王 赫，任麗輝，劉國輝，趙學(xué)工

(遼寧省糧食科學(xué)研究所∥國家糧食-玉米干燥工程中心，遼寧 沈陽 110032)

電熱儲(chǔ)能式糧食干燥熱風(fēng)爐工藝參數(shù)生產(chǎn)試驗(yàn)研究

王 赫，任麗輝，劉國輝，趙學(xué)工

(遼寧省糧食科學(xué)研究所∥國家糧食-玉米干燥工程中心，遼寧 沈陽 110032)

糧食干燥作為我國糧食行業(yè)最大的耗能環(huán)節(jié)，是糧食行業(yè)“節(jié)能減排”的重點(diǎn)。通過對(duì)電熱儲(chǔ)能式糧食干燥熱風(fēng)爐生產(chǎn)運(yùn)行進(jìn)行全面考核及分析，證明了電熱儲(chǔ)能爐作為糧食烘干機(jī)的新干燥熱源取代現(xiàn)有燃煤熱風(fēng)爐是可行的，并通過工藝參數(shù)的選擇，確定了正常工況下電熱儲(chǔ)能爐的配置功率。

糧食干燥；電熱儲(chǔ)能；生產(chǎn)測試；新熱源

糧食干燥作為我國糧食行業(yè)最大的耗能環(huán)節(jié)，是糧食行業(yè)“節(jié)能減排”的重點(diǎn)。按照國家糧食局《“十二五”糧食流通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》中提出的節(jié)能減排和綠色儲(chǔ)糧的要求，我們在新能源利用方面進(jìn)行了有效的探索，成功研發(fā)了電熱儲(chǔ)能式糧食干燥熱風(fēng)爐。電熱儲(chǔ)能式糧食干燥熱風(fēng)爐利用電熱儲(chǔ)能技術(shù)將電網(wǎng)夜間閑置、廉價(jià)的低谷電或棄用電轉(zhuǎn)換成熱能存儲(chǔ)在儲(chǔ)能爐內(nèi)，經(jīng)溫度調(diào)節(jié)裝置將儲(chǔ)能爐內(nèi)300～500℃的熱空氣轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的、適合糧食干燥的熱風(fēng)輸出，取代高能耗、重污染、費(fèi)人工的燃煤熱風(fēng)爐，將電熱儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于糧食干燥領(lǐng)域，開發(fā)了糧食干燥新熱源，填補(bǔ)了行業(yè)技術(shù)空白。

2016-03，我們對(duì)電熱儲(chǔ)能式糧食干燥熱風(fēng)爐進(jìn)行了生產(chǎn)運(yùn)行考核，全面測試了電熱儲(chǔ)能爐系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量、工藝指標(biāo)、各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、能耗、物耗及主要設(shè)備的能力和運(yùn)行狀況。整個(gè)測試過程中，電熱儲(chǔ)能爐設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，干燥運(yùn)行成本為47.3元/t(同期同一試驗(yàn)點(diǎn)燃煤熱風(fēng)爐運(yùn)行成本為43.9元/t)，且無任何廢氣、廢水、廢渣產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳零排放，電熱儲(chǔ)能爐的熱效率在95%以上，具備清潔、低碳、環(huán)保的特點(diǎn)。本測試證明,電熱儲(chǔ)能爐作為糧食烘干機(jī)的干燥熱源，取代現(xiàn)有的高能耗、重污染、費(fèi)人工的燃煤熱風(fēng)爐是可行的。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

玉米：當(dāng)?shù)?、?dāng)年產(chǎn)玉米，水分23.4%。

糧食干燥機(jī)：處理量300 t/d。

電熱儲(chǔ)能式糧食干燥熱風(fēng)爐：功率2 000 kW。

1.2 測試條件

電熱儲(chǔ)能爐正常運(yùn)行，達(dá)到可以為糧食烘干機(jī)提供滿足使用要求、溫度穩(wěn)定的熱風(fēng)；糧食烘干機(jī)連續(xù)正常運(yùn)行10個(gè)班次以上；環(huán)境溫度、相對(duì)濕度及大氣壓力應(yīng)符合電熱儲(chǔ)能爐及糧食烘干機(jī)正常工作對(duì)環(huán)境條件的要求；糧食水分不均勻度不大于3%、含雜率不大于2%、發(fā)芽(生活力)率大于等于80%。測試儀器、儀表在檢驗(yàn)有效期內(nèi)并檢驗(yàn)合格。

