糧食干燥領域清潔能源的應用分析及建議

劉國輝

遼寧省糧食科學研究所，國家糧食-玉米干燥工程中心 (沈陽 110032)

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，糧食機械化干燥的需求逐步增大。糧食干燥是保障國家糧食安全的重要措施之一，具有提高糧食儲藏的穩定性、保證糧食品質、減少糧食損失等意義[1]。糧食干燥是高耗能、高污染的作業，目前我國糧食干燥過程的熱源供給工藝基本還停留在20世紀90年代的水平，大部分干燥系統仍以燃燒原煤為主要熱源且沒有配備完善的除塵和脫硫脫硝等設施，煤炭在燃燒過程中產生大量的NOx、SO2等有害氣體直接排入大氣，對環境造成嚴重污染。

隨著國家環保政策的日趨嚴格，空氣質量排名、環保約談、區域限批等嚴厲措施空前，作為糧食行業較大的耗能環節之一，糧食干燥已經成為我國糧食行業“節能減排”的重點，燃煤作為熱源正逐漸被禁止使用，因此發展生物質燃料、醇基混合燃料及電能等清潔能源已經成為了必然的趨勢，現有的糧食干燥領域使用的清潔能源主要有生物質燃料、天然氣、醇基混合燃料和電能等。

1 清潔能源在糧食干燥領域的應用現狀

目前，我國糧食干燥領域所用的熱源種類繁多，有采用煤、天然氣、油等化石能源的燃煤、燃氣和燃油熱風爐，有直接燃燒稻殼或者將農作物秸稈等加工成塊狀燃料的生物質熱風爐，以及微波干燥、電熱儲能爐式干燥等多種熱源方式，本文主要針對幾種清潔能源進行綜合分析。

1.1 生物質燃料

生物質燃料是一種以植物和農林廢棄物為原料的既環保又可循環利用的清潔能源，具有環保節能、低碳減排等特點，目前用于糧食干燥的生物質燃料主要有稻殼和生物質成型燃料。與傳統化石燃料相比，生物質燃料具有獨特的優點[2]：生物質燃料可以通過光合作用再生，與風能和太陽能一樣同屬可再生能源，資源豐富，可以循環利用；生物質在生長中需要的CO2量相當于作為燃料時排放的CO2量，生物質作為燃料時,在生長周期內,對大氣的CO2凈排放量近似于0,是碳平衡燃料； 生物質含硫、氮量低，燃燒時生成的SO2和NOX較少，硫和灰分含量僅為中質煙煤的1/10左右，煙塵、SO2和NOX等污染物排放濃度較低。因此，在生態環境保護方面，生物質作為能源比煤炭等化石燃料具有更大的優越性。

1.1.1稻殼

我國是稻谷大國，每年產量約2億t，稻殼約占稻谷籽粒質量的1/6～1/5，其中約含80%的可燃物質，與煤的著火特性相比，稻殼的預熱時間短，而燃盡時間并不比煤短。與秸稈相比，稻殼灰的熔點較高，不易結焦，是一種良好的生物質能源[3]。燃稻殼爐采用固定床及沸騰床相結合，在燃燒過程中，稻殼呈浮動狀態，配有二級助燃風，壓縮氣體打散，加強稻殼及煙氣的擾動，促進其揮發成份及細小顆粒的燃盡，稻殼灰燼呈灰色粉末狀，整機熱效率高，低碳排放，引導了行業環保潮流。利用燃稻殼熱風爐干燥糧食使稻殼變廢為寶，充分解決了稻殼再加工利用困難、板結土地、污染環境等問題，極大的節省了能源，降低了干燥成本，具有很大的經濟效益和社會效益。

1.1.2生物質成型燃料

生物質成型燃料由農作物秸稈、鋸末等分散生物質原料經專業設備加工而成的顆粒狀、塊狀或木片燃料，具有運輸存儲方便、揮發分高、固定碳、S含量低、CO2零排放、SO2、氮氧化物低排放和可再生等特點，屬于國家支持推廣的新型清潔能源，生物質成型燃料熱風爐專門燃燒生物質成型燃料。

