劉國(guó)輝

遼寧省糧食科學(xué)研究所，國(guó)家糧食-玉米干燥工程中心 (沈陽(yáng) 110032)

隨著我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的加速發(fā)展，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化調(diào)整，機(jī)械化水平的不斷提高，糧食機(jī)械化干燥的需求逐步增大。糧食干燥是保障國(guó)家糧食安全的重要措施之一，具有提高糧食儲(chǔ)藏的穩(wěn)定性、保證糧食品質(zhì)、減少糧食損失等意義[1]。糧食干燥是高耗能、高污染的作業(yè)，目前我國(guó)糧食干燥過程的熱源供給工藝基本還停留在20世紀(jì)90年代的水平，大部分干燥系統(tǒng)仍以燃燒原煤為主要熱源且沒有配備完善的除塵和脫硫脫硝等設(shè)施，煤炭在燃燒過程中產(chǎn)生大量的NOx、SO2等有害氣體直接排入大氣，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

隨著國(guó)家環(huán)保政策的日趨嚴(yán)格，空氣質(zhì)量排名、環(huán)保約談、區(qū)域限批等嚴(yán)厲措施空前，作為糧食行業(yè)較大的耗能環(huán)節(jié)之一，糧食干燥已經(jīng)成為我國(guó)糧食行業(yè)“節(jié)能減排”的重點(diǎn)，燃煤作為熱源正逐漸被禁止使用，因此發(fā)展生物質(zhì)燃料、醇基混合燃料及電能等清潔能源已經(jīng)成為了必然的趨勢(shì)，現(xiàn)有的糧食干燥領(lǐng)域使用的清潔能源主要有生物質(zhì)燃料、天然氣、醇基混合燃料和電能等。

1 清潔能源在糧食干燥領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，我國(guó)糧食干燥領(lǐng)域所用的熱源種類繁多，有采用煤、天然氣、油等化石能源的燃煤、燃?xì)夂腿加蜔犸L(fēng)爐，有直接燃燒稻殼或者將農(nóng)作物秸稈等加工成塊狀燃料的生物質(zhì)熱風(fēng)爐，以及微波干燥、電熱儲(chǔ)能爐式干燥等多種熱源方式，本文主要針對(duì)幾種清潔能源進(jìn)行綜合分析。

1.1 生物質(zhì)燃料

生物質(zhì)燃料是一種以植物和農(nóng)林廢棄物為原料的既環(huán)保又可循環(huán)利用的清潔能源，具有環(huán)保節(jié)能、低碳減排等特點(diǎn)，目前用于糧食干燥的生物質(zhì)燃料主要有稻殼和生物質(zhì)成型燃料。與傳統(tǒng)化石燃料相比，生物質(zhì)燃料具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[2]：生物質(zhì)燃料可以通過光合作用再生，與風(fēng)能和太陽(yáng)能一樣同屬可再生能源，資源豐富，可以循環(huán)利用；生物質(zhì)在生長(zhǎng)中需要的CO2量相當(dāng)于作為燃料時(shí)排放的CO2量，生物質(zhì)作為燃料時(shí),在生長(zhǎng)周期內(nèi),對(duì)大氣的CO2凈排放量近似于0,是碳平衡燃料； 生物質(zhì)含硫、氮量低，燃燒時(shí)生成的SO2和NOX較少，硫和灰分含量?jī)H為中質(zhì)煙煤的1/10左右，煙塵、SO2和NOX等污染物排放濃度較低。因此，在生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面，生物質(zhì)作為能源比煤炭等化石燃料具有更大的優(yōu)越性。

1.1.1稻殼

我國(guó)是稻谷大國(guó)，每年產(chǎn)量約2億t，稻殼約占稻谷籽粒質(zhì)量的1/6～1/5，其中約含80%的可燃物質(zhì)，與煤的著火特性相比，稻殼的預(yù)熱時(shí)間短，而燃盡時(shí)間并不比煤短。與秸稈相比，稻殼灰的熔點(diǎn)較高，不易結(jié)焦，是一種良好的生物質(zhì)能源[3]。燃稻殼爐采用固定床及沸騰床相結(jié)合，在燃燒過程中，稻殼呈浮動(dòng)狀態(tài)，配有二級(jí)助燃風(fēng)，壓縮氣體打散，加強(qiáng)稻殼及煙氣的擾動(dòng)，促進(jìn)其揮發(fā)成份及細(xì)小顆粒的燃盡，稻殼灰燼呈灰色粉末狀，整機(jī)熱效率高，低碳排放，引導(dǎo)了行業(yè)環(huán)保潮流。利用燃稻殼熱風(fēng)爐干燥糧食使稻殼變廢為寶，充分解決了稻殼再加工利用困難、板結(jié)土地、污染環(huán)境等問題，極大的節(jié)省了能源，降低了干燥成本，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1.1.2生物質(zhì)成型燃料

