朱廣飛， 余繼瑯， 陸 陽， 盛奎川

（1. 臺州市一鳴機械股份有限公司，浙江 臺州 318053； 2. 浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院，浙江 杭州 310058）

0 引言

隨著我國“雙碳”戰(zhàn)略的實施，生物質顆粒燃料將占有越來越大的市場份額[1]。另一方面，機械化糧食烘干技術因具有減少糧食霉變、提升糧食品質、提高糧食貯藏安全性、節(jié)約土地資源及節(jié)省干燥時間等特點，越來越被糧食種植大戶所接受[2-3]。

糧食烘干機的熱源直接關系到用戶的使用成本。隨著大氣污染防治行動計劃的實施，我國已經(jīng)嚴格限制在糧食烘干機中使用燃煤型熱源，但采用燃油、天然氣和電能（空氣源熱泵）的運行成本較高[4]。采用生物質成型燃料代替燃煤型熱源，是一種切實可行的途徑[5]。因此，設計和研發(fā)生物質顆粒熱風爐，將顆粒燃料產(chǎn)生的熱風作為稻谷等糧食烘干的熱源，對農(nóng)林廢棄物的有效利用、降低糧食烘干成本具有重要意義。

1 熱風爐結構及原理

1.1 結構組成

生物質顆粒熱風爐結構主要由以下6 部分組成，如圖1 所示[6]。

圖1 生物質顆粒熱風爐結構Fig. 1 Structure of biomass pellet hot blast furnace

（1）進料機構。主要由顆粒料斗、送料攪龍及電機（螺桿進料器）、鼓風機和支架等組成，其中送料攪龍配有增氧進風孔，在鼓風機作用下使空氣不斷進入爐膛助燃，同時能防止攪龍被爐內(nèi)高溫損壞，并防止爐膛內(nèi)生物質顆粒在燃燒時因高溫反向引燃料斗內(nèi)的顆粒燃料。

（2）燃燒系統(tǒng)。主要由顆粒燃燒器（耐高溫不銹鋼）、點火器（電熱管及風機）、布風管、一次進風口、二次進風口和引煙風機等組成。

（3）爐體。主要由燃燒室、爐膛內(nèi)壁（耐高溫不銹鋼）和保溫層、爐體外殼和頂蓋、爐體底座、爐膛門等組成。

（4）換熱系統(tǒng)。主要由爐內(nèi)多排平行布置的煙氣列管（爐膛內(nèi)高溫煙氣與送向烘干機的室溫空氣進行熱交換）、大風機（送向烘干機的空氣經(jīng)過熱風爐內(nèi)的風管換熱）等組成。

（5）除灰裝置。主要由爐膛列管上清灰口、下清灰口、接灰盒等組成。

（6）控制系統(tǒng)。主要由電氣控制單元、觸摸屏人機操作界面等組成，能對熱風爐參數(shù)進行調(diào)節(jié)和監(jiān)控，控制點火機構、進料電機、風機等部件，主要采集熱風溫度、進料量等參數(shù)信號，具有故障報警功能，控制系統(tǒng)具有手動、自動和參數(shù)設置功能。

1.2 工作原理

生物質顆粒燃料（直徑8～10 mm）由上料機裝入料斗（或料倉），在時間繼電器的控制下自動控制進料量，通過送料攪龍（螺桿進料器）均勻地將燃料送至燃燒室；同時點火機構啟動、電熱管迅速加熱升溫，高溫熱風送入燃燒器內(nèi)，3～5 min 內(nèi)將顆粒燃料點燃，點燃后點火機構斷電、停止工作。根據(jù)不同的糧食烘干量，攪龍也可設置成一定的間隔時間進料，即進料螺桿運行幾秒之后停頓幾秒，以調(diào)整不同熱負荷。

助燃空氣在風機壓送下，均勻地穿過環(huán)形爐壁，使燃料充分燃燒。送料攪龍配有增氧進風孔，使空氣不斷進入顆粒助燃，同時能防止攪龍被爐內(nèi)高溫損壞。此外，爐膛底部設計了一次進風口、上部配備了二次進風口，即在燃燒室底部進行一次燃燒、在燃燒室內(nèi)上方進行二次燃燒，可使揮發(fā)分充分燃燒。主要是因為生物質顆粒燃料含有大量的揮發(fā)分，這與煤炭主要成分是碳不同[7]。生物質顆粒需要通過一次燃燒和二次燃燒，才能在爐膛內(nèi)完全燃燒、產(chǎn)生高溫，排出的煙氣中才不會有污染氣體[8]。否則，沒有燃盡的一氧化碳等氣體會排放至空氣中，造成能量損失和環(huán)境污染[9]。

顆粒燃料燃燒后產(chǎn)生的高溫煙氣進入換熱器管內(nèi)，與換熱器管外的空氣進行間接換熱，將冷空氣加熱到一定的溫度。煙氣先經(jīng)過換熱管內(nèi)換熱，后經(jīng)過換熱管進行二次換熱，可以充分利用高溫煙氣的熱量，并減少換熱器管道的堵塞。由于熱風機負壓吸風，又對燃燒爐外壁進行冷卻并將熱風吸入，以獲得最大的燃燒能量，滿足烘干機的使用[10]。由于顆粒燃料的燃燒采用在封閉的爐膛內(nèi)燃燒，保證顆粒燃燒徹底和降低熱能損失。燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣與多排風管進行熱交換后，煙氣上升至爐體頂部的排煙口時，溫度已降低至120 °C 以內(nèi)，然后通過引煙風機及排煙管排出至室外。

