糧食干燥領域生物質顆粒熱風爐技術研究

單福朋

(中聯農業機械股份有限公司， 安徽 蕪湖 241000)

過去糧食因來不及曬干而水分超過儲藏標準產生了霉變、發芽等較大的損失，為減少該損失，糧食機械干燥應運而生，通過外部提供熱源強制減少糧食含水率，從而達到安全儲糧標準。近年，一些企業和科研機構為滿足用戶需求引進或研發了各種形式的熱源，有蒸汽、空氣源熱泵、天然氣/石油/煤、生物質等幾種。蒸汽、天然氣和石油作為燃料的熱源，需要有穩定的燃料來源且安全要求較高，一般用戶不會采用這種類型的熱源；空氣源熱泵作為一種高效、節能、環保的技術，目前廣泛應用于木材、食品、種子、藥材等領域，但是由于其對環境溫度的適應性及環境粉塵濃度要求較高，在工作強度較高的糧食干燥領域應用較少；由于小型的煤爐一般無尾氣處理設備或者無法實現超低排放，正在逐漸被強制淘汰；以生物質作為燃料的熱源在糧食烘干領域應用較多，生物質燃料分為散料及成型顆粒燃料，未成型的散料一般應用于流化床爐或者懸浮爐，成型顆粒應用于爐排爐。在糧食烘干領域，懸浮爐和爐排爐都有應用，懸浮爐輸出功率較大，技術較復雜，飛灰含量高，需有除飛灰的沉降室或者除塵器，體積較大，一般應用于大型的烘干中心；爐排爐一般燃用成型顆粒燃料，飛灰少，污染少，技術較簡單，能夠實現智能化燃燒控制，同時，由于成型顆粒燃料技術日益成熟，逐步走向規模化、產業化[1]，無論是木質顆粒還是農作物顆粒燃料，來源廣、方便運輸[2]，這種爐型近年來比較受歡迎。

研究人員對生物質顆粒爐排爐也進行了大量的研究，鄭濤等人[3]提出了一種節能環保的新型生物質熱風爐，由爐膛、熱風交換管組、旋風除塵桶和布袋除塵組等組成，通過燃燒分析等技術，提高了生物質顆粒燃燒效率和熱風爐的熱效率；王斌等人[4]研制了一種生物質熱風爐，該熱風爐由給料系統、燃燒系統、熱交換系統和除塵等系統組成，采用螺旋翅片管對流換熱和爐膛輻射換熱技術，試驗后發現換熱量較高，具有節能環保優勢；孔凡祝等人[5]研制的生物質顆粒爐在換熱器方面進行了優化，采用逆叉流換熱方式，增加了煙氣和熱空氣換熱路程，提高了換熱效率；郝兆朋等人[6]在分析了目前生物質熱風爐存在的技術難題基礎上，開發了一種易點火、升溫快、燃燒溫度控制效果好、粉塵少、減少結焦、出力大的熱風爐，安全節能，適用于糧食類谷物干燥。研究人員設計了各種不同的生物質顆粒熱風爐，都是從各系統本身改善，并朝著高效清潔的燃燒技術方向努力，但很少有人從熱風爐的工藝流程方面進行改進優化，現有研究具有一定的局限性。

本文對生物質顆粒熱風爐的不同工藝進行了分析匯總，為設計人員開發更加節能環保的生物質顆粒熱風爐提供思路。

1 不同工藝的生物質顆粒爐介紹

1.1 數據計算方法

本文所有的計算數據均是采用下面的能量守恒公式得出：

Qi=Qo

式中：Qi為顆粒爐的總輸入熱量，kW;Qo為顆粒爐的總輸出熱量,kW。

Qi=QB+Qp+QS+Ql+QlA

式中：QB為生物質顆粒帶入的熱量，kW；Qp為一次風帶入的熱量，kW；QS為二次風帶入的熱量，kW；Ql為漏入空氣帶入的熱量，kW；QlA為換熱器進入的冷空氣熱量，kW。

