煙葉烘烤生物質(zhì)燃燒機的設(shè)計與試驗

范沿沿 李建華 林智宗

摘要：設(shè)計一種應(yīng)用于煙葉烘烤的生物質(zhì)燃燒機，用于代替燃煤成為密集烤房的新熱源。設(shè)計的生物質(zhì)燃燒機，可以在不改變傳統(tǒng)烤房主要結(jié)構(gòu)的情況下，將生物質(zhì)燃燒機與傳統(tǒng)燃煤烤房的燃煤爐進料口連接，通過生物質(zhì)燃燒機為燃煤爐供熱。針對生物質(zhì)燃燒機與傳統(tǒng)燃煤爐安裝后，烤房正常工作時的表面高溫情況，進行了紅外高溫測試。為了解生物質(zhì)燃燒機的成本和烘烤質(zhì)量，進行3炕次的烘烤對比試驗。最后通過試驗得出了生物質(zhì)燃燒機替代燃煤的可行性。

關(guān)鍵詞：煙葉;生物質(zhì);燃燒機;烤房;烘烤質(zhì)量

中圖分類號： S226.9 ?文獻標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）12-0256-04

烤煙是工業(yè)原料，是煙農(nóng)脫貧致富的經(jīng)濟作物，其在國內(nèi)被廣泛種植并進行推廣。煙葉調(diào)制是烤煙生產(chǎn)中非常重要的環(huán)節(jié)，稍不注意就容易烤壞煙葉[1]，影響煙農(nóng)收入，甚至影響煙葉的可用性[2]。煙葉調(diào)制過程中需要大量的能源消耗，過去煤炭是其主要能源需求。但是煤炭作為傳統(tǒng)的能源，污染排放非常嚴(yán)重[3]，是大氣的主要污染源之一[4]。在政府政策干預(yù)和社會輿論壓力下，越來越倡導(dǎo)減少污染源，提高空氣質(zhì)量[5-6]，導(dǎo)致燃煤量一定會被進一步控制，因此尋求清潔能源成為了解決煙葉烘烤能源需求的新途徑?？痉恐饕植荚谵r(nóng)村，因為煙農(nóng)是基礎(chǔ)設(shè)施的直接受益群體[7-8]。熱泵密集烤房目前建設(shè)比較少，若使用天然氣進行煙葉烘烤須要鋪設(shè)專用管道，成本太大[9]，生物質(zhì)能技術(shù)前些年發(fā)展方向還不明確[10]，生物質(zhì)致密成型技術(shù)近幾年慢慢開始大規(guī)模生產(chǎn)和使用[11]。現(xiàn)有生物質(zhì)顆粒燃料成型設(shè)備已經(jīng)能夠?qū)⑥r(nóng)村生產(chǎn)廢棄物，如作物秸稈、果殼、木屑等制作成成熟的生物質(zhì)顆粒[12]。筆者預(yù)設(shè)計一種生物質(zhì)燃燒機，采用生物質(zhì)燃燒機與傳統(tǒng)燃煤烤房有機結(jié)合，將生物質(zhì)燃燒機安裝到傳統(tǒng)供熱設(shè)備上，傳統(tǒng)燃煤烤房的供熱設(shè)備結(jié)構(gòu)不進行改動，直接將生物質(zhì)顆粒燃燒機與供熱設(shè)備煤爐加煤口連接。

1 生物質(zhì)燃燒機的主要結(jié)構(gòu)

在設(shè)計生物質(zhì)燃燒機時，筆者查閱了很多文獻資料，對生物質(zhì)燃燒機的應(yīng)用和試驗有了更清晰的思路，選擇利用生物質(zhì)能源爐替換傳統(tǒng)煤爐[13-20]的方案進行設(shè)計。生物質(zhì)顆粒燃料在市場上已經(jīng)作為成熟商品被利用[21-22]。綜合考慮了上料、通風(fēng)、除渣等問題，該生物質(zhì)燃燒機（圖1）的主要機構(gòu)包括外箱體、上料機構(gòu)、燃燒器、升降機構(gòu)和移動輪等主要部分，集合了上料、一鍵點火、自動除渣、風(fēng)速控制等功能。上料時，料斗可以加料100 kg/次，在烘烤變黃期和干筋期，加1次料可以使用1 d以上。在烘烤定色期大火時，加1次料可以供應(yīng) 12 h 以上。生物質(zhì)燃料正?；曳趾吭?%以下，1炕煙結(jié)渣50～60 kg，結(jié)渣比較少，烘烤過程中清1次灰渣即可。

