一種基于太陽(yáng)能供熱的智能生物質(zhì)預(yù)處理裝置

祝元愷

摘 要：原生生物質(zhì)能量密度低、含水量高、難以粉碎、吸濕性強(qiáng)，使得生物質(zhì)利用存在瓶頸?，F(xiàn)行電熱烘焙可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫烘焙，但其過(guò)程自身即產(chǎn)生巨大能耗，極大的限制了其實(shí)用價(jià)值。溫度亦是影響不同種類(lèi)、產(chǎn)地生物質(zhì)烘焙效果的關(guān)鍵因素。本裝置利用太陽(yáng)能供熱，結(jié)合機(jī)器視覺(jué)技術(shù)依據(jù)批量原料的二維碼信息標(biāo)識(shí)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分類(lèi)，根據(jù)不同物料的熱學(xué)特性選擇最佳烘焙溫度。亦同時(shí)與電熱烘焙相融合，可依據(jù)時(shí)段、天氣因素實(shí)現(xiàn)全天候智能烘焙。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能烘焙;智能控溫;分類(lèi)預(yù)處理;電輔熱

1研究背景及意義

生物質(zhì)直接燃燒僅能達(dá)到其熱效率值的10%，并產(chǎn)生嚴(yán)重空氣污染。原生生物質(zhì)因其較低的能量密度、較高的含水量等不良特性，使得生物質(zhì)利用存在瓶頸，如直接燃燒熱效率低下等。烘焙是一種在常壓、隔絕氧氣的情況下，反應(yīng)溫度介于200～300℃之間的慢速熱解過(guò)程，解決了生物質(zhì)含水量高、熱值低和研磨能耗大等問(wèn)題，處理后的生物質(zhì)的理化特性有明顯提升，對(duì)后續(xù)熱解處理有顯著積極作用。而現(xiàn)行電熱烘焙技術(shù)耗能巨大、成本過(guò)高，使得生物質(zhì)能的利用得不償失。以太陽(yáng)能作為供熱源顯然具備諸多優(yōu)越性和獨(dú)創(chuàng)性。同時(shí)，因木質(zhì)素、纖維素和半纖維素三種組分在不同產(chǎn)地、種類(lèi)的生物質(zhì)中含量不同且其對(duì)溫度變化敏感，采用智能分類(lèi)預(yù)處理有較大實(shí)際意義。

2 裝置設(shè)計(jì)方案

2.1 裝置工作基本原理

本裝置利用太陽(yáng)能聚光集熱以獲得高溫，通過(guò)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制使得太陽(yáng)能集熱管中的溫度得以較為精確地控制在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)。利用絞龍將生物質(zhì)原料以特定速度連續(xù)輸送通過(guò)太陽(yáng)能集熱管，通過(guò)調(diào)節(jié)輸送速度來(lái)改變對(duì)生物質(zhì)原料在太陽(yáng)能烘培裝置中的滯留時(shí)間。裝置內(nèi)通入惰性氣體，以保證對(duì)生物質(zhì)原料的烘焙處理在惰性氣氛中進(jìn)行。溫度檢測(cè)單元根據(jù)管內(nèi)溫度與目標(biāo)溫度的大小關(guān)系，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采光板的角度，通過(guò)調(diào)節(jié)采光板的角度增減采光面積，以達(dá)到控溫的目的。

2.2 基于地理位置的單軸追光設(shè)計(jì)

日照時(shí)間隨日期和地理位置而不同，單一依靠光敏電阻追光無(wú)法區(qū)別晝夜，且在戶(hù)外實(shí)際使用條件下，存在大量人工光源及不確定自然氣象因素干擾，光敏電阻追光效果并不理想。而依靠經(jīng)緯度數(shù)據(jù)和時(shí)鐘模塊實(shí)現(xiàn)精確追光，具有更強(qiáng)的適應(yīng)性和可推廣性。

