一種基于太陽能供熱的智能生物質預處理裝置

祝元愷

摘 要：原生生物質能量密度低、含水量高、難以粉碎、吸濕性強，使得生物質利用存在瓶頸。現行電熱烘焙可實現精準控溫烘焙，但其過程自身即產生巨大能耗，極大的限制了其實用價值。溫度亦是影響不同種類、產地生物質烘焙效果的關鍵因素。本裝置利用太陽能供熱，結合機器視覺技術依據批量原料的二維碼信息標識實現精準分類，根據不同物料的熱學特性選擇最佳烘焙溫度。亦同時與電熱烘焙相融合，可依據時段、天氣因素實現全天候智能烘焙。

關鍵詞：太陽能烘焙;智能控溫;分類預處理;電輔熱

1研究背景及意義

生物質直接燃燒僅能達到其熱效率值的10%，并產生嚴重空氣污染。原生生物質因其較低的能量密度、較高的含水量等不良特性，使得生物質利用存在瓶頸，如直接燃燒熱效率低下等。烘焙是一種在常壓、隔絕氧氣的情況下，反應溫度介于200～300℃之間的慢速熱解過程，解決了生物質含水量高、熱值低和研磨能耗大等問題，處理后的生物質的理化特性有明顯提升，對后續熱解處理有顯著積極作用。而現行電熱烘焙技術耗能巨大、成本過高，使得生物質能的利用得不償失。以太陽能作為供熱源顯然具備諸多優越性和獨創性。同時，因木質素、纖維素和半纖維素三種組分在不同產地、種類的生物質中含量不同且其對溫度變化敏感，采用智能分類預處理有較大實際意義。

2 裝置設計方案

2.1 裝置工作基本原理

本裝置利用太陽能聚光集熱以獲得高溫，通過對溫度的實時監測控制使得太陽能集熱管中的溫度得以較為精確地控制在目標溫度范圍內。利用絞龍將生物質原料以特定速度連續輸送通過太陽能集熱管，通過調節輸送速度來改變對生物質原料在太陽能烘培裝置中的滯留時間。裝置內通入惰性氣體，以保證對生物質原料的烘焙處理在惰性氣氛中進行。溫度檢測單元根據管內溫度與目標溫度的大小關系，電機驅動采光板的角度，通過調節采光板的角度增減采光面積，以達到控溫的目的。

2.2 基于地理位置的單軸追光設計

日照時間隨日期和地理位置而不同，單一依靠光敏電阻追光無法區別晝夜，且在戶外實際使用條件下，存在大量人工光源及不確定自然氣象因素干擾，光敏電阻追光效果并不理想。而依靠經緯度數據和時鐘模塊實現精確追光，具有更強的適應性和可推廣性。

太陽相對于地球存在確定的運動規律，因此太陽高度角與觀測點的地理位置及當地時間具有嚴格的對應關系，在已知經緯度和當地時間的條件下，即可以解算出太陽高度角。當太陽高度角變化時，控制器控制鏡元相應的轉動就可以將太陽光線反射到吸收器上。系統還將計算出日出、日落的時間，從而決定系統啟動和鏡元回歸初始位置的時間。

2.3 分類預處理設計

生物質原料主要由木質素、纖維素和半纖維素三種組分構成，但不同產地、種類的生物質原料三種組分比例不盡相同，導致熱學特性存在較大差異。三種組分對溫度的敏感性差別較大，烘焙溫度的選擇對于烘焙產物及后續處理環節影響極大，在批量化生物質預處理的過程中，如果不能分類處理，將對生物質的利用及后續處理帶來不利影響。基于此，本裝置結合了二維碼識別功能，對于批量封裝的生物質原料，封裝時即根據種類、產地信息進行貼碼標識，生產過程中，設備直接讀取二維碼信息，按照最佳烘焙參數進行烘焙，使加工工藝進一步流程化、自動化，大大提高生產效率，亦提高了能源利用率。

2.4 電輔熱設計

因為天氣條件的多變性和不確定性，本裝置具有電輔熱設計，在溫度傳感器的調節下，在日照條件無法達到要求時可以進行輔助加熱處理，具備在不良天氣條件下保證生產的能力，同時也避免了短暫性天氣事件（如陣雨）導致生產全面中斷的風險。

