煙稈顆粒微波干燥設(shè)備的設(shè)計(jì)

張大斌，盧 澤，曹 陽(yáng)，張紀(jì)利，黃德云,艾忠焰

0 引言

煙稈作為烤煙生產(chǎn)的副產(chǎn)物，由于含有煙堿、攜帶有煙草病菌，不適于當(dāng)作飼料或直接還田[1-2]，因此，煙稈綜合回收利用成為近年的研究熱點(diǎn)。當(dāng)前對(duì)煙稈處理的研究包括生物質(zhì)燃料、活性炭與生物炭、刨花板、培養(yǎng)基及果膠等，煙稈因其木質(zhì)特性，開展煙稈制備生物質(zhì)燃料的研究可減少環(huán)境污染，提高煙稈利用價(jià)值，為煙農(nóng)創(chuàng)收和實(shí)現(xiàn)煙草可持續(xù)發(fā)展提供了條件。鮮煙稈含水率為75%左右，研究表明[3]：原料含水率為12%～15%時(shí)，生物質(zhì)壓縮成型的效果最好。因此，煙稈干燥成為制備生物質(zhì)燃料的重要環(huán)節(jié)。

作物秸稈傳統(tǒng)干燥方式為自然曬干，但其周期較長(zhǎng)，外界因素不可控，限制了秸稈工業(yè)化應(yīng)用的發(fā)展。近年來(lái)，微波干燥因其加熱快速、均勻、高效等優(yōu)勢(shì)，已被應(yīng)用于疏解棉稈[4]、青蔥[5]、雙孢菇片[6]、蕨菜[7]、獼猴桃[8]、茶葉[9]、蜂蜜[10]及木材[11]等方面的干燥。因此，結(jié)合煙稈顆粒的含水率較大、需高效快速的干燥方式，擬采用微波對(duì)煙稈顆粒進(jìn)行干燥。

為了設(shè)計(jì)出高效煙稈顆粒微波干燥設(shè)備，采用小型微波干燥機(jī)對(duì)煙稈顆粒進(jìn)行干燥試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化并獲得煙稈顆粒的微波干燥工藝參數(shù)，根據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)一種煙稈顆粒微波干燥設(shè)備，包括干燥設(shè)備輸送機(jī)關(guān)鍵零部件的選型，確定微波干燥功率，設(shè)計(jì)并搭建了微波干燥控制系統(tǒng)。

1 微波干燥試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及處理

煙稈選自貴州大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)烤煙種植基地，煙稈拔除時(shí)間為煙葉采摘結(jié)束后35天，煙稈品種為云煙87，煙稈的長(zhǎng)度基本一致，其根部、中部、頂部的直徑大小基本相同。試驗(yàn)前，將煙稈根部切掉，煙花、煙種、腋芽等摘除，保留煙莖部分；將煙稈附帶的水分用棉布吸凈后，在室內(nèi)自然晾干12h；采用從鄭州鑫地機(jī)械設(shè)備有限公司購(gòu)置的9RQ-2型秸稈粉碎機(jī)對(duì)煙稈進(jìn)行粉碎，制成長(zhǎng)度為10～20mm、寬度為5～10mm的煙稈顆粒，處理后的試樣粒度大小分布均勻。試驗(yàn)前，采用木屑含水率測(cè)量?jī)x對(duì)煙稈顆粒初始水分含量進(jìn)行測(cè)定，初始含水率約為75%。

圖1 煙稈顆粒微波負(fù)壓干燥試驗(yàn)Fig.1 Test of microwave negative pressure drying for tobacco stem particles

1.2 試驗(yàn)材料及處理

GZU型微波負(fù)壓干燥設(shè)備(貴州大學(xué)與廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司共同研制)；9RQ-2型秸稈粉碎機(jī)(鄭州鑫地機(jī)械設(shè)備有限公司)；木屑含水率測(cè)量?jī)x(北京順科達(dá)科技有限公司)；精密電子天平實(shí)驗(yàn)室電子稱(深圳市俊仁科技有限公司)。

1.3 試驗(yàn)方法

多因素正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)為：設(shè)置微波功率、物料厚度、干燥室壓力等因素，為了獲得各因素對(duì)煙稈顆粒干燥的影響，選取干燥室壓力(X1)、干燥功率(X2)、物料厚度(X3)作為正交試驗(yàn)的因素，其因素編碼表如表1所示。將煙稈顆粒進(jìn)行微波負(fù)壓連續(xù)干燥5min，以含水率(Y1)和干燥均勻度(Y2)為指標(biāo)，進(jìn)行3因素二次回歸正交試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)各指標(biāo)與各因素間量化處理，從而求解回歸數(shù)學(xué)模型，建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件，利用SPSS對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析試驗(yàn)因素對(duì)結(jié)果的影響。

