糧食干燥系統尾氣廢熱回收技術及應用

文 // 張信榮 鄭秋云 北京大學工學院 高建芝 史新華 北京中競同創能源環境技術股份有限公司

據統計，我國2014年糧食總產量已經突破6億t，其中至少20%的新糧需要干燥達到安全水分后才能進入糧倉儲存。新鮮的糧食中含有大量的水分，在特定的環境中水分會不斷地蒸發，同時導致糧食出現霉變等，為此需要進行糧食加工處理和烘干作業。

在糧食干燥過程中，新鮮熱風經過順流、逆流等過程，用熱風中的熱量加熱糧食，并將糧食中的水分隨熱風攜帶出，形成低溫濕熱空氣。同時，糧食中的谷殼、灰塵和其他一些殘渣也隨低溫濕熱空氣排放。直接排放的干燥尾氣不僅將熱量排放到大氣中造成熱污染，而且里面的谷殼、灰塵和殘渣也會污染空氣。

我國是一個糧食生產大國，每年糧食儲存、加工和干燥過程中熱能浪費巨大。因此，若能將這些余熱進行回收，可有效地降低化石能源消耗，提高能源利用效率，實現可再生能源的低成本規模化開發利用。圖1為典型糧食烘干塔的原理圖。

1 糧食干燥尾氣廢熱回收中的應用設計

糧食干燥過程中的尾氣具有排放量大、雜物大量、溫度低等特性，在其尾氣回收利用過程中必須考慮以下幾方面：

①尾氣廢熱回收過程中的堵塞問題。避免尾氣中的雜物造成堵塞，影響設備的正常運行，降低尾氣廢熱的回收利用效率；

② 尾氣廢熱回收過程中的腐蝕性問題。因為尾氣是濕熱空氣，里面雜物較多，長時間使用由于雜物發酵等原因容易對廢熱回收利用設備造成腐蝕損壞；

③ 效率、安全性問題。糧食干燥行業屬于低收益、高能耗行業，但也屬于國家戰略戰備相關，所以在尾氣回收利用過程中不僅要高效，減少使用者的投資回收周期，而且更需要在整個尾氣回收利用過程中保證糧食干燥的安全性。

針對以上幾個問題，在實際應用過程中，利用水氣直接接觸換熱法將尾氣中濕熱空氣的熱量交換至水中，過濾掉尾氣中大部分的雜物，避免在糧食干燥過程中造成粉塵、碎屑、谷殼等雜物堆大氣的污染，同時也避免了由于尾氣熱能品位低、風量大而導致在間接換熱器設計過程中設備大、容易堵塞等缺陷。

通過水氣直接換熱后將尾氣中的熱量集中到水中形成30℃左右的中低溫熱水，并通過水過濾裝置去除水中雜物，這樣避免了直接對干燥尾氣過濾造成的熱量損耗，以及由于干燥尾氣風量大且分散導致的過濾不干凈、費用高等問題。

通過除雜后的中低溫熱水，有效地避免了在換熱過程中的堵塞問題，從而利用高效蒸汽壓縮熱力學循環系統回收中低溫水的中熱量，制取60～80℃的熱水，再將制取的熱水通過熱風換熱器加熱新風，替代部分糧食干燥用燃煤，達到糧食干燥過程中尾氣的回收利用。整個尾氣廢熱回收再利用的技術思路見圖2。

其中蒸汽壓縮熱力學循環系統是將低品位、分散的尾氣廢熱資源回收制取中高溫熱水的重要裝置，采用蒸汽壓縮熱力學循環系統裝置可以有效地減少石化能源的消耗。蒸汽壓縮熱力學循環系統制熱的能效比（COP值）計算公式為：

