谷物糧食干燥系統熱源改造及性能分析

楊先亮，郜坤，戎瑞，時國華

華北電力大學能源動力與機械工程學院（保定 071003）

糧食干燥作業是一個高能耗的過程，據不完全統計，對1 t糧食進行干燥作業需要消耗標準煤0.07 t。如果采用較為常規的能源來對我國的糧食進行干燥作業，需要消耗的標準煤4 000萬 t以上。現階段糧食干燥系統大都采用鍋爐燃燒煤炭作為熱源，煤炭在燃燒的過程當中排放出大量的SO2、NOx與粉塵污染物，對環境造成巨大的污染，且在換熱過程當中存在生產率低下、介質溫度相對較低和熱量浪費的現象，可以看出糧食干燥系統整個過程當中的節能空間是十分巨大的，因此對于糧食干燥系統的熱源進行節能改造迫在眉睫。

天然氣是一種高效、優質和潔凈能源，與傳統的石油和煤炭能源相比較，能夠在一定程度上減少NOx與CO2的排放。然而天然氣在我國的一次能源當中的占比僅為4%左右，與世界的平均水平24%相差甚遠，所以對于天然氣能源的推廣應用，是國家能源發展首要任務。隨著能源結構優化調整，天然氣應用發展得到進一步的提升，天然氣消費比重提高了1.9%。

在糧食干燥系統當中，將傳統的煤炭燃料用天然氣來進行替代，具有熱效率高、出力穩定、污染物排放低和系統簡單可靠等特點，所呈現出的環保與節能的優勢十分得明顯。但是，現階段在糧食干燥系統當中天然氣的應用十分有限，相關的實踐非常少。對某糧站的熱風干燥系統進行改造，對于原干燥系統中的燃煤鍋爐用天然氣鍋爐進行改造，使得原來污染與熱效率低下的問題得到有效的解決，為天然氣在糧食干燥系統的應用提供相關的經驗。

1 原有干燥系統概況

河北某糧站運用干燥塔系統進行干燥作業，糧食經過干燥之后達到儲藏水分，最終入庫儲藏。在干燥過程當中所采用的熱源為燃煤鍋爐，干燥介質為經過換熱后的高溫空氣。整個干燥系統如圖1所示，從圖1中能夠看出該系統主要包含上煤機、鏈式鍋爐、鼓風機、引風機、管式換熱器、熱風機1、熱風機2、冷風機、干燥塔、提升機、風溫傳感器、爐溫傳感器和配電室。鼓風機將空氣引入鍋爐爐膛中，與上煤機運入的煤混合燃燒，燃燒后生成的高溫煙氣排入換熱器當中，與引入的常溫空氣進行換熱，經過換熱后常溫空氣溫度升高，當溫度達到干燥要求時，將高溫空氣引入干燥塔內，與提升機所運入的糧食進行有效的接觸，使水分得到蒸發降低。整個進程中，爐溫傳感器主要是對鍋爐燃燒生成的煙溫進行實時檢測，風溫傳感器主要對干燥介質的溫度進行實時檢測。從圖1可以看出有兩個熱風管向干燥塔內部供應熱風，規定距離體面較高的熱風管所供應的熱風為一次熱風；另外一個熱風管所供應的熱風為二次熱風。由于糧食剛開始時水分較高，故一次熱風的溫度較二次熱風較高。一次熱風與二次熱風的溫度分別為96和83 ℃。鍋爐的相關參數如表1所示。

上述的干燥系統經過長期的運行，發現該系存在以下的問題：

1) 燃煤鍋爐在長期運行的進程中的熱效率相對較低，并且著火條件較差、煤耗量十分高。尤其在冬季，受到外界的環境影響，鍋爐運行所呈現出的熱效率更低，耗煤量更高。

2) 在換熱器的環節，鍋爐所排除的煙氣與空氣進行換熱之后，溫度依然比外界空氣的溫度高，長期運行造成大量的熱量損失，且換熱的效率較低。

3) 鍋爐在運行當中煤炭燃燒排放出大量的SO2、NOx與粉塵污染物，對環境造成巨大的污染，是減排的重點對象。

圖1 原糧食干燥系統示意圖

表1 燃煤鏈條熱風爐的相關參數

2 天然氣熱風爐糧食干燥系統

為了克服原糧食干燥系統的不足之處，提出用天然氣直燃熱風爐來對原糧食干燥系統的鏈式燃煤熱風爐進行改造，其干燥介質是天然氣燃燒生成的煙氣。經過改造之后的干燥系統如圖2所示，該系統由天然氣熱風爐、引風機、熱風機1、熱風機2、冷風機、干燥塔、提升機、風溫傳感器和配電室組成。天然氣在絕熱的燃燒區內進行燃燒，能夠產生1 200 ℃以上的煙氣。煙氣與空氣在混合區進行有效的混合，經過混合得到100 ℃左右的熱風。熱風由熱風機引入到干燥塔內部。天然氣熱風爐糧食干燥系統的相關設計參數如表2所示，天然氣燃料選用“西氣東輸”所輸送的天然氣，具體的成分如表3所示。天然氣熱風爐的結構示意圖與其燃燒器的實物圖如圖3和圖4所示。

