一种基于太阳能供热的智能生物质预处理装置

祝元恺

摘 要：原生生物质能量密度低、含水量高、难以粉碎、吸湿性强，使得生物质利用存在瓶颈。现行电热烘焙可实现精准控温烘焙，但其过程自身即产生巨大能耗，极大的限制了其实用价值。温度亦是影响不同种类、产地生物质烘焙效果的关键因素。本装置利用太阳能供热，结合机器视觉技术依据批量原料的二维码信息标识实现精准分类，根据不同物料的热学特性选择最佳烘焙温度。亦同时与电热烘焙相融合，可依据时段、天气因素实现全天候智能烘焙。

关键词：太阳能烘焙;智能控温;分类预处理;电辅热

1研究背景及意义

生物质直接燃烧仅能达到其热效率值的10%，并产生严重空气污染。原生生物质因其较低的能量密度、较高的含水量等不良特性，使得生物质利用存在瓶颈，如直接燃燒热效率低下等。烘焙是一种在常压、隔绝氧气的情况下，反应温度介于200～300℃之间的慢速热解过程，解决了生物质含水量高、热值低和研磨能耗大等问题，处理后的生物质的理化特性有明显提升，对后续热解处理有显著积极作用。而现行电热烘焙技术耗能巨大、成本过高，使得生物质能的利用得不偿失。以太阳能作为供热源显然具备诸多优越性和独创性。同时，因木质素、纤维素和半纤维素三种组分在不同产地、种类的生物质中含量不同且其对温度变化敏感，采用智能分类预处理有较大实际意义。

2 装置设计方案

2.1 装置工作基本原理

本装置利用太阳能聚光集热以获得高温，通过对温度的实时监测控制使得太阳能集热管中的温度得以较为精确地控制在目标温度范围内。利用绞龙将生物质原料以特定速度连续输送通过太阳能集热管，通过调节输送速度来改变对生物质原料在太阳能烘培装置中的滞留时间。装置内通入惰性气体，以保证对生物质原料的烘焙处理在惰性气氛中进行。温度检测单元根据管内温度与目标温度的大小关系，电机驱动采光板的角度，通过调节采光板的角度增减采光面积，以达到控温的目的。

2.2 基于地理位置的单轴追光设计

日照时间随日期和地理位置而不同，单一依靠光敏电阻追光无法区别昼夜，且在户外实际使用条件下，存在大量人工光源及不确定自然气象因素干扰，光敏电阻追光效果并不理想。而依靠经纬度数据和时钟模块实现精确追光，具有更强的适应性和可推广性。

太阳相对于地球存在确定的运动规律，因此太阳高度角与观测点的地理位置及当地时间具有严格的对应关系，在已知经纬度和当地时间的条件下，即可以解算出太阳高度角。当太阳高度角变化时，控制器控制镜元相应的转动就可以将太阳光线反射到吸收器上。系统还将计算出日出、日落的时间，从而决定系统启动和镜元回归初始位置的时间。

2.3 分类预处理设计

生物质原料主要由木质素、纤维素和半纤维素三种组分构成，但不同产地、种类的生物质原料三种组分比例不尽相同，导致热学特性存在较大差异。三种组分对温度的敏感性差别较大，烘焙温度的选择对于烘焙产物及后续处理环节影响极大，在批量化生物质预处理的过程中，如果不能分类处理，将对生物质的利用及后续处理带来不利影响。基于此，本装置结合了二维码识别功能，对于批量封装的生物质原料，封装时即根据种类、产地信息进行贴码标识，生产过程中，设备直接读取二维码信息，按照最佳烘焙参数进行烘焙，使加工工艺进一步流程化、自动化，大大提高生产效率，亦提高了能源利用率。

2.4 电辅热设计

因为天气条件的多变性和不确定性，本装置具有电辅热设计，在温度传感器的调节下，在日照条件无法达到要求时可以进行辅助加热处理，具备在不良天气条件下保证生产的能力，同时也避免了短暂性天气事件（如阵雨）导致生产全面中断的风险。