所以，蒸汽壓縮熱力學循環系統在廢熱回收利用過程中制熱的COP＞1。故蒸汽壓縮熱力學循環系統一方面其從廢熱過程中吸取熱量，減少廢熱產生的熱污染，另一方面高效制取的高品位高溫熱源可供工業、民用等，減少了企業、城市等對石化能源或電力資源的依賴。在能源缺乏的今天，蒸汽壓縮熱力學循環系統技術充分體現了清潔、環保能源技術在廢熱回收過程中的經濟、環保優勢，對國家經濟的可持續發展具有重要意義。

2 案例經濟環保效益分析

案例概況：山東省濱州市無棣縣某糧庫糧食干燥尾氣廢熱回收再利用項目。該糧庫的糧食干燥塔每天可以干燥小麥150～200t，每天可以干燥玉米120～150t，對小麥和玉米需要采用75℃左右的熱風進行干燥。糧食干燥塔的尾氣排放溫度為40℃左右，大約40000m3/h。項目大約回收30000m3/h的干燥尾氣，利用該系統制取60～70℃左右的熱水，然后利用換熱器對糧食干燥的進風進行預熱，從而實現糧食干燥尾氣廢熱的回收在利用。

實際運行過程，經檢測可生產600t/d的熱水（每天運行20h），溫度由54.4℃提升到59.3℃，溫升為4.9℃，產生熱量12348MJ/d，其中蒸汽壓縮熱力學循環系統的COP=5.207左右。若水的比熱c=4.2kJ/(kg·K)；1kg煤熱量=5000kcal；鍋爐效率=55%。將采用廢熱回收技術與傳統鍋爐加熱相對比進行核算，則有上述廢熱回收技術產生的熱量相當于每天需煤量L1為:

圖2 糧食干燥尾氣廢熱回收再利用技術思路

而在實際運行過程中在加裝糧食干燥尾氣廢熱回收再利用裝置前每天需要消耗5.9t煤左右，加裝后每天需4.8t左右，每天可以節煤1.1t左右，節煤率為18.6%。實際節煤量與計算的差別主要來源于現場用于糧食干燥的煤熱值和鍋爐效率都略低于計算值。

每年山東糧食干燥周期累計大約4個月，共計約120d。如果每年糧食干燥按照120d，每天節煤量按計算值計算，上述的案例企業每年可以為企業節省煤128.28t。如果煤價按照目前大約450元/t計算，則每年在糧食干燥周期內可以為企業節省大約5.8萬元的煤炭成本。

同時，5000kcal的煤含碳量大約60%,1t煤焚燒后大約產生400kg的煤渣，采用尾氣回收再利用后，可以減少大約51t煤渣的產生，也減少了煤渣對環境的污染。

按照含碳量來計算，企業每年可減少CO2排放約282t左右，減少NOx排放947kg左右，減少煙塵排放335kg左右，減少SO2排放1008kg左右，有利于改善該糧食干燥企業周邊的大氣環境，具有很好的環保和社會效益。

以2011年的統計數據計算，我國糧食干燥需消耗標煤約170萬t，同時排放CO2約624萬t、NOX約6.375萬t，SO2約12.75萬t。使用本項目的糧食干燥尾氣回收在利用技術后，按照節省能耗18%計算，年可以節省標準煤約30.6萬t，減少CO2、NOX、SO2等合計115.7萬t，節能減排效益明顯。

3 結論

目前我國特別是北方廣大地區，糧食干燥需求量非常大，但是能耗為國外發達地區的1.5～2倍。而且大多數的糧食干燥尾氣都直接排放到大氣，造成環境污染，也浪費了大量的能源。采用本文中的糧食干燥尾氣回收再利用技術，可以高效地回收利用尾氣中的低品位能源，減少糧食干燥過程中化石能源的使用，可為糧食干燥企業每年至少節省18%左右的能源消耗，同時減少相應的CO2、NOX、SO2等廢氣排放，可避免90%以上糧食干燥過程尾氣中灰塵、糧食碎屑等雜物的無序排放。這對于實現糧食干燥行業的轉型，降低行業對化石、電力等高品位能源的消耗和依賴，貫徹國家的節能減排方針，對實現國民經濟的可持續發展具有重要意義。