粮食干燥领域清洁能源的应用分析及建议

刘国辉

辽宁省粮食科学研究所，国家粮食-玉米干燥工程中心 (沈阳 110032)

随着我国现代农业的加速发展，农业结构的不断优化调整，机械化水平的不断提高，粮食机械化干燥的需求逐步增大。粮食干燥是保障国家粮食安全的重要措施之一，具有提高粮食储藏的稳定性、保证粮食品质、减少粮食损失等意义[1]。粮食干燥是高耗能、高污染的作业，目前我国粮食干燥过程的热源供给工艺基本还停留在20世纪90年代的水平，大部分干燥系统仍以燃烧原煤为主要热源且没有配备完善的除尘和脱硫脱硝等设施，煤炭在燃烧过程中产生大量的NOx、SO2等有害气体直接排入大气，对环境造成严重污染。

随着国家环保政策的日趋严格，空气质量排名、环保约谈、区域限批等严厉措施空前，作为粮食行业较大的耗能环节之一，粮食干燥已经成为我国粮食行业“节能减排”的重点，燃煤作为热源正逐渐被禁止使用，因此发展生物质燃料、醇基混合燃料及电能等清洁能源已经成为了必然的趋势，现有的粮食干燥领域使用的清洁能源主要有生物质燃料、天然气、醇基混合燃料和电能等。

1 清洁能源在粮食干燥领域的应用现状

目前，我国粮食干燥领域所用的热源种类繁多，有采用煤、天然气、油等化石能源的燃煤、燃气和燃油热风炉，有直接燃烧稻壳或者将农作物秸秆等加工成块状燃料的生物质热风炉，以及微波干燥、电热储能炉式干燥等多种热源方式，本文主要针对几种清洁能源进行综合分析。

1.1 生物质燃料

生物质燃料是一种以植物和农林废弃物为原料的既环保又可循环利用的清洁能源，具有环保节能、低碳减排等特点，目前用于粮食干燥的生物质燃料主要有稻壳和生物质成型燃料。与传统化石燃料相比，生物质燃料具有独特的优点[2]：生物质燃料可以通过光合作用再生，与风能和太阳能一样同属可再生能源，资源丰富，可以循环利用；生物质在生长中需要的CO2量相当于作为燃料时排放的CO2量，生物质作为燃料时,在生长周期内,对大气的CO2净排放量近似于0,是碳平衡燃料； 生物质含硫、氮量低，燃烧时生成的SO2和NOX较少，硫和灰分含量仅为中质烟煤的1/10左右，烟尘、SO2和NOX等污染物排放浓度较低。因此，在生态环境保护方面，生物质作为能源比煤炭等化石燃料具有更大的优越性。

1.1.1稻壳

我国是稻谷大国，每年产量约2亿t，稻壳约占稻谷籽粒质量的1/6～1/5，其中约含80%的可燃物质，与煤的着火特性相比，稻壳的预热时间短，而燃尽时间并不比煤短。与秸秆相比，稻壳灰的熔点较高，不易结焦，是一种良好的生物质能源[3]。燃稻壳炉采用固定床及沸腾床相结合，在燃烧过程中，稻壳呈浮动状态，配有二级助燃风，压缩气体打散，加强稻壳及烟气的扰动，促进其挥发成份及细小颗粒的燃尽，稻壳灰烬呈灰色粉末状，整机热效率高，低碳排放，引导了行业环保潮流。利用燃稻壳热风炉干燥粮食使稻壳变废为宝，充分解决了稻壳再加工利用困难、板结土地、污染环境等问题，极大的节省了能源，降低了干燥成本，具有很大的经济效益和社会效益。

1.1.2生物质成型燃料

生物质成型燃料由农作物秸秆、锯末等分散生物质原料经专业设备加工而成的颗粒状、块状或木片燃料，具有运输存储方便、挥发分高、固定碳、S含量低、CO2零排放、SO2、氮氧化物低排放和可再生等特点，属于国家支持推广的新型清洁能源，生物质成型燃料热风炉专门燃烧生物质成型燃料。

