設(shè)施農(nóng)業(yè)生物質(zhì)高效節(jié)能熱風(fēng)爐的研究與應(yīng)用

摘要：結(jié)合設(shè)施農(nóng)業(yè)增溫設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)一種新型生物質(zhì)高效節(jié)能熱風(fēng)爐，使其具有省工省力、高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。使用生物質(zhì)雙爐雙燃專利技術(shù)，可使生物質(zhì)顆粒燃燒充分，燃料利用率高，且無(wú)煙排放、節(jié)能環(huán)保。從經(jīng)濟(jì)效益看，占地面積667 m2的標(biāo)準(zhǔn)百米棚中的冬季蔬菜生產(chǎn)需要加溫設(shè)備具有熱效率高、升溫較快、抑制病害等特點(diǎn)，而試驗(yàn)設(shè)計(jì)的熱風(fēng)爐可滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)冬春季節(jié)的增溫需求，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和省力化作業(yè)。

關(guān)鍵詞：設(shè)施農(nóng)業(yè)；生物質(zhì)；熱風(fēng)爐；技術(shù)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TK229；S626.9 " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " "文章編號(hào)：1674-1161（2024）01-0067-02

遼寧設(shè)施農(nóng)業(yè)面積位居全國(guó)第二位，日光溫室設(shè)施蔬菜面積全國(guó)第一，不僅實(shí)現(xiàn)了四季生產(chǎn)，還保障了城市“菜籃子”周年供應(yīng)。一直以來(lái)，設(shè)施農(nóng)業(yè)進(jìn)入冬季采暖期后普遍使用煤炭、電器、燃油、燃?xì)獾热∨訙?，這不僅大大增加了增溫成本，帶來(lái)的污染物排放量也在增加。在設(shè)施農(nóng)業(yè)禁止使用燃煤熱風(fēng)爐的情況下，開(kāi)發(fā)以生物質(zhì)資源為燃料的熱風(fēng)爐是降低供熱成本、推進(jìn)高效設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要舉措[1]。遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所與遼寧時(shí)年豐農(nóng)業(yè)科技股份有限公司、沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種新型生物質(zhì)高效節(jié)能熱風(fēng)爐，其不僅能滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)冬春季節(jié)的增溫需求，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排和節(jié)約成本。

1 設(shè)施農(nóng)業(yè)增溫設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀

在我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，許多地方仍以煤炭、木柴為主，電器設(shè)備、燃油、燃?xì)庠O(shè)備應(yīng)用較少，部分地區(qū)甚至使用木屑和石蠟混合物進(jìn)行加溫。在這些燃料中，使用木柴會(huì)造成環(huán)境破壞和水土流失，煤炭供熱易產(chǎn)生安全隱患且污染較大，電、油、氣因其使用成本較高而難以推廣。如何在盡量不影響熱效率的情況下降低燃料使用成本，成為設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中亟待解決的大問(wèn)題。特別在大力提倡環(huán)保節(jié)能、低碳減排的今天，解決這一問(wèn)題更具有現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)設(shè)施農(nóng)業(yè)生物質(zhì)熱風(fēng)爐的研究不多。顧靖峰[2]研發(fā)了間接鏈排式秸稈熱風(fēng)爐，其采用燃料在自動(dòng)鏈?zhǔn)綘t排上直接梯度燃燒的結(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)計(jì)的導(dǎo)熱溫度控制系統(tǒng)可使秸稈顆粒、壓塊燃料在燃燒爐膛內(nèi)充分可控燃燒，從而實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)能向熱能的高效轉(zhuǎn)化。王文博等[3]研制了一種生物質(zhì)熱風(fēng)爐，試驗(yàn)結(jié)果表明：生物質(zhì)熱風(fēng)爐的換熱量為6×105～8×105 kJ/h，換熱效率達(dá)到75%以上。孫鳳陽(yáng)等[4]對(duì)生物質(zhì)熱風(fēng)爐進(jìn)行了改造，安裝了凝渣換熱系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、環(huán)保除塵系統(tǒng)、自動(dòng)上料系統(tǒng)，從而使熱風(fēng)爐具有高效、低氮燃燒等優(yōu)勢(shì)，并具有良好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與環(huán)境指標(biāo)。

