生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉应用于粮食烘干的研究

陈桂洲 徐文 孟宪梅 余平 吴文福 胡韬纲 马昀钊

摘要：粮食烘干用生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉，以农作物秸秆捆包为燃料，用于取代原粮食收储企业燃煤热风炉，投资少、见效快、也符合国家政策导向。该锅炉不仅适用于建成区外和乡镇所在地的粮食收储企业进行粮食烘干，还适用于建成区内的粮食收储企业及附近居民和其他企事单位进行供汽和供暖，更适用于广大供热企业对用汽、用热单位和居民进行能源管理。将生物质秸秆锅（窑）炉的灰渣，与畜、禽粪便进行混合、发酵制作成有机复合肥回归到黑土地。这样，就能使农作物秸秆变废为能、变废为宝，从而彻底解决农作物秸秆的露天焚烧问题，真正把打赢“蓝天保卫战”落到实处。

关键词：农作物秸秆；直燃蒸汽锅炉；粮食烘干；可行性

中图分类号：S226.6 文献标识码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20210226

近年来化石能源的储量日益减少的同时，因化石能源的大量使用而造成的环境污染越来越严重。为了贯彻落实《中共中央 国务院关于全面加强生态环境保护 坚决打好污染防治攻坚战的意见》，为了贯彻落实党的十九大精神，将生物质能供热作为应对大气污染的重要措施、作为绿色低碳新型城镇化建设的重要内容。习近平总书记在吉林视察时指示，要“采取有效措施，切实把黑土地这个‘耕地中的大熊猫’保护好、利用好，使之永远造福人民”。以农作物秸秆捆包为燃料，用生物质秸秆捆包直燃锅（窑）炉来取代原燃煤锅（窑）炉，投资少、见效快，也符合国家政策导向[1-2]。生物质秸秆捆包直燃蒸汽（热水）锅炉的技术现已非常成熟，但还没有应用到粮食收储企业的粮食烘干上，目前东北三省一区的粮食收储企业还在用燃煤热风炉来烘干粮食。粮食烘干用生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉通过整合和优化现有技术后，不仅适用于建成区外和乡镇所在地的粮食收储企业进行粮食烘干，还适用于建成区内的粮食收储企业及附近居民和其他企事单位进行供汽和供暖，更适用于广大供热企业对用汽、用热单位和居民进行能源管理。然后再把生物质秸秆锅（窑）炉的灰渣与畜、禽粪便进行混合、发酵制作成有机复合肥回归到黑土地。这样，就能使农作物秸秆变废为能、变废为宝，从而彻底解决农作物秸秆的露天焚烧问题，真正把打赢“蓝天保卫战”落到实处。

1 粮食烘干用生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉的技术分析

我国东北地区是世界三大黑土区之一，农作物秸秆以玉米、水稻秸秆为主。玉米秸秆主要成分由氮、磷、钾、钠、镁、钙、粗纤维、粗蛋白、糖类、脂类和水。据一些生物质秸秆捆包直燃蒸气（热水）锅炉的生产厂家反映：炭和水蒸气反应温度为710 ℃、玉米秸秆灰变形温度（冷却后开始结焦温度）为1 125 ℃、流动温度（冷却后大面积结焦温度）为1 200 ℃。利用一次高温裂解二次汽化燃烧技术，玉米秸秆在生物质秸秆捆包直燃蒸汽（热水）锅炉的一次缺氧燃烧区和二次过氧燃烧区的燃烧温度控制在800 ℃以下，既不会让其灰渣结焦又能产生大量可燃气体。可燃气体在二次过氧燃烧区的燃烧温度控制在1 200 ℃以内，既把一氧化碳、氢气、炭粒、甲烷燃尽生成二氧化碳和水，又不会产生大量氮氧化物（氮和氧反应温度为1 372 ℃）。生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉后侧的空气预热器通过管道与一次缺氧燃烧区和二次过氧燃烧区的鼓风机相连来提高进入锅炉的空气温度，以此保证炉膛内生物质秸秆及可燃气体正常燃烧以提高锅炉的热效率[3-4]。外界冷空气通过管道与二次过氧燃烧区的鼓风机相通来控制此燃烧区的温度不超过800 ℃，以此保证锅炉内的灰渣不结焦（结焦的灰渣不能作为有机复合肥的原材料）。榆树奇特生物有机混合肥业有限公司的6 t/h生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉，榆树市榆乡豆制品有限公司的4 t/h生物质秸秆压块蒸汽锅炉，在实际生产过程中的蒸汽压力都能平稳地保证在0.8 MPa以上。长春吉粮天裕生物工程有限公司榆树分公司和榆树五棵树华粮粮食储备库的热风粮食烘干机都是利用本公司热电厂的废弃蒸汽来烘干粮食。整合和优化以上四家公司的现有技术，增设蒸汽缓冲罐、电动调压阀、蒸汽压力调节阀、翅片管式换热器后，就可以把目前的生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉改造成粮食烘干用生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉。生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉与单塔、两段干燥、一段冷却的热风粮食烘干机（把第二干燥段和冷却段的尾气进行回收利用）配套使用后，其工艺流程和工艺参数如图1所示。

