谷物糧食干燥系統(tǒng)熱源改造及性能分析

楊先亮，郜坤，戎瑞，時國華

華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院（保定 071003）

糧食干燥作業(yè)是一個高能耗的過程，據(jù)不完全統(tǒng)計，對1 t糧食進行干燥作業(yè)需要消耗標(biāo)準(zhǔn)煤0.07 t。如果采用較為常規(guī)的能源來對我國的糧食進行干燥作業(yè)，需要消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤4 000萬 t以上。現(xiàn)階段糧食干燥系統(tǒng)大都采用鍋爐燃燒煤炭作為熱源，煤炭在燃燒的過程當(dāng)中排放出大量的SO2、NOx與粉塵污染物，對環(huán)境造成巨大的污染，且在換熱過程當(dāng)中存在生產(chǎn)率低下、介質(zhì)溫度相對較低和熱量浪費的現(xiàn)象，可以看出糧食干燥系統(tǒng)整個過程當(dāng)中的節(jié)能空間是十分巨大的，因此對于糧食干燥系統(tǒng)的熱源進行節(jié)能改造迫在眉睫。

天然氣是一種高效、優(yōu)質(zhì)和潔凈能源，與傳統(tǒng)的石油和煤炭能源相比較，能夠在一定程度上減少NOx與CO2的排放。然而天然氣在我國的一次能源當(dāng)中的占比僅為4%左右，與世界的平均水平24%相差甚遠，所以對于天然氣能源的推廣應(yīng)用，是國家能源發(fā)展首要任務(wù)。隨著能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，天然氣應(yīng)用發(fā)展得到進一步的提升，天然氣消費比重提高了1.9%。

在糧食干燥系統(tǒng)當(dāng)中，將傳統(tǒng)的煤炭燃料用天然氣來進行替代，具有熱效率高、出力穩(wěn)定、污染物排放低和系統(tǒng)簡單可靠等特點，所呈現(xiàn)出的環(huán)保與節(jié)能的優(yōu)勢十分得明顯。但是，現(xiàn)階段在糧食干燥系統(tǒng)當(dāng)中天然氣的應(yīng)用十分有限，相關(guān)的實踐非常少。對某糧站的熱風(fēng)干燥系統(tǒng)進行改造，對于原干燥系統(tǒng)中的燃煤鍋爐用天然氣鍋爐進行改造，使得原來污染與熱效率低下的問題得到有效的解決，為天然氣在糧食干燥系統(tǒng)的應(yīng)用提供相關(guān)的經(jīng)驗。

1 原有干燥系統(tǒng)概況

河北某糧站運用干燥塔系統(tǒng)進行干燥作業(yè)，糧食經(jīng)過干燥之后達到儲藏水分，最終入庫儲藏。在干燥過程當(dāng)中所采用的熱源為燃煤鍋爐，干燥介質(zhì)為經(jīng)過換熱后的高溫空氣。整個干燥系統(tǒng)如圖1所示，從圖1中能夠看出該系統(tǒng)主要包含上煤機、鏈?zhǔn)藉仩t、鼓風(fēng)機、引風(fēng)機、管式換熱器、熱風(fēng)機1、熱風(fēng)機2、冷風(fēng)機、干燥塔、提升機、風(fēng)溫傳感器、爐溫傳感器和配電室。鼓風(fēng)機將空氣引入鍋爐爐膛中，與上煤機運入的煤混合燃燒，燃燒后生成的高溫?zé)煔馀湃霌Q熱器當(dāng)中，與引入的常溫空氣進行換熱，經(jīng)過換熱后常溫空氣溫度升高，當(dāng)溫度達到干燥要求時，將高溫空氣引入干燥塔內(nèi)，與提升機所運入的糧食進行有效的接觸，使水分得到蒸發(fā)降低。整個進程中，爐溫傳感器主要是對鍋爐燃燒生成的煙溫進行實時檢測，風(fēng)溫傳感器主要對干燥介質(zhì)的溫度進行實時檢測。從圖1可以看出有兩個熱風(fēng)管向干燥塔內(nèi)部供應(yīng)熱風(fēng)，規(guī)定距離體面較高的熱風(fēng)管所供應(yīng)的熱風(fēng)為一次熱風(fēng)；另外一個熱風(fēng)管所供應(yīng)的熱風(fēng)為二次熱風(fēng)。由于糧食剛開始時水分較高，故一次熱風(fēng)的溫度較二次熱風(fēng)較高。一次熱風(fēng)與二次熱風(fēng)的溫度分別為96和83 ℃。鍋爐的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

