設施農業生物質高效節能熱風爐的研究與應用

摘要：結合設施農業增溫設備的發展現狀，開發一種新型生物質高效節能熱風爐，使其具有省工省力、高效節能的優點。使用生物質雙爐雙燃專利技術，可使生物質顆粒燃燒充分，燃料利用率高，且無煙排放、節能環保。從經濟效益看，占地面積667 m2的標準百米棚中的冬季蔬菜生產需要加溫設備具有熱效率高、升溫較快、抑制病害等特點，而試驗設計的熱風爐可滿足設施農業冬春季節的增溫需求，同時也可實現節能減排和省力化作業。

關鍵詞：設施農業；生物質；熱風爐；技術；應用

中圖分類號：TK229；S626.9 " "文獻標識碼：A " "文章編號：1674-1161（2024）01-0067-02

遼寧設施農業面積位居全國第二位，日光溫室設施蔬菜面積全國第一，不僅實現了四季生產，還保障了城市“菜籃子”周年供應。一直以來，設施農業進入冬季采暖期后普遍使用煤炭、電器、燃油、燃氣等取暖加溫，這不僅大大增加了增溫成本，帶來的污染物排放量也在增加。在設施農業禁止使用燃煤熱風爐的情況下，開發以生物質資源為燃料的熱風爐是降低供熱成本、推進高效設施農業的重要舉措[1]。遼寧省農業機械化研究所與遼寧時年豐農業科技股份有限公司、沈陽農業大學聯合開發了一種新型生物質高效節能熱風爐，其不僅能滿足設施農業冬春季節的增溫需求，同時也實現了節能減排和節約成本。

1 設施農業增溫設備的發展現狀

在我國設施農業生產過程中，許多地方仍以煤炭、木柴為主，電器設備、燃油、燃氣設備應用較少，部分地區甚至使用木屑和石蠟混合物進行加溫。在這些燃料中，使用木柴會造成環境破壞和水土流失，煤炭供熱易產生安全隱患且污染較大，電、油、氣因其使用成本較高而難以推廣。如何在盡量不影響熱效率的情況下降低燃料使用成本，成為設施農業生產過程中亟待解決的大問題。特別在大力提倡環保節能、低碳減排的今天，解決這一問題更具有現實意義。

目前，國內有關設施農業生物質熱風爐的研究不多。顧靖峰[2]研發了間接鏈排式秸稈熱風爐，其采用燃料在自動鏈式爐排上直接梯度燃燒的結構，同時設計的導熱溫度控制系統可使秸稈顆粒、壓塊燃料在燃燒爐膛內充分可控燃燒，從而實現了生物質能向熱能的高效轉化。王文博等[3]研制了一種生物質熱風爐，試驗結果表明：生物質熱風爐的換熱量為6×105～8×105 kJ/h，換熱效率達到75%以上。孫鳳陽等[4]對生物質熱風爐進行了改造，安裝了凝渣換熱系統、余熱回收系統、環保除塵系統、自動上料系統，從而使熱風爐具有高效、低氮燃燒等優勢，并具有良好的經濟指標與環境指標。

生物質能源燃料來自各種農作物，資源豐富且可再生，與煤炭燃燒效果相比，具有低污染的特點。此外，生物質燃料的發熱值通常在3 500～4 000 cal/kg之間，灰分低于5%，相較于煤炭具有易點火、升溫快、火力強、易燃燒等特點。1.2 t農作物秸稈成型燃料塊的熱量利用率與1 t煤炭的熱量利用率相當，且燃燒后的廢氣排放一般為CO=0、NO2=14 mg/m3、SO2 =4 614 mg/m3、煙塵低于127 mg/m3，污染物排放較少，環保效果顯著，燃盡的炭灰還可作為優質鉀肥還田利用。

生物質顆粒比作物秸稈直接燃燒的利用率高出50%左右，且便于儲運、火災隱患小、揮發物有害成分少、單位熱值與中等煤炭接近、熱能效果高于煤炭。

2 生物質高效節能熱風爐的技術研發

2.1 技術路線

新型生物質高效節能熱風爐技術由生物質能源加溫技術和溫室加溫設備對接技術組成，其研發技術路線見圖1。

2.2 技術組成

2.2.1 生物質燃料自動添加技術 實現生物質燃料的自動添加，是冬春低溫時節設施農業生產過程中解放勞動力的關鍵環節，無論是以煤炭為燃料，還是采用生物質燃料，均需人工適時添加、專人日夜看管，勞動強度較大。設計一種自動添加裝置，可根據作物生長溫度需求，自動輸送燃料并控制生物質燃料的添加時間及添加量，以此來保證燃燒室內的燃料充足。

2.2.2 熱風爐二次燃燒技術 為解決生物質燃料燃燒后的環境污染和結焦沉積問題，研發一種二次燃燒技術即通過自動調節生物質燃料的添加量、自動跟蹤供氧、自動調整循環風門的風量及排風強度來實現生物質燃料的二次燃燒。其過程為：生物質燃料產生的熱量直接供應給熱交換器，燃氣中的一氧化碳、氫氣、氮氧化物、焦油、粉塵等再通過加溫二次燃燒產生更高熱量的熱氣來供應熱交換器，這可實現燃料粉塵、焦油、可燃氣體等物質的充分燃燒，并使排放的氣體污染近于零，熱量利用率提高40%～50%，生物質燃料用量大幅降低。

