浅谈生物质燃料在粮食干燥设备上的应用

周钢霞

（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）

我国是一个拥有13亿人口、9亿农民的农业大国，也是粮食生产和消费大国。目前，我国广大地区的粮食干燥仍以人工晾晒为主，我国每年机械化干燥的粮食约3 700万t，消耗煤炭约170万t，排放6.7 万 t SO2、420 万 t CO2、1 700 万 t烟尘,由此可见，以燃烧原煤为主要热源的供热方式在粮食干燥过程中会造成很大环境污染。自改革开放以来，我国国民经济以较快的速度持发展，能源需求迅速增长，我国正面临着前所未有的能源压力；与此同时随着GB 13271-2014《锅炉大气污染物排放标准》的实施，煤作为主要热源地位将逐渐被其它的热源所取代。长远来看我国始终面临能源紧缺与环境污染的双重压力，在这种形势下，选用或研发新型高效清洁的生物质能源作为粮食干燥的热源势在必行。

1 生物质燃料

生物质成型燃料是指将干枯的草本类 (如农作物秸秆)、木本类(如树枝)植物经粉碎后 ，在一定的压力作用下压缩成为一种固形物 ，所以也称之为致密成型燃料、生物质固形燃料、生物质型煤等。相比于散碎状的秸秆、木屑，压缩成型后的生物质成型燃料，密度大大提高，贮运、使用都很方便，人们可以像使用煤炭一样燃烧成型燃料。按照原料以及其中添加物的情况，生物质成型燃料主要可分为单一组分的成型燃料和复合成型燃料。复合成型燃料是为了便于成型、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结剂、除硫剂。按照成型后的密度大小，生物质成型燃料可分为高、中、低三种密度。密度在1 100 kg/m3以上的高密度成型燃料，更适于进一步加工成炭化制品；密度在 700 kg/m3以下的为低密度成型燃料；密度介于700～1 100 kg／m3之间的为中密度成型燃料。块型适中、适宜的中低密度生物质成型燃料完全可以代替煤或与煤一起混合后进入普通炉灶、工业锅炉和燃煤电厂锅炉中燃烧。生物质成型燃料对改善能源结构和生态环境具有重要意义，稻壳粒状成型燃料作为一种易得、可再生的资源，逐渐应用于粮食的烘干作业中。

2 粮食干燥

粮食干燥是指运用粮食干燥机械设备，采用相应的干燥工艺与技术手段，通过人工控制或自动控制粮食的温度、湿度等因素，在不损害粮食品质的前提下，降低粮食中的含水量，并使其达到国家制定的粮食安全贮藏标准。粮食干燥是粮食产后加工的一个重要环节，也是粮食安全储藏的重要条件之一。

2.1 粮食干燥工艺

我国粮食机械化干燥绝大部分采用热风式干燥。从传热传质学的角度来看，热风干燥属于对流干燥，即使用热空气或洁净烟气为介质，与粮食直接接触，同时向粮食供热并带走粮食中汽化的水分。现有的热风式干燥设备有厢式干燥器、塔式烘干机、转筒烘干机等，而根据加热介质与被加热粮食的流向可分为混流、顺流、横流组合等多种形式。我国粮食干燥机单位能耗约为6 700 kJ/(kg H2O)左右，而国外发达国家单位能耗约为4 600 kJ/(kg H2O)，降低干燥机能耗、减少粮食干燥成本，是粮食干燥机设计者和干燥机用户一致的目标。改变能源结构，采用价廉的生物质燃料热源是降低粮食干燥成本行之有效的方法之一。粮食干燥机系统工艺流程见图1。

图1 粮食干燥机系统工艺流程

2.2 粮食干燥过程中存在的问题

粮食干燥对环境的污染相当严重。在应用最广泛的各类常规干燥设备中，有3／4以上是热风干燥，这类干燥设备对环境的污染主要来源于两方面。①干燥热风生产过程中最常用的热源有：热风炉和蒸汽换热器以及直接采用过热蒸汽或烟气。而这些都离不开锅炉或炉窑中燃料的燃烧。目前我国干燥系统采用的热源基本上是中小型简易燃煤锅炉或热风炉，绝大部分都没有脱硫和可靠的除尘设备，不仅热效率很低，而且污染严重，许多燃煤热风炉的热效率不足75%。目前广泛使用的间接加热式燃煤热风炉存在热效率低、钢材耗量大、使用寿命短和热风风阻力大等缺点。欧美等国已采用燃油作为干燥机的热源，在燃煤热风炉方面很少有国外经验可以借鉴。控制煤炭燃烧减少污染物排放是解决我国大气污染问题的战略方向，而对高耗能、重污染的中小燃煤炉的改造则是其主要技术措施。在我国城市将逐渐淘汰这类燃煤炉，而对于干燥系统燃煤炉的改造已成为亟待解决的重要课题；②干燥过程与被干燥物料排放一些细微粉尘污染尤其严重。虽然一般都装有布袋或其它收集器，但许多生产车间仍然粉尘弥漫，对周围环境的污染很严重，这种极细颗粒被人体吸入后很难清除，危害极大，需要从干燥工艺和收尘设备两方面进行综合治理。提高干燥过程的能源利用效率和防治对环境的污染相辅相成。因此，在探索新型粮食干燥技术的发展道路时，必须对能效、环保以及产品的质量进行综合考虑，以求得全面、协调和可持续地发展。

