生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐應用于糧食烘干的研究

陳桂洲 徐文 孟憲梅 余平 吳文福 胡韜綱 馬昀釗

摘要：糧食烘干用生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐，以農(nóng)作物秸稈捆包為燃料，用于取代原糧食收儲企業(yè)燃煤熱風爐，投資少、見效快、也符合國家政策導向。該鍋爐不僅適用于建成區(qū)外和鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在地的糧食收儲企業(yè)進行糧食烘干，還適用于建成區(qū)內(nèi)的糧食收儲企業(yè)及附近居民和其他企事單位進行供汽和供暖，更適用于廣大供熱企業(yè)對用汽、用熱單位和居民進行能源管理。將生物質(zhì)秸稈鍋（窯）爐的灰渣，與畜、禽糞便進行混合、發(fā)酵制作成有機復合肥回歸到黑土地。這樣，就能使農(nóng)作物秸稈變廢為能、變廢為寶，從而徹底解決農(nóng)作物秸稈的露天焚燒問題，真正把打贏“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”落到實處。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作物秸稈；直燃蒸汽鍋爐；糧食烘干；可行性

中圖分類號：S226.6 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20210226

近年來化石能源的儲量日益減少的同時，因化石能源的大量使用而造成的環(huán)境污染越來越嚴重。為了貫徹落實《中共中央 國務院關(guān)于全面加強生態(tài)環(huán)境保護 堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)的意見》，為了貫徹落實黨的十九大精神，將生物質(zhì)能供熱作為應對大氣污染的重要措施、作為綠色低碳新型城鎮(zhèn)化建設的重要內(nèi)容。習近平總書記在吉林視察時指示，要“采取有效措施，切實把黑土地這個‘耕地中的大熊貓’保護好、利用好，使之永遠造福人民”。以農(nóng)作物秸稈捆包為燃料，用生物質(zhì)秸稈捆包直燃鍋（窯）爐來取代原燃煤鍋（窯）爐，投資少、見效快，也符合國家政策導向[1-2]。生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽（熱水）鍋爐的技術(shù)現(xiàn)已非常成熟，但還沒有應用到糧食收儲企業(yè)的糧食烘干上，目前東北三省一區(qū)的糧食收儲企業(yè)還在用燃煤熱風爐來烘干糧食。糧食烘干用生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐通過整合和優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)后，不僅適用于建成區(qū)外和鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在地的糧食收儲企業(yè)進行糧食烘干，還適用于建成區(qū)內(nèi)的糧食收儲企業(yè)及附近居民和其他企事單位進行供汽和供暖，更適用于廣大供熱企業(yè)對用汽、用熱單位和居民進行能源管理。然后再把生物質(zhì)秸稈鍋（窯）爐的灰渣與畜、禽糞便進行混合、發(fā)酵制作成有機復合肥回歸到黑土地。這樣，就能使農(nóng)作物秸稈變廢為能、變廢為寶，從而徹底解決農(nóng)作物秸稈的露天焚燒問題，真正把打贏“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”落到實處。