1.2 天然气

采用天然气作为热源的粮食干燥热风炉是直接燃烧天然气，经高净化处理形成热风，和粮食直接接触进行干燥。天然气作为粮食干燥热源时，具有干燥介质温度高、燃烧产生的温度比较稳定，便于控制等优点，而且天然气是清洁能源，燃烧后产生CO2等，基本不排放SO2和粉尘，对大气污染较低，烘干粮食的品质也较为优良[4]。

1.3 醇基混合燃料

醇基混合燃料的燃烧产物主要是H2O、CO2，具有无烟尘、无味、无污染的特点，比传统的柴油具有更好的环保特性，同时该燃料具有较高的抗爆性能，燃点较高，不易发生火灾事故，闪点为20 ℃，用水即灭，比使用天然气燃料和煤气燃料更安全。

醇基混合燃料型热风炉主要是以热能转换成风能的一种加热设备，这种设备是将醇基混合燃料以物理方式进入燃烧室燃烧，然后将热能通过热转换区对燃烧室产生的热量经过风机带入送风口，然后对粮食进行加热烘干，高效热风机的燃烧系统为物理燃烧法，热风炉的热转换率达90%以上，具有高效、节能、环保等特点。

1.4 电热储能型热源

电热储能技术是采用先进的水电分离技术、高压控制技术和储能保温技术，将夜晚电网闲置的、廉价的低谷电、风力发电或太阳能发电的电能转换成热能储存起来，根据不同需求通过交换装置，将储存的热能转换成热水、热风、蒸汽或在用电高峰时段发电馈送到电网。交换装置可全天24 h连续稳定释放储存的热能，使用过程中没有任何废气、废水、废渣产生，没有飘尘、PM2.5微尘、SO2、NOx的排放，实现了二氧化碳零排放[5]。

电热储能式粮食干燥热风炉是利用现有的电热储能技术将夜间闲置的、廉价的低谷电或弃用电(风电地区)转换成热能存储在储能炉内，经温度调节装置将储能炉300 ℃～500 ℃的热空气转换成稳定的、适合粮食干燥需要的热风输出[6]。电热储能式热风炉突破解决了常规电热炉功率小的技术瓶颈，实现了大规模和超大规模的供热能力，达到了粮食干燥热风输出温度和热量的精准控制，解决了长期困扰粮食干燥行业能耗高、热效率低、污染物排放严重超标的难题，替代目前广泛使用的燃煤热风炉，不仅有利于环境污染的治理，也必将促进我国粮食干燥行业的清洁发展。

1.5 对比分析

1.5.1热效率对比

在以上介绍的几种清洁能源中，电热储能型热风炉的热效率最高，能达到95%，传统的燃煤炉的热效率最低，基本在65%左右，具体见图1。

1.5.2投资成本、污染程度和换热次数对比

传统的燃煤热风炉的污染程度最高，正在逐步被市场淘汰，电热储能型热风炉的污染程度最低，达到了零排放；电热储能型热风炉的设备一次性投资成本最高，生物质燃料热风炉的投资成本最低，适合稻谷产区小规模粮食干燥使用；天然气直接加热粮食，易产生火灾事故，使用过程中应加强设备管理，具体指标比较见表1。

图1 热效率对比图

表1 不同热源主要指标对比表

2 清洁能源在粮食干燥应用中存在的问题

我国是以煤碳作为主要能源的国家，以前的粮食干燥也多采用煤碳作为热源，传统燃煤热风炉的出风温度高，烘干速度快，煤炭热值高，价格低，热风炉的采购和运行成本相对较低，运行的经济性较好。但由于燃煤热风炉尾气排放存在严重的环境污染问题，按照国家大气环境治理的总体要求，燃煤热风炉将逐渐退出市场，或者进行环保升级改造。近年来，选择低碳、环保、可再生的清洁能源已经成为一种趋势，生物质燃料、天然气、电能等清洁能源在粮食干燥领域都在积极地被开发利用，由于各种因素的制约，清洁能源在使用过程中存在诸多问题。