3装置分析与对比

3.1 环保性分析

由于采用太阳能作为热源，整个生物质烘焙过程几乎不耗能，有效解决了目前生物质烘焙过程耗能较高的问题。本装置所涉及的生物质烘焙的热源来自于太阳能，而不是采用传统的化石燃料作为热源，解决了生物质烘焙过程中的能耗问题。本装置所涉及的生物质烘焙过程通过辐射和导热的形式将热量由受热面传递给生物质材料，整个过程中除惰性气体（如氮气）外没有其他介质与生物质接触，保证烘焙过程生物质的烘焙效果。本装置所涉及的生物质烘焙的热源来自于太阳能，太阳能为清洁能源，故生物质烘焙过程不会对环境产生不利影响。

3.2 节能性分析

以郑州科晶公司生产的双温区旋转管式生物质烘焙电炉为参照：

以中国中部地区为例，其年日照时数为2200-3000h，平均为2600h，取焦作市日间电价为计算参数（0.56元/千瓦时），假定两设备同时运转，一年仅一台机器的电费便可节省2600×14×0.56=20384元。进一步，烘焙预处理可以大大降低后期粉碎处理的能耗，以松木块为例，烘焙后粉碎处理能耗仅为23-78千瓦时，平均51千瓦时，大大低于烘焙前的237千瓦时，那么每台机器每年可为粉碎处理环节节省（237-51）×2600×0.56=270816元。而事实上，在我国广大日照条件更好的地区，若批量进行生物质烘焙处理，节省的经济成本将更加可观。

3.3 减排效果分析

本装置具有生物质处理量不低于5kg/h的处理能力，以中国中部地区为例，其年日照时数为2200-3000h，平均为2600h，仅以最低值进行估算，每台每年可处理2600×5=13000Kg生物质，以棉杆为例，经290℃烘焙后，其高位发热量可达23.85MJ/KG，这表明，每台设备每年约可制备热量可达23.85×13000=323050MJ的生物质装置，这些生物质能的利用可以有效减少传统能源的使用，进而达到减排目的。

另一方面，生物质烘焙处理后的产出物将用于制备生物质燃料进行综合利用，有效避免了生物质原料被直接燃烧，极大地减少了空气污染物的排放，对雾霾防控有巨大潜在价值。

3.4 经济效益分析

仅以玉米秸秆原料为例，市场价格为320元/吨，而生物质炭价格为6000元/吨，炭产率一般在25%左右，以处理量5kg/h来说，仅以碳装置为例，每10台装备每天就能产生1600多元的效益。进一步地，生物质烘焙产物多种多样，在一定条件下均可转化为能源装置，存在巨大潜在经济效益。

4装置的技术关键及创新点

本装置的技术关键在于实现太阳能追光设计和传感器智能控制。实现太阳能集热器中温度220℃～270℃，生物质处理量不低于5kg/h。氧脱除率30%～50%。本装置以太阳能代替传统能源作为供热源，采用基于地理位置的追光设计提升集热效果结合机器视觉技术依据批量原料的二维码信息标识实现精准分类烘焙预处理具备电辅热设计，可依据时段、天气因素实现全天候智能烘焙，实现了工艺创新。

5装置的应用前景

我国理论生物质能资源为50亿吨左右标准煤，是中国总能耗的4倍左右。目前我国生物质利用装备发展不足，发展新型高效节能环保的生物质利用装备很有必要，而烘焙将是生物质利用产业链中重要的一环，十三五规划中明确提出能源转型问题，尤其是农村能源结构转型问题，而中国广大农村地区有着丰富的生物质资源可供利用，传统的填埋焚烧等处理已不再符合当代能源发展要求，生物质烘焙预处理，将深刻地改变传统农业产出物的利用方式，太阳能生物质烘焙技术具有巨大的经济和社会效益潜力。