1 糧食烘干用生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐的技術(shù)分析

我國東北地區(qū)是世界三大黑土區(qū)之一，農(nóng)作物秸稈以玉米、水稻秸稈為主。玉米秸稈主要成分由氮、磷、鉀、鈉、鎂、鈣、粗纖維、粗蛋白、糖類、脂類和水。據(jù)一些生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸氣（熱水）鍋爐的生產(chǎn)廠家反映：炭和水蒸氣反應溫度為710 ℃、玉米秸稈灰變形溫度（冷卻后開始結(jié)焦溫度）為1 125 ℃、流動溫度（冷卻后大面積結(jié)焦溫度）為1 200 ℃。利用一次高溫裂解二次汽化燃燒技術(shù)，玉米秸稈在生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽（熱水）鍋爐的一次缺氧燃燒區(qū)和二次過氧燃燒區(qū)的燃燒溫度控制在800 ℃以下，既不會讓其灰渣結(jié)焦又能產(chǎn)生大量可燃氣體?？扇細怏w在二次過氧燃燒區(qū)的燃燒溫度控制在1 200 ℃以內(nèi)，既把一氧化碳、氫氣、炭粒、甲烷燃盡生成二氧化碳和水，又不會產(chǎn)生大量氮氧化物（氮和氧反應溫度為1 372 ℃）。生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐后側(cè)的空氣預熱器通過管道與一次缺氧燃燒區(qū)和二次過氧燃燒區(qū)的鼓風機相連來提高進入鍋爐的空氣溫度，以此保證爐膛內(nèi)生物質(zhì)秸稈及可燃氣體正常燃燒以提高鍋爐的熱效率[3-4]。外界冷空氣通過管道與二次過氧燃燒區(qū)的鼓風機相通來控制此燃燒區(qū)的溫度不超過800 ℃，以此保證鍋爐內(nèi)的灰渣不結(jié)焦（結(jié)焦的灰渣不能作為有機復合肥的原材料）。榆樹奇特生物有機混合肥業(yè)有限公司的6 t/h生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐，榆樹市榆鄉(xiāng)豆制品有限公司的4 t/h生物質(zhì)秸稈壓塊蒸汽鍋爐，在實際生產(chǎn)過程中的蒸汽壓力都能平穩(wěn)地保證在0.8 MPa以上。長春吉糧天裕生物工程有限公司榆樹分公司和榆樹五棵樹華糧糧食儲備庫的熱風糧食烘干機都是利用本公司熱電廠的廢棄蒸汽來烘干糧食。整合和優(yōu)化以上四家公司的現(xiàn)有技術(shù)，增設蒸汽緩沖罐、電動調(diào)壓閥、蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥、翅片管式換熱器后，就可以把目前的生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐改造成糧食烘干用生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐。生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐與單塔、兩段干燥、一段冷卻的熱風糧食烘干機（把第二干燥段和冷卻段的尾氣進行回收利用）配套使用后，其工藝流程和工藝參數(shù)如圖1所示。

糧食烘干用生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐生產(chǎn)出高溫高壓的蒸汽（蒸汽壓力一般保證在0.8 MPa以上）先進入蒸汽緩沖罐（其容積設計在20 m3以上），然后再經(jīng)蒸汽管道和蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥被輸送到熱風糧食烘干機下部的翅片管式換熱器內(nèi)，并與進入翅片管式換熱器內(nèi)的外界冷空氣或凈化后的尾氣進行熱量交換變成冷凝水（冷凝水溫度一般控制在90 ℃以下）后排出翅片管式換熱器；外界冷空氣進入2#翅片管式換熱器內(nèi)被蒸汽加熱至120 ℃左右后作為第二干燥段的干燥介質(zhì)；第二干燥段和冷卻段的尾氣回收凈化后進入1#翅片管式換熱器內(nèi)被蒸汽加熱至140 ℃左右后作為第一干燥段的干燥介質(zhì)；從翅片管式換熱器排出的冷凝水，直接通過回水水泵和蒸汽回水管道回到鍋爐房的回水水箱或者通過板式換熱器給該糧食收儲企業(yè)及附近居民和其他企事單位進行集中供熱后再通過回水水泵和蒸汽回水管道回到鍋爐房的回水水箱；回水水箱內(nèi)的冷凝水和新補充進來的軟化水，通過上水水泵輸送至生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐內(nèi)再被鍋爐加熱成蒸汽后進行循環(huán)利用。電動蒸汽壓力變送器與生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐內(nèi)蒸汽壓力相聯(lián)鎖來自動調(diào)節(jié)爐排和鼓風機的轉(zhuǎn)速，以此使排出鍋爐的蒸汽壓力保持相對恒定；蒸汽緩沖罐上電動調(diào)壓閥出口的排氣管道通入回水水箱的冷凝水中，通過調(diào)壓閥來保持排出蒸汽緩沖罐的蒸汽壓力不超過其規(guī)定的工作壓力；通過蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥將進入翅片管式換熱器前的蒸汽壓力控制在0.7 MPa（相當于165 ℃）左右，以此保證排出翅片管式換熱器第一、二干燥段的干燥介質(zhì)溫度絕對恒定[5]。綜上所述，糧食烘干用生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐在技術(shù)上是可行的。更主要是，糧食烘干用生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐可以安裝在距糧食收儲企業(yè)1 km以外的專業(yè)供熱站內(nèi)，蒸汽可以通過供熱管道遠距離輸送到糧食收儲企業(yè)進行糧食烘干。這樣還能減少庫內(nèi)火點數(shù)量、降低庫內(nèi)火災隱患，從而更好地解決糧食收儲企業(yè)的“四防安全”問題。如糧食收儲企業(yè)用蒸汽余熱進行冬季供暖，同樣也能得到以上益處。