1.2 天然氣

采用天然氣作為熱源的糧食干燥熱風爐是直接燃燒天然氣，經高凈化處理形成熱風，和糧食直接接觸進行干燥。天然氣作為糧食干燥熱源時，具有干燥介質溫度高、燃燒產生的溫度比較穩定，便于控制等優點，而且天然氣是清潔能源，燃燒后產生CO2等，基本不排放SO2和粉塵，對大氣污染較低，烘干糧食的品質也較為優良[4]。

1.3 醇基混合燃料

醇基混合燃料的燃燒產物主要是H2O、CO2，具有無煙塵、無味、無污染的特點，比傳統的柴油具有更好的環保特性，同時該燃料具有較高的抗爆性能，燃點較高，不易發生火災事故，閃點為20 ℃，用水即滅，比使用天然氣燃料和煤氣燃料更安全。

醇基混合燃料型熱風爐主要是以熱能轉換成風能的一種加熱設備，這種設備是將醇基混合燃料以物理方式進入燃燒室燃燒，然后將熱能通過熱轉換區對燃燒室產生的熱量經過風機帶入送風口，然后對糧食進行加熱烘干，高效熱風機的燃燒系統為物理燃燒法，熱風爐的熱轉換率達90%以上，具有高效、節能、環保等特點。

1.4 電熱儲能型熱源

電熱儲能技術是采用先進的水電分離技術、高壓控制技術和儲能保溫技術，將夜晚電網閑置的、廉價的低谷電、風力發電或太陽能發電的電能轉換成熱能儲存起來，根據不同需求通過交換裝置，將儲存的熱能轉換成熱水、熱風、蒸汽或在用電高峰時段發電饋送到電網。交換裝置可全天24 h連續穩定釋放儲存的熱能，使用過程中沒有任何廢氣、廢水、廢渣產生，沒有飄塵、PM2.5微塵、SO2、NOx的排放，實現了二氧化碳零排放[5]。

電熱儲能式糧食干燥熱風爐是利用現有的電熱儲能技術將夜間閑置的、廉價的低谷電或棄用電(風電地區)轉換成熱能存儲在儲能爐內，經溫度調節裝置將儲能爐300 ℃～500 ℃的熱空氣轉換成穩定的、適合糧食干燥需要的熱風輸出[6]。電熱儲能式熱風爐突破解決了常規電熱爐功率小的技術瓶頸，實現了大規模和超大規模的供熱能力，達到了糧食干燥熱風輸出溫度和熱量的精準控制，解決了長期困擾糧食干燥行業能耗高、熱效率低、污染物排放嚴重超標的難題，替代目前廣泛使用的燃煤熱風爐，不僅有利于環境污染的治理，也必將促進我國糧食干燥行業的清潔發展。

1.5 對比分析

1.5.1熱效率對比

在以上介紹的幾種清潔能源中，電熱儲能型熱風爐的熱效率最高，能達到95%，傳統的燃煤爐的熱效率最低，基本在65%左右，具體見圖1。

1.5.2投資成本、污染程度和換熱次數對比

傳統的燃煤熱風爐的污染程度最高，正在逐步被市場淘汰，電熱儲能型熱風爐的污染程度最低，達到了零排放；電熱儲能型熱風爐的設備一次性投資成本最高，生物質燃料熱風爐的投資成本最低，適合稻谷產區小規模糧食干燥使用；天然氣直接加熱糧食，易產生火災事故，使用過程中應加強設備管理，具體指標比較見表1。

圖1 熱效率對比圖

表1 不同熱源主要指標對比表

2 清潔能源在糧食干燥應用中存在的問題

我國是以煤碳作為主要能源的國家，以前的糧食干燥也多采用煤碳作為熱源，傳統燃煤熱風爐的出風溫度高，烘干速度快，煤炭熱值高，價格低，熱風爐的采購和運行成本相對較低，運行的經濟性較好。但由于燃煤熱風爐尾氣排放存在嚴重的環境污染問題，按照國家大氣環境治理的總體要求，燃煤熱風爐將逐漸退出市場，或者進行環保升級改造。近年來，選擇低碳、環保、可再生的清潔能源已經成為一種趨勢，生物質燃料、天然氣、電能等清潔能源在糧食干燥領域都在積極地被開發利用，由于各種因素的制約，清潔能源在使用過程中存在諸多問題。

