粮食干燥环流热泵除湿供热系统的工程设计要点浅析

裘骏凯，龚泽颖，徐鹏程，赵新宇

无锡中粮工程科技有限公司 (无锡 214035)

粮食干燥环流热泵除湿供热系统，是近几年研发的实用新技术，具有环境非常友好、运行成本非常低、工作强度低、送风控制精度高和单一能源等突出特点，尤其适用于谷物的低温干燥。由于系统采用了新工艺和新设备，特别是新的粉尘防爆规程《粉尘防爆安全规程》(GB 15577—2018)的实施，在工程设计中遇到新情况和新问题，需要对系统进行讨论和分析，形成指导设计的共识。

本文介绍了粮食干燥环流热泵除湿供热系统组成、工作原理和特点，结合相关规范，主要分析粮食烘干房各设备间和设施的火灾危险等级和工程设计需注意的问题，提出了设计要求，并形成工程案例供设计人员参考。

1 现有粮食干燥的热源

现有的粮食干燥机械热源一般采用热风干燥，即将设定温度的干燥空气送入烘干机的干燥段，与需干燥的谷物热湿交换后，空气经净化后排入大气。烘干机内的谷物水分逐步降低，直到水分降低至能安全储藏，再冷却后送入粮仓储存。

送入粮食干燥机热风按产生的原理一般可分为以燃料燃烧方式和电能驱动的热泵方式。以蒸汽为热媒加热空气大多是采用燃烧产生蒸汽，也可归为燃烧方式。此外也有以直接电能为干燥方式，但规模都很小。

1.1.1以燃烧方式产生热风的干燥系统

以燃料燃烧方式生产热风是最常规的方式，按燃料品种可分为煤炭、柴油、天然气(或液化天然气)、生物质燃料等。以燃烧方式生产热风，由于燃料燃烧产生烟尘和温室气体的排放及含尘气体的排放被广为诟病，以煤炭为燃料还排放二氧化硫等严重污染空气的有害气体，更受政府和社会严重关注。以柴油、天然气为燃料还有生产成本过高问题，部分城市周边地区以燃烧方式进行粮食烘干已受到限制。

1.1.2热泵方式

粮食干燥采用的热泵装置一般以电能为动力，通过热泵装置将低温侧(蒸发器)热量向高温侧(冷凝器)转移，用于加热空气。

目前粮食烘干行业采用的热泵基本为直流式热泵系统，其空气流程为：新风→热泵装置冷凝器加热→烘干机干燥段→风机→除尘装置→排大气。直流式热泵系统主要问题是：当大气温度低于10 ℃时，送风温度大幅降低，严重影响粮食烘干效率。另外有含尘和温室气体的排放，也有一定的环境污染。

2 粮食干燥环流热泵除湿供热系统

2.1 系统组成

粮食干燥环流热泵系统示意见图1。

注：1.烘干机；2.精密除尘器(含配置的刮板输灰系统、压缩空气系统等)；3.环流风机；4.热泵除湿供热机组；5.空气环流风道；6.综合控制箱。图1 粮食干燥环流热泵系统图

2.2 工作原理

进入机组为低尘、高湿、中温空气，经热回收机组降温进入热泵系统多级蒸发器，空气中的水分被冷凝析出成为低温低含湿量空气，经热回收机组升温，进入热泵系统多级冷凝器升温至设定温度，由机组出风口进入烘干机。多级热泵系统均有以电能为动力的制冷压缩机驱动。

2.3 基本特点

粮食干燥环流热泵除湿供热系统具有如下基本特点：环境友好，可实现含尘气体和温室气体的基本零排放；能效比COP≥5.0，生产成本最低；可实现烘干过程一键式操作，降低工作强度，改善了工作环境；操作无明火生产更安全，项目审批更便捷；单一的能源需求、无燃料储存设施；缺点为：需要较大的供电设施；烘干温度相对较低，对部分需较高干燥温度的谷物适用不足[1]。

3 粮食干燥环流热泵除湿供热系统烘干房的设计

3.1 主要执行规范

该系统设计主要执行的规范有：《建筑设计防火规范》(GB 50016—2014)；《粉尘防爆安全规程》(GB 15577—2018)；《粮食加工、储运系统粉尘防爆安全规程》(GB 17440—2008)。

3.2 火灾危险等级与设计

粮食干燥环流热泵除湿供热系统采用单一能源-电能，没有明火和燃料储存装置，相对于传统的热风干燥方式相对安全。整体烘干房按功能分为烘干机间、除尘器间、热泵除湿供热机组间、烘前烘后仓和供电等设施。本文重点讨论各设备间和设施的火灾危险等级与设计要求。

