單福朋

(中聯(lián)農(nóng)業(yè)機(jī)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(chǔ)藏標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生了霉變、發(fā)芽等較大的損失，為減少該損失，糧食機(jī)械干燥應(yīng)運(yùn)而生，通過外部提供熱源強(qiáng)制減少糧食含水率，從而達(dá)到安全儲(chǔ)糧標(biāo)準(zhǔn)。近年，一些企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)為滿足用戶需求引進(jìn)或研發(fā)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(zhì)等幾種。蒸汽、天然氣和石油作為燃料的熱源，需要有穩(wěn)定的燃料來源且安全要求較高，一般用戶不會(huì)采用這種類型的熱源；空氣源熱泵作為一種高效、節(jié)能、環(huán)保的技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于木材、食品、種子、藥材等領(lǐng)域，但是由于其對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)性及環(huán)境粉塵濃度要求較高，在工作強(qiáng)度較高的糧食干燥領(lǐng)域應(yīng)用較少；由于小型的煤爐一般無尾氣處理設(shè)備或者無法實(shí)現(xiàn)超低排放，正在逐漸被強(qiáng)制淘汰；以生物質(zhì)作為燃料的熱源在糧食烘干領(lǐng)域應(yīng)用較多，生物質(zhì)燃料分為散料及成型顆粒燃料，未成型的散料一般應(yīng)用于流化床爐或者懸浮爐，成型顆粒應(yīng)用于爐排爐。在糧食烘干領(lǐng)域，懸浮爐和爐排爐都有應(yīng)用，懸浮爐輸出功率較大，技術(shù)較復(fù)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(yīng)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(shù)較簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化燃燒控制，同時(shí)，由于成型顆粒燃料技術(shù)日益成熟，逐步走向規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化[1]，無論是木質(zhì)顆粒還是農(nóng)作物顆粒燃料，來源廣、方便運(yùn)輸[2]，這種爐型近年來比較受歡迎。

研究人員對(duì)生物質(zhì)顆粒爐排爐也進(jìn)行了大量的研究，鄭濤等人[3]提出了一種節(jié)能環(huán)保的新型生物質(zhì)熱風(fēng)爐，由爐膛、熱風(fēng)交換管組、旋風(fēng)除塵桶和布袋除塵組等組成，通過燃燒分析等技術(shù)，提高了生物質(zhì)顆粒燃燒效率和熱風(fēng)爐的熱效率；王斌等人[4]研制了一種生物質(zhì)熱風(fēng)爐，該熱風(fēng)爐由給料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)和除塵等系統(tǒng)組成，采用螺旋翅片管對(duì)流換熱和爐膛輻射換熱技術(shù)，試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)換熱量較高，具有節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)；孔凡祝等人[5]研制的生物質(zhì)顆粒爐在換熱器方面進(jìn)行了優(yōu)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(zhì)熱風(fēng)爐存在的技術(shù)難題基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種易點(diǎn)火、升溫快、燃燒溫度控制效果好、粉塵少、減少結(jié)焦、出力大的熱風(fēng)爐，安全節(jié)能，適用于糧食類谷物干燥。研究人員設(shè)計(jì)了各種不同的生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐，都是從各系統(tǒng)本身改善，并朝著高效清潔的燃燒技術(shù)方向努力，但很少有人從熱風(fēng)爐的工藝流程方面進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，現(xiàn)有研究具有一定的局限性。

本文對(duì)生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐的不同工藝進(jìn)行了分析匯總，為設(shè)計(jì)人員開發(fā)更加節(jié)能環(huán)保的生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐提供思路。

1 不同工藝的生物質(zhì)顆粒爐介紹

1.1 數(shù)據(jù)計(jì)算方法

本文所有的計(jì)算數(shù)據(jù)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(zhì)顆粒帶入的熱量，kW；Qp為一次風(fēng)帶入的熱量，kW；QS為二次風(fēng)帶入的熱量，kW；Ql為漏入空氣帶入的熱量，kW；QlA為換熱器進(jìn)入的冷空氣熱量，kW。

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

式中：Qd為飛灰?guī)ё叩臒崃?，kW；Qa為爐渣帶走的熱量，kW；Qu為未燃燒物質(zhì)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(jì)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(jì)算一個(gè)量時(shí)保持其他量不變。