3 改造效果及節能分析

3.1 運行效果分析

在燃燒過程中，正確選擇和控制過量空氣系數α（實際供給的空氣量V與理論空氣需要量V0之比等于過剩空氣系α）值的大小十分重要。α過小會導致燃燒不完全，造成能源的浪費和對環境的污染；α過大則使煙氣體積增大，爐膛溫度與煙氣溫度降低。實際運行中的天然氣鍋爐的過量空氣系數α的值為1.15，根據前面所敘述的天然氣的鍋爐的各個條件與模型，通過fluent軟件來對其運行效果進行分析。模擬得到爐內燃燒溫度場與速度場如圖4和圖5所示。

通過圖4（a）能夠看出，內筒中心燃燒區域溫度較高，火焰最高溫度1 857 K，火焰長度接近2 m，火焰高溫區位于燃燒器噴口與內筒擋火板之間，擋火板起到了防止高溫火焰蔓延至外筒的作用；內筒壁面最高溫度區位于擋火板及其附近區域，溫度為1 200～1 600 K。圖4（b）為內筒壁面溫度分布云圖，可知內筒壁面最高位置為擋火板與內筒壁面焊接處，溫度約為1 215 K。圖4（c）為內筒擋火板壁面溫度分布云圖，可知內筒擋火板壁面最高溫度約為1 400 K，位置位于擋火板中心處和焊接接口處。上述的壁面的最高溫度均小于耐高溫不銹鋼板材的耐熱溫度，安全性得到保障。由圖4（d）可知，熱風爐出口處熱風最高溫度約為660 K，面積平均溫度約為374 K（101 ℃），熱風爐出口煙溫完全符合實際干燥需要，但也能夠看出熱風爐出口煙溫混合并不均勻，局部煙氣溫度較高，這也為今后熱源結構的改造提供方向。

圖5（a）、圖5（b）與圖5（c）分別為熱風爐內氣流速度跡線圖、矢量圖和云圖。由圖5可知，天然氣與空氣在內筒內由燃燒器出口處開始逐步摻混，擋火板的存在，使氣流產生了較為明顯的回流（圖5a），加速了氣體的混合，使燃燒更加穩定充分；同時外筒的導流板后部也產生了較為明顯的回流區，這使得高溫煙氣與摻混空氣能夠更好地混合。圖5（d）為燃燒器頭部不同X截面處氣流速度分布云圖，從不同截面速度衰減情況可以看出，燃燒器孔板結構的存在，使得天然氣和助燃空氣在較短的距離內產生了充分混合，促進了燃燒的充分穩定進行，也使火焰長度明顯減小。由于熱風爐的目的是產生溫度相對較低（100 ℃）的熱風，不需要像燃氣熱水爐一樣保證足夠的換熱面積和溫差，熱風爐的熱風都由熱煙氣和空氣的混合產生，因而該燃燒器在保證充分穩定燃燒的同時，較短的火焰長度也有利于減小熱風爐尺寸，但火焰寬度不宜過大，以免造成內筒壁面溫度過高。

表2 天然氣熱風爐設計參數

表3 天然氣主要成分

圖2 天然氣熱風爐的結構示意圖

圖3 天然氣熱風爐燃燒器實物圖

圖4 燃燒溫度場模擬圖

圖5 爐內相關氣流速度場圖

3.2 節能性分析

原糧食干燥系統的熱源為燃煤鍋爐，系統熱源的能流如圖6所示。燃料燃燒產生的煙氣到最終轉化成干燥介質的進程中存在三種熱損失，分別是鍋爐本體的熱損失、煙氣輸送過程中的管道損失與換熱器的熱損失。

圖6 原干燥系統熱源能流圖

原干燥系統熱源的各項熱損及效率如表4所示。

干燥系統熱源經過改造后的系統中僅存在兩部分的熱損失，分別是鍋爐爐體的散熱損失與天然氣燃燒熱損失。改造后干燥系統熱源的各項熱損及效率如表5所示。

通過表4和表5對比可以看出，改造后的干燥系統的總效率比原來干燥系統總效率提升了49.01%，節能的效果相當明顯。

表4 原干燥系統熱源的各項熱損及效率

表5 改造后干燥系統熱源的各項熱損及效率

4 結論

通過對原有的干燥系統熱源進行改造，選用天然氣直燃熱風爐來替代原來的燃煤鍋爐，通過模擬與能耗對比分析得出以下結論：

1) 天熱氣熱風爐運行過程中的性能較好，燃燒穩定充分，能夠達到干燥所要求的風溫與風量，干燥介質的溫度能夠達到100 ℃以上，且熱煙氣與空氣的混合程度良好，但是熱風爐出口煙溫混合并不均勻，局部煙氣溫度較高，這也為今后熱源結構的改造提供方向。

2) 改造后的糧食干燥系統與原來系統相比，熱損失得到較大的抑制，熱效率提升了49.01%。

3) 通過改造能夠節約大量煤炭的燃燒，減少NOx、CO2與SO2的排放，環保效果相當明顯。