粮食干燥节能减排新技术和新设备
（国家粮食储备局郑州科学研究设计院 河南 郑州450053）
摘要：本文介绍了我国粮食干燥节能减排的现状，分析了粮食干燥节能减排技术和设备，概括了粮食干燥领域节能减排的途径，展望了我国粮食干燥节能减排技术和设备发展方向，为粮食干燥节能减排技术和设备研发和比选应用，以及探索节能减排新途径提供了参考依据。
关键词：粮食干燥；节能减排；脱硫除尘；技术；设备；变频调速
New Technology and Equipment of Energy Saving and Contamination Emission
Reducing on Grain Drying System in China
( Zhengzhou Science Research & Design Institute under State Administration of Grain Reserve，Zhengzhou
450053,China)
Abstract: This paper introduced the present status and analyzed the technology and equipment and summarized the
ways of energy saving and emission reduction on grain drying system in china. It provided reference and basic for comparison and selection of the technology and equipment and the ways of energy-saving and emission reduction on grain drying system, and prospected the technology and equipment of energy-saving and emission reduction on grain drying system in China.
Key words: grain drying; energy saving and emission reduction; desulfurization and dedust; technology and equipment; variable frequency speed regulation
0 前言
粮食干燥是我国粮食行业较大的耗能环节之一，是我国粮食行业“节能减排”的重点。目前，我国干燥技术水平有待提高，干燥所用能源比较单一，主要以煤为燃料，需要间接加热，能量利用率较低，一般为50%~75%，有的为30%~50%，有很大一部分热能被浪费掉了，单位耗热量较大，大致在1300~2300kcal/kgH2O（间接加热）的范围内。而且我国粮食干燥系统绝大多数没有配备节能减排设备，燃料燃烧产生的CO、CO2、SO2、SO3、 NOX等气体排放物，直接排入大气，对环境造成了严重污染。每年全国机械化干燥粮食约37Mt，消耗约1.70Mt标准煤，同时排放出约6.24Mt CO2、约0.06375Mt NOX，约0.1275Mt SO2等废弃物。
为实现我国能源发展目标，迫切需要研究开发粮食干燥节能减排新技术、新设备、新材料和新工艺，比选应用有效的粮食干燥节能减排途径，提升我国粮食干燥节能减排技术水平和管理水平。因此，本文将系统分析我国粮食干燥的能源消耗及粮食干燥系统产生的污染物状况，介绍目前应用的粮食干燥新技术和新设备，并展望其发展方向。为探索粮食干燥节能减排技术新途径提供依据。
1 我国粮食干燥的能源消耗
1.1 粮食干燥机形式及供热系统
目前，我国粮食干燥机以塔式干燥机为主，多采用对流干燥法，有顺流、顺逆流、逆顺流、顺混流、逆流、混流及横流等多种形式。供热系统为热风炉，热源燃料构成见图1。
5%2%3%煤稻壳、秸秆等柴油、天然气、煤气、沼气其他热源90% 图1 我国粮食干燥热源构成 1
1.2 粮食干燥系统能源消耗
粮食干燥系统能耗包括热能消耗和电能消耗，热能消耗约占96%~97%，电能消耗约占4%~3%。 我国粮食干燥热量消耗构成见图2。我国粮食干燥电能消耗构成见图3。 粮食干燥系统能源消耗中，除粮食水分蒸发热量消耗的能耗不可减少，其它能耗均可设法减少。
