生物質(zhì)燃料替代燃煤的糧食干燥工藝技術(shù)及應(yīng)用

劉盛華

（遼寧省糧食科學(xué)研究所，沈陽(yáng) 110032）

我國(guó)作為一個(gè)人口大國(guó)，又是一個(gè)糧食生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，保障國(guó)家糧食安全意義重大，東北地區(qū)糧食收獲時(shí)水分高、氣溫低，必須經(jīng)過(guò)干燥處理才能安全儲(chǔ)藏，因而糧食干燥是保障糧食安全的重要環(huán)節(jié)之一，也是糧食生產(chǎn)和流通耗能最高的環(huán)節(jié)。目前90%以上的糧食干燥設(shè)備以燃煤熱風(fēng)爐提供熱源，能耗高、熱效率低、污染物排放嚴(yán)重超標(biāo)等問(wèn)題一直沒(méi)有解決，冬季燃煤干燥糧食和秸稈無(wú)序焚燒造成雙重污染，已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)前環(huán)保需要，同時(shí)隨著全世界范圍內(nèi)一次能源的快速消耗并逐漸面臨枯竭，也倒逼著人類(lèi)社會(huì)必須尋找和發(fā)展可再生清潔能源，環(huán)保、安全、經(jīng)濟(jì)的生物質(zhì)能源代替石化能源將成為中國(guó)乃至全球能源發(fā)展的必然趨勢(shì)。

經(jīng)過(guò)多年的研究和在遼寧一些糧庫(kù)進(jìn)行的糧食干燥負(fù)載試驗(yàn)和生產(chǎn)運(yùn)行考核證明：生物質(zhì)燃料替代燃煤的糧食干燥工藝技術(shù)已經(jīng)成熟，滿足了新形勢(shì)下糧食干燥領(lǐng)域的技術(shù)需求，可以進(jìn)行推廣應(yīng)用。推廣生物質(zhì)燃料替代燃煤的糧食干燥工藝技術(shù)，對(duì)于減少燃煤消耗、減少燃煤污染物排放量，實(shí)現(xiàn)煤炭消費(fèi)減量替代，推動(dòng)糧食干燥技術(shù)領(lǐng)域環(huán)保升級(jí)，都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 生物質(zhì)成型燃料性能特點(diǎn)

1.1 生物質(zhì)固體成型燃料的組成結(jié)構(gòu)

生物質(zhì)成型燃料是將作物秸稈、稻殼、木屑等農(nóng)林廢棄物粉碎后，送入成型器械中，在外力作用下，壓縮增密成需要的形狀，然后作燃料直接燃燒。生物質(zhì)成型燃料由可燃質(zhì)、無(wú)機(jī)物和水分組成，主要含有碳(C)、氫(H)、氧(O)及少量的氮(N)、硫(S)等元素，并含有灰分和水分。

碳：生物質(zhì)成型燃料含碳量少(約為40%～45%)，尤其固定碳的含量低，易于燃燒；氫：生物質(zhì)成型燃料含氫量多(約為 8%～10%)，揮發(fā)分高(約為 75%)。生物質(zhì)燃料中碳多數(shù)和氫結(jié)合成低分子的碳?xì)浠衔?，遇到一定的溫度后熱分解而析出揮發(fā)；硫：生物質(zhì)成型燃料中含硫量少于0.02%；氮：生物質(zhì)成型燃料中含氮量少于0.15%，氮氧化物（NOx）排放完全達(dá)標(biāo)；灰分：生物質(zhì)成型燃料采用高品質(zhì)的木質(zhì)類(lèi)生物質(zhì)作為原料時(shí)灰分只有3%～5%左右。

1.2 生物質(zhì)成型燃料的物理特性

生物質(zhì)燃料成型后的主要技術(shù)參數(shù)：一般密度為 0.8～1.4 g/cm3,灰分 3%～20%，水分≤15%，含硫量在5‰以下；低位發(fā)熱值13.4～20 MJ/kg，燃燒率≥96%；排煙黑度（林格曼級(jí)）＜1，排塵濃度≤80mg/m3。燃盡的灰燼可作為優(yōu)質(zhì)的鉀肥直接還田改良土壤。

1.3 生物質(zhì)成型燃料的燃燒特性

（1）生物質(zhì)成型燃料在燃燒時(shí)釋放出的CO2大體上相當(dāng)于其生長(zhǎng)時(shí)通過(guò)光合作用所吸收的CO2，所以生物質(zhì)燃料溫室氣體CO2為生態(tài)零排放。