上述的干燥系統(tǒng)經(jīng)過長期的運行，發(fā)現(xiàn)該系存在以下的問題：

1) 燃煤鍋爐在長期運行的進程中的熱效率相對較低，并且著火條件較差、煤耗量十分高。尤其在冬季，受到外界的環(huán)境影響，鍋爐運行所呈現(xiàn)出的熱效率更低，耗煤量更高。

2) 在換熱器的環(huán)節(jié)，鍋爐所排除的煙氣與空氣進行換熱之后，溫度依然比外界空氣的溫度高，長期運行造成大量的熱量損失，且換熱的效率較低。

3) 鍋爐在運行當(dāng)中煤炭燃燒排放出大量的SO2、NOx與粉塵污染物，對環(huán)境造成巨大的污染，是減排的重點對象。

圖1 原糧食干燥系統(tǒng)示意圖

表1 燃煤鏈條熱風(fēng)爐的相關(guān)參數(shù)

2 天然氣熱風(fēng)爐糧食干燥系統(tǒng)

為了克服原糧食干燥系統(tǒng)的不足之處，提出用天然氣直燃熱風(fēng)爐來對原糧食干燥系統(tǒng)的鏈?zhǔn)饺济簾犸L(fēng)爐進行改造，其干燥介質(zhì)是天然氣燃燒生成的煙氣。經(jīng)過改造之后的干燥系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)由天然氣熱風(fēng)爐、引風(fēng)機、熱風(fēng)機1、熱風(fēng)機2、冷風(fēng)機、干燥塔、提升機、風(fēng)溫傳感器和配電室組成。天然氣在絕熱的燃燒區(qū)內(nèi)進行燃燒，能夠產(chǎn)生1 200 ℃以上的煙氣。煙氣與空氣在混合區(qū)進行有效的混合，經(jīng)過混合得到100 ℃左右的熱風(fēng)。熱風(fēng)由熱風(fēng)機引入到干燥塔內(nèi)部。天然氣熱風(fēng)爐糧食干燥系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計參數(shù)如表2所示，天然氣燃料選用“西氣東輸”所輸送的天然氣，具體的成分如表3所示。天然氣熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)示意圖與其燃燒器的實物圖如圖3和圖4所示。

3 改造效果及節(jié)能分析

3.1 運行效果分析

在燃燒過程中，正確選擇和控制過量空氣系數(shù)α（實際供給的空氣量V與理論空氣需要量V0之比等于過?？諝庀郸粒┲档拇笮∈种匾＆吝^小會導(dǎo)致燃燒不完全，造成能源的浪費和對環(huán)境的污染；α過大則使煙氣體積增大，爐膛溫度與煙氣溫度降低。實際運行中的天然氣鍋爐的過量空氣系數(shù)α的值為1.15，根據(jù)前面所敘述的天然氣的鍋爐的各個條件與模型，通過fluent軟件來對其運行效果進行分析。模擬得到爐內(nèi)燃燒溫度場與速度場如圖4和圖5所示。

通過圖4（a）能夠看出，內(nèi)筒中心燃燒區(qū)域溫度較高，火焰最高溫度1 857 K，火焰長度接近2 m，火焰高溫區(qū)位于燃燒器噴口與內(nèi)筒擋火板之間，擋火板起到了防止高溫火焰蔓延至外筒的作用；內(nèi)筒壁面最高溫度區(qū)位于擋火板及其附近區(qū)域，溫度為1 200～1 600 K。圖4（b）為內(nèi)筒壁面溫度分布云圖，可知內(nèi)筒壁面最高位置為擋火板與內(nèi)筒壁面焊接處，溫度約為1 215 K。圖4（c）為內(nèi)筒擋火板壁面溫度分布云圖，可知內(nèi)筒擋火板壁面最高溫度約為1 400 K，位置位于擋火板中心處和焊接接口處。上述的壁面的最高溫度均小于耐高溫不銹鋼板材的耐熱溫度，安全性得到保障。由圖4（d）可知，熱風(fēng)爐出口處熱風(fēng)最高溫度約為660 K，面積平均溫度約為374 K（101 ℃），熱風(fēng)爐出口煙溫完全符合實際干燥需要，但也能夠看出熱風(fēng)爐出口煙溫混合并不均勻，局部煙氣溫度較高，這也為今后熱源結(jié)構(gòu)的改造提供方向。