生物質(zhì)能源燃料來(lái)自各種農(nóng)作物，資源豐富且可再生，與煤炭燃燒效果相比，具有低污染的特點(diǎn)。此外，生物質(zhì)燃料的發(fā)熱值通常在3 500～4 000 cal/kg之間，灰分低于5%，相較于煤炭具有易點(diǎn)火、升溫快、火力強(qiáng)、易燃燒等特點(diǎn)。1.2 t農(nóng)作物秸稈成型燃料塊的熱量利用率與1 t煤炭的熱量利用率相當(dāng)，且燃燒后的廢氣排放一般為CO=0、NO2=14 mg/m3、SO2 =4 614 mg/m3、煙塵低于127 mg/m3，污染物排放較少，環(huán)保效果顯著，燃盡的炭灰還可作為優(yōu)質(zhì)鉀肥還田利用。

生物質(zhì)顆粒比作物秸稈直接燃燒的利用率高出50%左右，且便于儲(chǔ)運(yùn)、火災(zāi)隱患小、揮發(fā)物有害成分少、單位熱值與中等煤炭接近、熱能效果高于煤炭。

2 生物質(zhì)高效節(jié)能熱風(fēng)爐的技術(shù)研發(fā)

2.1 技術(shù)路線

新型生物質(zhì)高效節(jié)能熱風(fēng)爐技術(shù)由生物質(zhì)能源加溫技術(shù)和溫室加溫設(shè)備對(duì)接技術(shù)組成，其研發(fā)技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

2.2 技術(shù)組成

2.2.1 生物質(zhì)燃料自動(dòng)添加技術(shù) 實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料的自動(dòng)添加，是冬春低溫時(shí)節(jié)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中解放勞動(dòng)力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，無(wú)論是以煤炭為燃料，還是采用生物質(zhì)燃料，均需人工適時(shí)添加、專人日夜看管，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。設(shè)計(jì)一種自動(dòng)添加裝置，可根據(jù)作物生長(zhǎng)溫度需求，自動(dòng)輸送燃料并控制生物質(zhì)燃料的添加時(shí)間及添加量，以此來(lái)保證燃燒室內(nèi)的燃料充足。

2.2.2 熱風(fēng)爐二次燃燒技術(shù) 為解決生物質(zhì)燃料燃燒后的環(huán)境污染和結(jié)焦沉積問(wèn)題，研發(fā)一種二次燃燒技術(shù)即通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)生物質(zhì)燃料的添加量、自動(dòng)跟蹤供氧、自動(dòng)調(diào)整循環(huán)風(fēng)門(mén)的風(fēng)量及排風(fēng)強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料的二次燃燒。其過(guò)程為：生物質(zhì)燃料產(chǎn)生的熱量直接供應(yīng)給熱交換器，燃?xì)庵械囊谎趸?、氫氣、氮氧化物、焦油、粉塵等再通過(guò)加溫二次燃燒產(chǎn)生更高熱量的熱氣來(lái)供應(yīng)熱交換器，這可實(shí)現(xiàn)燃料粉塵、焦油、可燃?xì)怏w等物質(zhì)的充分燃燒，并使排放的氣體污染近于零，熱量利用率提高40%～50%，生物質(zhì)燃料用量大幅降低。

2.2.3 熱空氣遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù) 設(shè)施農(nóng)業(yè)熱風(fēng)爐的熱量傳輸主要采取以下途徑：一是燃煤熱風(fēng)爐燃燒增溫后，通過(guò)鋪設(shè)的供水管道來(lái)實(shí)現(xiàn)熱力的遠(yuǎn)距離傳送，這類似于城市冬季鍋爐集中供暖。由于溫室環(huán)境導(dǎo)致燃煤熱風(fēng)爐使用安全存在問(wèn)題，加上污染環(huán)境，各地已禁止使用燃煤熱風(fēng)爐。二是采用電力空調(diào)熱風(fēng)分段傳輸設(shè)備進(jìn)行熱力傳送。這種方式雖然使用方便，但成本較高，極少應(yīng)用。三是采用燃油熱風(fēng)爐設(shè)備，其操作使用較為方便，但燃油耗費(fèi)較大、成本較高，熱力輸送損失較大，設(shè)施農(nóng)業(yè)很少采用。四是采用生物質(zhì)熱風(fēng)爐。由于秸稈及其顆粒的燃燒值較低，傳統(tǒng)生物質(zhì)熱風(fēng)爐需要不時(shí)添加燃料，且其熱力傳輸方式仍以熱力輻射加溫或供水管道加溫為主，導(dǎo)致熱傳導(dǎo)效率不高不均，需要耗費(fèi)大量人工。新型生物質(zhì)熱風(fēng)爐采用獨(dú)特的雙層管道傳輸方式，把熱風(fēng)爐吹送出來(lái)的高溫氣體保存在密閉管道之中，從而可最大限度地防止熱量輸送過(guò)程中的熱傳導(dǎo)損失。同時(shí)，結(jié)合溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制進(jìn)料系統(tǒng)及控制風(fēng)量大小，可保障熱力不間斷供應(yīng)，并通過(guò)分段控制來(lái)實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)空氣溫度的均勻分布，從而利于作物均衡生長(zhǎng)。