其主要工作原理為機器開始工作時，打開上料機構(gòu)的上箱蓋，將生物質(zhì)燃料加入到料斗中。生物質(zhì)燃料通過料斗底部的螺旋絞龍進入燃燒器中。螺旋絞龍由電機帶動齒輪驅(qū)動，電機的轉(zhuǎn)速固定為16 r/min，每45 s停頓6 s。燃燒器中裝有電動推桿用于帶動推料板前后徑向運動，當(dāng)生物質(zhì)燃料從螺旋絞龍自由下落后，堆積在由電動推桿帶動的推料板頂部。達到設(shè)定堆積量時，電動推桿帶動推料板向后運動（向內(nèi)拉），生物質(zhì)燃料進入燃燒器，堆積在推料板前方，然后電動推桿向前運動（向外推），推料板將生物質(zhì)燃料推入爐膽中燃燒，經(jīng)點火棒點火燃燒。此后工作步驟依次進行循環(huán)。

該生物質(zhì)燃燒機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 生物質(zhì)燃燒機的匹配和安全測試

利用該生物質(zhì)燃燒機與目前使用比較廣泛的烤房進行組合配套，與之相匹配的傳統(tǒng)燃燒爐有小型煤爐和符合《密集烤房技術(shù)規(guī)范》要求的國標(biāo)煤爐。小型煤爐在一些地區(qū)還在大量使用，特別是云南、貴州、四川等地區(qū)，筆者設(shè)計生物質(zhì)燃燒機時，參考小型烤房供熱設(shè)備的特點，能夠做到在不改變小型烤房的主要供熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，使用生物質(zhì)燃燒機代替燃煤進行供熱。國標(biāo)煤爐是大多數(shù)地區(qū)密集烤房的主要供熱設(shè)備，但是隨著國家節(jié)能減排政策的推廣和落實，燃煤市場受到了極大的制約，不得不想辦法利用替代熱源。熱泵密集烤房是替代傳統(tǒng)密集烤房的一個手段，但是煙農(nóng)在思想上認為它成本高，烤房群數(shù)量少，難以消化周邊大量的煙葉烘烤需求。筆者設(shè)計的生物質(zhì)燃燒機不須要重新建立烤房，可以直接和當(dāng)?shù)貒鴺?biāo)煤爐匹配安裝，并進行供熱。

2.1 生物質(zhì)燃燒機與燃煤煤爐的安裝匹配

按照《密集烤房技術(shù)規(guī)范》的具體要求，給出密集烤房供熱設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)。國標(biāo)煤爐爐體主要結(jié)構(gòu)由類似半球形爐頂、圓柱形爐壁、管道散熱片、進風(fēng)管、燃煤加料口和圓形爐底等部分組成。小型煤爐爐體主要結(jié)構(gòu)由圓形爐頂、圓柱形爐壁、進風(fēng)管、燃煤加料口和圓形爐底等部分組成。生物質(zhì)燃燒機通過火焰噴出口與傳統(tǒng)煤爐供熱設(shè)備的進料口進行連接，其主要結(jié)構(gòu)和連接方式如圖2、圖3所示。

2.2 生物質(zhì)燃燒機和燃煤煤爐的高溫測試

烘烤過程中，人員須要靠近烤房加料和了解燃料剩余情況。為了解供熱設(shè)備表面高溫對工作人員的燙傷隱患情況，以及防止高溫帶來的其他損害，筆者利用紅外線溫度測試器對生物質(zhì)燃燒機和傳統(tǒng)煤爐連接正常工作后，測試煤爐表面和連接處的溫度。根據(jù)小型煤爐和國標(biāo)煤爐的不同情況，筆者在煤爐連接處和傳統(tǒng)煤爐爐體上分別選擇了7、5個測試點進行溫度測量，測試點分布如圖4、圖5所示。

設(shè)備正常工作后，生物質(zhì)燃燒機大火并保持烤房內(nèi)溫度恒定時，測試溫度情況如表2、表3所示。

由表2、表3可知，生物質(zhì)燃燒機和傳統(tǒng)煤爐供熱設(shè)備連接工作時，最高溫度位于供熱設(shè)備的爐體內(nèi)，而連接處的溫度最低。其主要因素是生物質(zhì)燃燒機的火焰噴出口加裝了1層隔熱管道。在小型煤爐的燃燒過程中，生物質(zhì)燃燒機和小型煤爐的連接處溫度比較低，甚至可以用手觸摸。而在國標(biāo)煤爐的燃燒過程中可以看出，生物質(zhì)燃燒機和國標(biāo)煤爐的連接處溫度雖然相對較低，但是超過了130 ℃，人員靠近的話會有安全隱患，工作人員在操作時須要注意并保持距離。

3 生物質(zhì)燃燒機烤房和燃煤密集烤房對比試驗

為了比較傳統(tǒng)燃煤供熱烤房和生物質(zhì)顆粒燃燒機供熱烤房的經(jīng)濟效益和考后煙占比情況，進行烘烤對比試驗。

3.1 試驗方法

在煙葉成熟采烤期，共進行3次烘烤對比試驗，對照傳統(tǒng)燃煤烤房為氣流下降式燃煤密集烤房。對每一炕次進行對比試驗，生物質(zhì)顆粒燃燒機烤房和對照傳統(tǒng)燃煤烤房的煙葉部位、鮮煙質(zhì)量、裝煙竿數(shù)、鮮煙裝煙質(zhì)量均基本一致，以確保試驗結(jié)果具有客觀性，裝煙情況如表4所示。