粮食水分水分蒸发热量消耗15%5%加热粮食所需显热20P%加热干燥介质（废气带走）的显热换热器热损失及燃烧炉热损失和烟囱废气带走的热量其它热损失（干燥设备以传导、辐射、对流而产生的热损失等） 图2 我国粮食干燥热量消耗构成 2%热风炉系统电能消耗，主要包括锅炉引风机和鼓风机的电能消耗干燥机电能消耗，主要包括热风机及冷风机的电能消耗附属设备电能消耗，主要包括输送、提升、清理设备的电能消耗63%其他电能消耗，主要包括照明系统、电缆及电气元件热损失所消耗电能12#%图3 我国粮食干燥电能消耗构成 2 粮食干燥系统产生的污染物 粮食干燥系统“减排” 即减少废弃物和环境有害物（包括三废和噪声等）排放。粮食干燥系统废弃物和环境有害物主要包括供热系统热风炉燃料燃烧后的废气与固体废弃物（如未烧尽炭粒飞灰）、干燥机排出的固体粉尘、物料（粮食和燃料）输送、提升及清理过程产生的固体粉尘和机器运转产生的噪声等。其中废气污染主要来自燃料燃烧产生的CO、CO2 、SO2、SO3、 NOX等气体排放物。这些粉尘和废气等污染物会对环境空间、人畜生存造成不安全影响。
3 我国粮食干燥节能减排新技术和新设备研究应用情况
3.1 优化比选粮食干燥工艺参数节能减排
优化比选粮食干燥工艺参数节能减排主要途径有：（1）减少干燥废气带出显热；（2）减少干燥后粮食潜热；（3）适当提高干燥热风温度。
3.2 采用高效、节能、低耗、低排、先进的粮食干燥技术和设备
采用先进的粮食干燥技术和设备可明显提高干燥过程的能源利用率，节约能源，减少废弃物排放，是粮食干燥节能减排的主要途径。比如多段变温缓苏干燥技术和设备、组合干燥技术和设备、多段变温干燥技术和设备、多段烘干缓苏干燥技术和设备等。
3.2.1 多段变温缓苏干燥技术和设备 多段变温缓苏干燥技术是依据粮食水分去除机理，并综合考虑粮食品质、干燥能耗、环保、干燥后粮食用途及干燥成本等因素而研究开发的一种高效、节能、低耗、低排、先进的粮食干燥技术。它采用多段“干燥+缓苏”技术，实行“分段变温干燥”，各干燥段之后设置缓苏段，“干燥+缓苏”交替进行。所谓“分段”是根据粮食品种和粮食水分等因素强制分段干燥降水。所谓“干燥+缓苏”是根据粮食品种等因素设置缓苏段。所谓“多段变温”是根据粮食水分去除机理和粮食受热温度等因素分若干段采用不同的温度干燥粮食。
3.2.2 组合干燥技术和设备 组合干燥技术指两种或两种以上的干燥技术联合应用以干燥粮食的技术，也称联合干燥技术。采用组合干燥技术主要是为了节能减排和提高粮食质量，尤其是对粮食这样的热敏性物料最为适宜。常见的粮食组合干燥技术有：顺逆流组合干燥技术、逆顺流组合干燥
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技术、顺混流组合干燥技术、快速与慢速干燥组合技术及高低温组合干燥技术等。
3.2.3 低温真空粮食干燥新技术和设备 低温真空粮食干燥技术是一种新型粮食保质节能干燥新技术，它利用低温低压下传热传质的机理去除粮食水分，主要传热方式为辐射和传导，从干燥原理上解决了现有以对流传热方式为主的干燥技术能耗较高的现状，干燥后粮食质量好，并可节能20%左右，是粮食干燥节能减排的有效途径之一。低温真空干燥技术完全不同于热风干燥，在真空状态下，粮食籽粒有较好的干燥动力学特性，粮食籽粒内部压力和表面之间压力差较大，形成较大的压力梯度，受压力梯度的作用，被汽化的水分子加速向真空空间转移，即形成了真空下的液态传质；由于真空状态下物料表面与干燥筒空间的水分蒸汽压力差的存在，形成物料水分的气态传质；真空干燥降低了水分蒸发温度(真空干燥能使水分的沸腾蒸发温度从100℃降低到40℃左右),这样可以缩短物料的升温时间，减少物料升温所需要的热能，干燥介质带走的热耗及设备散热损失也较低。 低温真空粮食干燥设备，见图4。
图4 低温真空粮食干燥设备
3.3 比选应用新型能源，研发新型能源供热技术和设备
能源大致分为两大类，一类是可再生的，如风能、水能、太阳能和生物质能源等，另一类是不可再生的，如石油、煤、天燃气、核能、电能等。目前，常用传统燃煤热风炉，其总效率在70%左右，柴油炉效率在95%左右，比选应用新型能源，研发新型能源供热技术设备，利用可再生能源代替不可再生能源，是节能减排的有效途径。 3.3.1 研发应用生物质能源技术和设备
生物质能源由于具有取材方便、价格低廉、清洁、污染少及可再生等优点，在粮食干燥行业有着广泛的应用前景。生物质能源主要指秸秆，包括玉米秸秆、小麦秆、稻草、谷壳、油料作物秸秆、豆麦作物秸秆、杂粮秸秆、棉花秆等，是仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源，在世界能源总消费量中占约14% 。在较好的试验条件下，1t秸秆的能量相当于0.5t标准煤，3kg玉米芯释放出的热量相当于1kl燃油的热量。
