一種大容量高壓固態(tài)儲(chǔ)熱式糧食干燥裝備的研制

劉國(guó)輝

（遼寧省糧食科學(xué)研究所，沈陽 110032）

糧食干燥是糧食生產(chǎn)和流通過程中耗能最高的環(huán)節(jié)，也是造成該過程環(huán)境污染的重要原因。實(shí)施資源節(jié)約與環(huán)境友好的綠色干燥方式，是國(guó)內(nèi)外干燥技術(shù)發(fā)展長(zhǎng)期堅(jiān)持的基本方針。根據(jù)《遼寧省人民政府關(guān)于印發(fā)遼寧省打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)方案》（遼政發(fā)〔2018〕31號(hào)）等文件精神，約占90%以上傳統(tǒng)的以燃煤為熱源糧食干燥工藝面臨巨大沖擊，急需尋求一種環(huán)保、安全、運(yùn)行和改造成本低的新型清潔能源，以及與其匹配的供熱工藝技術(shù)和設(shè)備，以取代現(xiàn)有燃煤熱風(fēng)爐，解決長(zhǎng)期困擾糧食干燥行業(yè)能耗高、熱效率低、污染物排放嚴(yán)重超標(biāo)的瓶頸難題，滿足新形勢(shì)下糧食干燥領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展技術(shù)需求。

1 國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國(guó)家使用燃油、燃?xì)飧稍锛Z食，不需換熱裝置，無煙塵排放，熱效率高達(dá)90%以上。我國(guó)糧食干燥的熱源供給工藝還停留在20世紀(jì)90年代的水平，以燃燒原煤為主要熱源，采用往復(fù)爐排燃煤熱風(fēng)爐供熱，煙氣經(jīng)過換熱器與冷風(fēng)進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生適用溫度的熱風(fēng)用于糧食烘干。因往復(fù)爐排燃煤熱風(fēng)爐燃燒效率受燃煤質(zhì)量、煤層厚度、鼓風(fēng)風(fēng)量、爐排轉(zhuǎn)速等多因素影響，燃煤燃燒不充分，燃?xì)鉁囟炔▌?dòng)較大，燃燒效率較低，一般為70%左右，造成一定的能源浪費(fèi)；由于現(xiàn)有的糧食干燥工藝多數(shù)熱風(fēng)爐未配置脫硫脫硝裝置，即使配備也因投資成本和生產(chǎn)成本高及操作繁瑣等原因，使用效果不理想，燃煤供熱工藝產(chǎn)生的二氧化硫、氮氧化物等有害氣體未經(jīng)處理直接排放，無法滿足環(huán)保新標(biāo)準(zhǔn)的排放要求。

2 高電壓、大功率電熱儲(chǔ)能換熱工藝技術(shù)的研究

2.1 高壓控制技術(shù)

在預(yù)設(shè)的電網(wǎng)低谷時(shí)段或風(fēng)力發(fā)電的棄風(fēng)電時(shí)段，自動(dòng)控制系統(tǒng)接通高壓開關(guān)，高壓電網(wǎng)為高壓電發(fā)熱體供電，高壓電發(fā)熱體將電能轉(zhuǎn)換為熱能同時(shí)被高溫蓄熱體不斷吸收，當(dāng)高溫蓄熱體的溫度達(dá)到設(shè)定的上限溫度或電網(wǎng)低谷時(shí)段或風(fēng)力發(fā)電的棄風(fēng)電時(shí)段結(jié)束時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)切斷高壓開關(guān)，高壓電網(wǎng)停止供電，高壓電發(fā)熱體停止工作。

2.2 熱量存儲(chǔ)技術(shù)

（1）發(fā)熱體：高壓電發(fā)熱體加熱部分選用Cr20Ni30電熱合金絲繞制成型。電熱合金絲安裝在鎂磚搭建的整體架構(gòu)內(nèi)，它具有電氣物理特性穩(wěn)定、高溫力學(xué)性能好，焊接性能牢固，在輸入電壓10 kV的正常工況下，反復(fù)加熱壽命達(dá)20 000 h以上。

（2）保溫材料及結(jié)構(gòu)：保溫系統(tǒng)采用陶瓷纖維類保溫材料，具有良好的保溫性能，在導(dǎo)熱系數(shù)、容重、使用溫度、熱惰性系數(shù)等方面具有眾多的優(yōu)勢(shì)，且使用壽命長(zhǎng)。三層保溫結(jié)構(gòu)：內(nèi)板采用不銹鋼板，反彈輻射熱，蓄能體的傳導(dǎo)熱，由于與保溫墻有400 mm間隙無熱量損耗，空氣比熱容較小可忽略不計(jì)。

2.3 高效換熱技術(shù)

加熱儲(chǔ)能體通過循環(huán)放熱風(fēng)機(jī)送出300～500℃的高溫?zé)犸L(fēng)進(jìn)入高溫?zé)峤粨Q器，室外空氣通過鼓風(fēng)機(jī)作用于混風(fēng)器，再由混風(fēng)器作用于高溫?zé)峤粨Q器，高溫?zé)峤粨Q器中的高溫?zé)犸L(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)闊犸L(fēng)，送出后進(jìn)入空氣分配器，安裝自動(dòng)控制器的混風(fēng)器作用于溫度控制器，溫度控制器中的溫度調(diào)節(jié)器通過風(fēng)溫檢測(cè)器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，使空氣分配器送出溫度穩(wěn)定的干燥熱風(fēng)，干燥熱風(fēng)通過熱風(fēng)機(jī)吹向烘干塔。

