茶葉烘干機(jī)與生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的匹配性研究

蔣建江，徐偉，吳尊繁

（浙江紅五環(huán)集團(tuán)股份有限公司，浙江衢州 324000）

茶葉烘干機(jī)與生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的匹配性研究

蔣建江，徐偉，吳尊繁

（浙江紅五環(huán)集團(tuán)股份有限公司，浙江衢州 324000）

茶葉烘干機(jī)的熱源是噴流式金屬熱風(fēng)爐提供的熱風(fēng)，傳統(tǒng)的熱風(fēng)爐以煤為燃料，存在污染且熱效率低，研發(fā)一款以生物質(zhì)顆粒為燃料的顆粒燃燒機(jī)以匹配金屬熱風(fēng)爐使用，并對(duì)熱風(fēng)爐進(jìn)行節(jié)能改造，目的是為了提高熱效率并實(shí)現(xiàn)茶葉生產(chǎn)的清潔化生產(chǎn)，匹配性試驗(yàn)取得良好的效果，證明了生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)與烘干機(jī)匹配的優(yōu)越性。

茶葉烘干機(jī)；熱風(fēng)爐；生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)；熱效率；節(jié)能

茶葉烘干是茶葉加工過程中重要的一道工序，直接影響茶葉的色澤、營養(yǎng)、風(fēng)味等品質(zhì)。茶葉鏈板式烘干機(jī)是目前國內(nèi)茶機(jī)市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的熱風(fēng)烘干機(jī)，其熱風(fēng)加熱源主要有：柴煤式金屬熱風(fēng)爐、燃?xì)鉅t、電爐等，現(xiàn)階段根據(jù)我國茶葉加工和茶園的特點(diǎn)，柴煤式金屬熱風(fēng)爐應(yīng)用最為廣泛。隨著各地環(huán)境保護(hù)意識(shí)和要求的提高，傳統(tǒng)的柴煤噴流式金屬熱風(fēng)爐在節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)、清潔生產(chǎn)等方面很難有提升的空間，尋求既節(jié)能環(huán)保又成本經(jīng)濟(jì)的茶葉烘干機(jī)配套燃燒方案是各大茶葉機(jī)械企業(yè)及科研院所研究的熱點(diǎn)。

生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)是以生物質(zhì)顆粒為燃料的燃燒機(jī)，是新能源利用轉(zhuǎn)化的成果，在農(nóng)業(yè)機(jī)械、生物質(zhì)發(fā)電、工業(yè)鍋爐、食品烘干設(shè)備等行業(yè)的應(yīng)用越來越多。在茶葉機(jī)械領(lǐng)域，生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)配套茶葉殺青機(jī)、茶葉炒干機(jī)使用并取得良好效果，一般的燃燒機(jī)能耗在10萬大卡到30萬大卡之間，受燃燒值限制，其應(yīng)用范圍局限于小型烘干機(jī)領(lǐng)域。為此，筆者團(tuán)隊(duì)研發(fā)一款能匹配20~30平方翻板烘干機(jī)使用的顆粒燃燒機(jī)，對(duì)FP-100金屬熱風(fēng)爐進(jìn)行節(jié)能改造，并優(yōu)化兩者之間的配合連接，目的是為了有效替代傳統(tǒng)的燃?xì)鉅t和電爐，提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)茶葉的清潔化生產(chǎn)。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 生物質(zhì)顆粒介紹

生物質(zhì)燃燒顆粒是以可再生生物資源如以秸稈、木屑、花生殼等為原料生產(chǎn)加工而成的清潔燃料。與其他燃料相比，生物質(zhì)顆粒燃料具有發(fā)熱量大、燃燒充分、熱效率高、低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，煙塵、硫、氮等排放量低，符合GB 13271煙塵排放要求，以1000 kg/h蒸汽鍋爐即每小時(shí)把1000 kg的水變成蒸汽的鍋爐為例，生物質(zhì)顆粒與其它能源現(xiàn)實(shí)使用成本對(duì)照如表1所示：

表1 各能源燃燒成本對(duì)照Table 1 The energy cost of combustion control

可見，作為一種新型的生物燃料，生物質(zhì)顆粒燃料以其特有的低碳環(huán)保及良好的經(jīng)濟(jì)效益越來越被廣泛應(yīng)用和推廣，并且符合可持續(xù)發(fā)展的要求。

1.2 顆粒燃燒機(jī)設(shè)計(jì)