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1 成本對比 在生物質(zhì)燃燒機烤房與傳統(tǒng)燃煤密集烤房試驗過程中，記錄2個類別烤房的費用使用情況，并進行費用對比分析。把費用分解為能耗費用和用工費用2個部分。能耗費用包括燃料消耗和用電消耗，使用過程中生物質(zhì)顆粒燃料的購買價格為1 000元/t，燃煤價格為850元/t。用工費用主要是用工平均人數(shù)。

由表5可知，生物質(zhì)燃燒機烤房平均每炕煙能耗為1 099元，傳統(tǒng)燃煤密集烤房平均每炕煙能耗為885.2元，與傳統(tǒng)燃煤密集烤房相比生物質(zhì)燃燒機烤房每炕煙能耗增加213.8元。生物質(zhì)燃燒機烤房平均每炕煙用工 1.8個，因為生物質(zhì)燃燒機烤房可以實現(xiàn)自動上料和自動除渣，減少了人工。燃煤密集烤房平均每炕煙用工3.0個，與傳統(tǒng)燃煤密集烤房相比生物質(zhì)燃燒機烤房每炕煙節(jié)省用工1.2個，按照每個用工100元計算，每炕煙用工節(jié)省費用120元。

綜合成本比較，生物質(zhì)燃燒機烤房平均每炕煙能耗為 1 099元，平均每炕用工費用為180元，合計為1 279元。燃煤密集烤房平均每炕煙能耗為885.2元，平均每炕用工費用為300元，合計為1 185.2元。生物質(zhì)燃燒機烤房平均每炕煙烘烤費用增加93.8元，增幅為7.91%，成本增加很低。

3.2.2 升溫曲線對比 在烘烤試驗過程中，選擇其中一個炕次，通過控制器獲取生物質(zhì)燃燒機烤房和燃煤密集烤房控制器的一次升溫曲線圖。

由圖6、圖7可知，生物質(zhì)燃燒機烤房設(shè)備控制溫度波動比較小，基本一致，能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行烘烤工藝。傳統(tǒng)的燃煤密集烤房1次加煤的量在10 kg以上，燃煤燃燒速度比較慢，升溫時比較滯后，穩(wěn)定溫度時又比較容易沖高，溫度容易出現(xiàn)波動，濕度的波動不明顯。生物質(zhì)燃燒機烤房每次加料準(zhǔn)確，1次最少約50 g，燃燒迅速，不會出現(xiàn)爆燃和陰燃，溫度容易控制，所以其溫度曲線波動較小，比較穩(wěn)定，濕度基本上無波動。生物質(zhì)燃燒機烤房在溫度控制上比燃煤密集烤房準(zhǔn)確。

3.2.3 烘烤質(zhì)量對比 由表6可知，生物質(zhì)燃燒機烤房平均每炕中等煙比例為29%，上等煙比例為64.3%。傳統(tǒng)燃煤密集烤房平均每炕中等煙比例為25.2%，上等煙比例為603%。生物質(zhì)燃燒機烤房比燃煤密集烤房平均每炕中等煙高出 3.8%，上等煙高出4.0%，生物質(zhì)燃燒機烤房煙葉的烘烤質(zhì)量得到明顯提高。

4 討論與結(jié)論

在做煙葉烘烤試驗時，生物質(zhì)顆粒燃料都是在市場上購買而來， 成本稍高。如果能夠圍繞生物質(zhì)顆粒燃燒機烤房建立生物質(zhì)顆粒加工廠，把附近農(nóng)作物秸稈、煙稈、樹枝等農(nóng)業(yè)廢棄物利用起來，就會大大降低生物質(zhì)燃料成本。

通過生物質(zhì)燃燒機與國標(biāo)煤爐、小型煤爐2種傳統(tǒng)煤爐的高溫測試，可知生物質(zhì)燃燒機與國標(biāo)煤爐安裝配套時，供熱設(shè)備表面的溫度比較高，人員操作須要謹(jǐn)慎。而生物質(zhì)燃燒機與小型煤爐安裝配套時，供熱設(shè)備表面溫度比較低，人員操作相對安全。

生物質(zhì)燃燒機受生物質(zhì)燃料的價格影響，使用成本比傳統(tǒng)燃煤密集烤房費用稍高，但不是很明顯。在生物質(zhì)燃料充足的情況下，生物質(zhì)燃燒機能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃煤密集烤房進行煙葉烘烤。

生物質(zhì)燃燒機一次加料比較少，溫度容易控制。而傳統(tǒng)燃煤密集烤房一次加料多，會出現(xiàn)燃煤陰燃的情況，溫度不容易控制。生物質(zhì)燃燒機在進行煙葉烘烤時，煙葉烘烤后質(zhì)量要比傳統(tǒng)燃煤密集烤房高。

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