我国是农业大国，拥有极为丰富的农作物秸秆、稻壳、玉米芯等生物质资源，农作物秸秆除小部分还地或作饲料外，大部分在田野烧掉了，这既污染环境、影响交通，又造成生物能源的严重浪费。
“十一五”粮食丰产科技工程项目，研制了HXL小型生物质燃烧炉，主要以稻壳、农作物秸秆、废木材等作为热源，变废为宝。目前，已建成的多套节能保质小型烘干机均配置HXL小型生物质燃烧炉，见图5、图6。经生产试验证明，该热风炉性能稳定、可操作性强，较以煤作为燃料的热风炉运行成本低20%以上。
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图5 南方地区50t/d稻谷烘干机所配HXL
小型生物质燃烧炉
图6 北方5HSN-1.0型小型玉米烘干机所配HXL
小型生物质燃烧
3.3.2 研发应用太阳能技术和设备 原始的粮食晾晒干燥方法实际上就是一种太阳能干燥方法，这种方法由于受气候变化影响较大，粮食容易遭受损失，并且要耗费大量劳动力。现在从节能的角度出发，发展太阳能干燥技术，并不是回到过去的日晒粮食，而是利用太阳热能加热空气，再将加热了的空气引入粮堆，使粮食得以干燥。目前，国内外专家学者对太阳干燥技术及设备进行了大量研究工作并取得了一些成果。譬如，利用太阳能作为补充热力的热源基本上是成功的，在许多地区都具有竞争力；研究者发展了多种太阳能收集器，如塑料薄膜太阳能收集器、充气管道式太阳能收集器、平板式太阳能收集器、悬挂平板式太阳能收集器及岩石储热式太阳能收集器等，可供各地因地制宜地选用。
3.4 减少粮食过度干燥
所谓过度干燥，就是干燥作业去除的粮食水分，超过了粮食安全储藏所要求去除的水分，也就是说，干燥作业中干燥后粮食的终了水分低于粮食安全储藏所要求的水分。目前，不少粮食企业由于缺少自动检测装置或自动检测装置不精确、储藏理论知识淡薄或操作管理不当，存在着不同程度的粮食过度干燥，既浪费了能源，增加污染，又增加了干燥成本。粮食干燥的终了水分需要按储藏期来科学的确定，不能一刀切，储藏期越短，粮食干燥的终了水分越高。譬如，对于东北玉米干燥，要求来年三月份以前销售的玉米，只需降到16.0%，要求来年六份以前销售的玉米，只需降至15.0%，均不需要降至14.0%。粮食的水分越低，降水越困难，如粮食水分从28.0%降至19.0%比从15.0%降至14.0%所需单位能量低。因此，在粮食干燥作业中，必须严格控制粮食的终了水分，减少过度干燥。减少过度干燥除节能减排以外，还会带来许多好处，譬如，可增加干燥机的干燥能力，可提高干燥后粮食品质，还可减少粮食的水分损失，增加经济效益，即是减损增效。 3.5 热量回收利用技术
热量回收利用技术是粮食干燥节能减排的有效途径之一，在吉林天成玉米有限公司、中储粮总公司所属粮库及其他一些粮食企业设计建造了热量回收利用烘干设备，从使用效果表明，可节能5%左右。
3.5.1 干燥后粮食潜热回收利用 在粮食干燥机内，粮食离开干燥段后，受热升温约为30℃~60℃。粮食携带出的热量占总热耗的比例与粮食受热温度及降水幅度有关，粮食升温高，降水幅度小，粮食带出显热占总热耗的比例就大，反之则小。在我国大多数干燥机内，粮食携带这部分显热的绝大部分被冷却空气带走，只有很少部分转化为水分蒸发能耗，因此，利用干燥后粮食携带显热，回收冷却粮食时所放出的热量，是粮食干燥节能减排的途径之一。
3.5.2 干燥废气显热的回收利用 我国现有传统干燥机内，常采用多级连续干燥，譬如，对于东北高水分玉米的干燥，常采用4~6级连续干燥，第1~2级干燥后废气的温度较低，一般为10~20℃，湿度较高，一般为95%~70%，没有回收价值，排入大气，而第3~6级干燥后废气的温度较高，一般为30~70℃，湿度较低，一般为70%~30%，回收利用的价值较大，可以回收利用以节省能耗。干燥级数越高，废气的温度越高，湿度越低，回收价值越大。
3.5.3 烟道气废气热量的回收利用 对于间接加热的干燥机，换热器的烟道气废气温度一般在110~130℃，温度较高，可以回收利用。 3.6 比选应用保温技术节能减排
我国的大型粮食干燥设施，特别是东北三省和内蒙自治区的大型粮食干燥设施，保温措施不够合理、完善，保温材料性能、保温方式等不够理想，在-35℃~0℃的低温环境中生产时，热量损失较多，应比选应用新型保温材料和技术方法，对设备进行全面保温处理，减少热量以对流和辐射的方式散失到周围环境中造成热量浪费，节能能源。
