粮食烘干机生物质热风炉系统研究与应用*

孙凤阳 王紫微 李志民 张旭昕 张立群 冯展鹏 陈万福 张义元

(1 中国储备粮管理集团有限公司吉林分公司 130033)

(2 中央储备粮吉林直属库有限公司 132000)

东北地区秋粮收获后粮食自然水分高，需经机械烘干或长时间自然通风降水才能满足安全储存要求。现有粮食烘干机主要以燃煤为主，随着国家大气污染防治、碳达峰和碳中和以及重大战略的提出，部分区域已出台禁煤政策，大量烘干机处于停产状态，对粮食行业来讲，制约了粮食收储业务开展，影响高水分粮及时干燥，危及粮食安全。

生物质能是指可以进行光合作用的生命体，将太阳能以化学能的形式固定在其体内的能量形式和太阳能一样都属于可再生能源。从广义范围来讲，生物质涵盖所有的植物、微生物及将其作为食物的动物以及其生产出的废物[1-2]。生物质能能源极其丰富，各类秸秆的年产量可达6亿吨，薪柴等产量大约为2亿吨。目前，除了很少一部分被用作动物口粮或者家用燃料使用外，其余大多数均被露天焚烧或者就地填埋，还有另外一部分丢在田间被生物降解[3]。将生物质作为传统燃煤热风炉的替代燃料，由于生物质作为可再生能源有其自身的优势，生物质燃料本身含硫低，燃烧后无需经过脱硫处理，采用科学合理的低氮燃烧技术，可有效控制氮氧化物的排放量，尤其在“双碳”目标的背景下，对绿色低碳发展和生态文明建设提出了更高的要求，这也充分展示了我国为应对全球气候变化做出的新努力和新贡献。

生物质直燃代替化石能源，不仅能够促进节能减排，还能带动乡村居民的经济发展，因此合理有效地利用生物质能既具环境效益又兼具社会效益，对促进社会经济增长和改良生态环境极具意义[4]。王云华[5]等人对粮食烘干机热源问题进行了调查，通过对柴煤炉、燃气、燃油、生物质炉热源对比发现，虽然生物质炉改造成本以及运行成本均高于其他热源烘干机，但是生物质炉热源污染小且生物质燃料原材料多以树木废料、农作物秸秆等为主，有利于秸秆禁烧，因此建议鼓励推广应用。朱广飞[6]等人设计了一套生物质颗粒热风炉与粮食烘干机耦合，将该粮食烘干设备与利用空气源热泵烘干粮食的经济性对比发现：利用生物质颗粒热风炉烘干粮食成本较低，具有明显的经济效益和推广应用前景。

现有的燃煤改燃生物质热风炉是在原有燃煤炉结构稍作改动，降氮效果不明显，仍会存在烟气中氮氧化物排放超标等问题，制约了生物质热风炉的市场推广。因此有必要开发一种以生物质为燃料的热风炉低氮燃烧方法及装置，有效降低氮氧化物的产生和排放，使生物质热风炉同时能够满足环保排放要求和降低企业运营成本[7]。本文针对传统燃煤热风炉烘干过程中存在的问题，提出粮食烘干机环保改造技术方案，解决粮食干燥过程中产生环境污染和企业运营成本高等问题。

1 烘干机改燃生物质技术

现有燃煤热风炉多采用链条炉燃烧方式，直接改燃秸秆成型燃料，存在出力不足、易结渣和沾污、燃烧效率低以及氮氧化物排放高等一系列问题﹐无法满足生产及环保要求，因此需要根据燃料性质对燃烧设备进行整体改造[8]。生物质层燃可以分为4个阶段，依次为干燥﹑热解﹑燃烧和燃烬阶段[9]。

燃煤热风炉改用生物质燃料，不是一个简单的改造问题，也不是把燃料直接替换为生物质燃料便能够解决的问题。而是需要针对生物质燃料特性，对粮食烘干供热的热风炉所需要温度、风量进行改燃生物质的专业设计，才能够达到预期效果。基于生物质燃料的燃烧特性，烘干机改燃生物质技术改造主要有以下内容：热风炉改造、安装凝渣换热系统、余热回收系统、烟气除尘系统、自动上料系统。烘干机生物质改燃工艺如图1所示。