1.3 測試方法

(1)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6970—2007《糧食干燥機(jī)試驗(yàn)方法》[1]，測試期間準(zhǔn)確測定并記錄進(jìn)機(jī)濕糧水分、出機(jī)干糧水分、外部環(huán)境溫度、電熱儲(chǔ)能爐溫度、熱風(fēng)溫度、熱風(fēng)動(dòng)壓值。

(2)準(zhǔn)確記錄每工作日電熱儲(chǔ)能爐作業(yè)時(shí)間、糧食烘干機(jī)作業(yè)時(shí)間。

(3)測點(diǎn)布置根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1236—2000《工業(yè)通風(fēng)機(jī) 用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)》[2]，使用皮托靜壓管測定熱風(fēng)流量，皮托靜壓管的頭部中心定位在沿著熱風(fēng)管道3個(gè)對(duì)稱分布的直徑上依次間隔的24個(gè)測點(diǎn)上，如圖1所示。

圖1 測點(diǎn)位置分布圖

2 結(jié)果與討論

2.1 工作環(huán)境與系統(tǒng)工藝參數(shù)

根據(jù)GB/T 6970—2007《糧食干燥機(jī)試驗(yàn)方法》[1]要求，測試并記錄了以下3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的工作環(huán)境及系統(tǒng)工藝參數(shù)，見表1。

經(jīng)過多組數(shù)據(jù)的測試，證明電熱儲(chǔ)能爐可為糧食干燥機(jī)提供穩(wěn)定的熱風(fēng)。

表1 工作環(huán)境與系統(tǒng)工藝參數(shù)記錄表

2.2 電熱儲(chǔ)能爐工作時(shí)風(fēng)量、風(fēng)壓測定

根據(jù)GB/T 1236—2000《工業(yè)通風(fēng)機(jī) 用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)》[2]，確定了熱風(fēng)管內(nèi)各測點(diǎn)并測定其動(dòng)壓，再按下列公式分別計(jì)算出同時(shí)間點(diǎn)的氣體密度、風(fēng)速、容積風(fēng)量、質(zhì)量風(fēng)量，結(jié)果見表2。

氣體密度ρ=355/(273+t)，kg/m3；

風(fēng)速v=(2H動(dòng)/ρ)0.5，m/s；

容積風(fēng)量V=3 600vA，m3/h；

質(zhì)量風(fēng)量L=ρV，kg/h;

式中，t為熱風(fēng)溫度，℃；A為風(fēng)管截面積，m2。

表2 電熱儲(chǔ)能爐熱風(fēng)風(fēng)壓測定記錄計(jì)算表

注：熱風(fēng)管內(nèi)截面內(nèi)尺寸為0.503 m2。

2.3 提供給烘干塔總熱量

由2.1和2.2節(jié)測定、記錄的數(shù)據(jù)，根據(jù)公式Qr=L·(t-th)，計(jì)算出提供給烘干塔的總熱量Qr為：

Qr= 19 659×(107- 9.3) = 1 920 684 kJ/h，式中，Qr為烘干塔總熱量，kJ/h；L為質(zhì)量風(fēng)量，kg/h；t為熱風(fēng)溫度，℃；th為環(huán)境溫度，℃。

2.4 電熱儲(chǔ)能爐釋放的熱量

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[3]，電熱儲(chǔ)能爐溫度在400～500℃時(shí)，儲(chǔ)能爐蓄熱體比熱容為1.1 kJ/(kg·℃)，質(zhì)量為175 t，在9:30起4 h的測試時(shí)間內(nèi)，電熱儲(chǔ)能爐溫度下降了55℃，電熱儲(chǔ)能爐熱效率按95%計(jì)算，根據(jù)公式Q=c·m·Δt，計(jì)算電熱儲(chǔ)能爐釋放的熱量為2 514 531 kJ/h，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 電熱儲(chǔ)能爐釋放的熱量計(jì)算表

