PDF《生物质燃料在粮食烘干中的应用》

生物质燃料在粮食烘干中的应用 王桂英1 ,吴文福2 ,徐岩2 (1.

吉林大学超塑性与塑性研究所,吉林长春130025;

2.吉林大学生物与农业工程学院,吉林长春130025) 摘要:在全球节能减排、低碳环保的形势下,生物质燃料由于具有来源广、成本低、污染小、可再生等优点而被世 界各国以新的形式开发利用.粮食烘干是高能耗的作业,而我国又是多煤贫油的国家,如果将生物质燃料作为粮食烘 干的热源,将会更有助于降低粮食烘干成本和保护环境,而开发生物质燃料热风炉将是未来粮食烘干热源装置的趋势 .我国自主研制的生物质燃料热风炉的典型代表是稻壳炉,液体和气体生物质燃料热风炉还处于研究阶段,但会随着 液体和气体生物质燃料转化技术以及燃油炉、燃气炉制造技术的进步,逐步用于粮食烘干领域. 我国是世界上最大的粮食生产和消费的国家,最新报道显示,2013年我国粮食总产量已超过6亿t.目前我国广大地 区的粮食干燥仍然以人工晾晒为主,每年机械化干燥的粮食约为3700万t.据不完全统计,我国干燥1t粮食消耗标准煤 0.07t,所以仅粮食干燥一项每年就需耗用约260万t的标准 煤[1] .我国是以煤作为主要能源的国家,粮食烘干机也多采用煤作为热源.若按照目前我国化石能源的污染物排放系数, 消耗260万t标准煤会排放约700万tCO2,1.9万tSO2,2万tNOx 和0.72万t烟尘.我国粮食干燥系 统大多没有配备节能减排设备,燃料燃烧产生的CO

2、SO2 、Na等气体排放物直接排人大气,会对环境造成严重污染.可见粮食烘干是高能耗、高污染的作业,而且随着粮食 机械化烘干规模的扩大,需要的能源更多,污染物的排放量会更大. 在目前人类社会正面临着能源危机与环境污染的双重压力下,世界各国都提倡节能减排、低碳环保,如何开发利用 清洁能源用于粮食烘干是农业生产的重要议题,生物质燃料是由此应用而生的具有成本低、污染小、可再生的新能源 . 1生物质燃料 生物质燃料是生物质能的载体,将太阳能转化 为化学能的形式贮存[2] .所谓生物质能,就是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式,即以生物质为载体的能量.它直接或间接来 源于绿色植物的光合作用,可转化为常规的固态、液态和气态燃料,取之不尽,用之不竭[3] . 与传统化石燃料相比,生物质能源具有独特的优点:①生物质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,可以循环利用. ②生物质在生长中需要的CO2量相当于作为燃料时排放的CO2量,CO2 净排放量近似为0,是碳平衡燃料.③ 生物质含硫、氮量低,燃烧时生成的SO2和NOx 较少,硫和灰分含量仅为中 质烟煤的1/10左右.研究发现,提供相同能量,煤炭的S 和NOx 排放量分别是秸秆的7倍和1.15倍,用1万t秸秆替代煤炭能量,烟尘排放将减少100t.因此,在生态环境保护方面,生 物质作为能源比煤炭等化石燃料具有更大的优越性. 2粮食千燥 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[4].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 按粮食干燥机的工作原理,即谷物与气流运动方向的不同,粮食干燥工艺可分为横流干燥工艺、顺流干燥工艺、逆 页面

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7 流干燥工艺、混流干燥工艺,以及两种工艺的联合.相应的粮食干燥机也有横流式干燥机、顺流式干燥机、逆流式干 燥机、混流式干燥机以及顺逆流、混逆流和顺混流干燥机等.无论采用哪种干燥工艺,使用哪种干燥机,都需要供热 设备,热源装置是粮食干燥机的关键部件;

而且热耗是评定粮食干燥机性能的重要指标之一.我国粮食干燥机单位能 耗在6700kJ/(kgH2 O)左右,而国外发达国家单位能耗约为4600kJ/(kgH2 O),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. 2.2粮食干燥的供热装置――热风炉 从热源上分析,我国粮食机械化干燥绝大部分采用热风式干燥.热风干燥属于对流干燥,即使用热空气或洁净烟气 作为介质,与粮食直接接触,同时向粮食供热并带走气化的水分.热风炉是粮食干燥设备的主要供热系统.热风炉按 供热方式可分为直接供热和间接供热两种.间接加热式热风炉,主要由燃烧室和烟气-空气热交换器组成,即由燃烧 室产生高温烟气,通过热交换器间接加热空气,将得到的洁净热风作为热媒,用于干燥工艺过程.间接加热由于经过 了换热器环节,不但影响热效率而且增加了庞大的换热装置.相比较而言,直接加热式热风炉,以高温烟气与室外空 气混合气体作为热媒,省却换热设备而提高了热效率.粮食作为一种食品,对干燥品质要求较高,需要热媒具有较高 洁净度. 一般而言,以煤、稻壳、秸秆等燃料作为热源的干燥系统,由于不易完全燃烧,烟气含有污染物,通常需要配备换 热器,间接干燥粮食;

