粮食干燥热源现状及展望

◎ 谢建松，杨占国，李军五，夏朝勇

（郑州中粮科研设计院有限公司，河南 郑州 450053）

粮食干燥是粮食流通中的重要环节，具有提高粮食贮藏稳定性、改善粮食加工品质、提高粮食籽粒发芽率、降低运输费用，减少田间损失等意义。据国家统计局发布的数据，2017年全国粮食总产量61 791万t，为历史第二高产年，其中玉米、稻谷及小麦3种主要谷物的产量合计55 422.5万t，占粮食总产量的89.7%。世界发达国家粮食机械干燥可达粮食总产量的90%以上，我国的机械干燥与发达国家相比，还有很大的差距。近几年，随着我国现代农业的加速发展，农业结构的不断优化调整，机械化水平的不断提高，粮食机械干燥的应用会越来越普及，粮食机械化干燥的需求也会逐步增大。

在粮食干燥领域，对流热力干燥是最广泛的方法，加热空气作为干燥介质起着载热和载湿的双重作用。干燥介质的热量主要由热源供给，使用最多的燃料仍然是煤炭。然而，燃煤带来的温室气体和SO2等污染物排放对大气造成的危害，已经严重制约了粮食干燥机的发展。国务院印发的《大气十条》提出，到2017年，除必要保留的以外，地级及以上城市建成区基本淘汰每小时10蒸吨及以下的燃煤锅炉，其他地区原则上不再新建每小时10蒸吨以下的燃煤锅炉。目前，全国范围内许多地区已经关停了以煤作为燃料的粮食干燥机，因此，寻找和研发粮食干燥替代能源已经迫在眉睫。

1　粮食干燥热源现状

大型粮食干燥系统热能需求较大，配套热源型式主要为燃煤热风炉，其他类型热源应用不多。小型粮食干燥系统热能需求较小、热源选择范围多，除了煤外，还有生物质、热泵、太阳能、燃油等多种热源应用。

1.1　洁净煤

煤炭在为我国国民经济作出巨大贡献的同时，也排放出大量的SO2、NOX和烟尘等大气污染物。我国一直大力发展洁净煤相关技术，最大限度地降低煤炭使用对生态环境的影响。洁净煤技术涉及开采到利用的全过程，旨在减少污染物排放和提高利用效率，大致可分为燃烧前的煤炭加工和转化技术、煤炭燃烧技术和燃烧后的烟气脱硫技术[1]。

（1）燃烧前加工和转化技术包括煤炭的洗选和加工转化技术。①煤炭洗选技术。根据原煤、矿物杂质和煤矸石的物理化学性质差别，清除原煤中的有害杂质，降低灰分、硫分、水分，减少使用过程中的污染物排放。②型煤技术。将一种或数种煤或者掺混低热值燃料或废弃物，与一定比例的黏结剂、添加剂等加工成一定形状尺寸、有一定理化性能的燃料或原料。③动力配煤技术。将两种以上不同种类、不同性质的煤按一定比例掺配加工成混煤，改变其化学组成、物理性能和燃烧性能，达到优化产品结构、煤质互补、适应设备对煤质需求、提高燃烧效率、减少污染物排放、降低煤炭运输成本等目的。④褐煤提质技术。通过加工改变褐煤的成分和结构，降低水分、提高发热量，生成具有类似烟煤性质的提质煤，便于运输和储存，提高能量转换效率，扩大使用范围。⑤煤制天然气技术。将合成气通过甲烷化反应合成替代天然气（SNG）的过程。

（2）燃烧后的烟气脱硫技术主要有湿式石灰石-石膏法，是目前世界上技术最为成熟、应用最多的脱硫工艺。应用设备主要有喷淋塔、填料塔，以及比较先进的涡轮增压湍流脱硫塔等[2]。

1.2　生物质热源

生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体，即一切有生命、可以生长的有机物质。生物质的特点包括可再生、低污染、分布广泛。生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物中的一种能量形式，直接或间接来源于植物的光合作用。生物质燃料燃烧设备的设计选择须从其燃烧特性出发。生物质直接燃烧技术主要有层燃技术、流化床技术两种方式。

固化成型技术是规模化利用生物质能源的一种有效途径，是指以无定型的生物质（如秸秆、稻壳、木屑、树枝等农林废弃物）为原料，经干燥、粉碎到一定粒度，在一定的温度、湿度和压力条件下，使生物质原料颗粒位置重新排列并发生机械变形和塑性变形，成为形状规则、密度较大、燃烧值较高的棒状、块状或颗粒状等固体燃料[3]。固化成型技术可以使固体体积压缩到原始生物质体积的1/15～1/8。生物质成型燃料具有密度高、热值高、易于运输、使用方便、燃烧过程CO2零排放等显著优势。

针对生物质热源，我国环境保护部明确“生物质成型燃料非高污染燃料”，同时指出，生物质成型燃料在燃烧不完全或污染治理设施运行不正常的情况下，都有可能造成一定程度的空气污染，即地方政府仍有一定的自主决定权。有些地方鼓励生物质燃料推广，同时有些地方限制推广，在一定程度上影响了生物质热源粮食干燥系统的全面普及。