表1 因素水平編碼表Table 1 Factor level codingTable

1.4 干燥速率

整個(gè)過(guò)程中，煙稈顆粒的水分比MR為

式中MR—水分比；

Mt—煙稈顆粒在t時(shí)刻的含水率(g/g)；

M0—煙稈顆粒初始含水率(g/g)；

Me—煙稈顆粒平衡含水率(g/g)。

由于微波干燥強(qiáng)度較大，可假定煙稈顆粒在微波干燥條件下的平衡含水率為0，即水分比為

(2)

1.5 干燥均勻度評(píng)分

干燥均勻度是評(píng)價(jià)物料干燥品質(zhì)的重要指標(biāo)。選出10位評(píng)委，對(duì)煙稈顆粒的干燥均勻度進(jìn)行評(píng)分，并取平均值。參照評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：中心位置均勻，周邊位置均勻，90～100分；中間均勻，周邊部分不均勻，80～90分；中心位置部分不均勻，周邊位置均勻，70～80分；中心位置部分不均勻，周邊位置部分不均勻，60～70分；中心位置不均勻，周邊位置不均勻，60分以下。

1.6 試驗(yàn)及結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)各指標(biāo)與各因素間量化處理，從而求解回歸數(shù)學(xué)模型，建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件。根據(jù)3因素3水平正交試驗(yàn)，利用SPSS軟件求解出回歸數(shù)學(xué)模型，即

(3)

其中，Y1為含水率(%)；Y2為均勻度(分)。

根據(jù)二次正交組合設(shè)計(jì)表的試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)煙稈顆粒進(jìn)行微波負(fù)壓干燥試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析，得出正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 二次回歸正交組合設(shè)計(jì)表Table 2 DesignTable of two regression orthogonal combination

續(xù)表2

利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件求解各因素的數(shù)學(xué)回歸模型，再通過(guò)判斷方差從而判斷數(shù)學(xué)模型的擬合優(yōu)度，同時(shí)判斷各因素對(duì)干燥指標(biāo)影響的顯著性。方差分析結(jié)果如表3、表4所示。

表3 含水率Y1試驗(yàn)方差分析表Table 3 Test varianceTable on water content

表4 干燥均勻度Y2試驗(yàn)方差分析表Table 4 Test varianceTable on evenness of drying

由表2及文獻(xiàn)[3]可知：原料含水率為12%～15%時(shí)，生物質(zhì)壓縮成型的效果最好，均勻度評(píng)分較高，可得出此時(shí)煙稈顆粒干燥最佳組合為A2B3C1，即干燥室壓力為-30kPa、微波功率為700W、物料厚度為10mm時(shí)，煙稈顆粒干燥的含水率最適合用于加工成生物質(zhì)燃料。

由表3和表4可知：當(dāng)指標(biāo)為含水率(P=0.036)和均勻度(P=0.045)時(shí)，微波功率對(duì)干燥含水率和干燥均勻度的影響較顯著，干燥室壓力和物料厚度影響不顯著；A、B、C 3因素影響的主次順序?yàn)锽、A、C。

1.7 工藝參數(shù)的優(yōu)化與分析

1.7.1 目標(biāo)函數(shù)的確定

煙稈顆粒的含水率、干燥均勻度在各自對(duì)應(yīng)的約束條件下應(yīng)達(dá)到最大值，即滿足MaxY1,MaxY2為多目標(biāo)決策問(wèn)題。

1.7.2 約束條件

煙稈顆粒的含水率、干燥均勻度各指標(biāo)的值均應(yīng)大于零，其對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)因素編碼值限制在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)取值，即

(4)

1.7.3 優(yōu)化結(jié)果與分析

該試驗(yàn)屬于三因素的多目標(biāo)正交試驗(yàn)，為了對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化，得出較好的工藝參數(shù)，采用加權(quán)綜合評(píng)分法將含水率Y1、均勻度分?jǐn)?shù)Y2變換成無(wú)量綱參數(shù)，計(jì)算綜合加權(quán)評(píng)分值公式為Y=λ1Y1+λ2Y2。根據(jù)干燥煙稈顆粒的實(shí)際要求，首先保證含水率在12%～15%，其次干燥均勻度對(duì)煙稈顆粒成型效果較好，因此Y1和Y2的加權(quán)值取λ1=0.8，λ2=0.2。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行規(guī)劃求解，得出當(dāng)干燥室壓力為-24.3kPa，微波功率為695.7W、物料厚度為12.9mm時(shí)，兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)綜合值最優(yōu)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，煙稈顆粒的含水率為13.2%、均勻度評(píng)分為89.3，綜合評(píng)分為0.923。

