淺談生物質(zhì)燃料在糧食干燥設備上的應用

周鋼霞

（遼寧省糧食科學研究所 國家糧食-玉米干燥工程中心，沈陽 110032）

我國是一個擁有13億人口、9億農(nóng)民的農(nóng)業(yè)大國，也是糧食生產(chǎn)和消費大國。目前，我國廣大地區(qū)的糧食干燥仍以人工晾曬為主，我國每年機械化干燥的糧食約3 700萬t，消耗煤炭約170萬t，排放6.7 萬 t SO2、420 萬 t CO2、1 700 萬 t煙塵,由此可見，以燃燒原煤為主要熱源的供熱方式在糧食干燥過程中會造成很大環(huán)境污染。自改革開放以來，我國國民經(jīng)濟以較快的速度持發(fā)展，能源需求迅速增長，我國正面臨著前所未有的能源壓力；與此同時隨著GB 13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標準》的實施，煤作為主要熱源地位將逐漸被其它的熱源所取代。長遠來看我國始終面臨能源緊缺與環(huán)境污染的雙重壓力，在這種形勢下，選用或研發(fā)新型高效清潔的生物質(zhì)能源作為糧食干燥的熱源勢在必行。

1 生物質(zhì)燃料

生物質(zhì)成型燃料是指將干枯的草本類 (如農(nóng)作物秸稈)、木本類(如樹枝)植物經(jīng)粉碎后 ，在一定的壓力作用下壓縮成為一種固形物 ，所以也稱之為致密成型燃料、生物質(zhì)固形燃料、生物質(zhì)型煤等。相比于散碎狀的秸稈、木屑，壓縮成型后的生物質(zhì)成型燃料，密度大大提高，貯運、使用都很方便，人們可以像使用煤炭一樣燃燒成型燃料。按照原料以及其中添加物的情況，生物質(zhì)成型燃料主要可分為單一組分的成型燃料和復合成型燃料。復合成型燃料是為了便于成型、增加成型效果或增加燃料的除硫效果 ，在原料中可添加一些粘結(jié)劑、除硫劑。按照成型后的密度大小，生物質(zhì)成型燃料可分為高、中、低三種密度。密度在1 100 kg/m3以上的高密度成型燃料，更適于進一步加工成炭化制品；密度在 700 kg/m3以下的為低密度成型燃料；密度介于700～1 100 kg／m3之間的為中密度成型燃料。塊型適中、適宜的中低密度生物質(zhì)成型燃料完全可以代替煤或與煤一起混合后進入普通爐灶、工業(yè)鍋爐和燃煤電廠鍋爐中燃燒。生物質(zhì)成型燃料對改善能源結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境具有重要意義，稻殼粒狀成型燃料作為一種易得、可再生的資源，逐漸應用于糧食的烘干作業(yè)中。

2 糧食干燥

糧食干燥是指運用糧食干燥機械設備，采用相應的干燥工藝與技術(shù)手段，通過人工控制或自動控制糧食的溫度、濕度等因素，在不損害糧食品質(zhì)的前提下，降低糧食中的含水量，并使其達到國家制定的糧食安全貯藏標準。糧食干燥是糧食產(chǎn)后加工的一個重要環(huán)節(jié)，也是糧食安全儲藏的重要條件之一。

2.1 糧食干燥工藝

我國糧食機械化干燥絕大部分采用熱風式干燥。從傳熱傳質(zhì)學的角度來看，熱風干燥屬于對流干燥，即使用熱空氣或潔凈煙氣為介質(zhì)，與糧食直接接觸，同時向糧食供熱并帶走糧食中汽化的水分?，F(xiàn)有的熱風式干燥設備有廂式干燥器、塔式烘干機、轉(zhuǎn)筒烘干機等，而根據(jù)加熱介質(zhì)與被加熱糧食的流向可分為混流、順流、橫流組合等多種形式。我國糧食干燥機單位能耗約為6 700 kJ/(kg H2O)左右，而國外發(fā)達國家單位能耗約為4 600 kJ/(kg H2O)，降低干燥機能耗、減少糧食干燥成本，是糧食干燥機設計者和干燥機用戶一致的目標。改變能源結(jié)構(gòu)，采用價廉的生物質(zhì)燃料熱源是降低糧食干燥成本行之有效的方法之一。糧食干燥機系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 糧食干燥機系統(tǒng)工藝流程