图1 烘干机生物质改燃主要工艺简图

1.1 热风炉改造

为了解决现有生物质热风炉燃烧不充分、燃烧效率低、尾部烟气NOx浓度高﹑烟尘堵塞换热器等问题，本生物质热风炉对原有燃煤热风炉进行改造，保留原有炉排和两侧部分炉墙，炉体整体加高，增加炉膛内部空间，使挥发分与氧气充分接触，降低炉膛内氧含量，降低氮氧化物排放浓度。新砌筑炉拱、干扰拱、阻尘墙；加装生物质专用料斗，防止料斗回燃；增设助燃增效系统；增设低氮燃烧系统。

1.2 安装凝渣换热系统

在热风炉与换热器之间增加一套凝渣换热装置，烟气走管外，空气走管内，增大管束的管间节距，既可以防止管外结渣搭桥堵塞烟道，又可以阻挡并沉降烟尘颗粒物。经过凝渣换热装置后烟气温度降低，再进入换热器(速度是15 m/s)，有助于减轻烟尘在换热管内挂壁问题。将凝渣换热装置加热的空气引至换热器冷风入口，与回收的塔体废气混合后进入换热器，有助于解决废气进入冷风口挂霜问题的同时提高换热效率和换热器的使用寿命。

1.3 余热回收系统

烘干机三号热风机供热的下部干燥段的干燥废气和冷却段排出的冷却废气全部回收至换热器冷风入口的混风箱，与被凝渣换热装置加热的空气混合后一起进入换热器，供3台热风机使用。合理设计回收风速，回收管道对称布置，不会影响烘粮质量，且无需增加任何动力装置。

1.4 烟气除尘系统

在热风炉尾部加装展开面积720 m2的布袋除尘器，滤袋耐高温230℃，与之配套螺杆空压机，1.5 m3贮气罐等，保障除尘器连续有效运行。

1.5 自动上料系统

生物质自动上料系统由燃料仓、仓前输送机、仓下输送机、上料斗及阻旋料位计组成，可实现自动给料，全天候作业。燃料仓的设置解决燃料储存问题和生物质燃料避免混合雨雪潮湿问题，保障能够连续供料，减轻劳动强度，降低人工成本，提高生产率。

采用技术改造后，相较于传统粮食烘干热风炉的优势体现在：一是实现高效燃烧。优化热风炉炉膛前、后拱、墙设计，增设干扰拱和阻尘墙、延长火焰和高温烟气在炉膛停留时间，分级配风、半气化分段燃烧。秸秆燃料燃烧充分，灰渣含碳量<10%，燃尽率>95%，热效率>85%。二是实现加湿助燃。将烘干机排出的湿热废气引送回风室加湿助燃，提高燃尽率5%，提高热效率2%。三是实现低氮燃烧。设置再循环烟道，将排放的部分烟气分上、中、下三路送回炉膛，降低气体燃烧区温度和烟气中的含氧量，形成低氮燃烧，有效抑制热力型氮氧化物的生成。四是解决结焦挂壁。外界冷空气通过管道与一次过氧燃烧区的鼓风机相通，控制此燃烧区的温度不超过800℃，从而解决结焦挂壁问题。

2 试点项目效益分析

根据上述技术改进，2020年至2022年在中储粮吉林直属库进行烘干机生物质改燃试点研究。以2020年为例，2020年1月至3月，分三个阶段进行粮食烘干试验，历时34 d，累计烘干22.0%水分玉米3.1万吨。期间委托环保检测机构监测了尾气烟尘颗粒物、二氧化硫、氮氧化物以及烟气黑度等指标，大气污染物排放指标如表1所示，项目排放指标均低于国家和吉林省标准。经费用测算，其经济运行指标与燃煤基本相当。2020年8月，试点项目通过专家验收。经过长达2年多的运行测试，对运行进行检测和数据整理，进行以下效益分析。

