王建安，范藝寬，張同慶，韋鳳杰，趙浩賓，何雷，劉劍君，王鵬飛，宋朝鵬

1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州市文化路95號 450002；

2 中國煙草總公司河南省公司，鄭州市商務(wù)外環(huán)15號 450046；

3 許昌同興現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技有限公司，許昌市平安大道中段 461000

中國是世界上烤煙面積種植最大的國家，每年產(chǎn)量約占的全球1/3[1]。煙葉烘烤在整個烤煙農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中能耗較大，中國煙區(qū)普遍采用煤炭直接燃燒進(jìn)行供熱，環(huán)境污染嚴(yán)重[2]。隨著國民對環(huán)保意識的增強(qiáng)，烤煙燃煤供熱無論是資源利用方式上還是環(huán)境治理上，均不能適應(yīng)時代的發(fā)展[3]。生物質(zhì)能源替代燃煤烤煙供熱能夠有效緩解當(dāng)前環(huán)境污染的問題[4]，已經(jīng)被許多烤煙生產(chǎn)國家使用[5]。農(nóng)作物秸稈資源的能源轉(zhuǎn)化利用已成為學(xué)術(shù)界研究的熱點[6-7]，有研究表明生物質(zhì)燃料為烤煙供熱是實現(xiàn)煙草綠色生產(chǎn)的較佳途徑[8]。

生物質(zhì)成型顆粒燃料最初被人工直接投放到燃煤爐膛里燃燒供熱[9-10]，由于與煤炭的碳含量、密度和燃燒過程等存在明顯的差異[11]，燃燒效率較低且勞動強(qiáng)度大。為改變這種狀況，研究人員采用熱水鍋爐的方式開發(fā)出集中供熱烘烤設(shè)備[12-13]，后因設(shè)備投資較大和維護(hù)成本過高沒有得到推廣。近幾年，隨著國家煙草專賣局大力倡導(dǎo)生物質(zhì)能源烘烤煙葉[14]，對于未達(dá)到使用年限的燃煤爐體，許多學(xué)者研發(fā)出配套的外置式生物質(zhì)燃料燃燒機(jī)，直接插入燃煤爐膛的加煤口供熱，大幅提高了燃料的燃燒效率[15-16]。在此基礎(chǔ)上，對于達(dá)到年限被淘汰的燃煤爐體，一批起替代作用的內(nèi)置式生物質(zhì)供熱設(shè)備在煙區(qū)應(yīng)運(yùn)而生[17-20]，然而這種內(nèi)置式的供熱設(shè)備存在粉塵堵塞散熱器影響散熱、輸送前端燃料高溫炭化、機(jī)頭脖頸高溫?zé)崃可⑹?yán)重等問題?；诖?，本文設(shè)計一種內(nèi)置式的生物質(zhì)燃料烤煙供熱爐體，利用生物質(zhì)潛在熱能為其爐體的設(shè)計和應(yīng)用提供借鑒。

1 設(shè)備開發(fā)

1.1 供熱參數(shù)的設(shè)定

我國標(biāo)準(zhǔn)密集烤房熱風(fēng)室的有效空間的長×寬×高分別是1400 mm×1400 mm×2600 mm[21]，設(shè)計爐體設(shè)備的外形尺寸時應(yīng)考慮其安裝和維護(hù)的預(yù)留空間。煙葉烘烤過程按照相對固定的溫度和濕度工藝流程，一般分為3個階段：變黃、定色和干筋，因此本設(shè)備烘烤供熱的參數(shù)設(shè)計參照國內(nèi)煙區(qū)三段式烘烤工藝。

1.1.1 密集烤房需熱關(guān)鍵控制點與生物質(zhì)燃料供應(yīng)量參數(shù)

密集烤房在不同烘烤階段單位時間內(nèi)的百分排濕量Pw（%/h）為：

式中mf為完成煙葉烘烤需要排除的水分總量，kg；md為密集烤房不同烘烤階段需要排除的水分量，kg；t不同烘烤階段所需要的時間，h。

密集烤房單位時間內(nèi)的需熱量Q1（kJ/h）為：

式中cw煙葉烘烤過程煙葉水分汽化平均耗熱量的常數(shù)為2,579[22]，kJ/kg；ηc烤房綜合熱效率，參照目前燃煤供熱水泥混合結(jié)構(gòu)的密集烤房為53[13]，%。

密集烤房單位時間烘烤煙葉所需要的燃料量mb（kg/h）

式中Gb為生物質(zhì)燃料的熱值，kJ/kg。

1.1.2 進(jìn)料系統(tǒng)工作原理及計算方法

在控制生物質(zhì)燃料燃燒方面，需要時刻保持烤房內(nèi)的實際溫度與目標(biāo)溫度吻合，減少掉溫和急劇升溫現(xiàn)象。結(jié)合煙葉排濕的熱量需求，其進(jìn)料系統(tǒng)中連接絞龍軸承的動力電機(jī)所需轉(zhuǎn)速N (r/h)[23]：