顆粒燃燒后的灰燼，通過燃燒室底部的爐柵落入下部的接灰盒內(nèi)。由于木質類生物質顆粒燃料燃燒后的灰分含量很少，可以通過手動方式拉出排灰抽屜、定期清灰[11]。

控制系統(tǒng)能對熱風爐工藝參數(shù)進行調(diào)節(jié)和監(jiān)控，控制點火機構、攪龍進料電機、鼓風機、引煙風機、大風機等部件工作狀態(tài)。在送風管道的出風口設置了溫度傳感器等采集熱風溫度參數(shù)，通過設置攪龍電機運行時間長短控制進料量，通過設置風機轉速控制風量及風速等，控制系統(tǒng)具有手動、自動和參數(shù)設置功能，具有故障報警功能。通過變頻控制系統(tǒng)控制風機，風機不會因停爐而立刻停止運行，它會慢慢地減速運行，直到把煙氣完全排出爐體外，可有效防止爆燃，通過變頻系統(tǒng)控制風機，運行噪聲大幅度降低。

2 主要技術參數(shù)

設計研制的5LS-20 型生物質顆粒熱風爐（額定熱功率8.37×105kJ/h）的主要技術參數(shù)如表1 所示。

表1 主要技術參數(shù)Tab. 1 Main design parameters

3 熱風爐與糧食烘干機的耦合

生物質顆粒熱風爐與循環(huán)式谷物烘干機耦合如圖2所示。生物質顆粒熱風爐用于糧食烘干的場景如圖3 所示。該熱風爐利用可再生的生物質顆粒為燃料以替代煤炭和燃油，具有明顯的低碳減排和低成本運行優(yōu)勢。采用一次風和二次風設計的熱解氣化燃燒技術，使生物質顆粒的揮發(fā)分充分燃燒，降低煙氣的污染氣體排放，提高熱效率[12]。

圖2 生物質顆粒熱風爐與糧食烘干機耦合Fig. 2 Assembly drawing of biomass pellet hot blast furnace and grain dryer

圖3 生物質顆粒熱風爐烘干糧食應用場景Fig. 3 Scene of biomass pellet hot blast furnace used for grain drying

通過自動控溫技術，確保爐膛內(nèi)溫度穩(wěn)定而不被燒壞，并能自動調(diào)節(jié)糧食烘干機的熱風溫度（偏差±3°C），以獲得高品質的谷物。熱風爐攪攏出口處增加了超溫報警裝置，如果出現(xiàn)操作不當發(fā)生意外回火現(xiàn)象，溫度達到設定值時，程序控制即可停機，報警器持續(xù)響起，保證設備不會損壞和發(fā)生安全事故。與手機APP 實時對接，如遇故障可第一時間處理，智能化、安全性更高。多臺烘干機使用時，烘干臺數(shù)可自動控制，當一臺烘干結束后，程序自動切換臺數(shù)，可防止顆粒燃料的浪費，運行操作更加人性化。

4 性能試驗與經(jīng)濟效益分析

4.1 性能試驗

2020 年11 月27 日在浙江省臺州市路橋區(qū)谷物烘干廠實地試驗，以5LS-30 型生物質顆粒熱風爐（額定熱功率1.26×106kJ/h）耦合1 臺谷物烘干機進行測試，其中稻谷干燥的主要指標如表2 所示。試驗采用的生物質顆粒燃料的工業(yè)分析成分為含水率9.36%、灰分2.68%、揮發(fā)分69.79%、固定碳18.18%。其高位熱值為18.14 MJ/kg，低位熱值16.40 MJ/kg。在烘干機穩(wěn)定運行后的1 h 區(qū)間內(nèi)，測定顆粒消耗量為20.56 kg，稻谷含水率由27.8%降至27.2%，即減干率為0.6%/h。主要性能指標達到或優(yōu)于設計要求。

表2 稻谷干燥性能指標Tab. 2 Main performance index of rice drying

4.2 經(jīng)濟效益分析

按1 臺5LS-30 型生物質顆粒熱風爐（額定熱功率1.26×106kJ/h）耦合3 臺12 t 谷物烘干機進行計算，烘干機總功率為7.4 kW×3=22.2 kW，熱風爐功率約8.07 kW，烘干時間20 h。生物質顆粒用量以70 kg/h 計算（環(huán)境氣溫18°C），顆粒價格以1.2 元/kg 計，則顆粒費為70×20×1.2=1 680（元）；電費按0.68 元/（kW·h）計，則電費為（22.2+8.07）×20×0.68=411.7（元）。因此，烘干成本為（1 680+411.7）÷（12×3×2）=0.029（元/500g）。與利用空氣源熱泵烘干稻谷相比，生物質顆粒熱風爐烘干谷物成本降低50%，具有明顯的經(jīng)濟效益和應用前景。

5 結論

設計研制了以生物質顆粒為燃料的熱風爐，利用二次燃燒節(jié)能技術和溫度自動控制技術，具有結構新穎、設計合理、使用方便、自動化程度高等優(yōu)點；與糧食烘干機耦合，熱風輸出穩(wěn)定、熱效率高，保證了干燥后谷物品質，且烘干谷物成本較低，具有明顯的經(jīng)濟效益和推廣應用前景。采用可再生的生物質顆粒替代煤炭、燃油和電能（空氣源熱泵）用于糧食烘干，對我國實施“雙碳”戰(zhàn)略具有重要意義。