（2）生物質(zhì)成型燃料屬低碳能源：生物質(zhì)燃料含碳量較少，燃燒以揮發(fā)份為主，碳含量平均僅為37%，但以固定碳含量為標(biāo)志的炭化程度平均為17%，生物質(zhì)燃料不抗燒，熱值較低。

（3）可燃分解物含量高，秸稈75%的纖維素和半纖維素的熱分解產(chǎn)物形成揮發(fā)份，揮發(fā)份含量平均高達(dá)75%～85%，生物質(zhì)燃料中的碳多數(shù)和氫結(jié)合成低分子的碳?xì)浠衔铮鲆欢ǖ臏囟群鬅岱纸舛龀鰮]發(fā)物，非常有利于生物質(zhì)燃料燃燒，燃燒初期，析出量較大，在空氣和溫度不足的情況下易產(chǎn)生鑲黑邊的火焰。在使用生物質(zhì)為燃料的設(shè)備設(shè)計(jì)中必須注意到這一點(diǎn)。

（4）含氧量多。生物質(zhì)燃料含氧量平均值高達(dá)33.18%，使得生物質(zhì)燃料熱值低，但易于引燃。在燃燒時(shí)可相對(duì)地減少空氣供給量。

（5）含硫量低。生物質(zhì)燃料含硫量大多數(shù)少于0.02%，不腐蝕鍋爐，可延長(zhǎng)鍋爐的使用壽命，燃燒時(shí)不必設(shè)置氣體脫硫裝置，降低了設(shè)備投資成本，又有利于環(huán)境的保護(hù)。

（6）氮含量低，氧含量高，燃燒時(shí)能有效減少空氣的需求量，減少氮氧化物（NOx）的生成。

2 生物質(zhì)燃料替代燃煤的糧食干燥工藝系統(tǒng)

2.1 生物質(zhì)燃料供熱的糧食干燥系統(tǒng)工藝流程

生物質(zhì)燃料供熱的糧食干燥工藝系統(tǒng)與燃煤供熱的糧食干燥工藝系統(tǒng)的區(qū)別在于熱源的不同及煙氣處理工藝的不同，生物質(zhì)燃料供熱的糧食干燥系統(tǒng)主要由烘干塔、生物質(zhì)熱風(fēng)爐、列管換熱器、布袋除塵系統(tǒng)、熱風(fēng)機(jī)、冷風(fēng)機(jī)、鍋爐引風(fēng)機(jī)、輸送設(shè)備和電控系統(tǒng)等組成。潮濕糧食不斷裝入烘干塔，干燥后連續(xù)地輸出，糧食在干燥機(jī)內(nèi)先經(jīng)多段 “熱氣流干燥+緩蘇”，再通過(guò)冷氣流冷卻后排出塔外，干燥工藝如圖1所示。

圖1 生物質(zhì)燃料供熱的糧食干燥系統(tǒng)工藝流程

2.2 糧食干燥生物質(zhì)燃料熱風(fēng)爐系統(tǒng)需解決的技術(shù)關(guān)鍵

2.2.1 控制煙氣粉塵

可通過(guò)生物質(zhì)成型燃料加工過(guò)程中過(guò)濾掉大顆粒灰塵、制粒時(shí)增加添加劑、燃燒過(guò)程中煙氣中的灰塵團(tuán)聚、排煙經(jīng)旋風(fēng)緩沖收塵、吸收反應(yīng)塔和綜合反應(yīng)器吸塵、酸性氣體氧化、吸收劑中和、高溫脈沖布袋除塵及降低除塵器過(guò)濾風(fēng)速等多項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，有效降低生物質(zhì)成型燃料燃燒時(shí)粉塵的產(chǎn)生、實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)成型燃料熱風(fēng)爐排煙粉塵低含量排放，達(dá)到超凈排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 控制排煙二氧化硫含量

除常用的濕法、半干法、干法三大類(lèi)煙氣脫硫技術(shù)外，還可通過(guò)生物質(zhì)成型燃料原料摻混、控制爐床燃燒溫度固硫、煙氣深冷凝結(jié)等多項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)成型燃料熱風(fēng)爐排煙二氧化硫低含量排放，達(dá)到超凈排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.3 控制排煙氮氧化物含量

可通過(guò)生物質(zhì)成型燃料低氮燃料、燃料分級(jí)燃燒、控制燃燒區(qū)域溫度和氧濃度、一次風(fēng)和二次風(fēng)的分級(jí)配風(fēng)、煙氣再循環(huán)三次風(fēng)燃燒等多項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)成型燃料熱風(fēng)爐排煙氮氧化物低含量排放，達(dá)到超凈排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.4 提高熱風(fēng)爐效率