生物質(zhì)成型燃料由農(nóng)作物秸稈、鋸末等分散生物質(zhì)原料經(jīng)專業(yè)設(shè)備加工而成的顆粒狀、塊狀或木片燃料，具有運(yùn)輸存儲(chǔ)方便、揮發(fā)分高、固定碳、S含量低、CO2零排放、SO2、氮氧化物低排放和可再生等特點(diǎn)，屬于國(guó)家支持推廣的新型清潔能源，生物質(zhì)成型燃料熱風(fēng)爐專門燃燒生物質(zhì)成型燃料。

1.2 天然氣

采用天然氣作為熱源的糧食干燥熱風(fēng)爐是直接燃燒天然氣，經(jīng)高凈化處理形成熱風(fēng)，和糧食直接接觸進(jìn)行干燥。天然氣作為糧食干燥熱源時(shí)，具有干燥介質(zhì)溫度高、燃燒產(chǎn)生的溫度比較穩(wěn)定，便于控制等優(yōu)點(diǎn)，而且天然氣是清潔能源，燃燒后產(chǎn)生CO2等，基本不排放SO2和粉塵，對(duì)大氣污染較低，烘干糧食的品質(zhì)也較為優(yōu)良[4]。

1.3 醇基混合燃料

醇基混合燃料的燃燒產(chǎn)物主要是H2O、CO2，具有無(wú)煙塵、無(wú)味、無(wú)污染的特點(diǎn)，比傳統(tǒng)的柴油具有更好的環(huán)保特性，同時(shí)該燃料具有較高的抗爆性能，燃點(diǎn)較高，不易發(fā)生火災(zāi)事故，閃點(diǎn)為20 ℃，用水即滅，比使用天然氣燃料和煤氣燃料更安全。

醇基混合燃料型熱風(fēng)爐主要是以熱能轉(zhuǎn)換成風(fēng)能的一種加熱設(shè)備，這種設(shè)備是將醇基混合燃料以物理方式進(jìn)入燃燒室燃燒，然后將熱能通過熱轉(zhuǎn)換區(qū)對(duì)燃燒室產(chǎn)生的熱量經(jīng)過風(fēng)機(jī)帶入送風(fēng)口，然后對(duì)糧食進(jìn)行加熱烘干，高效熱風(fēng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)為物理燃燒法，熱風(fēng)爐的熱轉(zhuǎn)換率達(dá)90%以上，具有高效、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)。

1.4 電熱儲(chǔ)能型熱源

電熱儲(chǔ)能技術(shù)是采用先進(jìn)的水電分離技術(shù)、高壓控制技術(shù)和儲(chǔ)能保溫技術(shù)，將夜晚電網(wǎng)閑置的、廉價(jià)的低谷電、風(fēng)力發(fā)電或太陽(yáng)能發(fā)電的電能轉(zhuǎn)換成熱能儲(chǔ)存起來，根據(jù)不同需求通過交換裝置，將儲(chǔ)存的熱能轉(zhuǎn)換成熱水、熱風(fēng)、蒸汽或在用電高峰時(shí)段發(fā)電饋送到電網(wǎng)。交換裝置可全天24 h連續(xù)穩(wěn)定釋放儲(chǔ)存的熱能，使用過程中沒有任何廢氣、廢水、廢渣產(chǎn)生，沒有飄塵、PM2.5微塵、SO2、NOx的排放，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳零排放[5]。

電熱儲(chǔ)能式糧食干燥熱風(fēng)爐是利用現(xiàn)有的電熱儲(chǔ)能技術(shù)將夜間閑置的、廉價(jià)的低谷電或棄用電(風(fēng)電地區(qū))轉(zhuǎn)換成熱能存儲(chǔ)在儲(chǔ)能爐內(nèi)，經(jīng)溫度調(diào)節(jié)裝置將儲(chǔ)能爐300 ℃～500 ℃的熱空氣轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的、適合糧食干燥需要的熱風(fēng)輸出[6]。電熱儲(chǔ)能式熱風(fēng)爐突破解決了常規(guī)電熱爐功率小的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模和超大規(guī)模的供熱能力，達(dá)到了糧食干燥熱風(fēng)輸出溫度和熱量的精準(zhǔn)控制，解決了長(zhǎng)期困擾糧食干燥行業(yè)能耗高、熱效率低、污染物排放嚴(yán)重超標(biāo)的難題，替代目前廣泛使用的燃煤熱風(fēng)爐，不僅有利于環(huán)境污染的治理，也必將促進(jìn)我國(guó)糧食干燥行業(yè)的清潔發(fā)展。

