一种大容量高压固态储热式粮食干燥装备的研制

刘国辉

（辽宁省粮食科学研究所，沈阳 110032）

粮食干燥是粮食生产和流通过程中耗能最高的环节，也是造成该过程环境污染的重要原因。实施资源节约与环境友好的绿色干燥方式，是国内外干燥技术发展长期坚持的基本方针。根据《辽宁省人民政府关于印发辽宁省打赢蓝天保卫战三年行动方案》（辽政发〔2018〕31号）等文件精神，约占90%以上传统的以燃煤为热源粮食干燥工艺面临巨大冲击，急需寻求一种环保、安全、运行和改造成本低的新型清洁能源，以及与其匹配的供热工艺技术和设备，以取代现有燃煤热风炉，解决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瓶颈难题，满足新形势下粮食干燥领域高质量发展技术需求。

1 国内外同类技术发展现状

发达国家使用燃油、燃气干燥粮食，不需换热装置，无烟尘排放，热效率高达90%以上。我国粮食干燥的热源供给工艺还停留在20世纪90年代的水平，以燃烧原煤为主要热源，采用往复炉排燃煤热风炉供热，烟气经过换热器与冷风进行热交换，产生适用温度的热风用于粮食烘干。因往复炉排燃煤热风炉燃烧效率受燃煤质量、煤层厚度、鼓风风量、炉排转速等多因素影响，燃煤燃烧不充分，燃气温度波动较大，燃烧效率较低，一般为70%左右，造成一定的能源浪费；由于现有的粮食干燥工艺多数热风炉未配置脱硫脱硝装置，即使配备也因投资成本和生产成本高及操作繁琐等原因，使用效果不理想，燃煤供热工艺产生的二氧化硫、氮氧化物等有害气体未经处理直接排放，无法满足环保新标准的排放要求。

2 高电压、大功率电热储能换热工艺技术的研究

2.1 高压控制技术

在预设的电网低谷时段或风力发电的弃风电时段，自动控制系统接通高压开关，高压电网为高压电发热体供电，高压电发热体将电能转换为热能同时被高温蓄热体不断吸收，当高温蓄热体的温度达到设定的上限温度或电网低谷时段或风力发电的弃风电时段结束时，自动控制系统切断高压开关，高压电网停止供电，高压电发热体停止工作。

2.2 热量存储技术

（1）发热体：高压电发热体加热部分选用Cr20Ni30电热合金丝绕制成型。电热合金丝安装在镁砖搭建的整体架构内，它具有电气物理特性稳定、高温力学性能好，焊接性能牢固，在输入电压10 kV的正常工况下，反复加热寿命达20 000 h以上。

（2）保温材料及结构：保温系统采用陶瓷纤维类保温材料，具有良好的保温性能，在导热系数、容重、使用温度、热惰性系数等方面具有众多的优势，且使用寿命长。三层保温结构：内板采用不锈钢板，反弹辐射热，蓄能体的传导热，由于与保温墙有400 mm间隙无热量损耗，空气比热容较小可忽略不计。

2.3 高效换热技术

加热储能体通过循环放热风机送出300～500℃的高温热风进入高温热交换器，室外空气通过鼓风机作用于混风器，再由混风器作用于高温热交换器，高温热交换器中的高温热风转变为热风，送出后进入空气分配器，安装自动控制器的混风器作用于温度控制器，温度控制器中的温度调节器通过风温检测器检测到的数据自动调节温度，使空气分配器送出温度稳定的干燥热风，干燥热风通过热风机吹向烘干塔。

2.4 干燥介质温度控制技术

该设备设置干燥介质自动控制系统，配备空气分配器、混风器、温度调节器、降温器、气流控制器以及循环风机等装置，通过对温度调节器、气流控制器及循环风机工作参数的自动调整保证干燥介质温度的精度，误差范围±0.5℃。

3 大容量高压固态储热式粮食干燥装备的研制

3.1 技术方案的确定

根据原有粮食干燥系统燃煤热风炉发热量、输出热风流量和热风温度等工艺参数，结合收集的该地区峰谷用电时段、常年日照量以及风力电能的利用能力等具体数据，计算出合理的大容量高压固态储热式粮食干燥装备的蓄热能量值，确定该装备的合理供热比例，计算装备容量，确定装备型号及规格尺寸。绘制装备制造及原有烘干工艺热风通道改造图纸。在确定粮食干燥系统燃煤热风炉工艺参数、项目点“供电线路容量”的基础上，研究设计、优化新型储能炉设计参数与总体技术方案，完成工艺与装备的结构设计。见图1、图2。

图1 大容量高压固态储热式粮食干燥工艺流程

图2 大容量高压固态储热式粮食干燥装备总装

3.2 装备性能参数测试试验及优化

2015年11月，在项目示范点进行大容量高压固态储热式粮食干燥装备工艺技术研究及性能测试，跟踪监测记录外部环境温度、电热储能炉房室内环境温度、蓄热体温度、炉体表面温度、风机表面温度、蓄热体供风温度等技术指标，总结试验过程中的经验教训，发现装备及工艺中的不足，提出改进意见。主要优化内容如下：蓄热体换热工艺由一次换热更改为三次换热；对内循环风机外表面进行加固保温；接入防冻液对风机进行循环降温；密封换热器进风口及电热炉进风管道；对完全暴露于室外的热风管道进行保温处理。见图3。

图3 蓄热体换热工艺优化示意图

3.3 装备工艺技术验证试验

2016年3月，课题组对该进行了工艺参数生产验证试验，全面测试了改进后的系统产品质量、工艺指标、各项经济技术指标、能耗、物耗及主要设备的能力及运行状况。通过试验验证了工艺与设备的结构设计合理性，确定设备蓄热能力与供热效率。进行模块式组合装配式设计，单台储热能力为4 MW/6MW/10 MW/20 MW（单台最大储热能力400 MW），确定装备运行可根据需求在自动/手动/远程等方式间切换，形成了系列产品，以适应不同烘干物料、不同处理量的粮食干燥机需求。

4 总结

该设备是在保留和继承多项成熟技术的基础上，融入了先进的高压控制技术和储能保温技术，选用了新型的固体储能材料和新型电加热材料。该装置将夜晚电网闲置的低谷电、风力发电或太阳能发电的电能转换成热能储存起来，通过冷热风混合调节装置全天24 h连续释放，实现了大规模和超大规模供热能力，可以完全替代目前广泛使用的燃煤型热风炉。目前，该装备已在辽宁昌图粮食储备库有限公司完成了玉米干燥工艺负载试验，生产机械运行结果表明，该设备连续释放供热，自动运行稳定，没有任何废气、废水、废渣产生，实现了SO2、CO2零排放，热效率在95%以上，具备清洁、低碳、环保的特点；从生产试验品质跟踪检测结果来看，烘后玉米品质良好。因此，该项目符合产业发展政策，适合当前企业需求，具有较大的推广应用价值。