本文數(shù)據(jù)均是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下理論計(jì)算所得，且獲得的是工藝參數(shù)的變化規(guī)律，因此相關(guān)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(zhì)顆粒熱風(fēng)爐由五大系統(tǒng)組成，即給料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、引煙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、除灰渣系統(tǒng)。其中，給料系統(tǒng)由料斗、螺旋輸送機(jī)和風(fēng)機(jī)組成，螺旋輸送機(jī)送料，送料量由熱風(fēng)溫度的大小決定，生物質(zhì)顆粒在風(fēng)機(jī)的輔助下可以送到爐膛的另一側(cè)，使顆粒在爐排上分布均勻。燃燒系統(tǒng)由爐排、爐膛組成，助燃風(fēng)從爐排下引入，生物質(zhì)在爐膛中燃燒后，熱煙氣進(jìn)入熱交換系統(tǒng)，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(tǒng)，設(shè)計(jì)顆粒爐燃燒系統(tǒng)時(shí)要考慮能達(dá)到的最低和最大負(fù)荷及其對(duì)應(yīng)的熱風(fēng)溫度，原因是低負(fù)荷時(shí)，爐膛溫度低，熱效率降低，可能會(huì)造成熄火，另排煙溫度下降，會(huì)造成換熱器低溫腐蝕；熱負(fù)荷較高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生局部高溫，從而引起爐膛結(jié)焦，影響換熱，同時(shí)飛灰也會(huì)增加，這會(huì)增加設(shè)備磨損及換熱器堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，熱風(fēng)溫度不能過高或者過低，要根據(jù)客戶需求在一定的范圍內(nèi)控制。除灰渣系統(tǒng)根據(jù)爐排形式分為人工和自動(dòng)清灰方式，固定爐排形式顆粒爐爐渣自動(dòng)或者通過撥動(dòng)方式落入渣斗，移動(dòng)式爐排通過除渣機(jī)或者刮板機(jī)把灰渣送到渣斗。熱交換系統(tǒng)是熱風(fēng)爐的重要組件，是決定換熱效率的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)的目標(biāo)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(shè)計(jì)時(shí)該溫度不要低于酸露點(diǎn)溫度，以免換熱器產(chǎn)生低溫腐蝕。引煙風(fēng)機(jī)是又一關(guān)鍵設(shè)備，該風(fēng)機(jī)不僅維持爐膛負(fù)壓，對(duì)于無助燃風(fēng)機(jī)的爐型，還要把助燃風(fēng)從爐排下引入到爐膛。這種爐型由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(tǒng)

如圖2所示,在基本生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐基礎(chǔ)上增加了除飛灰系統(tǒng)，該系統(tǒng)置于燃燒系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)之間，用于除去部分飛灰。該系統(tǒng)占用空間不大，增加后有幾點(diǎn)好處：①熱風(fēng)爐質(zhì)量評(píng)價(jià)規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)煙塵排放濃度有規(guī)定，增加該系統(tǒng)后有助于環(huán)保達(dá)標(biāo)；②煙氣中飛灰減少后，減輕了熱交換系統(tǒng)積灰堵塞的趨勢(shì)，降低了因積灰堵塞導(dǎo)致的換熱效率降低的風(fēng)險(xiǎn)；③熱交換系統(tǒng)和引煙風(fēng)機(jī)等設(shè)備中煙氣流速較大，灰塵對(duì)設(shè)備磨損較大，增加除塵設(shè)備后能夠減緩設(shè)備磨損，提高設(shè)備使用壽命。

圖2 含除飛灰系統(tǒng)的基本型顆粒爐工藝流程示意圖

是否需要除塵設(shè)備，各生產(chǎn)廠家有不同的考慮，一些生產(chǎn)廠家認(rèn)為生物質(zhì)成型顆粒為層狀燃燒，部分揮發(fā)分在爐膛上部燃燒，飛灰較少，認(rèn)為環(huán)保能達(dá)標(biāo)，另為增加價(jià)格優(yōu)勢(shì)，所以不設(shè)除塵設(shè)備；另一些廠家為追求技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高設(shè)備壽命和熱效率，選擇增加除塵設(shè)備。目前，對(duì)于用戶來說，對(duì)這塊關(guān)注的不是很多，都可以接受。

1.2.3 一次風(fēng)為熱空氣形式

如圖3所示，該爐型采用的一次風(fēng)是熱空氣，通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從爐排下引入的一次風(fēng)為熱交換后的熱空氣。提高一次風(fēng)溫度有助于燃料的及時(shí)著火和充分燃燒。如圖4所示，一次風(fēng)溫度增加后顆粒爐的熱效率呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，同時(shí)為控制爐膛溫度不至過高，需通過增加二次風(fēng)量限制爐膛出口溫度。