2.1 生物质燃料

生物质热源干燥粮食是目前粮食干燥作业较理想的热源之一，但大多数人对生物质成型燃料可再生、低污染、使用方便等特性认识不够，同时，各类生物质燃料都需要大量的可持续供应的原料，因而不可避免地存在着对生物质原材料的竞争，受到稻壳、秸秆等生物质供应量少，不加除尘设备容易造成粉尘污染等局限，阻碍了先进技术装备的推广应用。

生物质成型燃料生产中的原料预处理、成型工艺、设备、成型燃料结渣严重和不同生物质成型燃料燃烧性能差异大等方面仍然存在诸多问题，解决好这些问题是确保生物质致密成型和利用产业发展的关键，尚有大量的工作需要进行。生物质成型燃料结渣现象在技术上还没有从根本上解决，秸秆类生物质固体成型燃料在锅炉内燃烧时，秸秆类生物质在生长过程中吸收的金属元素会全部或者部分发生熔化，形成玻璃状坚硬炉渣，难以清除。另外，烟气中夹带着熔化或半溶化的碱金属硅酸盐，在接触到锅炉内壁面时凝结，不断积聚，最终产生严重的积灰或结渣等问题。结渣现象不仅会影响燃烧设备的热性能，而且会危及燃烧设备的安全性。

2.2 天然气

天然气作为热源一个主要障碍是输送能力，由于粮食干燥多在农村或城市周边地区，受地域限制，天然气并不能直接铺设管道至现场，需要大瓶采购、自建降压站，增加了天然气的采购成本，而且由于天然气的热值较低，与燃煤相比，会增加粮食干燥的成本，并且在粮食干燥过程中烟道气直接穿过粮食，易造成火灾事故。

2.3 醇基混合燃料

醇基混合燃料是近几年开发的新型清洁能源，在粮食干燥领域的应用属于市场开发阶段，醇基混合燃料型热风炉需要对原有的燃煤热风炉进行改造，增加了设备投资成本，同时醇基混合燃料的生产受到诸多因素的制约，不能大规模生产，目前只能满足小型粮食干燥系统的要求。

2.4 电热储能式热源

电热储能技术涉及到了10 kV以上高压电的直接引入，粮食企业在用电申办手续方面电力主管部门没有相关的、可直接参考的标准，使得电热储能式热风炉的推广使用受到了极大的限制，同时由于设备一次性投资3倍于燃煤型热风炉，明显高于燃煤型热风炉，企业负担较重，虽然电热储能式热风炉是目前最“绿色”的粮食干燥热源，社会效益和经济效益显著，但目前企业的普遍反映就是“好东西用不起”。

3 建议

随着环境污染问题日益突出，清洁能源的应用已经得到各行各业的高度重视，开发和利用好清洁能源，推进清洁能源在我国粮食干燥领域的推广应用，对解决环境污染、能源短缺等一系列社会热点问题具有重要意义。天然气、醇基混合燃料、电能等作为粮食干燥作业的新型能源，由于应用成本较高，技术难度大，推广应用还需要国家有关部门应给予政策上的大力支持。国家可以通过制定能源税、环境保护税等政策来促进清洁能源的发展，使环保意识及可持续发展意识深入人心。

由于长期对粮食干燥领域热源方面的研究不够重视，致使该环节基础技术研究滞后，从而造成产品技术含量低，性能不佳等诸多问题。技术研究主管部门、地方政府应对清洁能源项目进行科学的可行性分析和论证，充分考虑国家政策、地理分布、利用途径、已有企业类型和经济效益等，技术研究立项规模要合适，地点选择要恰当，项目管理要科学，从而保证清洁能源基础技术研究的深入开展，确保对行业长期发展切实有益。

在我国粮食干燥领域清洁能源的发展过程中，仅有政策的支持而缺乏外部资金市场的力量是难以发展起来的，需要政府、行业组织和企业通力合作来改善现在的干燥热源问题。除了政府制定的发展政策和鼓励措施外，还应引导第三方社会资本力量加入，以推动清洁能源体系的发展建设，促进粮食干燥行业可持续发展，提高社会效益、生态效益和经济效益。