源選擇上，一方面應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，針對(duì)不同地區(qū)、不同處理量、不同烘干物料，選擇最合適的配套熱源。另一方面，加快研發(fā)新型熱源或多種熱源聯(lián)合使用技術(shù)。有效促進(jìn)糧食干燥行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，提高社會(huì)效益、生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。