太陽(yáng)相對(duì)于地球存在確定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此太陽(yáng)高度角與觀測(cè)點(diǎn)的地理位置及當(dāng)?shù)貢r(shí)間具有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在已知經(jīng)緯度和當(dāng)?shù)貢r(shí)間的條件下，即可以解算出太陽(yáng)高度角。當(dāng)太陽(yáng)高度角變化時(shí)，控制器控制鏡元相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)就可以將太陽(yáng)光線反射到吸收器上。系統(tǒng)還將計(jì)算出日出、日落的時(shí)間，從而決定系統(tǒng)啟動(dòng)和鏡元回歸初始位置的時(shí)間。

2.3 分類(lèi)預(yù)處理設(shè)計(jì)

生物質(zhì)原料主要由木質(zhì)素、纖維素和半纖維素三種組分構(gòu)成，但不同產(chǎn)地、種類(lèi)的生物質(zhì)原料三種組分比例不盡相同，導(dǎo)致熱學(xué)特性存在較大差異。三種組分對(duì)溫度的敏感性差別較大，烘焙溫度的選擇對(duì)于烘焙產(chǎn)物及后續(xù)處理環(huán)節(jié)影響極大，在批量化生物質(zhì)預(yù)處理的過(guò)程中，如果不能分類(lèi)處理，將對(duì)生物質(zhì)的利用及后續(xù)處理帶來(lái)不利影響。基于此，本裝置結(jié)合了二維碼識(shí)別功能，對(duì)于批量封裝的生物質(zhì)原料，封裝時(shí)即根據(jù)種類(lèi)、產(chǎn)地信息進(jìn)行貼碼標(biāo)識(shí)，生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備直接讀取二維碼信息，按照最佳烘焙參數(shù)進(jìn)行烘焙，使加工工藝進(jìn)一步流程化、自動(dòng)化，大大提高生產(chǎn)效率，亦提高了能源利用率。

2.4 電輔熱設(shè)計(jì)

因?yàn)樘鞖鈼l件的多變性和不確定性，本裝置具有電輔熱設(shè)計(jì)，在溫度傳感器的調(diào)節(jié)下，在日照條件無(wú)法達(dá)到要求時(shí)可以進(jìn)行輔助加熱處理，具備在不良天氣條件下保證生產(chǎn)的能力，同時(shí)也避免了短暫性天氣事件（如陣雨）導(dǎo)致生產(chǎn)全面中斷的風(fēng)險(xiǎn)。

3裝置分析與對(duì)比

3.1 環(huán)保性分析

由于采用太陽(yáng)能作為熱源，整個(gè)生物質(zhì)烘焙過(guò)程幾乎不耗能，有效解決了目前生物質(zhì)烘焙過(guò)程耗能較高的問(wèn)題。本裝置所涉及的生物質(zhì)烘焙的熱源來(lái)自于太陽(yáng)能，而不是采用傳統(tǒng)的化石燃料作為熱源，解決了生物質(zhì)烘焙過(guò)程中的能耗問(wèn)題。本裝置所涉及的生物質(zhì)烘焙過(guò)程通過(guò)輻射和導(dǎo)熱的形式將熱量由受熱面?zhèn)鬟f給生物質(zhì)材料，整個(gè)過(guò)程中除惰性氣體（如氮?dú)猓┩鉀](méi)有其他介質(zhì)與生物質(zhì)接觸，保證烘焙過(guò)程生物質(zhì)的烘焙效果。本裝置所涉及的生物質(zhì)烘焙的熱源來(lái)自于太陽(yáng)能，太陽(yáng)能為清潔能源，故生物質(zhì)烘焙過(guò)程不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

3.2 節(jié)能性分析

以鄭州科晶公司生產(chǎn)的雙溫區(qū)旋轉(zhuǎn)管式生物質(zhì)烘焙電爐為參照：

以中國(guó)中部地區(qū)為例，其年日照時(shí)數(shù)為2200-3000h，平均為2600h，取焦作市日間電價(jià)為計(jì)算參數(shù)（0.56元/千瓦時(shí)），假定兩設(shè)備同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，一年僅一臺(tái)機(jī)器的電費(fèi)便可節(jié)省2600×14×0.56=20384元。進(jìn)一步，烘焙預(yù)處理可以大大降低后期粉碎處理的能耗，以松木塊為例，烘焙后粉碎處理能耗僅為23-78千瓦時(shí)，平均51千瓦時(shí)，大大低于烘焙前的237千瓦時(shí)，那么每臺(tái)機(jī)器每年可為粉碎處理環(huán)節(jié)節(jié)省（237-51）×2600×0.56=270816元。而事實(shí)上，在我國(guó)廣大日照條件更好的地區(qū)，若批量進(jìn)行生物質(zhì)烘焙處理，節(jié)省的經(jīng)濟(jì)成本將更加可觀。