2 糧食烘干用生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐的經(jīng)濟效益分析

糧食烘干用生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐也是以玉米秸稈捆包為燃料，無需破包、粉碎、烘干、制塊（制粒）等工序，是目前以生物質(zhì)秸稈為燃料烘干成本最低的一種生物質(zhì)鍋爐。玉米秸稈捆包水分在25%以內(nèi)、含土量在5%以下時，其發(fā)熱量一般為12.54 MJ/kg左右，原燃煤鍋爐所需原煤的發(fā)熱量一般為23.00 MJ/kg左右。經(jīng)理論計算和實際測算，糧食熱風烘干機噸糧降10%水使用原燃煤熱風爐供熱用煤量約為45kg，使用生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐以玉米秸稈捆包為燃料的使用量僅是原燃煤鍋爐用煤量的2倍左右。一臺黑龍江省境內(nèi)的10 t/h生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐一個烘干期最多可以節(jié)省燃料費用150萬元（一個烘干期按100 d計算，燃煤價格按700元/t計算，玉米秸稈離田補貼約70元/t，消納玉米秸稈補貼約50元/t）。如黑龍江省境內(nèi)的糧食收儲企業(yè)在原有鍋爐房內(nèi)新建一臺生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐，取替原有燃煤熱風爐，由生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐供汽進行糧食烘干。拆除原10 t/h原燃煤熱風爐后，黑龍江省政府給糧食收儲企業(yè)一次性補貼75萬元（拆除原燃煤熱風爐一次性補貼7.5萬元/t）；新增一臺10 t/h生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐、蒸汽緩沖罐、智能型蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥及除塵設備總投資約230萬元；新增一組翅片管式換熱器和改造鍋爐房總投資大約30萬元；新增蒸汽管道、回水管道和改造熱風糧食烘干機通風管道總投資約30萬元；新增一臺小型抓包機及其他相關(guān)設備總投資約10萬元。因此，在黑龍江省新建一臺10 t/h的生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋，與日烘干能力500 t的熱風糧食烘干機配套使用兩個烘干期就能收回投資成本，以后每年節(jié)省150萬元左右的燃料費用也是糧食收儲企業(yè)凈收益。由此可見，使用生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐給熱風糧食烘干機供汽在經(jīng)濟上也是可行的，并且還有很大的市場競爭力。

3 糧食烘干用生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐的社會效益分析

3.1 真正解決農(nóng)作物秸稈的露天焚燒問題

據(jù)不完全統(tǒng)計，榆樹市2018年玉米種植面積為28.1萬hm2，年產(chǎn)生玉米秸稈270萬t；水稻種植面積8萬hm2，年產(chǎn)生秸稈55萬t，共計年產(chǎn)玉米和水稻秸稈325萬t。目前，除實施農(nóng)作物秸稈肥料化、飼料化、原料化、基料化消納一部分農(nóng)作物秸稈外，剩余農(nóng)作物秸稈的消納問題還要靠秸稈能源化來完成。若將糧食烘干用原燃煤熱風爐換成生物質(zhì)秸稈直燃蒸汽鍋爐、生物質(zhì)秸稈捆包散燒熱風爐和生物質(zhì)秸稈壓塊或顆粒熱風爐，榆樹市轄區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的178座烘干塔一個烘干期大約消耗秸稈30萬t。加之生物質(zhì)秸稈直燃供熱鍋爐、農(nóng)村生物質(zhì)爐灶和未來生物質(zhì)熱電廠所用的生物質(zhì)秸稈捆包、壓塊、顆粒。這樣，榆樹市每年消納農(nóng)作物秸稈將會達到100多萬t。由此可見，農(nóng)作物秸稈的燃料化才是目前榆樹市乃至東北三省一區(qū)消納農(nóng)作物秸稈的行之有效辦法之一，農(nóng)民自己收集秸稈、自己儲存秸稈、自己加工秸稈，把農(nóng)作物秸稈變廢為能、變廢為寶，從而有效地解決農(nóng)作物秸稈的露天焚燒問題。