Qo=Qd+Qa+Qu+Qr+Qe+QhA

式中：Qd為飛灰帶走的熱量，kW；Qa為爐渣帶走的熱量，kW；Qu為未燃燒物質損失的熱量，kW；Qr為爐體輻射散失的熱量，kW；Qe為煙氣帶走的熱量，kW；QhA為換熱器輸出的熱空氣熱量，kW。

本文計算使用的燃料是稻殼顆粒,消耗量為700 kg/h,低位熱值為12.3 MJ/kg,計算一個量時保持其他量不變。

本文數據均是在標準狀態下理論計算所得，且獲得的是工藝參數的變化規律，因此相關的誤差可以忽略。

1.2 爐型介紹

1.2.1 基本型

如圖1所示，基本的生物質顆粒熱風爐由五大系統組成，即給料系統、燃燒系統、熱交換系統、引煙風機系統、除灰渣系統。其中，給料系統由料斗、螺旋輸送機和風機組成，螺旋輸送機送料，送料量由熱風溫度的大小決定，生物質顆粒在風機的輔助下可以送到爐膛的另一側，使顆粒在爐排上分布均勻。燃燒系統由爐排、爐膛組成，助燃風從爐排下引入，生物質在爐膛中燃燒后，熱煙氣進入熱交換系統，爐渣由爐排排出,目前的大部分顆粒爐具有溫度智能控制系統，設計顆粒爐燃燒系統時要考慮能達到的最低和最大負荷及其對應的熱風溫度，原因是低負荷時，爐膛溫度低，熱效率降低，可能會造成熄火，另排煙溫度下降，會造成換熱器低溫腐蝕；熱負荷較高時，會產生局部高溫，從而引起爐膛結焦，影響換熱，同時飛灰也會增加，這會增加設備磨損及換熱器堵塞的風險。因此，熱風溫度不能過高或者過低，要根據客戶需求在一定的范圍內控制。除灰渣系統根據爐排形式分為人工和自動清灰方式，固定爐排形式顆粒爐爐渣自動或者通過撥動方式落入渣斗，移動式爐排通過除渣機或者刮板機把灰渣送到渣斗。熱交換系統是熱風爐的重要組件，是決定換熱效率的關鍵，設計的目標是降低輸出煙氣溫度，即降低排煙熱損失，使熱量充分利用，但是設計時該溫度不要低于酸露點溫度，以免換熱器產生低溫腐蝕。引煙風機是又一關鍵設備，該風機不僅維持爐膛負壓，對于無助燃風機的爐型，還要把助燃風從爐排下引入到爐膛。這種爐型由于結構簡單，比較受歡迎。

圖1 基本型顆粒爐工藝流程示意圖

1.2.2 基本型-增加除飛灰系統

如圖2所示,在基本生物質顆粒熱風爐基礎上增加了除飛灰系統，該系統置于燃燒系統和熱交換系統之間，用于除去部分飛灰。該系統占用空間不大，增加后有幾點好處：①熱風爐質量評價規范等標準對煙塵排放濃度有規定，增加該系統后有助于環保達標；②煙氣中飛灰減少后，減輕了熱交換系統積灰堵塞的趨勢，降低了因積灰堵塞導致的換熱效率降低的風險；③熱交換系統和引煙風機等設備中煙氣流速較大，灰塵對設備磨損較大，增加除塵設備后能夠減緩設備磨損，提高設備使用壽命。

圖2 含除飛灰系統的基本型顆粒爐工藝流程示意圖

是否需要除塵設備，各生產廠家有不同的考慮，一些生產廠家認為生物質成型顆粒為層狀燃燒，部分揮發分在爐膛上部燃燒，飛灰較少，認為環保能達標，另為增加價格優勢，所以不設除塵設備；另一些廠家為追求技術優勢，提高設備壽命和熱效率，選擇增加除塵設備。目前，對于用戶來說，對這塊關注的不是很多，都可以接受。

1.2.3 一次風為熱空氣形式

如圖3所示，該爐型采用的一次風是熱空氣，通過巧妙的結構設計，從爐排下引入的一次風為熱交換后的熱空氣。提高一次風溫度有助于燃料的及時著火和充分燃燒。如圖4所示，一次風溫度增加后顆粒爐的熱效率呈現增加的趨勢，同時為控制爐膛溫度不至過高，需通過增加二次風量限制爐膛出口溫度。