粮食烘干用生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉生产出高温高压的蒸汽（蒸汽压力一般保证在0.8 MPa以上）先进入蒸汽缓冲罐（其容积设计在20 m3以上），然后再经蒸汽管道和蒸汽压力调节阀被输送到热风粮食烘干机下部的翅片管式换热器内，并与进入翅片管式换热器内的外界冷空气或净化后的尾气进行热量交换变成冷凝水（冷凝水温度一般控制在90 ℃以下）后排出翅片管式換热器；外界冷空气进入2#翅片管式换热器内被蒸汽加热至120 ℃左右后作为第二干燥段的干燥介质；第二干燥段和冷却段的尾气回收净化后进入1#翅片管式换热器内被蒸汽加热至140 ℃左右后作为第一干燥段的干燥介质；从翅片管式换热器排出的冷凝水，直接通过回水水泵和蒸汽回水管道回到锅炉房的回水水箱或者通过板式换热器给该粮食收储企业及附近居民和其他企事单位进行集中供热后再通过回水水泵和蒸汽回水管道回到锅炉房的回水水箱；回水水箱内的冷凝水和新补充进来的软化水，通过上水水泵输送至生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉内再被锅炉加热成蒸汽后进行循环利用。电动蒸汽压力变送器与生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉内蒸汽压力相联锁来自动调节炉排和鼓风机的转速，以此使排出锅炉的蒸汽压力保持相对恒定；蒸汽缓冲罐上电动调压阀出口的排气管道通入回水水箱的冷凝水中，通过调压阀来保持排出蒸汽缓冲罐的蒸汽压力不超过其规定的工作压力；通过蒸汽压力调节阀将进入翅片管式换热器前的蒸汽压力控制在0.7 MPa（相当于165 ℃）左右，以此保证排出翅片管式换热器第一、二干燥段的干燥介质温度绝对恒定[5]。综上所述，粮食烘干用生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉在技术上是可行的。更主要是，粮食烘干用生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉可以安装在距粮食收储企业1 km以外的专业供热站内，蒸汽可以通过供热管道远距离输送到粮食收储企业进行粮食烘干。这样还能减少库内火点数量、降低库内火灾隐患，从而更好地解决粮食收储企业的“四防安全”问题。如粮食收储企业用蒸汽余热进行冬季供暖，同样也能得到以上益处。