3 生物质燃料在粮食干燥设备上的应用

为切实了解生物质热风炉在粮食干燥过程中的使用效果，辽宁省粮食科学研究所对以生物质热风炉为热源的粮食烘干机开展试验。辽宁某粮库实施清洁能源替代工程，已成功地用稻壳粒状成型燃料替代燃煤烘干稻谷，我们对生产过程进行了技术性能测试，与燃煤烘干时的数据对比，通过计算分析来探讨稻壳颗粒用于烘干稻谷的应用与实践情况。

这家粮食干燥机系统为2009年投资建设的，设计处理量为玉米400 t/d，降水幅度15%，配备燃煤热风炉额定功率为5.6 MW，换热器为钢结构快装式，配置45 kW热风机3台，30 kW冷风机1台，这套粮食干燥系统也可用于烘干稻谷。

由于GB 13271-2014《锅炉大气污染物排放标准》的实施，这家粮库所在地的环保部门，加大了烟尘排放的整治力度，粮库如果继续以煤作为热源，就得增设脱硫除尘装置。因粮库所在地处稻谷产区，同时库里也有稻谷加工车间，粮库决定利用稻壳取代燃煤，引进了稻壳粒状成型燃料生产线，稻壳粒状成型燃料可以实现自给自足，另外在引风机之前增加了一套布袋除尘器，通过此改造解决粉尘污染的同时，解决了SO2排放和烟尘超标的问题。

3.1 数据测试

在2021年12月下旬，烘干作业期间，我们对该粮食烘干燥系统进行了技术性能测试，测试当天的环境温度1.2℃，相对湿度32.7%，大气压力1.012×105Pa，进机稻谷含水率为15.1%，水分不均度为0.2%，进机粮温5.5℃，出机粮温6.2℃，稻壳颗粒燃料的低位发热值为14.69 MJ/kg，测试结果为粮食烘干机系统处理量为597 t/d，降水幅度0.5%，热风炉换热效率71.3%，单位热耗为9907 kJ/kgH2O。具体见表1及表2干燥机系统技术测试数据汇总表，表3为干燥作业费用统计表（计算过程略）。

表1 干燥机系统技术测试数据汇总表一

表2 干燥机系统技术测试数据汇总表二

表3 干燥作业费用统计表

3.2 结论与分析

通过上表的数据可以计算出：测试当天吨粮成本约为7.1元/t，1% H2O吨粮燃料消耗量为7.2 kg，折合低位发热值为20.93 MJ/kg煤为5.2 kg,由于测试期间风温和降水幅度偏低，吨粮成本代表性不强，若折合成降水幅度为2%时。吨粮成本：(1 328×4+1 680+1 280）/597≈13.9元/t，这里未考虑降水幅度加大时产量会有所下降和电耗增加的问题。该库2016年烘干期内，库里用煤作燃料，低位发热值为20.93 MJ/kg，平均产量约为500 t/d，烘前平均水分16.5%，烘后平均水分14.6%，平均降水幅度为1.9%，每日平均耗煤4.48 t，每日平均耗电2 520 kW·h，由此可以计算出吨粮成本为（4.48×800+2 520×0.7+8×159）/500≈13.2元/t，1% H2O吨粮煤耗为4.6 kg，从两年的烘干情况对比可以看出，运用稻壳粒状成型燃料替代煤烘干稻谷，成本和能耗略有增加，但从源头上解决了SO2排放和烟尘超标等污染问题。

4 建议

生物质成型技术目前还处于发展的初期，尚属于新生事物，产业规模小，获益能力低，还不具备参与市场竞争的能力，因此，必须得到国家和各级政府宏观调控政策的保护。各级政府要从全局的长远利益出发，增加对生物质成型的科研、技术产品的研制和开发的财政资助和投资力度，加速产品工艺技术的突破和系统开发的过程。加大生物质产业化建设和服务体系的信贷规模，提供长期的低息贷款，提高资金使用效果，制订减免税收、价格补贴和奖励政策，加速生物质成型和碳化产品进入市场，提高竞争力，最终依靠自身的发展潜力，确立并占有应有的市场份额。我国稻谷的年产量为1.75×108t，加工大米后，能产生稻壳3.5×107t。如将这些稻壳制成稻壳粒状成型燃料，相当于2.5×107t煤，相当于减少了985万t SO2排放，减少了环境污染。从长远来看，随着辽宁省各地对燃煤型热源的限制，生物质热源必将得到良好的发展机遇，各地科研院所应积极开展相关的技术示范、培训、推广工作，引导生物质热源技术健康持续发展。