1.5 對(duì)比分析

1.5.1熱效率對(duì)比

在以上介紹的幾種清潔能源中，電熱儲(chǔ)能型熱風(fēng)爐的熱效率最高，能達(dá)到95%，傳統(tǒng)的燃煤爐的熱效率最低，基本在65%左右，具體見圖1。

1.5.2投資成本、污染程度和換熱次數(shù)對(duì)比

傳統(tǒng)的燃煤熱風(fēng)爐的污染程度最高，正在逐步被市場(chǎng)淘汰，電熱儲(chǔ)能型熱風(fēng)爐的污染程度最低，達(dá)到了零排放；電熱儲(chǔ)能型熱風(fēng)爐的設(shè)備一次性投資成本最高，生物質(zhì)燃料熱風(fēng)爐的投資成本最低，適合稻谷產(chǎn)區(qū)小規(guī)模糧食干燥使用；天然氣直接加熱糧食，易產(chǎn)生火災(zāi)事故，使用過程中應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備管理，具體指標(biāo)比較見表1。

圖1 熱效率對(duì)比圖

表1 不同熱源主要指標(biāo)對(duì)比表

2 清潔能源在糧食干燥應(yīng)用中存在的問題

我國(guó)是以煤碳作為主要能源的國(guó)家，以前的糧食干燥也多采用煤碳作為熱源，傳統(tǒng)燃煤熱風(fēng)爐的出風(fēng)溫度高，烘干速度快，煤炭熱值高，價(jià)格低，熱風(fēng)爐的采購(gòu)和運(yùn)行成本相對(duì)較低，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性較好。但由于燃煤熱風(fēng)爐尾氣排放存在嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，按照國(guó)家大氣環(huán)境治理的總體要求，燃煤熱風(fēng)爐將逐漸退出市場(chǎng)，或者進(jìn)行環(huán)保升級(jí)改造。近年來，選擇低碳、環(huán)保、可再生的清潔能源已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，生物質(zhì)燃料、天然氣、電能等清潔能源在糧食干燥領(lǐng)域都在積極地被開發(fā)利用，由于各種因素的制約，清潔能源在使用過程中存在諸多問題。

2.1 生物質(zhì)燃料

生物質(zhì)熱源干燥糧食是目前糧食干燥作業(yè)較理想的熱源之一，但大多數(shù)人對(duì)生物質(zhì)成型燃料可再生、低污染、使用方便等特性認(rèn)識(shí)不夠，同時(shí)，各類生物質(zhì)燃料都需要大量的可持續(xù)供應(yīng)的原料，因而不可避免地存在著對(duì)生物質(zhì)原材料的競(jìng)爭(zhēng)，受到稻殼、秸稈等生物質(zhì)供應(yīng)量少，不加除塵設(shè)備容易造成粉塵污染等局限，阻礙了先進(jìn)技術(shù)裝備的推廣應(yīng)用。

生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)中的原料預(yù)處理、成型工藝、設(shè)備、成型燃料結(jié)渣嚴(yán)重和不同生物質(zhì)成型燃料燃燒性能差異大等方面仍然存在諸多問題，解決好這些問題是確保生物質(zhì)致密成型和利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，尚有大量的工作需要進(jìn)行。生物質(zhì)成型燃料結(jié)渣現(xiàn)象在技術(shù)上還沒有從根本上解決，秸稈類生物質(zhì)固體成型燃料在鍋爐內(nèi)燃燒時(shí)，秸稈類生物質(zhì)在生長(zhǎng)過程中吸收的金屬元素會(huì)全部或者部分發(fā)生熔化，形成玻璃狀堅(jiān)硬爐渣，難以清除。另外，煙氣中夾帶著熔化或半溶化的堿金屬硅酸鹽，在接觸到鍋爐內(nèi)壁面時(shí)凝結(jié)，不斷積聚，最終產(chǎn)生嚴(yán)重的積灰或結(jié)渣等問題。結(jié)渣現(xiàn)象不僅會(huì)影響燃燒設(shè)備的熱性能，而且會(huì)危及燃燒設(shè)備的安全性。