生物質(zhì)成型燃料熱風(fēng)爐爐膛調(diào)整一次風(fēng)系統(tǒng)，增加二次風(fēng)系統(tǒng)、三次風(fēng)系統(tǒng)有利于爐膛內(nèi)充分燃燒；合理的過(guò)量空氣系數(shù)有助于熱風(fēng)爐效率；排煙經(jīng)過(guò)余熱回收，可提高熱風(fēng)爐燃燒效率和燃燒穩(wěn)定性，減小結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)，降低排煙溫度，提升熱風(fēng)爐效率。

2.2.5 優(yōu)化熱風(fēng)爐和換熱器結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)

設(shè)計(jì)熱風(fēng)爐時(shí)應(yīng)通過(guò)降低爐膛截面熱負(fù)荷，降低燃燒溫度，并考慮風(fēng)速,防止結(jié)焦；通過(guò)降低爐膛容積熱負(fù)荷，降低飛灰顆粒溫度，防止高溫積灰和降低煙氣中可燃?xì)怏w含量；優(yōu)化布風(fēng)室及積灰室結(jié)構(gòu)尺寸，降低煙氣飛灰現(xiàn)象；熱風(fēng)爐必須有足夠的擴(kuò)散型空氣供給，燃燒室必須有足夠的容積和一定的攔火，以便有一定的燃燒空間和燃燒時(shí)間，減少排煙損失；特殊爐拱結(jié)構(gòu)有助于降低NOx排放濃度；從而保證生物質(zhì)成型燃料鍋爐穩(wěn)定、安全和高效運(yùn)行。

3 生物質(zhì)燃料替代燃煤的糧食干燥工藝技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

由第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)遼寧某糧食儲(chǔ)備庫(kù)正在運(yùn)行的生物質(zhì)燃料熱風(fēng)爐供熱的糧食干燥系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行技術(shù)性能測(cè)試的結(jié)果如下：

3.1 物理特性

爐膛過(guò)量空氣系數(shù) 1.5～2.1,排煙溫度 40～45℃。

3.2 基礎(chǔ)參數(shù)

環(huán)境平均溫度 5.8℃，相對(duì)濕度 46.5%，大氣壓力 1.013×105Pa。進(jìn)機(jī)玉米水分 19.9%，進(jìn)機(jī)糧溫為－1.0 ℃；出機(jī)玉米水分 14.5%，出機(jī)糧溫 16.3 ℃。

3.3 環(huán)保指標(biāo)

對(duì)生物質(zhì)燃料檢測(cè)結(jié)果：全硫0.12%、低位熱值13.39 MJ/kg。對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣結(jié)果：熱風(fēng)爐污染源經(jīng)除塵器處理后，顆粒物、二氧化硫、氮氧化物排放分別為 10.3 mg/m3、14 mg/m3、89 mg/m3，均 滿足GB 13271－2014（鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)）顆粒物30 mg/m3、二氧化硫200 mg/m3、氮氧化物200 mg/m3、煙氣黑度≤1 級(jí)、汞及其化合物 0.05 μg/m3的要求，各點(diǎn)位檢測(cè)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 運(yùn)行指標(biāo)

對(duì)當(dāng)日生物質(zhì)熱風(fēng)爐供熱糧食干燥系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)性能測(cè)試結(jié)果:糧食烘干機(jī)系統(tǒng)處理量為 24.1 t/h，平均小時(shí)消耗生物質(zhì)燃料 823.3 kg、平均每噸濕糧水分每降低1%消耗燃料6.3 kg，降水幅度5.4%，單位熱耗為7 243 kJ/kgH2O，熱風(fēng)爐換熱效率72.8%。測(cè)試數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。

表1 干燥機(jī)系統(tǒng)技術(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)匯總表

4 結(jié)語(yǔ)

生物質(zhì)燃料替代燃煤的糧食干燥工藝技術(shù)在遼寧省進(jìn)行推廣應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明，生物質(zhì)燃料熱風(fēng)爐替代燃煤熱風(fēng)爐，技術(shù)與設(shè)備成熟可靠，給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益同時(shí)，還解決了環(huán)境保護(hù)和農(nóng)村生物質(zhì)資源浪費(fèi)的問(wèn)題，從源頭上減少了秸稈無(wú)序焚燒和燃煤帶來(lái)的雙重污染，取得了良好效果，同時(shí)為我國(guó)在煤炭、石油等石化能源的替代產(chǎn)品方面尋找到了新的出路，為建立適合東北地區(qū)生物質(zhì)燃料糧食干燥技術(shù)體系提供了借鑒、積累了經(jīng)驗(yàn)，具有較大推廣應(yīng)用前景。