圖3 一次風為熱空氣形式顆粒爐工藝流程示意圖

圖4 一次風溫度與顆粒爐效率及二次風量之間的關系

目前，市場上部分生物質顆粒熱風爐廠家采用了這種爐型，優勢較大，科技含量高，具有較好的節能效果，并且飛灰含量較少。但是，要保證顆粒爐穩定工作，需時刻監控爐膛溫度，采取調整送料量或者改變二次風量等形式穩定爐膛溫度，以防止爐膛結渣、結焦。

圖5為圖3所示工藝流程的升級版，該系統運用了余熱利用的思路，把經過灰房過濾后的高溫空氣引回到燃燒系統中，以此提高助燃風或者熱交換系統進口冷風溫度。從目前市場來看，在糧食烘干領域這部分熱量是浪費掉的。該系統設計時，要從節能的角度綜合考慮可行性，原因是從灰房到燃燒系統有一定的距離，需設置回熱風機，消耗能量，小型顆粒爐效果不佳，在大型熱源系統應用此系統將會取得很好的節能減排效果。該系統在其他干燥系統有所應用，比如在晝夜溫差大的地區，采用回熱方式維持熱泵干燥系統穩定工作。

圖5 具有空氣余熱利用形式的顆粒爐工藝流程示意圖

1.2.4 具有煙氣余熱利用形式

如圖6所示，這種結構是有余熱利用形式的顆粒爐，一部分煙氣送入爐膛代替二次風。該技術又被稱為煙氣再循環技術，其關鍵技術為煙氣再循環比率的選擇。如圖7所示，爐膛出口溫度隨著煙氣再循環比率的增加而減少，再循環比率達到35%后，爐膛出口溫度迅速降到800 ℃以下；在加熱相同的空氣量時，熱風出口溫度變化不大，這是因為雖然爐膛出口溫度下降了，但是煙氣量增加了，對流傳熱量增加，因此熱風出口溫度變化不大。設計該系統時，進入爐膛的煙氣量一定是可調節的，以根據爐膛出口溫度同步調節煙氣再循環量；從引煙風機出來的煙氣溫度要大于酸露點溫度，以免造成系統腐蝕。

圖6 具有煙氣余熱利用形式的顆粒爐工藝流程示意圖

圖7 煙氣再循環比率與爐膛出口溫度和換熱器出口熱空氣溫度之間的關系

此外，還有一種形式的顆粒熱風爐，如圖8所示，這種結構是有余熱利用且無煙囪形式的顆粒熱風爐，一部分煙氣經與熱空氣匯合后進入到干燥機，另一部分送入爐膛代替二次風。該系統對燃料形式和除飛灰系統要求較高，因為煙氣無論是進入到爐膛還是干燥機都不允許有大量灰塵存在。另由于煙氣是和空氣混合后進入到干燥機，所以降低了著火風險。

圖8 具有煙氣余熱利用且無煙囪形式的顆粒爐工藝流程示意圖

目前雖有農產品干燥用熱風爐質量評價相關規范對熱風爐煙囪的要求，但是其燃料適用范圍中并沒有成型生物質的描述[7]，該無煙囪爐型已有廠家對其進行量產，其煙氣只有少量和空氣匯合后進入爐膛，并對燃料要求較高，由于無煙囪、安裝方便，受到很多用戶青睞，并反饋良好。

以上總結了幾種生物質顆粒熱風爐工藝形式，分析了工藝特點，其發展趨勢是節能環保，符合生物質經濟的發展要求，為生物質顆粒爐的設計提供了思路。

2 結 語

糧食烘干產業的發展趨勢是智能控制、節能環保，以上介紹的幾種生物質顆粒熱風爐工藝流程，即從簡單的無節能技術到余熱利用技術符合這一發展趨勢,一些在其它領域先進的節能技術，比如：高溫空氣燃燒技術、煙氣再循環技術都可以應用到熱風爐中。開發者可以從市場背景、國家戰略、客戶訴求等方面選擇合適的生物質顆粒熱風爐技術。