測定項(xiàng)目平均值電儲(chǔ)能爐儲(chǔ)能固體比熱容c/kJ·(kg·℃)-11.1電儲(chǔ)能爐固體質(zhì)量m/t175.0電儲(chǔ)能爐溫差△t/℃55.0儲(chǔ)能爐單位時(shí)間釋放熱量Q/kJ·h-12514531

2.5 干燥系統(tǒng)熱效率

由2.3和2.4節(jié)計(jì)算出提供給烘干塔的總熱量及電熱儲(chǔ)能爐釋放的熱量，根據(jù)公式η=Qr/Q×100% ，計(jì)算干燥系統(tǒng)熱效率為：

η=1 920 684÷2 514 531×100%=76.3%，

式中,η為干燥系統(tǒng)熱效率，%；Qr為提供給烘干塔總熱量，kJ/h；Q為電熱儲(chǔ)能爐釋放的熱量，kJ/h。

2.6 電熱儲(chǔ)能爐配置功率

此次電熱儲(chǔ)能式糧食干燥熱風(fēng)爐項(xiàng)目，由于時(shí)間、資金和場地所限，電熱儲(chǔ)能爐的配置功率偏?。灰虼?，通過以上測試結(jié)果，計(jì)算出滿足處理量300 t/d的烘干塔連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的電熱儲(chǔ)能爐裝機(jī)容量。

2.6.1 烘干塔主要工藝參數(shù)

根據(jù)東北地區(qū)工況，烘干塔主要工藝參數(shù)設(shè)定為：處理量15 t/h，進(jìn)機(jī)濕糧水分30.0%，出機(jī)干糧水分14.5%，降水幅度15.5個(gè)百分點(diǎn)，環(huán)境溫度-20℃。

2.6.2 有關(guān)計(jì)算

單位時(shí)間水分蒸發(fā)量W為：

W=1 000T·(w1-w3)/(100-w3)

=1 000×15 ×( 30-14.5)/(100-14.5)

=2 719.2 kg/h，

式中，W為在一次干燥過程中糧食單位時(shí)間水分蒸發(fā)量，kg/h；T為處理量，kg/h；w1為出機(jī)糧食含水率，%；w3為進(jìn)機(jī)糧食含水率，%。

烘干機(jī)所需總熱量Qr為：

Qr=Q1+Q2=2719.2×4.2×

[100-(-20)]+2 257.2×2 719.2

=7 508 255 kJ/h，

式中,水的比熱容為4.2 kJ/(kg·℃)，100℃時(shí)的汽化潛熱為2 257.2 kJ/kg；Q1為次干燥過程中糧食小時(shí)水分蒸發(fā)需要的熱量，kJ；Q2為100℃水變?yōu)?00℃水蒸氣需要的熱量，kJ。

2.6.3 電熱儲(chǔ)能爐裝機(jī)容量

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[3]，電儲(chǔ)能爐的熱轉(zhuǎn)換率為95%，糧食烘干機(jī)系統(tǒng)的熱效率按75%計(jì)算，則按照以上工藝參數(shù)的選擇，正常工況下電熱儲(chǔ)能爐需要為糧食烘干機(jī)提供的熱量Q為：

Q=Qr/(95%×75%)=7 508 255÷(95%×75%)=10 575 007 kJ/h。

電熱儲(chǔ)能爐的裝機(jī)容量N為：

N=Q/3 600=2 937 kW。

因此，使用電熱儲(chǔ)能爐作為熱源，為處理量為300 t/d烘干機(jī)提供熱量時(shí)，其裝機(jī)容量應(yīng)不小于3 000 kW。

2.7 經(jīng)濟(jì)效益分析

2.7.1 設(shè)備投資情況

電熱儲(chǔ)能式糧食干燥熱風(fēng)爐總裝機(jī)容量(即蓄熱能力)為3 000 kW，樣機(jī)一次性投資為240萬元左右。

2.7.2 生產(chǎn)運(yùn)行成本

生產(chǎn)運(yùn)行成本僅計(jì)算煤、電的成本及操作人員工資。設(shè)備配件、維護(hù)等其他費(fèi)用僅作對(duì)比，不按天計(jì)入生產(chǎn)運(yùn)行成本。