2 粮食烘干用生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉的经济效益分析

粮食烘干用生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉也是以玉米秸秆捆包为燃料，无需破包、粉碎、烘干、制块（制粒）等工序，是目前以生物质秸秆为燃料烘干成本最低的一种生物质锅炉。玉米秸秆捆包水分在25%以内、含土量在5%以下时，其发热量一般为12.54 MJ/kg左右，原燃煤锅炉所需原煤的发热量一般为23.00 MJ/kg左右。经理论计算和实际测算，粮食热风烘干机吨粮降10%水使用原燃煤热风炉供热用煤量约为45kg，使用生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉以玉米秸秆捆包为燃料的使用量仅是原燃煤锅炉用煤量的2倍左右。一台黑龙江省境内的10 t/h生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉一个烘干期最多可以节省燃料费用150万元（一个烘干期按100 d计算，燃煤价格按700元/t计算，玉米秸秆离田补贴约70元/t，消纳玉米秸秆补贴约50元/t）。如黑龙江省境内的粮食收储企业在原有锅炉房内新建一台生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉，取替原有燃煤热风炉，由生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉供汽进行粮食烘干。拆除原10 t/h原燃煤热风炉后，黑龙江省政府给粮食收储企业一次性补贴75万元（拆除原燃煤热风炉一次性补贴7.5万元/t）；新增一台10 t/h生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉、蒸汽缓冲罐、智能型蒸汽压力调节阀及除尘设备总投资约230万元；新增一组翅片管式换热器和改造锅炉房总投资大约30万元；新增蒸汽管道、回水管道和改造热风粮食烘干机通风管道总投资约30万元；新增一台小型抓包机及其他相关设备总投资约10万元。因此，在黑龙江省新建一台10 t/h的生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅，与日烘干能力500 t的热风粮食烘干机配套使用两个烘干期就能收回投资成本，以后每年节省150万元左右的燃料费用也是粮食收储企业净收益。由此可见，使用生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉给热风粮食烘干机供汽在经济上也是可行的，并且还有很大的市场竞争力。

3 粮食烘干用生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉的社会效益分析

3.1 真正解决农作物秸秆的露天焚烧问题

据不完全统计，榆树市2018年玉米种植面积为28.1万hm2，年产生玉米秸秆270万t；水稻种植面积8万hm2，年产生秸秆55万t，共计年产玉米和水稻秸秆325万t。目前，除实施农作物秸秆肥料化、饲料化、原料化、基料化消纳一部分农作物秸秆外，剩余农作物秸秆的消纳问题还要靠秸秆能源化来完成。若将粮食烘干用原燃煤热风炉换成生物质秸秆直燃蒸汽锅炉、生物质秸秆捆包散烧热风炉和生物质秸秆压块或颗粒热风炉，榆树市辖区内现有的178座烘干塔一个烘干期大约消耗秸秆30万t。加之生物质秸秆直燃供热锅炉、农村生物质炉灶和未来生物质热电厂所用的生物质秸秆捆包、压块、颗粒。这样，榆树市每年消纳农作物秸秆将会达到100多万t。由此可见，农作物秸秆的燃料化才是目前榆树市乃至东北三省一区消纳农作物秸秆的行之有效办法之一，农民自己收集秸秆、自己储存秸秆、自己加工秸秆，把农作物秸秆变废为能、变废为宝，从而有效地解决农作物秸秆的露天焚烧问题。

3.2 制造有机复合肥，生产有机粮食和蔬菜

粮食、蔬菜生长所需肥料的主要成分是氮、磷、钾，农作物秸秆燃烧后产生的灰渣有效成分是钾元素[6]，而畜、禽粪便的有效成分是氮元素和磷元素。将农作物秸秆通过锅炉集中燃烧进行能源化利用后，再将其产生的灰渣与畜、禽粪便按比例进行混合和发酵，腐熟好的有机复合肥通过烘干、粉碎后直接喷洒到农田里，或再经造粒、装袋，最后生产出袋装有机复合肥。这样，就能有效地解决农作物秸秆露天焚烧和畜、禽粪便造成的环境污染问题。农业合作社、农机合作社在农村秋收过后收集农作物秸秆，先把收集的农作物秸秆捆包储存在特定区域作为生物质秸秆直燃蒸汽（热水）锅炉供热站的第一级料场，待冬季供暖和粮食烘干开始时，由农业合作社、农机合作社的人员，每天或每几天将农作物秸秆捆包用机动车运到供热站的罩棚仓内作为生物质秸秆直燃蒸汽（热水）锅炉供热站的第二级料场。农作物秸秆通过生物质秸秆锅（窑）炉燃烧后产生的灰渣和养殖户的畜、禽粪便由有机复合肥厂生产出有机复合肥，使用有机复合肥生产出的粮食、蔬菜就是绿色有机食品。由此可见，农作物秸秆燃烧后的灰渣是不可多得有机复合肥的原材料，进而使农作物秸秆得到更加有效的利用。