表1 大气污染物排放指标

2.1 环保效益分析

生物质燃料是可存储、可运输、可再生的一次能源，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，供应充足。生物质燃料在生长中需要的CO2量相当于作为燃料燃烧时排放量，生物质燃烧时CO2净排放量近似为0，属于碳平衡燃料。生物质含硫量低，燃烧时生成的SO2较少。生物质中硫的质量分数为0.01%～0.1%，远低于煤中硫的质量分数0.5%～1.5%。研究发现，在释放相同热量的情况下，煤炭燃烧排放SO2和NOX的数量分别是生物质秸秆的7倍和1.15倍。1台500 t/d烘干机按照每年烘干90 d测算，据不完全统计，烘干1 t玉米需要消耗煤50 kg～75 kg，使用生物质改燃后每年可替代燃煤2250 t～3375 t，可减排CO26057.7 t～9086.5 t，SO214.1 t～21.1 t，NOX2.3 t～3.4 t。

2.2 经济效益分析

项目测试时(2020年初)，使用2级秸秆压块燃料，发热量为3500 Kcal/kg，价格600元/t，500 t/d烘干机每日消耗秸秆压块燃料25 t左右，烘干产量760 t左右，经测算，吨粮降低1%水的燃料费用在3.5元左右，与使用850元/t发热量5000 Kcal/kg煤燃料费用基本相当。

由于近几年煤炭价格高涨，煤电紧缺使用生物质燃料烘干成本优势更为明显。如表2经济性对比分析所示，发热量5000 Kcal/kg燃煤价格已上涨至2000元/t左右，其吨粮降1%水的燃料费用已达6.0元左右；发热量3500 Kcal/kg的生物质压块价格上涨至850元/t左右，吨粮降1%水的烘干费用在4.5元左右。烘干机燃煤热风炉比生物质压块热风炉烘干吨粮降1%水的费用高1.5元。1台500 t/d燃煤烘干机生物质改燃(含余热回收等)需投资170万元左右。如果煤价居高不下，使用生物质比用煤吨粮降1%水的费用节约1.5元，500 t/d烘干8.1万吨粮食可收回改造投资成本。如果燃煤烘干机不改造，只能停用，直接收购市售的烘干粮，吨粮成本至少增加25元/t，自己收购烘干6.8万吨粮食可收回改造投资成本。

表2 经济性对比分析表

3 现有改造存在的问题

在项目测试过程中主要存在以下问题：一是测试潮粮水分22%，缺少更高水分粮食的烘干实践。二是设备连续运行时间仍低于使用燃煤炉。三是数据积累待完善。改燃后的生物质成型燃料热风炉系统测试时间与数据不足，未在东北地区极寒时段测试，烘干粮食水分普遍偏低。除了上述技术问题之外，在生物质热风炉的推广及应用中还存在以下问题：一是原料供应不稳定。目前，生物质成型燃料供应较为稳定，但集中供热企业和粮食收储企业广泛推广应用生物质成型燃料热风炉(锅炉)后，可能会出现需求紧张，价格上涨，供应量不足等问题，尤其是二级以上成型燃料可能会出现供应不稳定问题。二是支持政策不明确。目前，生物质成型燃料热风炉发展还处在初期，粮食收储企业烘干机改造的积极性不高，市场培育不完善，产业体系不够健全，各地方政府认识程度和支持力度还存在很大差异，需要各级政府加大项目补助政策支持力度。总之，粮食烘干机生物质热风炉应用前景广阔，但是粮食烘干生物质热风炉技术的推广应用任重道远，各级农业农村部门应从粮食安全储藏的角度出发，高度重视并制定相应措施，促进粮食烘干生物质热风炉技术的大规模运用。

4 总结与展望

生物质资源的能源化利用对于解决化石能源日趋紧张和环境污染日益严重问题具有重大意义，国家大力推行生物质能源的综合利用是一项“功在当代、利在千秋”的政治性战略，从而彻底改变使用传统燃煤锅(窑)炉给粮食收储企业进行粮食烘干的历史。中储粮吉林分公司通过近三年的研究与试点，已解决碱金属挂壁、氮氧化物超标、炉温和热风温度不稳定等问题，生物质成型燃料热风炉技术已趋于成熟，具有较好的可行性和经济性。生物质成型燃料热风炉已开始逐步应用于乡(镇)所在地居民集中供暖、中小型工业园区集中供汽和生物质电厂热电联产等项目上，但至今还没有广泛应用到粮食收储企业的粮食烘干上。特别是近期，煤价高涨，生物质燃料成本优势愈发明显。因此，将燃煤烘干机热风炉改燃生物质已成为未来发展趋势。