2.7.2.1 電費(fèi)

根據(jù)能源部國家物價(jià)局能源經(jīng)[1992]473號(hào)文件《關(guān)于東北電網(wǎng)實(shí)行峰谷分時(shí)電價(jià)的批復(fù)》規(guī)定，谷時(shí)段電費(fèi)(晚上22:00到第2天早晨5:00)在平時(shí)段電費(fèi)0.83元/(kW·h)的基礎(chǔ)上下浮50%，即0.43元/(kW·h)。

電熱儲(chǔ)能爐利用夜間谷電，在生產(chǎn)的同時(shí)蓄熱9 h，可滿足白天16～20 h生產(chǎn)供熱需求，此時(shí)耗電量為：3 000×7+3 000×2=21 000 kW·h/d+6 000 kW·h/d。

分別按規(guī)定執(zhí)行谷時(shí)段電費(fèi)0.43元/(kW·h)和平時(shí)段電費(fèi)0.83元/(kW·h)，電費(fèi)支出為：0.43×21 000+0.83×6 000=14 010元/d。

按處理量300 t/d計(jì)算，單位處理量的電費(fèi)支出為：14 010÷300=46.7元/t。

2.7.2.2 人員工資

電熱儲(chǔ)能式糧食干燥熱風(fēng)爐運(yùn)行時(shí)只需要1名操作工，工資按180元/d計(jì)，單位處理量的人員工資為：180/300=0.6元/t。

執(zhí)行低谷電價(jià)時(shí)電熱儲(chǔ)能式糧食干燥熱風(fēng)爐運(yùn)行成本為47.3元/t。

電熱儲(chǔ)能式熱風(fēng)爐加熱元件使用年限為20 a以上，正常使用時(shí)無后期維護(hù)費(fèi)用。

3 結(jié)論

綜上所述，電熱儲(chǔ)能式糧食干燥熱風(fēng)爐作為新一代糧食干燥熱源供給設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了換熱工藝技術(shù)的原始創(chuàng)新和熱風(fēng)干燥能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的集成創(chuàng)新，該項(xiàng)技術(shù)的研究與應(yīng)用解決了長期困擾糧食干燥行業(yè)環(huán)保超標(biāo)難題，既緩解了電力的供需矛盾，又促進(jìn)了能源的合理利用和環(huán)境保護(hù)，更為實(shí)現(xiàn)糧食干燥機(jī)系統(tǒng)的智能控制提供支持，有效提升了現(xiàn)有糧食干燥裝備技術(shù)水平，必將推動(dòng)未來糧食干燥熱源的環(huán)保升級(jí)換代。

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).糧食干燥機(jī)試驗(yàn)方法:GB/T 6970—2007[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[2] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.工業(yè)通風(fēng)機(jī) 用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn):GB/T 1236—2000[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[3] 中國儲(chǔ)備糧管理總公司，遼寧省糧食科學(xué)研究所 編．糧食干燥系統(tǒng)實(shí)用技術(shù)[M]．沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2005．

(責(zé)任編輯：俞蘭苓)

Process parameters of the production of electric storage heaters for grain drying

WANG He，REN Li-hui，LIU Guo-hui，ZHAO Xue-gong

(Liaoning Grain Science Research Institute;National Grain-Corn Drying Engineering Research Center，Shenyang 110032，China)

As the largest energy consuming link in China's grain industry，grain drying is the key point of "energy-saving and emission reduction". Based on comprehensive assessment and analysis of production and operation of electric storage heaters for grain drying, we proved that as a new drying heat source, it was feasible that electric storage heaters for grain drying replaced the existing coal-hot-air furnace, and through the selection of process parameters, we determined the allocation of power under normal condition for electric storage heaters.

grain drying; electric energy storage; production test; new heat source

2016-10-20；

2017-04-28

2014年國家糧食局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“電熱儲(chǔ)能式糧食干燥熱風(fēng)爐的研制”(201413006)。

王 赫(1983-)，女，工程師，主要從事糧油機(jī)械與糧食儲(chǔ)藏技術(shù)研究工作。

10.7633/j.issn.1003-6202.2017.05.004

S379.2

A

1003-6202(2017)05-0013-03