1.2.1 燃燒方案

市場(chǎng)上常見的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)燃燒室布置在圓柱形的爐膛內(nèi)，在鼓風(fēng)機(jī)作用下沿軸向噴火，即噴火方向與送料方向一致，這種結(jié)構(gòu)有以下缺點(diǎn)：在與殺青機(jī)或熱風(fēng)爐匹配時(shí)火焰水平噴射使得熱風(fēng)爐受熱不均勻，如圖1所示，會(huì)出現(xiàn)高溫區(qū)與低溫區(qū)，這勢(shì)必造成熱風(fēng)爐換熱不均勻，增大局部金屬的變形，且在高溫區(qū)的耐火磚會(huì)因?yàn)闇囟冗^高而減短使用壽命。本設(shè)計(jì)中，采取燃燒平臺(tái)的結(jié)構(gòu)即方案2所示，火焰方向垂直向上噴火，這種結(jié)構(gòu)的好處是熱風(fēng)爐耐火磚及爐內(nèi)壁受熱均勻，金屬爐圓周方向無高溫集中區(qū)域，顆粒機(jī)燃燒產(chǎn)生的熱量利用率更高，相應(yīng)的也更節(jié)能。

圖1 顆粒燃燒機(jī)方案對(duì)比Fig.1 The Scheme comparison of the particle combustion engine

1.2.2 產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)

在完成主要的參數(shù)計(jì)算后，確定顆粒燃燒機(jī)的設(shè)計(jì)輸入，設(shè)計(jì)整機(jī)燃燒能力范圍控制在15~ 70萬大卡，主要確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)及送料螺桿的型號(hào)及參數(shù)，以確保燃燒機(jī)的燃燒控制，主要控制的參數(shù)是生物質(zhì)顆粒的送料量、鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量及燃燒時(shí)間，目的是為了實(shí)現(xiàn)燃燒溫度及燃燒時(shí)間的可控性。運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E進(jìn)行主要零部件的三維建模并進(jìn)行虛擬裝配以縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期。具體的如圖2所示，該機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)架、調(diào)節(jié)輪組件、外罩、料斗、送料部件、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、燃燒盤組件、點(diǎn)火裝置、通風(fēng)道（配風(fēng)管）、控制系統(tǒng)等部件，其中機(jī)架、料斗和送料組件三者形成可拆分的整體，送料部件的核心元件是安裝在送料圓筒內(nèi)壁可以自由旋轉(zhuǎn)的送料螺桿，燃燒盤組件固定在送料部件出料端，其特征是平臺(tái)式結(jié)構(gòu)，包括底托架，燃燒平臺(tái)，垂直端板等結(jié)構(gòu)，燃燒平臺(tái)替代傳統(tǒng)顆粒機(jī)的燃燒室或爐膛成為顆粒物料燃燒的平臺(tái)，保證了燃燒火焰垂直向上，燃燒充分徹底，并且避免了傳統(tǒng)顆粒燃燒機(jī)容易出現(xiàn)的回火現(xiàn)象。

圖2 生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The Structure diagram of the Biomass pellet combustion machine

1.3 金屬熱風(fēng)爐節(jié)能改造

噴流式金屬熱風(fēng)爐是內(nèi)燃式熱風(fēng)爐的一種，其主要結(jié)構(gòu)包括爐灶底、爐柵、爐芯、耐火磚、外殼、噴流環(huán)、煙環(huán)等，工作時(shí)依靠鼓風(fēng)機(jī)吹進(jìn)的空氣與燃燒產(chǎn)生的熱煙氣形成逆流換熱，煙氣在引煙機(jī)作用下形成壓差，空氣與煙氣走不同的通道，依靠噴流環(huán)及熱風(fēng)爐內(nèi)部的高溫實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的加熱，這一過程是很復(fù)雜的傳熱過程，包含對(duì)流換熱、熱傳導(dǎo)及熱輻射，計(jì)算時(shí)一般我們以供熱量表示熱風(fēng)爐的能力，實(shí)際的熱平衡為：燃料產(chǎn)生的熱量QR轉(zhuǎn)化為熱空氣吸收的熱量△QR、熱損失△Q及煙氣排出的熱量QP，

熱空氣吸收的熱量△Qg近似等于烘干機(jī)所需的熱量，供熱量在值理論上等于燃料燃燒產(chǎn)生的熱量和熱效率的乘積即：

其中：Qh為換熱量，單位為kj/h；

η為熱風(fēng)爐熱效率。

熱風(fēng)爐換熱量計(jì)算公式為：

其中：T1為環(huán)境溫度，T2為熱風(fēng)爐出風(fēng)口熱風(fēng)溫度；

qg為空氣質(zhì)量流量，單位為m3/h；

Cg為干空氣比熱，單位為kj/（kg·℃）。

如公式（1）換熱量Qh其實(shí)就等于干空氣的吸收的熱量△Qg，空氣質(zhì)量流量和煙氣流量可以通過優(yōu)化通道設(shè)計(jì)、改變空氣流速、改變引煙速度來控制，實(shí)際操作時(shí)主要通過鼓風(fēng)機(jī)與引煙機(jī)的選型來實(shí)現(xiàn)。