1.3　天然气

天然气被公认是地球上最干净的化石能源，代表了化石能源的未来。1 m3天然气的热值约为8 000 kCal。天然气储量丰富、用途广泛，而且相对环境影响更小，产生的污染物和排放要比煤炭和石油少得多。天然气代表着原油中较轻的组分，它是一种混合物，其中主要是甲烷，它燃烧更彻底，几乎不产生二氧化硫或颗粒物，产生的氮氧化物仅为石油的20%，二氧化碳比石油少30%、比煤炭少50%。除了气田煤气、油田煤气等常规天然气外，我国的非常规天然气资源同样非常丰富，页岩气、致密气和煤层气可采资源量是常规天然气的1.5倍。

天然气热源市场化的一个主要障碍是输送能力，天然气液化技术很好地解决了这个问题。在天然气液化技术出现前，大规模输送天然气的唯一方法是利用管道。液化天然气（LNG）是在标准大气压下把天然气冷却到-162 ℃左右，使之液化后再用低温储罐或低温瓶运输，运抵后重新注入已有的管道系统。液化天然气的体积约为气态体积的1/625，极大地提高了运输能力。液化天然气的运输相对安全，天然气在空气中的可燃浓度范围很窄，为5%～15%，也就是说，天然气的浓度低于5%或者高于15%都不会被点燃。在粮食干燥实际应用中，可以选择市政管道供气，也可以通过用LNG储存罐租建小型液化气站。

1.4　热泵

热泵是一种高效制热装置，产出的热能/消耗的热能＞100%。热泵粮食干燥系统是热泵装置和粮食干燥机的有机结合。热泵干燥装置可实现以电代煤，其主要优点是高效节能，在实践中，节能幅度一般可达30%以上，综合干燥成本可降低10%～30%，不仅实现了污染物零排放，而且比燃煤节能。

根据工作中干燥介质的循环方式不同，热泵干燥装置可分为开式、半开式和封闭式。开式热泵干燥装置是指干燥介质（空气）从环境中吸入，经热泵升温后进入干燥机，干燥粮食后再排入环境。半开式指干燥介质（空气）部分从环境中吸入，与干燥机的部分废气混合并经热泵升温后进入干燥机，出干燥机的废气部分排入环境，部分再循环进入热泵重新加热。封闭式热泵干燥装置的干燥介质（空气）全部在装置中循环。实际应用中，根据干燥物料特性，还有许多改进形式[4]。

1.5　液化石油气

石油气是在石油炼制过程中在进行原油催化裂解与热裂解时所得到的副产品，由多种低沸点气体组成的混合物，没有固定的组成，主要成分是丁烯、丙烯、丁烷和丙烷。液化石油气（LPG）是指经高压或低温液化的石油气。LPG热值为1 1000 kCal/kg。

与其他燃料相比，LPG具有如下的优点：①在空气中可以充分燃烧，生成CO2和H2O，无污染物、粉尘排放。②发热量高。同样重量LPG的发热量相当于煤的2倍。③运输、储存简单，供应灵活，气站用LPG储罐储存，又可装在气瓶里供用户使用，也可通过配气站和供应管网，实行管道供气。

2　粮食干燥新型热源展望

2.1　太阳能

太阳能是目前取之不尽、用之不竭的天然洁净能源，最原始的谷物晾晒干燥实际上就是利用太阳能进行干燥的方法。太阳能粮食干燥系统，主要是利用集热器收集热量，使经过集热器的空气温度升高，再用风机把热空气输送给干燥设备进行粮食干燥[5]。利用太阳能进行粮食干燥的优点是免费获得、无污染，可以被用到偏远的地方；缺点是建设及使用成本高、技术门槛高、受季节和当地气候影响，且只能在白天获取。谷物太阳能干燥装置广泛应用于国外粮食主产区的农村地区，在我国应用较少。

2.2　沼气

沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种混合气，主要成分是甲烷，其特性与天然气类似，是一种很好的清洁燃料。每1 m3沼气热值约4 500 kCal。建设沼气池可以人畜粪便及生活垃圾、秸秆果壳、枝叶杂草为原料，废弃物发酵后可以用作有机肥料。利用沼气燃烧加热空气，然后把热空气输送至干燥机对粮食进行干燥。具备沼气制备条件的地方，可以考虑用沼气作为粮食干燥热源。

2.3　多种热源组合

根据热量需求量及热源特性进行合理组合，达到干燥效率高、热源利用率的最佳结果。例如，可以将太阳能热源和沼气热源相结合，在太阳充足时，利用太阳能进行粮食干燥，在太阳不足时，燃烧沼气加热空气进行粮食干燥。

3　结语

开发利用新型能源替代煤炭等非再生的石化能源是我国的基本国策。在粮食干燥配套热源选择上，一方面应根据实际情况，针对不同地区、不同处理量、不同烘干物料，选择最合适的配套热源。另一方面，加快研发新型热源或多种热源联合使用技术。有效促进粮食干燥行业可持续发展，提高社会效益、生态效益和经济效益。