2.2 糧食干燥過程中存在的問題

糧食干燥對環(huán)境的污染相當嚴重。在應用最廣泛的各類常規(guī)干燥設備中，有3／4以上是熱風干燥，這類干燥設備對環(huán)境的污染主要來源于兩方面。①干燥熱風生產(chǎn)過程中最常用的熱源有：熱風爐和蒸汽換熱器以及直接采用過熱蒸汽或煙氣。而這些都離不開鍋爐或爐窯中燃料的燃燒。目前我國干燥系統(tǒng)采用的熱源基本上是中小型簡易燃煤鍋爐或熱風爐，絕大部分都沒有脫硫和可靠的除塵設備，不僅熱效率很低，而且污染嚴重，許多燃煤熱風爐的熱效率不足75%。目前廣泛使用的間接加熱式燃煤熱風爐存在熱效率低、鋼材耗量大、使用壽命短和熱風風阻力大等缺點。歐美等國已采用燃油作為干燥機的熱源，在燃煤熱風爐方面很少有國外經(jīng)驗可以借鑒。控制煤炭燃燒減少污染物排放是解決我國大氣污染問題的戰(zhàn)略方向，而對高耗能、重污染的中小燃煤爐的改造則是其主要技術(shù)措施。在我國城市將逐漸淘汰這類燃煤爐，而對于干燥系統(tǒng)燃煤爐的改造已成為亟待解決的重要課題；②干燥過程與被干燥物料排放一些細微粉塵污染尤其嚴重。雖然一般都裝有布袋或其它收集器，但許多生產(chǎn)車間仍然粉塵彌漫，對周圍環(huán)境的污染很嚴重，這種極細顆粒被人體吸入后很難清除，危害極大，需要從干燥工藝和收塵設備兩方面進行綜合治理。提高干燥過程的能源利用效率和防治對環(huán)境的污染相輔相成。因此，在探索新型糧食干燥技術(shù)的發(fā)展道路時，必須對能效、環(huán)保以及產(chǎn)品的質(zhì)量進行綜合考慮，以求得全面、協(xié)調(diào)和可持續(xù)地發(fā)展。

3 生物質(zhì)燃料在糧食干燥設備上的應用

為切實了解生物質(zhì)熱風爐在糧食干燥過程中的使用效果，遼寧省糧食科學研究所對以生物質(zhì)熱風爐為熱源的糧食烘干機開展試驗。遼寧某糧庫實施清潔能源替代工程，已成功地用稻殼粒狀成型燃料替代燃煤烘干稻谷，我們對生產(chǎn)過程進行了技術(shù)性能測試，與燃煤烘干時的數(shù)據(jù)對比，通過計算分析來探討稻殼顆粒用于烘干稻谷的應用與實踐情況。

這家糧食干燥機系統(tǒng)為2009年投資建設的，設計處理量為玉米400 t/d，降水幅度15%，配備燃煤熱風爐額定功率為5.6 MW，換熱器為鋼結(jié)構(gòu)快裝式，配置45 kW熱風機3臺，30 kW冷風機1臺，這套糧食干燥系統(tǒng)也可用于烘干稻谷。

由于GB 13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標準》的實施，這家糧庫所在地的環(huán)保部門，加大了煙塵排放的整治力度，糧庫如果繼續(xù)以煤作為熱源，就得增設脫硫除塵裝置。因糧庫所在地處稻谷產(chǎn)區(qū)，同時庫里也有稻谷加工車間，糧庫決定利用稻殼取代燃煤，引進了稻殼粒狀成型燃料生產(chǎn)線，稻殼粒狀成型燃料可以實現(xiàn)自給自足，另外在引風機之前增加了一套布袋除塵器，通過此改造解決粉塵污染的同時，解決了SO2排放和煙塵超標的問題。