2.1 生物質燃料

生物質熱源干燥糧食是目前糧食干燥作業較理想的熱源之一，但大多數人對生物質成型燃料可再生、低污染、使用方便等特性認識不夠，同時，各類生物質燃料都需要大量的可持續供應的原料，因而不可避免地存在著對生物質原材料的競爭，受到稻殼、秸稈等生物質供應量少，不加除塵設備容易造成粉塵污染等局限，阻礙了先進技術裝備的推廣應用。

生物質成型燃料生產中的原料預處理、成型工藝、設備、成型燃料結渣嚴重和不同生物質成型燃料燃燒性能差異大等方面仍然存在諸多問題，解決好這些問題是確保生物質致密成型和利用產業發展的關鍵，尚有大量的工作需要進行。生物質成型燃料結渣現象在技術上還沒有從根本上解決，秸稈類生物質固體成型燃料在鍋爐內燃燒時，秸稈類生物質在生長過程中吸收的金屬元素會全部或者部分發生熔化，形成玻璃狀堅硬爐渣，難以清除。另外，煙氣中夾帶著熔化或半溶化的堿金屬硅酸鹽，在接觸到鍋爐內壁面時凝結，不斷積聚，最終產生嚴重的積灰或結渣等問題。結渣現象不僅會影響燃燒設備的熱性能，而且會危及燃燒設備的安全性。

2.2 天然氣

天然氣作為熱源一個主要障礙是輸送能力，由于糧食干燥多在農村或城市周邊地區，受地域限制，天然氣并不能直接鋪設管道至現場，需要大瓶采購、自建降壓站，增加了天然氣的采購成本，而且由于天然氣的熱值較低，與燃煤相比，會增加糧食干燥的成本，并且在糧食干燥過程中煙道氣直接穿過糧食，易造成火災事故。

2.3 醇基混合燃料

醇基混合燃料是近幾年開發的新型清潔能源，在糧食干燥領域的應用屬于市場開發階段，醇基混合燃料型熱風爐需要對原有的燃煤熱風爐進行改造，增加了設備投資成本，同時醇基混合燃料的生產受到諸多因素的制約，不能大規模生產，目前只能滿足小型糧食干燥系統的要求。

2.4 電熱儲能式熱源

電熱儲能技術涉及到了10 kV以上高壓電的直接引入，糧食企業在用電申辦手續方面電力主管部門沒有相關的、可直接參考的標準，使得電熱儲能式熱風爐的推廣使用受到了極大的限制，同時由于設備一次性投資3倍于燃煤型熱風爐，明顯高于燃煤型熱風爐，企業負擔較重，雖然電熱儲能式熱風爐是目前最“綠色”的糧食干燥熱源，社會效益和經濟效益顯著，但目前企業的普遍反映就是“好東西用不起”。

3 建議

隨著環境污染問題日益突出，清潔能源的應用已經得到各行各業的高度重視，開發和利用好清潔能源，推進清潔能源在我國糧食干燥領域的推廣應用，對解決環境污染、能源短缺等一系列社會熱點問題具有重要意義。天然氣、醇基混合燃料、電能等作為糧食干燥作業的新型能源，由于應用成本較高，技術難度大，推廣應用還需要國家有關部門應給予政策上的大力支持。國家可以通過制定能源稅、環境保護稅等政策來促進清潔能源的發展，使環保意識及可持續發展意識深入人心。

由于長期對糧食干燥領域熱源方面的研究不夠重視，致使該環節基礎技術研究滯后，從而造成產品技術含量低，性能不佳等諸多問題。技術研究主管部門、地方政府應對清潔能源項目進行科學的可行性分析和論證，充分考慮國家政策、地理分布、利用途徑、已有企業類型和經濟效益等，技術研究立項規模要合適，地點選擇要恰當，項目管理要科學，從而保證清潔能源基礎技術研究的深入開展，確保對行業長期發展切實有益。

在我國糧食干燥領域清潔能源的發展過程中，僅有政策的支持而缺乏外部資金市場的力量是難以發展起來的，需要政府、行業組織和企業通力合作來改善現在的干燥熱源問題。除了政府制定的發展政策和鼓勵措施外，還應引導第三方社會資本力量加入，以推動清潔能源體系的發展建設，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。