3.2 制造有機復合肥，生產(chǎn)有機糧食和蔬菜

糧食、蔬菜生長所需肥料的主要成分是氮、磷、鉀，農(nóng)作物秸稈燃燒后產(chǎn)生的灰渣有效成分是鉀元素[6]，而畜、禽糞便的有效成分是氮元素和磷元素。將農(nóng)作物秸稈通過鍋爐集中燃燒進行能源化利用后，再將其產(chǎn)生的灰渣與畜、禽糞便按比例進行混合和發(fā)酵，腐熟好的有機復合肥通過烘干、粉碎后直接噴灑到農(nóng)田里，或再經(jīng)造粒、裝袋，最后生產(chǎn)出袋裝有機復合肥。這樣，就能有效地解決農(nóng)作物秸稈露天焚燒和畜、禽糞便造成的環(huán)境污染問題。農(nóng)業(yè)合作社、農(nóng)機合作社在農(nóng)村秋收過后收集農(nóng)作物秸稈，先把收集的農(nóng)作物秸稈捆包儲存在特定區(qū)域作為生物質(zhì)秸稈直燃蒸汽（熱水）鍋爐供熱站的第一級料場，待冬季供暖和糧食烘干開始時，由農(nóng)業(yè)合作社、農(nóng)機合作社的人員，每天或每幾天將農(nóng)作物秸稈捆包用機動車運到供熱站的罩棚倉內(nèi)作為生物質(zhì)秸稈直燃蒸汽（熱水）鍋爐供熱站的第二級料場。農(nóng)作物秸稈通過生物質(zhì)秸稈鍋（窯）爐燃燒后產(chǎn)生的灰渣和養(yǎng)殖戶的畜、禽糞便由有機復合肥廠生產(chǎn)出有機復合肥，使用有機復合肥生產(chǎn)出的糧食、蔬菜就是綠色有機食品。由此可見，農(nóng)作物秸稈燃燒后的灰渣是不可多得有機復合肥的原材料，進而使農(nóng)作物秸稈得到更加有效的利用。

3.3 減少環(huán)境污染，節(jié)約煤炭資源，保護黑土地

有史以來，以煤炭為固體燃料的鍋（窯）爐都是直接燃燒，煙氣中的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、煙塵等大量有害物質(zhì)，對環(huán)境與大氣的污染非常嚴重，占大氣污染總量的60% ～ 70%，嚴重危害人們的身體健康。農(nóng)作物秸稈是一種是不可多得的可再生清潔資源，在專用鍋爐中燃燒，僅需要增加適當?shù)某龎m設備，就能達到與天然氣相同的排放指標。農(nóng)作物秸稈捆包作為成型的生物質(zhì)原料，安全性比天然氣高，無爆炸等安全風險。農(nóng)作物秸稈在生長過程中，在光合作用下吸進二氧化碳、呼出氧氣；農(nóng)作物秸稈在燃燒過程中，消耗氧氣、排出二氧化碳。因此，農(nóng)作物秸稈與天然氣、煤炭等化石能源相比真正做到二氧化碳的零排放。植物在土壤上生長，其果實通過動物消化變成糞便，其秸稈通過燃燒后變成灰渣，二者混合、發(fā)酵后作為肥料又送回到土壤中，對黑土地來說就形成良性循環(huán)。農(nóng)作物秸稈每年都有大量產(chǎn)出、分布廣泛、就地收集、就地使用，與煤炭、天然氣等化石能源相比，取之不盡、用之不竭。用可再生的農(nóng)作物能源來替代日益枯竭的化石能源進行供熱和供暖，一定會節(jié)省大量的煤炭、天然氣資源，從而給國家的能源安全作出無法磨滅的貢獻。