3.2.1烘干机间

烘干机间设有烘干机和谷物进出输送装置，运行中会产生一定粉尘。同时在烘干机中有一定数量的谷物，为固体可燃物。根据GB 17440—2008要求，没有明确烘干机间火灾危险等级。目前设计中采用两种等级：防火审批严格的地区按乙6类设计，如江苏昆山、上海等地区；一般地区按丙类防火等级设计。

由于没有明火和燃料储存设施，安全危险降低，如无特别要求，建议按丙类火灾危险等级设计。丙类火灾危险等级按规范需设计排烟装置。

3.2.2除尘器间

根据GB 17440—2008要求，没有明确除尘器间火灾危险等级，按4.2条配套的灰间按粉尘防爆危险等级20区设计。根据GB 15577—2018要求，第8.4.2条禁止采用干式静电除尘器和重力沉降室除尘，第8.4.3条除尘器宜安装在厂房建筑物外部。如干式除尘器安装在厂房内，应安装在厂房内的建筑物外墙处的单独房间内，房间的间隔墙应采用耐火极限不低于3 h的防火隔墙，房间的建筑外墙处应开有泄爆口，泄爆口面积应符合GB 50016的要求。

除尘器间用于安装精密除尘器。由于需空气循环循环，需精密除尘器出口含尘浓度≤K(K值为确保系统稳定运行数值)，以确保系统安全稳定运行。采用精密除尘器，净化后的空气含尘浓度≤K值(是低于粉尘大气排放标准的数值)，确保环流型热泵除湿供热机组能稳定高效运行。进入精密除尘器的空气为含尘高湿中温状态，为防止除尘器内结露，除尘器需安装在建筑内，建筑物应保温。对多台精密除尘器，除尘器底部积灰采用刮板输送机集中到灰房集灰箱中，灰房按火灾危险等级乙类处理，需设泄爆面和通风装置。除尘设备与工艺设备应连锁运行。

3.2.3热泵除湿供热机组间

根据《建筑设计防火规范》GB 50016—2014规范要求，按戊类火灾危险等级设计。机组设有辅助电加热器，用于启动时的环流空气预热。辅助电热器应用环流风机连锁，应设置无风断电、超温断电保护装置；电加热器必须采取接地及剩余电流保护措施。为方便冷凝水排出机组四周设排水沟。机组宜在一层。机房需安装用于机房冷却的通风装置，确保机组稳定运行。

3.2.4烘干前后筒仓

根据GB 17440—2008要求，第4.2条粉尘爆炸危险场所分区：筒仓内按20区；筒上层和筒下层为21区或22区(溜管层)。根据GB 17440—2008条文C.3 -4.4条，安装在建筑物内的前后筒仓，如除尘系统完备，可降为22区，不作为防爆区。

烘干前后筒仓用于存放烘干前及烘干后的谷物，一般为中转仓。建议采用烘后仓，不建议在烘干机内冷却。粮食干燥环流型热泵系统可实现烘干机对干燥完成的谷物内冷却，但有两点不足：会有含尘气体的排放(远低于国家排放标准)；占用烘干机烘干工作时间。

3.2.5供电设施

粮食干燥环流型热泵系统是采用单一能源—电能，虽然热泵是高效节能的用电装置，但总装机功率比传统的粮食装置大(在水稻的烘干中，实测的能效比COP≥5.0)。例如：对30 t/批粮食干燥机，配套的粮食干燥环流型热泵系统装机机功率约105 kW，其中热泵除湿供热机组装机功率为68 kW，环流风机等装机功率约37 kW。对新建的粮食储备库可根据设计需要配套供电设施，对已建的粮食储备库应先调研供电能力再确定

4 工程应用

以30 t/批循环烘干机为例，结合工程实践，设计了粮食烘干房环流热泵系统安装图，见图2。为方便精密除尘器收集的粉尘集中输送和泄爆管的安装，除尘机房安装在二层较高位置。环流热泵除湿供热机组安装在一层，方便机组检修和避免冷凝水泄漏影响系统运行。

5 结束语

粮食干燥环流型热泵系统是用于低温干燥的新工艺，烘干房的工程设计需工艺、建筑、结构、电气等专业密切配合，将区域要求、设备特点等有机结合，在满足规范要求的同时，确保系统安全、稳定、高效运行，为推进行业节能减和排双碳目标的实现做出贡献。

图2 粮食烘干房环流热泵系统安装图