3.1 數(shù)據(jù)測試

在2021年12月下旬，烘干作業(yè)期間，我們對該糧食烘干燥系統(tǒng)進行了技術(shù)性能測試，測試當天的環(huán)境溫度1.2℃，相對濕度32.7%，大氣壓力1.012×105Pa，進機稻谷含水率為15.1%，水分不均度為0.2%，進機糧溫5.5℃，出機糧溫6.2℃，稻殼顆粒燃料的低位發(fā)熱值為14.69 MJ/kg，測試結(jié)果為糧食烘干機系統(tǒng)處理量為597 t/d，降水幅度0.5%，熱風爐換熱效率71.3%，單位熱耗為9907 kJ/kgH2O。具體見表1及表2干燥機系統(tǒng)技術(shù)測試數(shù)據(jù)匯總表，表3為干燥作業(yè)費用統(tǒng)計表（計算過程略）。

表1 干燥機系統(tǒng)技術(shù)測試數(shù)據(jù)匯總表一

表2 干燥機系統(tǒng)技術(shù)測試數(shù)據(jù)匯總表二

表3 干燥作業(yè)費用統(tǒng)計表

3.2 結(jié)論與分析

通過上表的數(shù)據(jù)可以計算出：測試當天噸糧成本約為7.1元/t，1% H2O噸糧燃料消耗量為7.2 kg，折合低位發(fā)熱值為20.93 MJ/kg煤為5.2 kg,由于測試期間風溫和降水幅度偏低，噸糧成本代表性不強，若折合成降水幅度為2%時。噸糧成本：(1 328×4+1 680+1 280）/597≈13.9元/t，這里未考慮降水幅度加大時產(chǎn)量會有所下降和電耗增加的問題。該庫2016年烘干期內(nèi)，庫里用煤作燃料，低位發(fā)熱值為20.93 MJ/kg，平均產(chǎn)量約為500 t/d，烘前平均水分16.5%，烘后平均水分14.6%，平均降水幅度為1.9%，每日平均耗煤4.48 t，每日平均耗電2 520 kW·h，由此可以計算出噸糧成本為（4.48×800+2 520×0.7+8×159）/500≈13.2元/t，1% H2O噸糧煤耗為4.6 kg，從兩年的烘干情況對比可以看出，運用稻殼粒狀成型燃料替代煤烘干稻谷，成本和能耗略有增加，但從源頭上解決了SO2排放和煙塵超標等污染問題。

4 建議

生物質(zhì)成型技術(shù)目前還處于發(fā)展的初期，尚屬于新生事物，產(chǎn)業(yè)規(guī)模小，獲益能力低，還不具備參與市場競爭的能力，因此，必須得到國家和各級政府宏觀調(diào)控政策的保護。各級政府要從全局的長遠利益出發(fā)，增加對生物質(zhì)成型的科研、技術(shù)產(chǎn)品的研制和開發(fā)的財政資助和投資力度，加速產(chǎn)品工藝技術(shù)的突破和系統(tǒng)開發(fā)的過程。加大生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)化建設和服務體系的信貸規(guī)模，提供長期的低息貸款，提高資金使用效果，制訂減免稅收、價格補貼和獎勵政策，加速生物質(zhì)成型和碳化產(chǎn)品進入市場，提高競爭力，最終依靠自身的發(fā)展?jié)摿?，確立并占有應有的市場份額。我國稻谷的年產(chǎn)量為1.75×108t，加工大米后，能產(chǎn)生稻殼3.5×107t。如將這些稻殼制成稻殼粒狀成型燃料，相當于2.5×107t煤，相當于減少了985萬t SO2排放，減少了環(huán)境污染。從長遠來看，隨著遼寧省各地對燃煤型熱源的限制，生物質(zhì)熱源必將得到良好的發(fā)展機遇，各地科研院所應積極開展相關的技術(shù)示范、培訓、推廣工作，引導生物質(zhì)熱源技術(shù)健康持續(xù)發(fā)展。