3.3 減排效果分析

本裝置具有生物質(zhì)處理量不低于5kg/h的處理能力，以中國(guó)中部地區(qū)為例，其年日照時(shí)數(shù)為2200-3000h，平均為2600h，僅以最低值進(jìn)行估算，每臺(tái)每年可處理2600×5=13000Kg生物質(zhì)，以棉桿為例，經(jīng)290℃烘焙后，其高位發(fā)熱量可達(dá)23.85MJ/KG，這表明，每臺(tái)設(shè)備每年約可制備熱量可達(dá)23.85×13000=323050MJ的生物質(zhì)裝置，這些生物質(zhì)能的利用可以有效減少傳統(tǒng)能源的使用，進(jìn)而達(dá)到減排目的。

另一方面，生物質(zhì)烘焙處理后的產(chǎn)出物將用于制備生物質(zhì)燃料進(jìn)行綜合利用，有效避免了生物質(zhì)原料被直接燃燒，極大地減少了空氣污染物的排放，對(duì)霧霾防控有巨大潛在價(jià)值。

3.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

僅以玉米秸稈原料為例，市場(chǎng)價(jià)格為320元/噸，而生物質(zhì)炭?jī)r(jià)格為6000元/噸，炭產(chǎn)率一般在25%左右，以處理量5kg/h來(lái)說(shuō)，僅以碳裝置為例，每10臺(tái)裝備每天就能產(chǎn)生1600多元的效益。進(jìn)一步地，生物質(zhì)烘焙產(chǎn)物多種多樣，在一定條件下均可轉(zhuǎn)化為能源裝置，存在巨大潛在經(jīng)濟(jì)效益。

4裝置的技術(shù)關(guān)鍵及創(chuàng)新點(diǎn)

本裝置的技術(shù)關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能追光設(shè)計(jì)和傳感器智能控制。實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能集熱器中溫度220℃～270℃，生物質(zhì)處理量不低于5kg/h。氧脫除率30%～50%。本裝置以太陽(yáng)能代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源作為供熱源，采用基于地理位置的追光設(shè)計(jì)提升集熱效果結(jié)合機(jī)器視覺(jué)技術(shù)依據(jù)批量原料的二維碼信息標(biāo)識(shí)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)分類(lèi)烘焙預(yù)處理具備電輔熱設(shè)計(jì)，可依據(jù)時(shí)段、天氣因素實(shí)現(xiàn)全天候智能烘焙，實(shí)現(xiàn)了工藝創(chuàng)新。

5裝置的應(yīng)用前景

我國(guó)理論生物質(zhì)能資源為50億噸左右標(biāo)準(zhǔn)煤，是中國(guó)總能耗的4倍左右。目前我國(guó)生物質(zhì)利用裝備發(fā)展不足，發(fā)展新型高效節(jié)能環(huán)保的生物質(zhì)利用裝備很有必要，而烘焙將是生物質(zhì)利用產(chǎn)業(yè)鏈中重要的一環(huán)，十三五規(guī)劃中明確提出能源轉(zhuǎn)型問(wèn)題，尤其是農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型問(wèn)題，而中國(guó)廣大農(nóng)村地區(qū)有著豐富的生物質(zhì)資源可供利用，傳統(tǒng)的填埋焚燒等處理已不再符合當(dāng)代能源發(fā)展要求，生物質(zhì)烘焙預(yù)處理，將深刻地改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)出物的利用方式，太陽(yáng)能生物質(zhì)烘焙技術(shù)具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益潛力。