糧食干燥熱源現狀及展望

◎ 謝建松，楊占國，李軍五，夏朝勇

（鄭州中糧科研設計院有限公司，河南 鄭州 450053）

糧食干燥是糧食流通中的重要環節，具有提高糧食貯藏穩定性、改善糧食加工品質、提高糧食籽粒發芽率、降低運輸費用，減少田間損失等意義。據國家統計局發布的數據，2017年全國糧食總產量61 791萬t，為歷史第二高產年，其中玉米、稻谷及小麥3種主要谷物的產量合計55 422.5萬t，占糧食總產量的89.7%。世界發達國家糧食機械干燥可達糧食總產量的90%以上，我國的機械干燥與發達國家相比，還有很大的差距。近幾年，隨著我國現代農業的加速發展，農業結構的不斷優化調整，機械化水平的不斷提高，糧食機械干燥的應用會越來越普及，糧食機械化干燥的需求也會逐步增大。

在糧食干燥領域，對流熱力干燥是最廣泛的方法，加熱空氣作為干燥介質起著載熱和載濕的雙重作用。干燥介質的熱量主要由熱源供給，使用最多的燃料仍然是煤炭。然而，燃煤帶來的溫室氣體和SO2等污染物排放對大氣造成的危害，已經嚴重制約了糧食干燥機的發展。國務院印發的《大氣十條》提出，到2017年，除必要保留的以外，地級及以上城市建成區基本淘汰每小時10蒸噸及以下的燃煤鍋爐，其他地區原則上不再新建每小時10蒸噸以下的燃煤鍋爐。目前，全國范圍內許多地區已經關停了以煤作為燃料的糧食干燥機，因此，尋找和研發糧食干燥替代能源已經迫在眉睫。

1　糧食干燥熱源現狀

大型糧食干燥系統熱能需求較大，配套熱源型式主要為燃煤熱風爐，其他類型熱源應用不多。小型糧食干燥系統熱能需求較小、熱源選擇范圍多，除了煤外，還有生物質、熱泵、太陽能、燃油等多種熱源應用。

1.1　潔凈煤

煤炭在為我國國民經濟作出巨大貢獻的同時，也排放出大量的SO2、NOX和煙塵等大氣污染物。我國一直大力發展潔凈煤相關技術，最大限度地降低煤炭使用對生態環境的影響。潔凈煤技術涉及開采到利用的全過程，旨在減少污染物排放和提高利用效率，大致可分為燃燒前的煤炭加工和轉化技術、煤炭燃燒技術和燃燒后的煙氣脫硫技術[1]。

（1）燃燒前加工和轉化技術包括煤炭的洗選和加工轉化技術。①煤炭洗選技術。根據原煤、礦物雜質和煤矸石的物理化學性質差別，清除原煤中的有害雜質，降低灰分、硫分、水分，減少使用過程中的污染物排放。②型煤技術。將一種或數種煤或者摻混低熱值燃料或廢棄物，與一定比例的黏結劑、添加劑等加工成一定形狀尺寸、有一定理化性能的燃料或原料。③動力配煤技術。將兩種以上不同種類、不同性質的煤按一定比例摻配加工成混煤，改變其化學組成、物理性能和燃燒性能，達到優化產品結構、煤質互補、適應設備對煤質需求、提高燃燒效率、減少污染物排放、降低煤炭運輸成本等目的。④褐煤提質技術。通過加工改變褐煤的成分和結構，降低水分、提高發熱量，生成具有類似煙煤性質的提質煤，便于運輸和儲存，提高能量轉換效率，擴大使用范圍。⑤煤制天然氣技術。將合成氣通過甲烷化反應合成替代天然氣（SNG）的過程。

（2）燃燒后的煙氣脫硫技術主要有濕式石灰石-石膏法，是目前世界上技術最為成熟、應用最多的脫硫工藝。應用設備主要有噴淋塔、填料塔，以及比較先進的渦輪增壓湍流脫硫塔等[2]。

1.2　生物質熱源

生物質是指利用大氣、水、土地等通過光合作用而產生的各種有機體，即一切有生命、可以生長的有機物質。生物質的特點包括可再生、低污染、分布廣泛。生物質能是太陽能以化學能形式貯存在生物中的一種能量形式，直接或間接來源于植物的光合作用。生物質燃料燃燒設備的設計選擇須從其燃燒特性出發。生物質直接燃燒技術主要有層燃技術、流化床技術兩種方式。

固化成型技術是規模化利用生物質能源的一種有效途徑，是指以無定型的生物質（如秸稈、稻殼、木屑、樹枝等農林廢棄物）為原料，經干燥、粉碎到一定粒度，在一定的溫度、濕度和壓力條件下，使生物質原料顆粒位置重新排列并發生機械變形和塑性變形，成為形狀規則、密度較大、燃燒值較高的棒狀、塊狀或顆粒狀等固體燃料[3]。固化成型技術可以使固體體積壓縮到原始生物質體積的1/15～1/8。生物質成型燃料具有密度高、熱值高、易于運輸、使用方便、燃燒過程CO2零排放等顯著優勢。

針對生物質熱源，我國環境保護部明確“生物質成型燃料非高污染燃料”，同時指出，生物質成型燃料在燃燒不完全或污染治理設施運行不正常的情況下，都有可能造成一定程度的空氣污染，即地方政府仍有一定的自主決定權。有些地方鼓勵生物質燃料推廣，同時有些地方限制推廣，在一定程度上影響了生物質熱源糧食干燥系統的全面普及。