2.4 干燥介質(zhì)溫度控制技術(shù)

該設(shè)備設(shè)置干燥介質(zhì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，配備空氣分配器、混風(fēng)器、溫度調(diào)節(jié)器、降溫器、氣流控制器以及循環(huán)風(fēng)機(jī)等裝置，通過對(duì)溫度調(diào)節(jié)器、氣流控制器及循環(huán)風(fēng)機(jī)工作參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整保證干燥介質(zhì)溫度的精度，誤差范圍±0.5℃。

3 大容量高壓固態(tài)儲(chǔ)熱式糧食干燥裝備的研制

3.1 技術(shù)方案的確定

根據(jù)原有糧食干燥系統(tǒng)燃煤熱風(fēng)爐發(fā)熱量、輸出熱風(fēng)流量和熱風(fēng)溫度等工藝參數(shù)，結(jié)合收集的該地區(qū)峰谷用電時(shí)段、常年日照量以及風(fēng)力電能的利用能力等具體數(shù)據(jù)，計(jì)算出合理的大容量高壓固態(tài)儲(chǔ)熱式糧食干燥裝備的蓄熱能量值，確定該裝備的合理供熱比例，計(jì)算裝備容量，確定裝備型號(hào)及規(guī)格尺寸。繪制裝備制造及原有烘干工藝熱風(fēng)通道改造圖紙。在確定糧食干燥系統(tǒng)燃煤熱風(fēng)爐工藝參數(shù)、項(xiàng)目點(diǎn)“供電線路容量”的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)、優(yōu)化新型儲(chǔ)能爐設(shè)計(jì)參數(shù)與總體技術(shù)方案，完成工藝與裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。見圖1、圖2。

圖1 大容量高壓固態(tài)儲(chǔ)熱式糧食干燥工藝流程

圖2 大容量高壓固態(tài)儲(chǔ)熱式糧食干燥裝備總裝

3.2 裝備性能參數(shù)測(cè)試試驗(yàn)及優(yōu)化

2015年11月，在項(xiàng)目示范點(diǎn)進(jìn)行大容量高壓固態(tài)儲(chǔ)熱式糧食干燥裝備工藝技術(shù)研究及性能測(cè)試，跟蹤監(jiān)測(cè)記錄外部環(huán)境溫度、電熱儲(chǔ)能爐房室內(nèi)環(huán)境溫度、蓄熱體溫度、爐體表面溫度、風(fēng)機(jī)表面溫度、蓄熱體供風(fēng)溫度等技術(shù)指標(biāo)，總結(jié)試驗(yàn)過程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，發(fā)現(xiàn)裝備及工藝中的不足，提出改進(jìn)意見。主要優(yōu)化內(nèi)容如下：蓄熱體換熱工藝由一次換熱更改為三次換熱；對(duì)內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)外表面進(jìn)行加固保溫；接入防凍液對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行循環(huán)降溫；密封換熱器進(jìn)風(fēng)口及電熱爐進(jìn)風(fēng)管道；對(duì)完全暴露于室外的熱風(fēng)管道進(jìn)行保溫處理。見圖3。

圖3 蓄熱體換熱工藝優(yōu)化示意圖

3.3 裝備工藝技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)

2016年3月，課題組對(duì)該進(jìn)行了工藝參數(shù)生產(chǎn)驗(yàn)證試驗(yàn)，全面測(cè)試了改進(jìn)后的系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量、工藝指標(biāo)、各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、能耗、物耗及主要設(shè)備的能力及運(yùn)行狀況。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了工藝與設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，確定設(shè)備蓄熱能力與供熱效率。進(jìn)行模塊式組合裝配式設(shè)計(jì)，單臺(tái)儲(chǔ)熱能力為4 MW/6MW/10 MW/20 MW（單臺(tái)最大儲(chǔ)熱能力400 MW），確定裝備運(yùn)行可根據(jù)需求在自動(dòng)/手動(dòng)/遠(yuǎn)程等方式間切換，形成了系列產(chǎn)品，以適應(yīng)不同烘干物料、不同處理量的糧食干燥機(jī)需求。

4 總結(jié)

該設(shè)備是在保留和繼承多項(xiàng)成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，融入了先進(jìn)的高壓控制技術(shù)和儲(chǔ)能保溫技術(shù)，選用了新型的固體儲(chǔ)能材料和新型電加熱材料。該裝置將夜晚電網(wǎng)閑置的低谷電、風(fēng)力發(fā)電或太陽能發(fā)電的電能轉(zhuǎn)換成熱能儲(chǔ)存起來，通過冷熱風(fēng)混合調(diào)節(jié)裝置全天24 h連續(xù)釋放，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模和超大規(guī)模供熱能力，可以完全替代目前廣泛使用的燃煤型熱風(fēng)爐。目前，該裝備已在遼寧昌圖糧食儲(chǔ)備庫有限公司完成了玉米干燥工藝負(fù)載試驗(yàn)，生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行結(jié)果表明，該設(shè)備連續(xù)釋放供熱，自動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定，沒有任何廢氣、廢水、廢渣產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了SO2、CO2零排放，熱效率在95%以上，具備清潔、低碳、環(huán)保的特點(diǎn)；從生產(chǎn)試驗(yàn)品質(zhì)跟蹤檢測(cè)結(jié)果來看，烘后玉米品質(zhì)良好。因此，該項(xiàng)目符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，適合當(dāng)前企業(yè)需求，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。