自動(dòng)清灰型烤房加熱設(shè)備的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

田 輝，劉勇敢，丁 攀，王韻翔，王 玲，任天寶

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州450002;2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，河南鄭州450002)

密集烤房在國(guó)外已經(jīng)被普遍使用，但因技術(shù)不夠完善、設(shè)備價(jià)格昂貴或使用成本高等，在我國(guó)未得到廣泛推廣［1］。密集烤房是具有自動(dòng)化、智能化等特點(diǎn)的先進(jìn)烤煙裝置，也是實(shí)現(xiàn)煙葉烘烤工藝的關(guān)鍵設(shè)備［2］，具有溫濕度控制靈敏、平面溫度基本均勻、加煤操作方便、熱能利用率高等優(yōu)點(diǎn)［3］。目前，我國(guó)對(duì)密集烤房的研究已取得很大進(jìn)展，密集烤房的建造、安裝和使用等幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題已經(jīng)得到基本解決［4］。但近年來(lái)密集烤房出現(xiàn)了一個(gè)比較突出的問(wèn)題，即積灰影響熱交換或積灰堵塞等，容易阻礙煙氣流的正常運(yùn)行，大幅度降低散熱效率，因此須要定期對(duì)加熱設(shè)備進(jìn)行清灰處理，完善烤房加工工藝是當(dāng)前密集烤房亟須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。加熱設(shè)備是整個(gè)密集烤房裝置的核心，為解決目前密集烤房排煤困難、升溫慢、易結(jié)渣等問(wèn)題，各地都開(kāi)始了相關(guān)研究［5］。本研究對(duì)密集烤房加熱設(shè)備進(jìn)行改造和優(yōu)化，使其成為加熱和排煤集成一體化的裝置。通過(guò)與人工排煤進(jìn)行烘烤對(duì)比，比較2種方法的耗煤量和熱量利用效率等，分析自動(dòng)清灰裝置的可行性。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 自動(dòng)清灰加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

自動(dòng)清灰型烤房加熱設(shè)備主要由具有進(jìn)煤口、排渣口和出渣門的爐體，爐體上部的集成散熱器，爐體內(nèi)部的燃燒室組成，加煤斗通過(guò)送料管與內(nèi)部燃燒室連通，在送料管下方設(shè)有進(jìn)風(fēng)設(shè)備，該裝置的排渣口通過(guò)蛟龍排渣機(jī)構(gòu)將燃燒盤上燃盡的煤渣排出，爐體底側(cè)有出渣門，燃燒室排渣方向大致垂直出渣管，其中排渣口開(kāi)口朝下;在清灰結(jié)構(gòu)出渣管中設(shè)有沿軸向旋轉(zhuǎn)的蝸桿旋出裝置，該蝸桿旋出裝置一端深入出渣管，另一端從出渣管伸出連接出渣步進(jìn)式電機(jī)，在爐體內(nèi)的出渣管部分設(shè)上開(kāi)口，整個(gè)裝置呈固定狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示［6］。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

由圖1可知，該機(jī)構(gòu)為自動(dòng)清灰加熱設(shè)備，工作時(shí)先倒煤入斗，裝料量以剛填滿加煤斗為標(biāo)準(zhǔn)。步進(jìn)式電機(jī)在控制器的作用下緩慢帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)將煤料經(jīng)過(guò)進(jìn)煤通道送入燃燒盤，燃燒盤與水平面呈一定的角度，由于進(jìn)煤螺旋蝸桿的不斷旋轉(zhuǎn)，煤炭不斷進(jìn)入燃燒盤，使得煤渣被擠落并不斷進(jìn)入清灰裝置，煤渣在螺旋蝸桿的作用下經(jīng)自動(dòng)出渣通道排出爐體，圖2和圖3分別為蛟龍清灰裝置和排渣效果。圖4為燃燒室的結(jié)構(gòu)示意，爐體上部設(shè)散熱器的作用是散熱，送料管下方設(shè)有的通風(fēng)設(shè)備在溫度低于所需溫度時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟，使溫度升高并達(dá)到所需要求。

為實(shí)現(xiàn)加料的自動(dòng)化，進(jìn)料口設(shè)有自動(dòng)加料裝置，該自動(dòng)加料裝置包括開(kāi)口朝上的加料斗、送料管中的渦輪推進(jìn)裝置以及加料斗外部的加料步進(jìn)式電機(jī)，其中渦輪推進(jìn)裝置一端軸向深入燃燒室中，另一端向外延伸連接加料步進(jìn)式電機(jī)，加料步進(jìn)式電機(jī)啟動(dòng)后，帶動(dòng)渦桿推進(jìn)裝置將送料管中的燃料送入燃燒盤，這樣能夠保證爐體內(nèi)有充足的燃料供給。