式中ρ是生物質(zhì)物料的堆積密度，kg/m3；ψ是填充系數(shù)，考慮存在隔斷和顆粒燃料在傳送中有少量磨損，取值為0.31；s是螺距，m；c是傾斜系數(shù)，本研究角度為水平輸送，c=1；Ds是絞龍葉片送料的直徑，m。

計算得出不同烘烤階段的Q1，得出煙葉變黃期、定色期和干筋期的最?。‵Nmin）和最大（FNmax）轉(zhuǎn)速。由于煙葉在烘烤過程中對熱量的需求一直處于動態(tài)變化中，為了保證供精準(zhǔn)供給，在FNmin和FNmax之間均分梯度，分別設(shè)置5個具有燃料計量的FNmin、FN2、FN3、FN4和FNmax轉(zhuǎn)速檔位，采用電機(jī)變速技術(shù)進(jìn)行檔位控制，通過傳動裝置量化燃料的供給。

1.1.3 助燃風(fēng)機(jī)的供氧量計算及輸出控制

生物質(zhì)燃料分子式為CxHySzOwNn，其單位質(zhì)量的耗空氣量VL(Nm3/kg)見文獻(xiàn)[16]，參考生物質(zhì)顆粒燃料燃燒經(jīng)驗，設(shè)定燃燒爐膛過量空氣系數(shù)α在1.3～1.4之間[24]。將α代入式（5）中，即可求出實際空氣需要量Vs(Nm3/kg)：

采用助燃的離心風(fēng)機(jī)在變工況點時的性能參數(shù)換算[25]：

1.2 設(shè)備構(gòu)造

圖1顯示了內(nèi)置式生物質(zhì)成型顆粒燃料烤煙供熱爐體的外觀和內(nèi)部構(gòu)造，主要由粉塵收集、爐膛和上料裝置等3個系統(tǒng)構(gòu)成。爐體呈圓柱形，直徑和高度分別為760 mm和1050 mm，功率輸出為20000～200000 kJ/h。

1.2.1 粉塵顆粒收集裝置

圖1 a和b所示，該裝置采用先阻后集的方式除塵，由除塵箱體（10）、粉塵擋板（18）、清灰通道（11）和清灰門（12）等組成。粉塵擋板（18）具有灰塵過濾功能，把大顆粒燃盡物質(zhì)阻擋到下面的灰坑中。清灰門（12）在煙葉烘烤供熱時關(guān)閉，當(dāng)顆粒物質(zhì)積累較多并在供熱停止時，通過清灰出口（20）和清灰通道（11）掏出。

圖1 一體爐整體外形和剖面構(gòu)造圖Fig.1 Overall shape and sectional structure of the proposed integrated furnace

1.2.2 爐膛構(gòu)造

爐膛是生物質(zhì)燃料燃燒的場所，對于輸出的助燃空氣控制，采取高溫預(yù)熱、通道分流和孔洞輸出的方式促進(jìn)固體顆粒和氣化氣體充分燃燒。圖1 c和d顯示其內(nèi)部詳細(xì)的構(gòu)造。當(dāng)烤煙開始烘烤時，燃料通過燃料進(jìn)料通道（3）下落到加熱棒（28）處堆積，然后點火電機(jī)（14）得到信號，旋轉(zhuǎn)沿點火螺旋傳動桿（34）、通過有型凹槽（33）后扭推方形軌道棒（31）前行驅(qū)動點火棒（27）進(jìn)入爐膛內(nèi)點燃固態(tài)的生物質(zhì)燃料。燃料燃燒的火焰被點火棒（27）尾部上的紅外檢測器（30）通過垂直風(fēng)口（26）檢測到后，點火電機(jī)（14）自動收縮回原來的狀態(tài)，同時助燃風(fēng)機(jī)（13）開始工作提供助燃空氣。助燃空氣在密封的通風(fēng)室（5）被壓縮后，一部分通過底部通風(fēng)口（35）從水平出風(fēng)口（29）出，提供氧氣供固態(tài)燃料燃燒；另一部分通過垂直風(fēng)口（26）進(jìn)入爐膛提供給氣化氣體燃燒。這種爐膛中通風(fēng)室（5）通道內(nèi)流動空氣的設(shè)計，能夠預(yù)熱從水平出風(fēng)口（29）和垂直出風(fēng)口（26）進(jìn)入爐膛的助燃空氣，有利于高溫接觸生物質(zhì)燃料而快速燃燒。

