生物質燃料替代燃煤的糧食干燥工藝技術及應用

劉盛華

（遼寧省糧食科學研究所，沈陽 110032）

我國作為一個人口大國，又是一個糧食生產和消費大國，保障國家糧食安全意義重大，東北地區糧食收獲時水分高、氣溫低，必須經過干燥處理才能安全儲藏，因而糧食干燥是保障糧食安全的重要環節之一，也是糧食生產和流通耗能最高的環節。目前90%以上的糧食干燥設備以燃煤熱風爐提供熱源，能耗高、熱效率低、污染物排放嚴重超標等問題一直沒有解決，冬季燃煤干燥糧食和秸稈無序焚燒造成雙重污染，已經不適應當前環保需要，同時隨著全世界范圍內一次能源的快速消耗并逐漸面臨枯竭，也倒逼著人類社會必須尋找和發展可再生清潔能源，環保、安全、經濟的生物質能源代替石化能源將成為中國乃至全球能源發展的必然趨勢。

經過多年的研究和在遼寧一些糧庫進行的糧食干燥負載試驗和生產運行考核證明：生物質燃料替代燃煤的糧食干燥工藝技術已經成熟，滿足了新形勢下糧食干燥領域的技術需求，可以進行推廣應用。推廣生物質燃料替代燃煤的糧食干燥工藝技術，對于減少燃煤消耗、減少燃煤污染物排放量，實現煤炭消費減量替代，推動糧食干燥技術領域環保升級，都具有重要的現實意義。

1 生物質成型燃料性能特點

1.1 生物質固體成型燃料的組成結構

生物質成型燃料是將作物秸稈、稻殼、木屑等農林廢棄物粉碎后，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。生物質成型燃料由可燃質、無機物和水分組成，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：生物質成型燃料含氫量多(約為 8%～10%)，揮發分高(約為 75%)。生物質燃料中碳多數和氫結合成低分子的碳氫化合物，遇到一定的溫度后熱分解而析出揮發；硫：生物質成型燃料中含硫量少于0.02%；氮：生物質成型燃料中含氮量少于0.15%，氮氧化物（NOx）排放完全達標；灰分：生物質成型燃料采用高品質的木質類生物質作為原料時灰分只有3%～5%左右。

1.2 生物質成型燃料的物理特性

生物質燃料成型后的主要技術參數：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；低位發熱值13.4～20 MJ/kg，燃燒率≥96%；排煙黑度（林格曼級）＜1，排塵濃度≤80mg/m3。燃盡的灰燼可作為優質的鉀肥直接還田改良土壤。

1.3 生物質成型燃料的燃燒特性

（1）生物質成型燃料在燃燒時釋放出的CO2大體上相當于其生長時通過光合作用所吸收的CO2，所以生物質燃料溫室氣體CO2為生態零排放。

（2）生物質成型燃料屬低碳能源：生物質燃料含碳量較少，燃燒以揮發份為主，碳含量平均僅為37%，但以固定碳含量為標志的炭化程度平均為17%，生物質燃料不抗燒，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物形成揮發份，揮發份含量平均高達75%～85%，生物質燃料中的碳多數和氫結合成低分子的碳氫化合物，遇一定的溫度后熱分解而析出揮發物，非常有利于生物質燃料燃燒，燃燒初期，析出量較大，在空氣和溫度不足的情況下易產生鑲黑邊的火焰。在使用生物質為燃料的設備設計中必須注意到這一點。

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

（5）含硫量低。生物質燃料含硫量大多數少于0.02%，不腐蝕鍋爐，可延長鍋爐的使用壽命，燃燒時不必設置氣體脫硫裝置，降低了設備投資成本，又有利于環境的保護。

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

2 生物質燃料替代燃煤的糧食干燥工藝系統

2.1 生物質燃料供熱的糧食干燥系統工藝流程

生物質燃料供熱的糧食干燥工藝系統與燃煤供熱的糧食干燥工藝系統的區別在于熱源的不同及煙氣處理工藝的不同，生物質燃料供熱的糧食干燥系統主要由烘干塔、生物質熱風爐、列管換熱器、布袋除塵系統、熱風機、冷風機、鍋爐引風機、輸送設備和電控系統等組成。潮濕糧食不斷裝入烘干塔，干燥后連續地輸出，糧食在干燥機內先經多段 “熱氣流干燥+緩蘇”，再通過冷氣流冷卻后排出塔外，干燥工藝如圖1所示。