2 微波干燥設(shè)備的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備的組成及干燥過(guò)程

微波干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)由萬(wàn)向輪、厚度限位裝置、輸送帶、微波發(fā)生器、干燥腔體、出料機(jī)構(gòu)滾筒及進(jìn)料機(jī)構(gòu)滾筒等組成，如圖2所示。通過(guò)試驗(yàn)所得工藝參數(shù)，對(duì)輸送機(jī)的托輥、滾筒等進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)和校核，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)干燥設(shè)備所需的功率為260W，根據(jù)計(jì)算的驅(qū)動(dòng)功率選擇了Y80m1-4型電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)輸送機(jī)滾筒。對(duì)微波單元進(jìn)行了選型，計(jì)算了全部微波單元需要功率，選擇了三星公司生產(chǎn)的OM75PESGN型微波發(fā)生器，單個(gè)功率為700W，有效覆蓋面積為500cm2。烘干機(jī)干燥室的總面積為20 000cm2，所以烘干機(jī)微波單元需要的總功率為28 000W。

1.萬(wàn)向輪 2.厚度限位裝置 3.輸送帶 4.微波發(fā)生器 5.干燥腔體 6.出料機(jī)構(gòu)滾筒 7.進(jìn)料機(jī)構(gòu)滾筒圖2 微波干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of microwave drying equipment

干燥過(guò)程為：將粉碎后的煙稈顆粒從物料箱輸入進(jìn)料機(jī)構(gòu)，煙稈顆粒通過(guò)輸送帶進(jìn)入厚度限位裝置，將煙稈顆粒的厚度控制為13mm，當(dāng)達(dá)到所需厚度時(shí)，將煙稈顆粒輸入微波干燥腔體；微波干燥腔體內(nèi)設(shè)置有微波發(fā)生器，當(dāng)煙稈顆粒鋪滿干燥室時(shí)，啟動(dòng)微波干燥發(fā)生器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸送帶往復(fù)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)煙稈顆粒達(dá)到含水率達(dá)到12%時(shí)，關(guān)閉干燥發(fā)生器，電機(jī)將煙稈顆粒輸出干燥腔，此時(shí)煙稈顆粒的含水率為制備生物質(zhì)燃料的最佳條件。

2.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.2.1 控制系統(tǒng)的組成

該微波干燥設(shè)備主要完成物料的裝卸、物料的干燥、微波單元的調(diào)節(jié)及輸送過(guò)程的控制，如圖3所示。根據(jù)筆者對(duì)煙稈顆粒干燥特性的研究，煙稈顆粒的微波干燥速率變化過(guò)程為：短時(shí)間的升速，長(zhǎng)時(shí)間的恒速，短時(shí)間的降速。因此，針對(duì)煙稈顆粒不同的含水率，控制微波發(fā)生器工作的數(shù)量，可實(shí)現(xiàn)干燥能耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Structure diagram of control system

根據(jù)上述的干燥過(guò)程，用變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使煙稈顆粒在輸送機(jī)上的速度相對(duì)穩(wěn)定；然后，將物料輸送進(jìn)微波干燥室中干燥，在干燥室的進(jìn)口和出口各安裝一個(gè)光電傳感器；當(dāng)烤煙秸稈輸送到進(jìn)口或者出口時(shí)，光電傳感器發(fā)出信號(hào)，并將信號(hào)傳送給PLC從而控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，使物料在干燥室中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 隨著干燥的進(jìn)行，煙稈顆粒中的水分不斷蒸發(fā)而含水率不斷降低，由于其含水率不方便測(cè)量，在干燥機(jī)上安裝重量傳感器，間接測(cè)量秸稈的含水率。將微波單元的功率設(shè)置為3個(gè)檔位，使煙稈顆粒高含水率時(shí)對(duì)應(yīng)高功率檔位，低含水率對(duì)應(yīng)低功率檔位，從而節(jié)省電能。當(dāng)煙稈顆粒的含水率在70%～50%時(shí)，傳感器發(fā)送信號(hào)給PLC，PLC控制微波3擋單元全開運(yùn)行；當(dāng)含水率在50%～20%時(shí)，PLC控制部分微波單元關(guān)閉，2擋降低功率運(yùn)行；當(dāng)秸稈含水率在20%～15%時(shí)，PLC控制微波單元以最低功率運(yùn)行。

2.2.2 PLC選型

根據(jù)干燥設(shè)備控制方案的要求，其輸入24點(diǎn)，輸出16點(diǎn)，同時(shí)經(jīng)過(guò)綜合性能和價(jià)格等方面的考慮，選擇歐姆龍生產(chǎn)的CP1H-X40DR-A型PLC作為控制器。