3 生物質(zhì)高效節(jié)能熱風(fēng)爐的應(yīng)用效果

新型生物質(zhì)高效節(jié)能熱風(fēng)爐已在遼寧北鎮(zhèn)、黑山、海城、岫巖等設(shè)施農(nóng)業(yè)集中區(qū)推廣應(yīng)用，并具有以下特點(diǎn)：一是省工省力。采用智能化控制系統(tǒng)、可視化界面，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)火。一次投料可使用8～12 h，設(shè)定場(chǎng)景溫度后自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)，夜間無(wú)需人工看管，每月可節(jié)約人工費(fèi)用3 000元（按100元/d計(jì)）。二是高效節(jié)能。使用生物質(zhì)雙爐雙燃專利技術(shù)，可使生物質(zhì)顆粒燃燒充分，燃料利用率高，且無(wú)煙排放、節(jié)能環(huán)保。從經(jīng)濟(jì)效益看，占地面積667 m2的標(biāo)準(zhǔn)百米棚中的冬季蔬菜生產(chǎn)需要燃料2.5 t/a左右，以煤炭?jī)r(jià)格2 000元/t計(jì)，需燃料費(fèi)用0.5萬(wàn)元/a，而使用生物質(zhì)燃料費(fèi)用為0.25萬(wàn)元/a，每年可節(jié)約燃料費(fèi)用0.25萬(wàn)元，成本降低一半。三是熱效率高。使用雙層管供熱技術(shù)，同時(shí)采用多級(jí)風(fēng)機(jī)、二次增壓、鍍鋅管道和牛津風(fēng)帶組合，風(fēng)管可縱向遍布溫室大棚80%長(zhǎng)度，熱量損失少、傳送距離遠(yuǎn)、熱風(fēng)平均散布效果好。四是升溫較快。與現(xiàn)有的燃煤水暖爐對(duì)比，在大棚面積、保溫材質(zhì)、密封程度、室外溫度、室內(nèi)作物相同的條件下，達(dá)到同等溫度的升溫時(shí)間平均縮短45%左右。五是抑制病害。設(shè)備產(chǎn)出的干燥熱風(fēng)可抑制冬季供熱中因冷熱交換而產(chǎn)生的潮氣，有利于降低棚內(nèi)濕度，這對(duì)因潮濕引起的作物病害能起到一定的抑制作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 顧靖峰，包錫忠.間接式秸稈熱風(fēng)爐的設(shè)計(jì)研究與開(kāi)發(fā)[J].農(nóng)機(jī)科技推廣，2013（3）：55-58.

[2] 顧靖峰.間接鏈排式秸稈熱風(fēng)爐的研究與開(kāi)發(fā)[J].農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)與裝備，2015（11）：58-59.

[3] 王文博，王彥，劉娜.生物質(zhì)熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用效果試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2023（9）：233-239.

[4] 孫鳳陽(yáng)，王紫微，李志民，等.糧食烘干機(jī)生物質(zhì)熱風(fēng)爐系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].糧食儲(chǔ)藏，2023（2）：31-34+43.

Research and Application of Biomass High Efficiency and Energy Saving Hot Blast Stove in Facility Agriculture

XU Peng1，2

（1.Liaoning Institute of Agricultural Mechanization， Shenyang 110161， China; 2.Key Laboratory of Remanufacture and Innovation of Agricultural Machinery and Equipment in Liaoning Province， Shenyang 110161， China）

Abstract： A new type of biomass high efficiency and energy saving hot blast stove is developed based on the current development of facility agricultural heating equipment， which has the advantages of saving labor and energy. The use of biomass dual-furnace dual-combustion patented technology can make biomass particles fully burned， high fuel utilization， and smokeless emissions， energy saving and environmental protection. From the perspective of economic benefits， the standard 100-meter shed covering an area of 667m2 in winter vegetable production needs heating equipment with high thermal efficiency， faster heating， disease control and other characteristics. The experimental design of hot blast stove can meet the needs of facility agriculture in winter and spring temperature increase， but also can achieve energy conservation and emission reduction and labor-saving operations.

Key words： " facility agriculture; biomass; hot blast stove; technology; application