以柴油、天然气、煤气等作为燃料的干燥系统,则因燃烧器技术完善,燃烧烟气相对洁净,不 需要配备换热设备,可直接干燥粮食. 评价粮食干燥工艺是否完善、合理,应符合高效、节能、无污染的原则,采用生物质燃料热风炉就符合节能和污染 小的原则. 3生物质燃料在粮食干燥中的应用 生物质燃料是一种可再生的新型清洁能源,具有环保节能、低碳减排等特点,用于粮食干燥的热源有广阔的发展前 景. 目前用于粮食干燥的生物质燃料主要有3类:①固体燃料,如秸秆、稻壳、成型生物质燃料等;

②液体燃料,如生 物柴油;

③生物质燃气,如沼气、稻壳煤气、生物质发酵制取氢气等气体燃料. 3.1生物质固体燃料在粮食干燥中的应用 3.1.1生物质固体燃料的燃烧特性及经济性生物质固体燃料基本上由有机物组成,其主要组成是粗纤维(包括纤维素 、半纤维素、木质素),还有少量的蛋白质、糖类和脂 类物质[5] ,因此燃烧着火点低,如稻壳的燃点为350°C.和煤炭相比较,生物质固体燃料的挥发分含量要高的多,材料中焦 碳的燃烧着火很大程度上是依靠挥发分燃烧放出的热量来实现的,这与煤粒的着火有很大区别.研究表明,生物质材 料的挥发分析出迅速猛烈,而且在挥发分几乎完全燃烧后焦碳才开始燃烧. 生物质固体燃料多数是工农业生产中产生的有机废料,价格低廉,稻壳的价格仅为煤的1/6,柴油的1/20,而稻壳的 热值则为煤的1/2,柴 油的1/3.即1kg的秸秆或稻壳的发热量相当 于0.5kg的煤,计算表明,1hm2 土地上的玉米秸秆能量能供约10hm2 土地上玉米的干燥.可见,燃烧生物质热风炉不仅环境污染程度低,而且由于设备投资小,燃料费用较低,具有很好 的经济性.我国现有不同热源热风炉主要指标的比较见表1. 由表1可见,生物质热风炉跟燃煤、燃油热风炉相比,具有污染程度低、设备投资小、热源费用小等特点;

虽然电 加热装置具有无污染、热效率高等优点,但是电加热使用的是二次能源,热源费用极大. 页面

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7 3.1.2生物质固体燃料在粮食干燥中的应用 燃烧生物质固体燃料的热风炉主要是秸秆燃烧炉和稻壳炉.由于秸秆、稻壳等燃料含水率大,而且成分复杂,变化 大,随机性大,不同品种、不同地区、不同季节的秸秆成分不会完全一致,这要求热风炉具有更高的适应性.另外生 物废料在燃烧过程中,可能发生烧结现象,影响热风炉的正常运行,烧结与温度、风速和气氛有关,温度是最主要因 素,每种生物质燃料都有一定的烧结温度.在设计热风炉时这些因素均应考虑在内. 燃烧技术一般分为固定床、流化床和悬浮燃烧三种形式,相应的生物质燃料燃烧装置主要有层状燃烧装置、流化燃 烧装置和扩散燃烧装置三类.生物质层状燃烧控制比较困难,但与其他热风炉相比较,具有造价低、燃料费用低等特 点.粉碎后的生物质燃料形状各异,在流化床中不能单独进行流化,通常加入廉价惰性物料如沙子、白云石等来改善 流 化性能.采用扩散燃烧方式的炉子,由于在燃烧室中生物质燃料和空气接触较为充分,燃烧完全,温度也较稳定[6] . 生物质热风炉设计必须采用适合于生物质燃料的结构和措施.在设计中采用逆流燃烧方式,即燃烧火焰方向与进料 方向相反,这种燃烧方式使热烟气流经过湿燃料表面,促进了燃料的干燥和水蒸气输送,使燃料易于着火.在配风方 面,由于热风炉后部配有引风机,炉膛燃烧方式为微负压燃烧,一次空气通过炉排下的炉渣室吸人,二次空气通过高 压鼓风机沿两侧风管切向喷人炉膛.这样既可有效地控制强风将炉排上的飞灰和未燃尽的碳粒吹走,又保证了生物质 燃料完全燃烧所必需的大量空气[7] .目前正在研究和使用的固体生物质燃料热风炉有以下几种. 3.1.2.1采用传统燃烧方式的层状燃烧热风炉 层燃炉具有多种形式,包括固定床、活动炉排、链条炉排、旋转炉排和振动炉排等,层燃炉适用于含水率高、燃料 尺寸变化大和灰分含量高的生物质燃料.设计炉排时需要保证燃料均匀分布,并且保证一次空气在炉排不同区域的均 匀供给,灰层能覆盖整个炉排面.层燃炉的另一项重要技术是分阶段燃烧,它将燃烧区域分为初级燃烧室和二次燃烧 室,分离了气化和氧化阶段,避免了二次空气过早混合. 黑龙江农垦学院农业工程研究所主持研制的CL-40秸秆燃烧炉,可作为通风干燥仓和干燥机的配套能源设备,该炉 单位热量燃料费低,仅相当于煤的1/3,柴油的1/7[8] .稻壳热风炉在粮食干燥方面有很好的应用价值,按照降水5.5个百分点计算,使用稻壳热风炉的干燥机与使用燃油 炉相比,干燥1t稻谷可以节省6/7左右的能耗成本[9] .佳木斯科佳干燥设备........