圖3 一次風(fēng)為熱空氣形式顆粒爐工藝流程示意圖

圖4 一次風(fēng)溫度與顆粒爐效率及二次風(fēng)量之間的關(guān)系

目前，市場(chǎng)上部分生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐廠家采用了這種爐型，優(yōu)勢(shì)較大，科技含量高，具有較好的節(jié)能效果，并且飛灰含量較少。但是，要保證顆粒爐穩(wěn)定工作，需時(shí)刻監(jiān)控爐膛溫度，采取調(diào)整送料量或者改變二次風(fēng)量等形式穩(wěn)定爐膛溫度，以防止?fàn)t膛結(jié)渣、結(jié)焦。

圖5為圖3所示工藝流程的升級(jí)版，該系統(tǒng)運(yùn)用了余熱利用的思路，把經(jīng)過灰房過濾后的高溫空氣引回到燃燒系統(tǒng)中，以此提高助燃風(fēng)或者熱交換系統(tǒng)進(jìn)口冷風(fēng)溫度。從目前市場(chǎng)來看，在糧食烘干領(lǐng)域這部分熱量是浪費(fèi)掉的。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要從節(jié)能的角度綜合考慮可行性，原因是從灰房到燃燒系統(tǒng)有一定的距離，需設(shè)置回?zé)犸L(fēng)機(jī)，消耗能量，小型顆粒爐效果不佳，在大型熱源系統(tǒng)應(yīng)用此系統(tǒng)將會(huì)取得很好的節(jié)能減排效果。該系統(tǒng)在其他干燥系統(tǒng)有所應(yīng)用，比如在晝夜溫差大的地區(qū)，采用回?zé)岱绞骄S持熱泵干燥系統(tǒng)穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(fēng)。該技術(shù)又被稱為煙氣再循環(huán)技術(shù)，其關(guān)鍵技術(shù)為煙氣再循環(huán)比率的選擇。如圖7所示，爐膛出口溫度隨著煙氣再循環(huán)比率的增加而減少，再循環(huán)比率達(dá)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(shí)，熱風(fēng)出口溫度變化不大，這是因?yàn)殡m然爐膛出口溫度下降了，但是煙氣量增加了，對(duì)流傳熱量增加，因此熱風(fēng)出口溫度變化不大。設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，進(jìn)入爐膛的煙氣量一定是可調(diào)節(jié)的，以根據(jù)爐膛出口溫度同步調(diào)節(jié)煙氣再循環(huán)量；從引煙風(fēng)機(jī)出來的煙氣溫度要大于酸露點(diǎn)溫度，以免造成系統(tǒng)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(huán)比率與爐膛出口溫度和換熱器出口熱空氣溫度之間的關(guān)系

此外，還有一種形式的顆粒熱風(fēng)爐，如圖8所示，這種結(jié)構(gòu)是有余熱利用且無煙囪形式的顆粒熱風(fēng)爐，一部分煙氣經(jīng)與熱空氣匯合后進(jìn)入到干燥機(jī)，另一部分送入爐膛代替二次風(fēng)。該系統(tǒng)對(duì)燃料形式和除飛灰系統(tǒng)要求較高，因?yàn)闊煔鉄o論是進(jìn)入到爐膛還是干燥機(jī)都不允許有大量灰塵存在。另由于煙氣是和空氣混合后進(jìn)入到干燥機(jī)，所以降低了著火風(fēng)險(xiǎn)。

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(nóng)產(chǎn)品干燥用熱風(fēng)爐質(zhì)量評(píng)價(jià)相關(guān)規(guī)范對(duì)熱風(fēng)爐煙囪的要求，但是其燃料適用范圍中并沒有成型生物質(zhì)的描述[7]，該無煙囪爐型已有廠家對(duì)其進(jìn)行量產(chǎn)，其煙氣只有少量和空氣匯合后進(jìn)入爐膛，并對(duì)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(jié)了幾種生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐工藝形式，分析了工藝特點(diǎn)，其發(fā)展趨勢(shì)是節(jié)能環(huán)保，符合生物質(zhì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求，為生物質(zhì)顆粒爐的設(shè)計(jì)提供了思路。

2 結(jié) 語

糧食烘干產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)是智能控制、節(jié)能環(huán)保，以上介紹的幾種生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐工藝流程，即從簡(jiǎn)單的無節(jié)能技術(shù)到余熱利用技術(shù)符合這一發(fā)展趨勢(shì),一些在其它領(lǐng)域先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，比如：高溫空氣燃燒技術(shù)、煙氣再循環(huán)技術(shù)都可以應(yīng)用到熱風(fēng)爐中。開發(fā)者可以從市場(chǎng)背景、國(guó)家戰(zhàn)略、客戶訴求等方面選擇合適的生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐技術(shù)。