燃煤熱風(fēng)爐的供熱能力主要取決于爐膛容積與爐排面積，熱風(fēng)爐的供熱量等于煤的總發(fā)熱量，而熱效率取決于爐的傳熱效率與換熱能力，傳統(tǒng)柴煤噴流熱風(fēng)爐熱效率低于70%。換熱面積是熱風(fēng)爐換熱能力的決定因素，設(shè)計(jì)中必須考慮熱風(fēng)爐的換熱面積，在柴煤式熱風(fēng)爐中，爐膛內(nèi)表面及爐芯內(nèi)表面下端必須鑲砌耐火磚來保護(hù)熱風(fēng)爐不被損壞，且必須布置合理的爐柵來控制煤燃燒面積及控制爐膛容積，但這些結(jié)構(gòu)減少了熱風(fēng)爐的有效換熱面積；如果采用生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)來對(duì)熱風(fēng)爐加熱，因?yàn)轭w粒燃燒機(jī)火焰在爐芯中間垂直向上噴，不會(huì)直接對(duì)爐芯內(nèi)壁進(jìn)行加熱，所以取消內(nèi)部的耐火磚并且取消爐排（爐柵）的結(jié)構(gòu)，以此加大爐子的換熱面積；如圖3所示，我們對(duì)原有的柴煤噴流式金屬熱風(fēng)爐進(jìn)行改造，一方面減少不必要的結(jié)構(gòu)如爐柵、清灰門等，降低成本，另一方面取消耐火磚來增加爐芯的換熱面積，并將整個(gè)爐子的相應(yīng)尺寸進(jìn)行調(diào)整。

圖3 熱風(fēng)爐改造Fig.3 The modification of the hot blast stove

改造后，在相同外形尺寸下，熱風(fēng)爐換熱面積提高了8.5%，且整機(jī)重量降低12%，有效地降低制造成本的同時(shí)提高熱風(fēng)爐熱效率η。

2 匹配性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)

按上文設(shè)計(jì)方案完成型號(hào)為6CSR-70生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)樣機(jī)試制并對(duì)FP-100A噴流式金屬熱風(fēng)爐進(jìn)行節(jié)能改造后，對(duì)型號(hào)為6CHB-20鏈板式烘干機(jī)進(jìn)行聯(lián)機(jī)試驗(yàn)如圖4所示，

圖4 試驗(yàn)方案簡(jiǎn)圖Fig.4 Schematic diagram of test scheme

匹配性試驗(yàn)的主要目的有：（1）驗(yàn)證生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)匹配20平方烘干機(jī)的可行性；（2）在滿足可行性前提下尋求最優(yōu)即最節(jié)能高效的匹配方案；（3）驗(yàn)證改造后的FP-100A金屬熱風(fēng)爐的熱效率是否提高。

為此，進(jìn)行聯(lián)機(jī)試驗(yàn)。

試驗(yàn)一：顆粒機(jī)鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量及熱風(fēng)爐鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量（熱風(fēng)風(fēng)量）為固定值，測(cè)試數(shù)據(jù)有：顆粒機(jī)送料量（換算成輸出熱量）、最高熱風(fēng)溫度、加熱至最高溫度時(shí)間等，并計(jì)算對(duì)應(yīng)熱效率。部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示：

表2 不同燃燒值測(cè)試值Table 2 The test values of different combustion values

以測(cè)試4數(shù)據(jù)為列，代入公式（1）、（2）、（3）計(jì)算得：

一般工況下，20平方茶葉翻板烘干機(jī)的熱風(fēng)溫度控制在150~220℃，如表2所測(cè)數(shù)據(jù)表明在顆粒機(jī)燃燒值在50萬大卡、60萬大卡及70萬大卡時(shí)均能達(dá)到理想的熱風(fēng)溫度，在燃燒值為50萬大卡時(shí)熱效率最高，且升溫時(shí)間最短，可見生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)燃燒值控制在50萬大卡時(shí)與茶葉烘干機(jī)的匹配性最好。

試驗(yàn)二：顆粒燃燒機(jī)燃燒值設(shè)定50萬大卡，顆粒機(jī)供氧風(fēng)量為1200 m3/h，環(huán)境溫度30℃，改變熱風(fēng)風(fēng)量，測(cè)量數(shù)據(jù)有：熱風(fēng)最高溫度T2，并計(jì)算熱效率η。如圖5、圖6所示：

圖5 熱風(fēng)溫度與風(fēng)量關(guān)系Fig.5 Relationship between hot air temperature and air volume