2.2.3 光電傳感器的選型

在干燥過(guò)程中，微波單元通電個(gè)數(shù)受到控制，煙稈顆粒需要在干燥室中往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到均勻受熱。因此，需要在干燥室的進(jìn)出口處裝一個(gè)傳感器來(lái)充當(dāng)開關(guān)，當(dāng)煙稈顆粒到達(dá)干燥室進(jìn)出口時(shí)，傳感器發(fā)出信號(hào)，電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)向，輸送帶上的煙稈顆粒往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)均勻干燥。綜合考慮，選用歐姆龍公司生產(chǎn)的E3Z-FTN11型號(hào)的光電傳感器。

2.2.4 重量傳感器的選型

干燥過(guò)程中，微波的功率隨著秸稈質(zhì)量的減小而減小，為了控制微波功率，需要給烘干機(jī)裝一個(gè)重量傳感器。重量傳感器的工作原理是將不方便測(cè)量的質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為方便測(cè)量的電流電壓信號(hào)并輸出的器件，當(dāng)煙稈質(zhì)量變化時(shí)，傳感器發(fā)送信號(hào)給PLC來(lái)控制微波功率。綜合經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性考慮，選用中航電測(cè)公司生產(chǎn)的H3型重量傳感器。

2.2.5 變頻器的選型

煙稈顆粒在干燥室中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度不宜過(guò)快，為了調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的速度，需要選擇變頻器，應(yīng)用變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)控制交流電動(dòng)機(jī)電壓的頻率和幅度，來(lái)平穩(wěn)調(diào)節(jié)交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩，最常見的是輸入及輸出都是交流電的交流/交流轉(zhuǎn)換器。根據(jù)電機(jī)的功率，選擇的變頻器型號(hào)為3G3MX2-A2004-ZV。

2.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.3.1 變頻器的選型

本設(shè)計(jì)的控制部分有5個(gè)輸入信號(hào)，分別為啟動(dòng)、停止、兩個(gè)光電開關(guān)和一個(gè)重量傳感器，輸出信號(hào)有8個(gè)，分別為輸出給電動(dòng)機(jī)和輸出給微波單元。I/O分配如表5所示。

2.3.2 控制接線圖

根據(jù)工作原理，控制器的接線圖4所示。

圖4 電路接線圖Fig.4 Electrical wiring diagram

2.3.3 控制系統(tǒng)流程

1)控制系統(tǒng)通電后，電機(jī)正轉(zhuǎn)5s，將設(shè)定質(zhì)量的煙稈顆粒傳輸?shù)捷斔蛶希穸认尬粰C(jī)構(gòu)將煙稈鋪成13mm，煙稈顆粒經(jīng)輸送帶輸入干燥腔。

2)干燥腔設(shè)置有重量傳感器，當(dāng)物料質(zhì)量大于3.8kg時(shí)，啟動(dòng)微波3擋運(yùn)行；當(dāng)物料質(zhì)量在3.2～3.6kg時(shí)，啟動(dòng)微波2擋運(yùn)行；當(dāng)物料質(zhì)量低于3～3.2kg時(shí)，啟動(dòng)微波1擋。光電開關(guān)1和2分別控制電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)物料干燥往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)物料質(zhì)量為低于3kg時(shí)，關(guān)閉所有微波發(fā)生器。

3)關(guān)閉微波發(fā)生器后，光電開關(guān)1觸發(fā)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，將煙稈顆粒出干燥腔，干燥結(jié)束，如此循環(huán)。其控制過(guò)程如圖5所示[12]。

3 結(jié)論

1)正交試驗(yàn)結(jié)果表明：微波功率對(duì)煙稈顆粒的干燥含水率和均勻度影響顯著，干燥室壓力次之，厚度最弱；3個(gè)因素對(duì)干燥評(píng)價(jià)指標(biāo)有不同的影響。

圖5 程序流程圖Fig.5 Program flow chart

2)采用多目標(biāo)非線性優(yōu)化方法，優(yōu)化煙稈顆粒的干燥工藝，得到煙稈顆粒微波負(fù)壓干燥的最佳工藝參數(shù)，即干燥室壓力為-24.3kPa，微波功率為695.7W，物料厚度為12.9mm。經(jīng)工藝優(yōu)化后煙稈顆粒干燥均勻度較好，其含水率可滿足直接制備生物質(zhì)燃料的條件。

3)根據(jù)試驗(yàn)獲得煙稈顆粒的微波干燥工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)了煙稈顆粒的微波干燥設(shè)備，并搭建了微波干燥

控制系統(tǒng)。該設(shè)備根據(jù)煙稈顆粒的微波干燥特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)煙稈顆粒的高效干燥的同時(shí)，達(dá)到節(jié)能減排的目的。