1.3　天然氣

天然氣被公認是地球上最干凈的化石能源，代表了化石能源的未來。1 m3天然氣的熱值約為8 000 kCal。天然氣儲量豐富、用途廣泛，而且相對環境影響更小，產生的污染物和排放要比煤炭和石油少得多。天然氣代表著原油中較輕的組分，它是一種混合物，其中主要是甲烷，它燃燒更徹底，幾乎不產生二氧化硫或顆粒物，產生的氮氧化物僅為石油的20%，二氧化碳比石油少30%、比煤炭少50%。除了氣田煤氣、油田煤氣等常規天然氣外，我國的非常規天然氣資源同樣非常豐富，頁巖氣、致密氣和煤層氣可采資源量是常規天然氣的1.5倍。

天然氣熱源市場化的一個主要障礙是輸送能力，天然氣液化技術很好地解決了這個問題。在天然氣液化技術出現前，大規模輸送天然氣的唯一方法是利用管道。液化天然氣（LNG）是在標準大氣壓下把天然氣冷卻到-162 ℃左右，使之液化后再用低溫儲罐或低溫瓶運輸，運抵后重新注入已有的管道系統。液化天然氣的體積約為氣態體積的1/625，極大地提高了運輸能力。液化天然氣的運輸相對安全，天然氣在空氣中的可燃濃度范圍很窄，為5%～15%，也就是說，天然氣的濃度低于5%或者高于15%都不會被點燃。在糧食干燥實際應用中，可以選擇市政管道供氣，也可以通過用LNG儲存罐租建小型液化氣站。

1.4　熱泵

熱泵是一種高效制熱裝置，產出的熱能/消耗的熱能＞100%。熱泵糧食干燥系統是熱泵裝置和糧食干燥機的有機結合。熱泵干燥裝置可實現以電代煤，其主要優點是高效節能，在實踐中，節能幅度一般可達30%以上，綜合干燥成本可降低10%～30%，不僅實現了污染物零排放，而且比燃煤節能。

根據工作中干燥介質的循環方式不同，熱泵干燥裝置可分為開式、半開式和封閉式。開式熱泵干燥裝置是指干燥介質（空氣）從環境中吸入，經熱泵升溫后進入干燥機，干燥糧食后再排入環境。半開式指干燥介質（空氣）部分從環境中吸入，與干燥機的部分廢氣混合并經熱泵升溫后進入干燥機，出干燥機的廢氣部分排入環境，部分再循環進入熱泵重新加熱。封閉式熱泵干燥裝置的干燥介質（空氣）全部在裝置中循環。實際應用中，根據干燥物料特性，還有許多改進形式[4]。

1.5　液化石油氣

石油氣是在石油煉制過程中在進行原油催化裂解與熱裂解時所得到的副產品，由多種低沸點氣體組成的混合物，沒有固定的組成，主要成分是丁烯、丙烯、丁烷和丙烷。液化石油氣（LPG）是指經高壓或低溫液化的石油氣。LPG熱值為1 1000 kCal/kg。

與其他燃料相比，LPG具有如下的優點：①在空氣中可以充分燃燒，生成CO2和H2O，無污染物、粉塵排放。②發熱量高。同樣重量LPG的發熱量相當于煤的2倍。③運輸、儲存簡單，供應靈活，氣站用LPG儲罐儲存，又可裝在氣瓶里供用戶使用，也可通過配氣站和供應管網，實行管道供氣。

2　糧食干燥新型熱源展望

2.1　太陽能

太陽能是目前取之不盡、用之不竭的天然潔凈能源，最原始的谷物晾曬干燥實際上就是利用太陽能進行干燥的方法。太陽能糧食干燥系統，主要是利用集熱器收集熱量，使經過集熱器的空氣溫度升高，再用風機把熱空氣輸送給干燥設備進行糧食干燥[5]。利用太陽能進行糧食干燥的優點是免費獲得、無污染，可以被用到偏遠的地方；缺點是建設及使用成本高、技術門檻高、受季節和當地氣候影響，且只能在白天獲取。谷物太陽能干燥裝置廣泛應用于國外糧食主產區的農村地區，在我國應用較少。

2.2　沼氣

沼氣是有機物質在厭氧條件下，經過微生物的發酵作用而生成的一種混合氣，主要成分是甲烷，其特性與天然氣類似，是一種很好的清潔燃料。每1 m3沼氣熱值約4 500 kCal。建設沼氣池可以人畜糞便及生活垃圾、秸稈果殼、枝葉雜草為原料，廢棄物發酵后可以用作有機肥料。利用沼氣燃燒加熱空氣，然后把熱空氣輸送至干燥機對糧食進行干燥。具備沼氣制備條件的地方，可以考慮用沼氣作為糧食干燥熱源。

2.3　多種熱源組合

根據熱量需求量及熱源特性進行合理組合，達到干燥效率高、熱源利用率的最佳結果。例如，可以將太陽能熱源和沼氣熱源相結合，在太陽充足時，利用太陽能進行糧食干燥，在太陽不足時，燃燒沼氣加熱空氣進行糧食干燥。

3　結語

開發利用新型能源替代煤炭等非再生的石化能源是我國的基本國策。在糧食干燥配套熱源選擇上，一方面應根據實際情況，針對不同地區、不同處理量、不同烘干物料，選擇最合適的配套熱源。另一方面，加快研發新型熱源或多種熱源聯合使用技術。有效促進糧食干燥行業可持續發展，提高社會效益、生態效益和經濟效益。