2 控制系統(tǒng)與控制流程

隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨于成熟，以單片機(jī)技術(shù)為核心的控制技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)單片機(jī)的控制，以烤房?jī)?nèi)的蒸汽溫度為前饋信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)分析計(jì)算后輸出控制信號(hào)［7］。單片機(jī)主控芯片(central processing unit，簡(jiǎn)稱CPU)采用的是愛(ài)特梅爾公司的嵌入式單片機(jī)，型號(hào)為AT90S8535，該控制器內(nèi)部有8個(gè)通道10位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter，簡(jiǎn)稱ADC)，不僅可以滿足溫度轉(zhuǎn)換的精度需求［8］，同時(shí)內(nèi)部擁有8 kb字節(jié)在線可編程FLASH、512字節(jié)靜態(tài)內(nèi)存SRAM(Static RAM)及512字節(jié)在線可編程電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(electrically erasable programmable read only memory，簡(jiǎn)稱 EEPROM)，可滿足編程調(diào)試需要，其中32個(gè)可編程的輸入/輸出(input/output，簡(jiǎn)稱I/O)接口中除PA口用于A/D轉(zhuǎn)換外，其他I/O接口可以用來(lái)接顯示電路、鍵盤輸入級(jí)預(yù)設(shè)置電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路等，1片40腳的DIP芯片即可滿足設(shè)計(jì)要求，它具有感應(yīng)溫度時(shí)間短、反應(yīng)速度較快、穩(wěn)態(tài)溫度波動(dòng)小、反應(yīng)靈敏等一系列優(yōu)點(diǎn)［9］，同時(shí)可智能辨別控制鼓風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)量，由顯示器(liquid crystal display，簡(jiǎn)稱LCD)分別顯示烘烤曲線、設(shè)定溫度、設(shè)定濕度、控制時(shí)間、干球溫度、濕球溫度、升溫、穩(wěn)溫等［10－11］，控制流程具體如圖 5 所示。

該烤房控制器能夠分別控制進(jìn)風(fēng)設(shè)備、加料步進(jìn)式電機(jī)以及出渣步進(jìn)式電機(jī)的啟動(dòng)和關(guān)閉，且與烤房?jī)?nèi)的溫度計(jì)相連，假設(shè)烤房?jī)?nèi)的溫度值(實(shí)時(shí))為Tx，煙葉變黃階段烤房設(shè)定溫度為T0，烤房感應(yīng)允許誤差為T感，T感一般為±(0.1～0.5)℃，則烤煙溫度下限T1=T0－|T感|，烤煙溫度上限T2=T0+|T感|，烤房控制器具體工作流程如圖6所示。

以烘烤煙葉(適宜溫度38～42℃)為例，對(duì)烘烤流程進(jìn)行說(shuō)明。設(shè)置烤房控制器的參數(shù)，T0設(shè)為40℃，T感取±0.3℃，則烤煙溫度下限T1即為39.7℃，烤煙溫度上限T2即為40.3℃，t1為1 min。具體流程控制為(1)如果Tx低于39.7℃，則啟動(dòng)進(jìn)風(fēng)設(shè)備向爐體內(nèi)送風(fēng)。(2)當(dāng)進(jìn)風(fēng)設(shè)備工作1 min后，如果Tx仍然低于39.7℃，說(shuō)明僅靠送風(fēng)已無(wú)法提高爐體內(nèi)溫度，此時(shí)同時(shí)啟動(dòng)加料步進(jìn)式電機(jī)和出渣步進(jìn)式電機(jī)，否則不啟動(dòng)加料步進(jìn)式電機(jī)。(3)如果 Tx高于40.3℃，則關(guān)閉進(jìn)風(fēng)設(shè)備停止送風(fēng)，并轉(zhuǎn)至步驟(1)，等待Tx低于39.7℃，否則維持進(jìn)風(fēng)設(shè)備工作并轉(zhuǎn)至步驟(2)。步驟(2)中加料步進(jìn)式電機(jī)和出渣步進(jìn)式電機(jī)啟動(dòng)1次，只須工作3～5 min即可，具體可根據(jù)烤房大小、烘烤溫度、啟動(dòng)頻率調(diào)整工作時(shí)間。

須要注意的是，烤房控制儀目標(biāo)溫度T0可根據(jù)煙葉烘烤需求靈活設(shè)置，根據(jù)煙葉烘烤和加煤設(shè)備運(yùn)行參數(shù)需求控制烤房?jī)?nèi)溫度Tx為T0±(0.1～0.5)℃，既滿足煙葉烘烤需求，又利于設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。如果是主要烘烤葉筋的階段，那么烘烤適宜溫度為42～49℃，此時(shí)須要重新設(shè)置烤房控制器的參數(shù)。當(dāng)烘烤所需溫度須要調(diào)整時(shí)，只須修改參數(shù)即可。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)應(yīng)用分析