2.2 天然氣

天然氣作為熱源一個(gè)主要障礙是輸送能力，由于糧食干燥多在農(nóng)村或城市周邊地區(qū)，受地域限制，天然氣并不能直接鋪設(shè)管道至現(xiàn)場(chǎng)，需要大瓶采購(gòu)、自建降壓站，增加了天然氣的采購(gòu)成本，而且由于天然氣的熱值較低，與燃煤相比，會(huì)增加糧食干燥的成本，并且在糧食干燥過程中煙道氣直接穿過糧食，易造成火災(zāi)事故。

2.3 醇基混合燃料

醇基混合燃料是近幾年開發(fā)的新型清潔能源，在糧食干燥領(lǐng)域的應(yīng)用屬于市場(chǎng)開發(fā)階段，醇基混合燃料型熱風(fēng)爐需要對(duì)原有的燃煤熱風(fēng)爐進(jìn)行改造，增加了設(shè)備投資成本，同時(shí)醇基混合燃料的生產(chǎn)受到諸多因素的制約，不能大規(guī)模生產(chǎn)，目前只能滿足小型糧食干燥系統(tǒng)的要求。

2.4 電熱儲(chǔ)能式熱源

電熱儲(chǔ)能技術(shù)涉及到了10 kV以上高壓電的直接引入，糧食企業(yè)在用電申辦手續(xù)方面電力主管部門沒有相關(guān)的、可直接參考的標(biāo)準(zhǔn)，使得電熱儲(chǔ)能式熱風(fēng)爐的推廣使用受到了極大的限制，同時(shí)由于設(shè)備一次性投資3倍于燃煤型熱風(fēng)爐，明顯高于燃煤型熱風(fēng)爐，企業(yè)負(fù)擔(dān)較重，雖然電熱儲(chǔ)能式熱風(fēng)爐是目前最“綠色”的糧食干燥熱源，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著，但目前企業(yè)的普遍反映就是“好東西用不起”。

3 建議

隨著環(huán)境污染問題日益突出，清潔能源的應(yīng)用已經(jīng)得到各行各業(yè)的高度重視，開發(fā)和利用好清潔能源，推進(jìn)清潔能源在我國(guó)糧食干燥領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，對(duì)解決環(huán)境污染、能源短缺等一系列社會(huì)熱點(diǎn)問題具有重要意義。天然氣、醇基混合燃料、電能等作為糧食干燥作業(yè)的新型能源，由于應(yīng)用成本較高，技術(shù)難度大，推廣應(yīng)用還需要國(guó)家有關(guān)部門應(yīng)給予政策上的大力支持。國(guó)家可以通過制定能源稅、環(huán)境保護(hù)稅等政策來促進(jìn)清潔能源的發(fā)展，使環(huán)保意識(shí)及可持續(xù)發(fā)展意識(shí)深入人心。

由于長(zhǎng)期對(duì)糧食干燥領(lǐng)域熱源方面的研究不夠重視，致使該環(huán)節(jié)基礎(chǔ)技術(shù)研究滯后，從而造成產(chǎn)品技術(shù)含量低，性能不佳等諸多問題。技術(shù)研究主管部門、地方政府應(yīng)對(duì)清潔能源項(xiàng)目進(jìn)行科學(xué)的可行性分析和論證，充分考慮國(guó)家政策、地理分布、利用途徑、已有企業(yè)類型和經(jīng)濟(jì)效益等，技術(shù)研究立項(xiàng)規(guī)模要合適，地點(diǎn)選擇要恰當(dāng)，項(xiàng)目管理要科學(xué)，從而保證清潔能源基礎(chǔ)技術(shù)研究的深入開展，確保對(duì)行業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展切實(shí)有益。

在我國(guó)糧食干燥領(lǐng)域清潔能源的發(fā)展過程中，僅有政策的支持而缺乏外部資金市場(chǎng)的力量是難以發(fā)展起來的，需要政府、行業(yè)組織和企業(yè)通力合作來改善現(xiàn)在的干燥熱源問題。除了政府制定的發(fā)展政策和鼓勵(lì)措施外，還應(yīng)引導(dǎo)第三方社會(huì)資本力量加入，以推動(dòng)清潔能源體系的發(fā)展建設(shè)，促進(jìn)糧食干燥行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，提高社會(huì)效益、生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。