2.2.3 熱空氣遠距離傳輸技術 設施農業熱風爐的熱量傳輸主要采取以下途徑：一是燃煤熱風爐燃燒增溫后，通過鋪設的供水管道來實現熱力的遠距離傳送，這類似于城市冬季鍋爐集中供暖。由于溫室環境導致燃煤熱風爐使用安全存在問題，加上污染環境，各地已禁止使用燃煤熱風爐。二是采用電力空調熱風分段傳輸設備進行熱力傳送。這種方式雖然使用方便，但成本較高，極少應用。三是采用燃油熱風爐設備，其操作使用較為方便，但燃油耗費較大、成本較高，熱力輸送損失較大，設施農業很少采用。四是采用生物質熱風爐。由于秸稈及其顆粒的燃燒值較低，傳統生物質熱風爐需要不時添加燃料，且其熱力傳輸方式仍以熱力輻射加溫或供水管道加溫為主，導致熱傳導效率不高不均，需要耗費大量人工。新型生物質熱風爐采用獨特的雙層管道傳輸方式，把熱風爐吹送出來的高溫氣體保存在密閉管道之中，從而可最大限度地防止熱量輸送過程中的熱傳導損失。同時，結合溫度自動控制系統、自動控制進料系統及控制風量大小，可保障熱力不間斷供應，并通過分段控制來實現溫室內空氣溫度的均勻分布，從而利于作物均衡生長。

3 生物質高效節能熱風爐的應用效果

新型生物質高效節能熱風爐已在遼寧北鎮、黑山、海城、岫巖等設施農業集中區推廣應用，并具有以下特點：一是省工省力。采用智能化控制系統、可視化界面，能實現自動點火。一次投料可使用8～12 h，設定場景溫度后自動開關機，夜間無需人工看管，每月可節約人工費用3 000元（按100元/d計）。二是高效節能。使用生物質雙爐雙燃專利技術，可使生物質顆粒燃燒充分，燃料利用率高，且無煙排放、節能環保。從經濟效益看，占地面積667 m2的標準百米棚中的冬季蔬菜生產需要燃料2.5 t/a左右，以煤炭價格2 000元/t計，需燃料費用0.5萬元/a，而使用生物質燃料費用為0.25萬元/a，每年可節約燃料費用0.25萬元，成本降低一半。三是熱效率高。使用雙層管供熱技術，同時采用多級風機、二次增壓、鍍鋅管道和牛津風帶組合，風管可縱向遍布溫室大棚80%長度，熱量損失少、傳送距離遠、熱風平均散布效果好。四是升溫較快。與現有的燃煤水暖爐對比，在大棚面積、保溫材質、密封程度、室外溫度、室內作物相同的條件下，達到同等溫度的升溫時間平均縮短45%左右。五是抑制病害。設備產出的干燥熱風可抑制冬季供熱中因冷熱交換而產生的潮氣，有利于降低棚內濕度，這對因潮濕引起的作物病害能起到一定的抑制作用。

參考文獻

[1] 顧靖峰，包錫忠.間接式秸稈熱風爐的設計研究與開發[J].農機科技推廣，2013（3）：55-58.

[2] 顧靖峰.間接鏈排式秸稈熱風爐的研究與開發[J].農業開發與裝備，2015（11）：58-59.

[3] 王文博，王彥，劉娜.生物質熱風爐結構設計與應用效果試驗研究[J].農機化研究，2023（9）：233-239.

[4] 孫鳳陽，王紫微，李志民，等.糧食烘干機生物質熱風爐系統研究與應用[J].糧食儲藏，2023（2）：31-34+43.

Research and Application of Biomass High Efficiency and Energy Saving Hot Blast Stove in Facility Agriculture

XU Peng1，2

（1.Liaoning Institute of Agricultural Mechanization， Shenyang 110161， China; 2.Key Laboratory of Remanufacture and Innovation of Agricultural Machinery and Equipment in Liaoning Province， Shenyang 110161， China）

Abstract： A new type of biomass high efficiency and energy saving hot blast stove is developed based on the current development of facility agricultural heating equipment， which has the advantages of saving labor and energy. The use of biomass dual-furnace dual-combustion patented technology can make biomass particles fully burned， high fuel utilization， and smokeless emissions， energy saving and environmental protection. From the perspective of economic benefits， the standard 100-meter shed covering an area of 667m2 in winter vegetable production needs heating equipment with high thermal efficiency， faster heating， disease control and other characteristics. The experimental design of hot blast stove can meet the needs of facility agriculture in winter and spring temperature increase， but also can achieve energy conservation and emission reduction and labor-saving operations.

Key words： " facility agriculture; biomass; hot blast stove; technology; application