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3.6.1 烘干机、热风机及热风管路整体保温 烘干作业时，烘干机表面温度在60℃左右、热风机及热风管路表面温度在100~160℃左右，应采取有效的保温措施对以上设备进行整体保温，通常做法为：以角钢、扁钢或折边钢板为骨架，以50~75mm厚岩棉（容重≥130kg/m3）为隔热材料，外敷0.4~0.75mm厚彩色钢板。也可用玻璃纤维棉作隔热材料。
3.6.2 热风炉顶部保温 现有热风炉点火拱与压火拱上部的保温多用炉渣覆盖保温，保温效果差。建议新建热风炉烘炉完成后（已有热风炉可清除原有隔热层重新保温），先用涂抹约100mm厚耐火土作为第一覆盖层（耐火层），再用60~100mm厚硅酸铝板（耐高温在1200℃以上）作为第二覆盖层，上压厚约200mm的粉煤灰作为第三覆盖层，再用60~100mm厚硅酸铝板作为第四覆盖层，上压厚约400mm的粉煤灰作为第五覆盖层，最后用水泥、耐火土、砂子混合物抹平。
3.6.3 热风炉与换热器连接过桥保温 原来采用以槽钢为骨架，平铺耐火砖，上覆盖耐火土抹平。这样保温效果较差，而且常出现坍塌故障。可用耐火砖砌筑成拱形，涂抹约60mm厚耐火土作为第一覆盖层（耐火层），用60~100mm厚硅酸铝板（耐高温在1200℃以上）作为第二覆盖层，上压干厚约200mm的粉煤灰作为第三覆盖层，最后用水泥、耐火土、砂子混合物抹平。
3.6.4 热风炉及热风混合室保温 热风炉燃烧室及沉降室、热风混合室，应全部作保温处理，通常用岩棉、硅酸铝板、耐火土等保温材料。
3.6.5 换热器整体保温 换热器顶盖和侧面总面积较大，表面温度较高，应该加厚原来的保温层。建议侧壁用厚度为100mm左右的硅酸铝板保温。顶盖耐火土保温层厚度在80mm左右，外敷约100mm厚硅酸铝板。
3.6.6 热风炉沉降室、换热器沉降室及室外地下烟道保温 因热风炉沉降室、换热器沉降室及室外地下烟道表面积较大，向附近低温土壤散热损失一部分热量，故应作保温处理，减少热量损失。原来只做防水处理，建议作防水和保温处理，可在防水层表面涂抹保温膏，减少热量散失。 3.7 改进现有供热系统的结构性能节能减排
在粮食干燥系统中，供热系统的主要设备包括热风炉及换热器。热风炉及换热器的性能的好坏和热效率的高低，直接影响干燥系统能量消耗和废弃物排放。要提高热风炉及换热器的性能和热效率，必须减少热损失，热风炉及换热器的热量损失主要有三个方面，即机械不完全燃烧损失、化学不完全燃烧损失以及热风炉与换热器向周围介质的热量损失。其中以热风炉及换热器向周围介质的热量损失比较大，一般在夏季约5~6%，冬季则达8~10%。因此，在设计热风炉炉灶时，要从燃烧技术、换热技术、设备结构及材料等因素上综合考虑，以保障燃料的完全燃烧，减少各项热量损失，提高燃烧热效率和换热效率，减少废弃物排放，以达到节能减排的目的。
3.7.1 均匀分层给煤技术 采用分层给煤装置，对燃煤进行粒度分选，使落到炉排上的燃煤按粒度大小分层排列，即大块煤在下面，中块煤在中间，细煤在煤层表面。这样煤层比较疏松，煤粒之间有问隙，降低通风阻力，减小鼓风机负荷，有效避免炉排上出现的火口和燃烧不均匀现象，改善煤的着火条件，提高火床的热强度和燃烧速度，有利于煤的充分燃烧。
3.7.2 热管换热器回收热风炉烟道余热技术 由于热管能在低温差下良好的传热，对于热量回收，节约能源起到很大作用。热管换热器属于热流体互不接触的表面式换热器，作为工业锅炉的尾部受热面，可充分利用锅炉的排烟余热，提高锅炉效率，节约能源。热管换出的热空气可用来加热燃烧用的空气或者直接引入热风机配风口。
3.8 改造更换现有干燥系统主机——干燥设备节能减排
2007年，对吉林农安县华家粮库原有300t/d网柱烘干系统进行了改造，把6t热风炉更换成8t热风炉，拆除300t/d网柱烘干设备，更换成专门设计的400t/d高效节能减排顺逆流干燥设备，取得了良好的效果，改造后节能约5.77%，见图7。同年，对新良德惠国家粮食储备库原有混流烘干系统进行了改造，拆除混流烘干设备，更换成专门设计的高效节能减排顺逆流干燥设备，把1台大功率热风机变为3台较小功率热风机，供热系统不变，便于实行变温干燥，使用效果良好，改造后节能约5.98%。见图8。改造前后能耗，见表1。
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