3裝置分析與對比

3.1 環保性分析

由于采用太陽能作為熱源，整個生物質烘焙過程幾乎不耗能，有效解決了目前生物質烘焙過程耗能較高的問題。本裝置所涉及的生物質烘焙的熱源來自于太陽能，而不是采用傳統的化石燃料作為熱源，解決了生物質烘焙過程中的能耗問題。本裝置所涉及的生物質烘焙過程通過輻射和導熱的形式將熱量由受熱面傳遞給生物質材料，整個過程中除惰性氣體（如氮氣）外沒有其他介質與生物質接觸，保證烘焙過程生物質的烘焙效果。本裝置所涉及的生物質烘焙的熱源來自于太陽能，太陽能為清潔能源，故生物質烘焙過程不會對環境產生不利影響。

3.2 節能性分析

以鄭州科晶公司生產的雙溫區旋轉管式生物質烘焙電爐為參照：

以中國中部地區為例，其年日照時數為2200-3000h，平均為2600h，取焦作市日間電價為計算參數（0.56元/千瓦時），假定兩設備同時運轉，一年僅一臺機器的電費便可節省2600×14×0.56=20384元。進一步，烘焙預處理可以大大降低后期粉碎處理的能耗，以松木塊為例，烘焙后粉碎處理能耗僅為23-78千瓦時，平均51千瓦時，大大低于烘焙前的237千瓦時，那么每臺機器每年可為粉碎處理環節節省（237-51）×2600×0.56=270816元。而事實上，在我國廣大日照條件更好的地區，若批量進行生物質烘焙處理，節省的經濟成本將更加可觀。

3.3 減排效果分析

本裝置具有生物質處理量不低于5kg/h的處理能力，以中國中部地區為例，其年日照時數為2200-3000h，平均為2600h，僅以最低值進行估算，每臺每年可處理2600×5=13000Kg生物質，以棉桿為例，經290℃烘焙后，其高位發熱量可達23.85MJ/KG，這表明，每臺設備每年約可制備熱量可達23.85×13000=323050MJ的生物質裝置，這些生物質能的利用可以有效減少傳統能源的使用，進而達到減排目的。

另一方面，生物質烘焙處理后的產出物將用于制備生物質燃料進行綜合利用，有效避免了生物質原料被直接燃燒，極大地減少了空氣污染物的排放，對霧霾防控有巨大潛在價值。

3.4 經濟效益分析

僅以玉米秸稈原料為例，市場價格為320元/噸，而生物質炭價格為6000元/噸，炭產率一般在25%左右，以處理量5kg/h來說，僅以碳裝置為例，每10臺裝備每天就能產生1600多元的效益。進一步地，生物質烘焙產物多種多樣，在一定條件下均可轉化為能源裝置，存在巨大潛在經濟效益。

4裝置的技術關鍵及創新點

本裝置的技術關鍵在于實現太陽能追光設計和傳感器智能控制。實現太陽能集熱器中溫度220℃～270℃，生物質處理量不低于5kg/h。氧脫除率30%～50%。本裝置以太陽能代替傳統能源作為供熱源，采用基于地理位置的追光設計提升集熱效果結合機器視覺技術依據批量原料的二維碼信息標識實現精準分類烘焙預處理具備電輔熱設計，可依據時段、天氣因素實現全天候智能烘焙，實現了工藝創新。

5裝置的應用前景

我國理論生物質能資源為50億噸左右標準煤，是中國總能耗的4倍左右。目前我國生物質利用裝備發展不足，發展新型高效節能環保的生物質利用裝備很有必要，而烘焙將是生物質利用產業鏈中重要的一環，十三五規劃中明確提出能源轉型問題，尤其是農村能源結構轉型問題，而中國廣大農村地區有著豐富的生物質資源可供利用，傳統的填埋焚燒等處理已不再符合當代能源發展要求，生物質烘焙預處理，將深刻地改變傳統農業產出物的利用方式，太陽能生物質烘焙技術具有巨大的經濟和社會效益潛力。