圖5（a）、圖5（b）與圖5（c）分別為熱風(fēng)爐內(nèi)氣流速度跡線圖、矢量圖和云圖。由圖5可知，天然氣與空氣在內(nèi)筒內(nèi)由燃燒器出口處開始逐步摻混，擋火板的存在，使氣流產(chǎn)生了較為明顯的回流（圖5a），加速了氣體的混合，使燃燒更加穩(wěn)定充分；同時外筒的導(dǎo)流板后部也產(chǎn)生了較為明顯的回流區(qū)，這使得高溫?zé)煔馀c摻混空氣能夠更好地混合。圖5（d）為燃燒器頭部不同X截面處氣流速度分布云圖，從不同截面速度衰減情況可以看出，燃燒器孔板結(jié)構(gòu)的存在，使得天然氣和助燃空氣在較短的距離內(nèi)產(chǎn)生了充分混合，促進了燃燒的充分穩(wěn)定進行，也使火焰長度明顯減小。由于熱風(fēng)爐的目的是產(chǎn)生溫度相對較低（100 ℃）的熱風(fēng)，不需要像燃?xì)鉄崴疇t一樣保證足夠的換熱面積和溫差，熱風(fēng)爐的熱風(fēng)都由熱煙氣和空氣的混合產(chǎn)生，因而該燃燒器在保證充分穩(wěn)定燃燒的同時，較短的火焰長度也有利于減小熱風(fēng)爐尺寸，但火焰寬度不宜過大，以免造成內(nèi)筒壁面溫度過高。

表2 天然氣熱風(fēng)爐設(shè)計參數(shù)

表3 天然氣主要成分

圖2 天然氣熱風(fēng)爐的結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 天然氣熱風(fēng)爐燃燒器實物圖

圖4 燃燒溫度場模擬圖

圖5 爐內(nèi)相關(guān)氣流速度場圖

3.2 節(jié)能性分析

原糧食干燥系統(tǒng)的熱源為燃煤鍋爐，系統(tǒng)熱源的能流如圖6所示。燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣到最終轉(zhuǎn)化成干燥介質(zhì)的進程中存在三種熱損失，分別是鍋爐本體的熱損失、煙氣輸送過程中的管道損失與換熱器的熱損失。

圖6 原干燥系統(tǒng)熱源能流圖

原干燥系統(tǒng)熱源的各項熱損及效率如表4所示。

干燥系統(tǒng)熱源經(jīng)過改造后的系統(tǒng)中僅存在兩部分的熱損失，分別是鍋爐爐體的散熱損失與天然氣燃燒熱損失。改造后干燥系統(tǒng)熱源的各項熱損及效率如表5所示。

通過表4和表5對比可以看出，改造后的干燥系統(tǒng)的總效率比原來干燥系統(tǒng)總效率提升了49.01%，節(jié)能的效果相當(dāng)明顯。

表4 原干燥系統(tǒng)熱源的各項熱損及效率

表5 改造后干燥系統(tǒng)熱源的各項熱損及效率

4 結(jié)論

通過對原有的干燥系統(tǒng)熱源進行改造，選用天然氣直燃熱風(fēng)爐來替代原來的燃煤鍋爐，通過模擬與能耗對比分析得出以下結(jié)論：

1) 天熱氣熱風(fēng)爐運行過程中的性能較好，燃燒穩(wěn)定充分，能夠達到干燥所要求的風(fēng)溫與風(fēng)量，干燥介質(zhì)的溫度能夠達到100 ℃以上，且熱煙氣與空氣的混合程度良好，但是熱風(fēng)爐出口煙溫混合并不均勻，局部煙氣溫度較高，這也為今后熱源結(jié)構(gòu)的改造提供方向。

2) 改造后的糧食干燥系統(tǒng)與原來系統(tǒng)相比，熱損失得到較大的抑制，熱效率提升了49.01%。

3) 通過改造能夠節(jié)約大量煤炭的燃燒，減少NOx、CO2與SO2的排放，環(huán)保效果相當(dāng)明顯。