3.3 减少环境污染，节约煤炭资源，保护黑土地

有史以来，以煤炭为固体燃料的锅（窑）炉都是直接燃烧，烟气中的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、烟尘等大量有害物质，对环境与大气的污染非常严重，占大气污染总量的60% ～ 70%，严重危害人们的身体健康。农作物秸秆是一种是不可多得的可再生清洁资源，在专用锅炉中燃烧，仅需要增加适当的除尘设备，就能达到与天然气相同的排放指标。农作物秸秆捆包作为成型的生物质原料，安全性比天然气高，无爆炸等安全风险。农作物秸秆在生长过程中，在光合作用下吸进二氧化碳、呼出氧气；农作物秸秆在燃烧过程中，消耗氧气、排出二氧化碳。因此，农作物秸秆与天然气、煤炭等化石能源相比真正做到二氧化碳的零排放。植物在土壤上生长，其果实通过动物消化变成粪便，其秸秆通过燃烧后变成灰渣，二者混合、发酵后作为肥料又送回到土壤中，对黑土地来说就形成良性循环。农作物秸秆每年都有大量产出、分布广泛、就地收集、就地使用，与煤炭、天然气等化石能源相比，取之不尽、用之不竭。用可再生的农作物能源来替代日益枯竭的化石能源进行供热和供暖，一定会节省大量的煤炭、天然气资源，从而给国家的能源安全作出无法磨灭的贡献。

4 粮食烘干用生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉的推广问题和前景展望

生物质资源的能源化利用对于解决化石能源日趋紧张和环境污染日益严重问题具有重大意义，国家大力推行生物质能源的综合利用，是一项“功在当代、利在千秋”的政治性战略。如粮食烘干用生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉及生物质秸秆捆包直燃锅（窑）炉能得到政府有关部门高度重视、真正认可和资金支持，建成区内的热风粮食烘干机和居民集中供暖都可以用建成区外大吨位的粮食烘干用和生物质热电廠用的生物质秸秆捆包直燃蒸汽锅炉以及生物质秸秆捆包直燃热水锅炉进行供汽和供暖。然后再把生物质秸秆捆包直燃锅（窑）炉的灰渣与畜、禽粪便进行混合、发酵制作成有机复合肥回归到黑土地。这样，就彻底改变用传统燃煤锅（窑）炉给居民供暖和进行粮食烘干的历史，把农作物秸秆变废为能、变废为宝，从而彻底解决农作物秸秆的露天焚烧问题。

參 考 文 献

[1] 李昕，郭丽华.河北省玉米秸秆离田利用现状与发展建议[J].粮食科技与经济，2020，45（5）：145-148.

[2] 燕思琪，李慧铭，徐湖仪，等.农作物秸秆处理问题的研究[J].粮食科技与经济，2019，44（10）：89-91.

[3] 臧华.智能化移动式粮食干燥机的研究与开发[J].粮食科技与经济，2019，44（2）：110-111+151.

[4] 张丛丛.生物质直燃发电锅炉控制方案设计与应用[D].济南：山东大学，2016.

[5] 田宜水，张鉴铭，陈晓夫，等.秸秆直燃热水锅炉供热系统的研制[J].农村能源，2002（1）：17-20.

[6] 李晓，张林华，崔永章，等.玉米秸秆颗粒燃料燃烧特性的试验研究[J].节能，2012，31（1）：28-31+2.

The Feasibility Study on Grain Drying Via Straw Baling Direct Combustion Steam Boiler

Chen Guizhou， Xu Wen， Meng Xianmei， Yu Ping， Wu Wenfu， Hu Taogang， Ma Yunzhao

（ School of Grain Science and Technology， Jilin Business and Technology College， Changchun， Jilin 130507 ）

Abstract： Biomass straw bale direct combustion steam boiler for grain drying， crop straw bale as fuel， replace the original grain storage enterprise coal-fired hot stove， less investment， quick results， also in line with the national policy guidance. The boiler is not only suitable for grain purchase and storage enterprises outside the completed area and the township location to dry grain， but also suitable for grain purchase and storage enterprises in the completed area and nearby residents and other business units for steam supply and heating， and is more suitable for the majority of heating enterprises to steam， heat units and residents for energy management. Then the ash of the biomass straw pot （kiln） furnace is mixed with livestock and poultry excrement and fermented into organic compound fertilizer and returned to the black land. In this way， crop straws can be turned into energy and waste into treasure， so as to completely solve the problem of crop straws burning in the open， and really win the "battle to protect the blue sky" into reality.

Kay words： crop straw， straw bale direct-fired boiler， grain drying， feasibility study