為了方便地看出改造之后和改造之前密集烤房在各方面的差異，進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)整儀器的各項(xiàng)目標(biāo)參數(shù)，根據(jù)國(guó)家煙草專賣局推廣的三段六步式烘烤工藝要求設(shè)定溫度、濕度工藝曲線，使烤房正常運(yùn)轉(zhuǎn)。烘烤過(guò)程中約每隔15 min記錄1次烤房?jī)?nèi)情況，并記錄試驗(yàn)中的其他操作及時(shí)間。自控標(biāo)儀的目標(biāo)溫濕度與實(shí)際測(cè)定溫濕度如表1所示。

表1 自控標(biāo)儀的目標(biāo)溫濕度與實(shí)際溫濕度

經(jīng)試驗(yàn)分析得出，該自動(dòng)清灰型烤房加熱設(shè)備能夠解決煤燃燒性差、易結(jié)渣堵塞爐體補(bǔ)風(fēng)縫隙以及升穩(wěn)溫困難等一系列問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)定時(shí)排渣、定時(shí)清理的目的，且溫度工藝曲線的設(shè)定符合國(guó)家煙草專賣局推廣的三段六步式烘烤工藝要求。

3.1 不同燃爐烘烤經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

按下部葉、中部葉、上部葉的順序開(kāi)展了自動(dòng)清灰加熱燃爐烘烤、常規(guī)燃爐烘烤各5房次的試驗(yàn)。記錄2種烘烤方式的單房烘烤用煤量、加煤頻度、加煤次數(shù)、單次操作時(shí)間、加煤勞動(dòng)強(qiáng)度、司爐成本、司爐效率、省工率等，并取樣對(duì)比分析烤后煙葉質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益、投入產(chǎn)出成本等。

由表2、表3可知，自動(dòng)清灰加煤燃爐較常規(guī)燃爐烘烤節(jié)省煤炭125 kg/房，烘烤省煤率為12.78%，節(jié)煤效果明顯;自動(dòng)清灰加煤燃爐較常規(guī)燃爐烘烤節(jié)省用電12 kW·h/房，烘烤省電率為4.08%，省電效益差異不明顯。在烘烤能耗成本上，自動(dòng)清灰加煤燃爐較常規(guī)燃爐烘烤能耗成本節(jié)省107.2元/房，烘烤能耗成本降低11.18%，烘烤能耗成本差異明顯。

3.2 不同燃爐烘烤質(zhì)量效益對(duì)比

由表4可知，在烘烤質(zhì)量上，自動(dòng)清灰加煤燃爐較常規(guī)燃爐烘烤中上等煙葉比例提高6.08百分點(diǎn)，煙葉質(zhì)量明顯提升(相關(guān)外觀質(zhì)量和內(nèi)在品質(zhì)正在檢測(cè)中)。在經(jīng)濟(jì)效益上，自動(dòng)清灰加煤燃爐較常規(guī)燃爐烘烤的干煙收購(gòu)均價(jià)提高1.31元/kg，烘烤單房增加收益為883.96元，收益增加率為5.55%，說(shuō)明使用自動(dòng)清灰加煤燃爐烘烤可明顯提高經(jīng)濟(jì)效益。

表2 2種烤房經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

表3 2種燃爐烘烤煤電能耗及成本對(duì)比分析

表4 不同燃爐烘烤煙葉質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)清灰設(shè)備是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題設(shè)計(jì)的［12］，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該裝置可有效克服密集烤房排渣困難、勞動(dòng)強(qiáng)度高、升溫慢、成本高等一系列問(wèn)題［13］，有效提高烘烤煙葉的質(zhì)量。本研究的自動(dòng)清灰型烤房設(shè)備將密集烤房的自動(dòng)控制設(shè)備和自動(dòng)清灰加熱設(shè)備結(jié)合為一體，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，操作方便，可大大增強(qiáng)設(shè)備的自動(dòng)調(diào)控能力，且可在保證密集烤房烘烤工藝正常進(jìn)行的情況下，實(shí)現(xiàn)各烘烤參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)測(cè)試和改進(jìn)，優(yōu)化密集烤房裝置的不足之處［14］，對(duì)比分析優(yōu)化前后烤房加煤系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性。結(jié)果表明，該設(shè)備不僅加煤方便而且可有效提高排渣效果，解決排渣困難的問(wèn)題，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的常規(guī)烘烤方式［15］，全面提高煙葉烘烤后的質(zhì)量，在我國(guó)具有較好的推廣價(jià)值。