圖6 熱風(fēng)風(fēng)量與熱效率關(guān)系Fig.6 Relationship between air volume andthermal efficiency

圖5表明在一定范圍內(nèi)，隨著熱風(fēng)風(fēng)量的增加，熱風(fēng)溫度呈下降趨勢(shì)，熱風(fēng)風(fēng)量越大則溫度越低，圖6表明熱風(fēng)爐熱效率在剛開始隨著風(fēng)量的增加而增高，且在熱風(fēng)風(fēng)量為9000 m3/h時(shí)最高其值為77%，隨后風(fēng)量增加熱效率則呈下降趨勢(shì)。

試驗(yàn)三：顆粒燃燒機(jī)燃燒值設(shè)定50萬大卡，顆粒機(jī)供氧風(fēng)量為 1200 m3/h，熱風(fēng)風(fēng)量為9500m3/h，環(huán)境溫度30℃，分別匹配改造前的熱風(fēng)爐FP-100和改造后的金屬熱風(fēng)爐FP-100A進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)有：熱風(fēng)最高溫度T2，加熱至最高溫度時(shí)間t，并計(jì)算各自熱效率η。如表3所示：

表3數(shù)據(jù)說明改造前的最高熱風(fēng)爐熱風(fēng)溫度低于改造后的熱風(fēng)爐，升溫時(shí)間反而更長(zhǎng)，熱效率計(jì)算值也未能突破70%，相對(duì)而言，改造后的熱風(fēng)爐在升溫時(shí)間縮短了5 min，表明熱風(fēng)爐內(nèi)部的熱傳遞效率更高，熱風(fēng)最高溫度T2也有明顯的提高。整體熱效率而言，改造后的熱風(fēng)爐FP-100A也更高。

表3 兩種熱風(fēng)爐測(cè)試對(duì)比Table 3 Comparison testing date of the two metal hot blast stove

2.2 結(jié)論

匹配性試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：

（1）新設(shè)計(jì)的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)6CSR-70及改造后的FP-100A金屬熱風(fēng)爐能夠很好的匹配6CHB-20鏈板式烘干機(jī)，可以滿足烘干機(jī)對(duì)于熱風(fēng)風(fēng)量和熱風(fēng)溫度的要求；

（2）改造后的FP-100A熱風(fēng)爐匹配顆粒燃燒機(jī)熱效率在同等條件下可提高6%左右，達(dá)到75.8%。

（3）顆粒燃燒機(jī)燃燒值在50萬大卡，熱風(fēng)風(fēng)量在9000 m3/h時(shí)熱效率最高（達(dá)到77%），即最節(jié)能，匹配效也最好。

3 結(jié)束語

本文采用理論計(jì)算結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法來進(jìn)行相互驗(yàn)證，尋求最優(yōu)即最節(jié)能的匹配方案，即為茶葉鏈板式烘干機(jī)的能源配套提供即經(jīng)濟(jì)環(huán)保又方便高效的解決方案。配套生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)，并對(duì)鏈板式烘干機(jī)的熱風(fēng)爐進(jìn)行節(jié)能改造后，可以提高熱效率約6%，生物質(zhì)顆粒及生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的使用可以實(shí)現(xiàn)茶葉清潔化生產(chǎn)并有效減少勞動(dòng)強(qiáng)度，降低茶葉生產(chǎn)企業(yè)的成本，對(duì)于節(jié)能型燃料在茶葉生產(chǎn)領(lǐng)域及農(nóng)村的推廣有重要意義。

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[2] 王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

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Research on the Matching of Tea Drying Machine and Biomass Pellet Burning Machine

JIANG Jian-jiang，XU Wei，WU Zun-fan
（Zhejiang Hongwuhuan Group Co.Ltd.，Quzhou 324000，China）

The heat source of tea drying machine is the hot air provided by a jet type metal hot blast stove. Traditional hot blast stoves burn coal as the fuel，which causes pollution and low thermal efficiency.Thus it is necessary to develop a combustion engine using biomass fuel particles so that it can match the metal stove in order to improve the thermal efficiency and realize clean production of tea production.The matching test showed good effect，which proved the advantage of the biomass pellet combustion machine matching the drying machine.

Tea drying machine；Hot blast stove；Biomass pellet burner；Thermal efficiency；Energy saving

TS272.3；TK6

A

2095-0306（2016）06-0037-06

中國茶葉加工 2016（6）:37-42

2016-11-15

蔣建江（1963-），男，浙江衢州人，高級(jí)工程師，主要從事通用機(jī)械及茶葉機(jī)械設(shè)計(jì)開發(fā)，主攻空氣壓縮機(jī)開發(fā)。