4 糧食烘干用生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐的推廣問題和前景展望

生物質(zhì)資源的能源化利用對于解決化石能源日趨緊張和環(huán)境污染日益嚴重問題具有重大意義，國家大力推行生物質(zhì)能源的綜合利用，是一項“功在當代、利在千秋”的政治性戰(zhàn)略。如糧食烘干用生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐及生物質(zhì)秸稈捆包直燃鍋（窯）爐能得到政府有關(guān)部門高度重視、真正認可和資金支持，建成區(qū)內(nèi)的熱風糧食烘干機和居民集中供暖都可以用建成區(qū)外大噸位的糧食烘干用和生物質(zhì)熱電廠用的生物質(zhì)秸稈捆包直燃蒸汽鍋爐以及生物質(zhì)秸稈捆包直燃熱水鍋爐進行供汽和供暖。然后再把生物質(zhì)秸稈捆包直燃鍋（窯）爐的灰渣與畜、禽糞便進行混合、發(fā)酵制作成有機復合肥回歸到黑土地。這樣，就徹底改變用傳統(tǒng)燃煤鍋（窯）爐給居民供暖和進行糧食烘干的歷史，把農(nóng)作物秸稈變廢為能、變廢為寶，從而徹底解決農(nóng)作物秸稈的露天焚燒問題。

參 考 文 獻

[1] 李昕，郭麗華.河北省玉米秸稈離田利用現(xiàn)狀與發(fā)展建議[J].糧食科技與經(jīng)濟，2020，45（5）：145-148.

[2] 燕思琪，李慧銘，徐湖儀，等.農(nóng)作物秸稈處理問題的研究[J].糧食科技與經(jīng)濟，2019，44（10）：89-91.

[3] 臧華.智能化移動式糧食干燥機的研究與開發(fā)[J].糧食科技與經(jīng)濟，2019，44（2）：110-111+151.

[4] 張叢叢.生物質(zhì)直燃發(fā)電鍋爐控制方案設計與應用[D].濟南：山東大學，2016.

[5] 田宜水，張鑒銘，陳曉夫，等.秸稈直燃熱水鍋爐供熱系統(tǒng)的研制[J].農(nóng)村能源，2002（1）：17-20.

[6] 李曉，張林華，崔永章，等.玉米秸稈顆粒燃料燃燒特性的試驗研究[J].節(jié)能，2012，31（1）：28-31+2.

The Feasibility Study on Grain Drying Via Straw Baling Direct Combustion Steam Boiler

Chen Guizhou， Xu Wen， Meng Xianmei， Yu Ping， Wu Wenfu， Hu Taogang， Ma Yunzhao

（ School of Grain Science and Technology， Jilin Business and Technology College， Changchun， Jilin 130507 ）

Abstract： Biomass straw bale direct combustion steam boiler for grain drying， crop straw bale as fuel， replace the original grain storage enterprise coal-fired hot stove， less investment， quick results， also in line with the national policy guidance. The boiler is not only suitable for grain purchase and storage enterprises outside the completed area and the township location to dry grain， but also suitable for grain purchase and storage enterprises in the completed area and nearby residents and other business units for steam supply and heating， and is more suitable for the majority of heating enterprises to steam， heat units and residents for energy management. Then the ash of the biomass straw pot （kiln） furnace is mixed with livestock and poultry excrement and fermented into organic compound fertilizer and returned to the black land. In this way， crop straws can be turned into energy and waste into treasure， so as to completely solve the problem of crop straws burning in the open， and really win the "battle to protect the blue sky" into reality.

Kay words： crop straw， straw bale direct-fired boiler， grain drying， feasibility study