圖1 生物質燃料供熱的糧食干燥系統工藝流程

2.2 糧食干燥生物質燃料熱風爐系統需解決的技術關鍵

2.2.1 控制煙氣粉塵

可通過生物質成型燃料加工過程中過濾掉大顆粒灰塵、制粒時增加添加劑、燃燒過程中煙氣中的灰塵團聚、排煙經旋風緩沖收塵、吸收反應塔和綜合反應器吸塵、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濾風速等多項技術相結合，有效降低生物質成型燃料燃燒時粉塵的產生、實現生物質成型燃料熱風爐排煙粉塵低含量排放，達到超凈排放標準。

2.2.2 控制排煙二氧化硫含量

除常用的濕法、半干法、干法三大類煙氣脫硫技術外，還可通過生物質成型燃料原料摻混、控制爐床燃燒溫度固硫、煙氣深冷凝結等多項技術相結合，實現生物質成型燃料熱風爐排煙二氧化硫低含量排放，達到超凈排放標準。

2.2.3 控制排煙氮氧化物含量

可通過生物質成型燃料低氮燃料、燃料分級燃燒、控制燃燒區域溫度和氧濃度、一次風和二次風的分級配風、煙氣再循環三次風燃燒等多項技術相結合，實現生物質成型燃料熱風爐排煙氮氧化物低含量排放，達到超凈排放標準。

2.2.4 提高熱風爐效率

生物質成型燃料熱風爐爐膛調整一次風系統，增加二次風系統、三次風系統有利于爐膛內充分燃燒；合理的過量空氣系數有助于熱風爐效率；排煙經過余熱回收，可提高熱風爐燃燒效率和燃燒穩定性，減小結焦風險，降低排煙溫度，提升熱風爐效率。

2.2.5 優化熱風爐和換熱器結構及工藝參數

設計熱風爐時應通過降低爐膛截面熱負荷，降低燃燒溫度，并考慮風速,防止結焦；通過降低爐膛容積熱負荷，降低飛灰顆粒溫度，防止高溫積灰和降低煙氣中可燃氣體含量；優化布風室及積灰室結構尺寸，降低煙氣飛灰現象；熱風爐必須有足夠的擴散型空氣供給，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間，減少排煙損失；特殊爐拱結構有助于降低NOx排放濃度；從而保證生物質成型燃料鍋爐穩定、安全和高效運行。

3 生物質燃料替代燃煤的糧食干燥工藝技術應用實例

由第三方檢測機構對遼寧某糧食儲備庫正在運行的生物質燃料熱風爐供熱的糧食干燥系統生產運行現場進行技術性能測試的結果如下：

3.1 物理特性

爐膛過量空氣系數 1.5～2.1,排煙溫度 40～45℃。

3.2 基礎參數

環境平均溫度 5.8℃，相對濕度 46.5%，大氣壓力 1.013×105Pa。進機玉米水分 19.9%，進機糧溫為－1.0 ℃；出機玉米水分 14.5%，出機糧溫 16.3 ℃。

3.3 環保指標

對生物質燃料檢測結果：全硫0.12%、低位熱值13.39 MJ/kg。對生產運行現場取樣結果：熱風爐污染源經除塵器處理后，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準）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、汞及其化合物 0.05 μg/m3的要求，各點位檢測結果均符合標準。

3.4 運行指標

對當日生物質熱風爐供熱糧食干燥系統生產運行現場技術性能測試結果:糧食烘干機系統處理量為 24.1 t/h，平均小時消耗生物質燃料 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，熱風爐換熱效率72.8%。測試數據詳見表1。

表1 干燥機系統技術測試數據匯總表

4 結語

生物質燃料替代燃煤的糧食干燥工藝技術在遼寧省進行推廣應用實例說明，生物質燃料熱風爐替代燃煤熱風爐，技術與設備成熟可靠，給企業帶來經濟效益同時，還解決了環境保護和農村生物質資源浪費的問題，從源頭上減少了秸稈無序焚燒和燃煤帶來的雙重污染，取得了良好效果，同時為我國在煤炭、石油等石化能源的替代產品方面尋找到了新的出路，為建立適合東北地區生物質燃料糧食干燥技術體系提供了借鑒、積累了經驗，具有較大推廣應用前景。