持續(xù)的生物質(zhì)燃料在爐膛里燃燒會產(chǎn)生固態(tài)粉狀灰燼。撥火電機(jī)（15）會根據(jù)燃料進(jìn)入爐膛量每隔一定時間進(jìn)行清灰。當(dāng)爐膛需要清灰時，撥火電機(jī)（15）旋轉(zhuǎn)的軸承沿著動力轉(zhuǎn)換裝置（41）、螺旋制動桿（40）線路，把固定在撥火棒固定板（39）連接的撥火棒（36）通過圓形通道套管（38）和撥火棒伸出口（28）進(jìn)入到爐膛內(nèi)，推送灰堆到爐膛下面的灰坑中，或是部分揚(yáng)塵后顆粒在水平出風(fēng)口（29）和垂直風(fēng)口（26）風(fēng)壓下被吹入到爐膛下面的灰坑中。

1.2.3 進(jìn)料裝置

圖1 e和f顯示上料機(jī)械的構(gòu)造，采用精準(zhǔn)燃料計量和定量投放的供給方式。當(dāng)烤煙需要供熱時，轉(zhuǎn)速計量的進(jìn)料電機(jī)（47）在烤煙控制裝置電信號的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，在重力的作用下，定量的燃料從料箱（42）下落到U型承料斗（46），在圓形送料管道（51）內(nèi)絞龍（50）運(yùn)輸燃料沿垂直下料通道（49）和彎形出料對接裝置（48）下落到燃料進(jìn)料通道（3）進(jìn)入爐膛。由于單位時間內(nèi)供給的燃料量有多有少，為避免較多的顆粒燃料在快速滑落時壓熄爐膛內(nèi)燃火，在燃料進(jìn)料通道（3）末端設(shè)有燃料下落緩沖裝置（圖1 b）。

1.3 配套控制系統(tǒng)

生物質(zhì)燃燒控制裝置是在2009年國家煙草專賣局418號文件燃煤自控儀[21]的基礎(chǔ)上，依據(jù)該設(shè)備新增輸出/入信號的功能端口進(jìn)行優(yōu)化升級。采用意法半導(dǎo)體高性能單片機(jī)STM32F103RBT6進(jìn)行控制，該系統(tǒng)擁有斷電數(shù)據(jù)保持記憶功能，能夠斷電重啟后數(shù)據(jù)的自動恢復(fù)，可以實現(xiàn)全自動智能運(yùn)行。顯示面板采用1塊7寸彩色高清觸摸屏（型號：ITCW57，分辨率：1024*600），能夠在線設(shè)定或修改溫、濕度數(shù)值，達(dá)到操作簡捷和智能控制的目的。控制系統(tǒng)的工作流程見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)的工作流程Fig.2 Flow chart of the control system

在煙葉烘烤過程中，當(dāng)紅外檢測器（30）檢測到爐膛內(nèi)火焰熄滅時，系統(tǒng)會再次啟動點火裝置重新點火，反之點火裝置回歸到初始狀態(tài)；料箱內(nèi)安裝的紅外傳感器檢測到缺少生物質(zhì)燃燒時，采取喇叭報警的方式提示；撥火棒（36）工作的頻率和幅度關(guān)聯(lián)進(jìn)料電機(jī)（47）旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)而被烤煙控制裝置的控制。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗方法

試驗于2019—2020年7～9月在河南省許昌襄城縣雙廟、洛陽洛寧縣凹村和三門峽盧氏縣杜關(guān)煙站進(jìn)行。設(shè)備置換原有燃煤爐體，其熱氣出口（8）通過法蘭對接原來標(biāo)準(zhǔn)散熱器[21]下端的熱氣入口，另一側(cè)通過散熱器支架相互固定（圖3），使用標(biāo)準(zhǔn)的密集烤房[21]進(jìn)行測試。選取當(dāng)?shù)匾?guī)范化栽培、成熟采收的煙葉作為試驗材料，采取掛竿或箱式的方式裝煙。所使用的生物質(zhì)成型顆粒燃料的粒徑為10 mm，長度為直徑的3～4倍，生物質(zhì)顆粒燃料低位熱值為16850 kJ/kg。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)烤煙散熱器安裝及安裝后示意圖Fig.3 Diagram of standard tabacco flue-curing radiator installation

2.2 分析評價

2.2.1 控溫精度

在烤煙結(jié)束后，從生物質(zhì)燃料烤煙控制裝置內(nèi)存拷貝煙葉在烘烤過程中裝煙室實際溫度和設(shè)定的目標(biāo)工藝溫度曲線，每隔10 min抽取一次溫度數(shù)據(jù)，分析二者溫度的差異。

2.2.2 降塵顆粒

爐體停止供熱后，當(dāng)爐膛冷卻到室溫時通過清灰門（12）收集干燥的沉降粉塵，使用電成型篩網(wǎng)（Precision Eforming，孔徑范圍：3～2000 μm，上海過望化工有限公司）篩分不同粉塵粒徑的顆粒物后，稱量并進(jìn)行統(tǒng)計。

2.2.3 通風(fēng)室溫度

熱像儀（TV43L，測溫范圍-20℃～1200℃，福祿克測試儀器（上海）有限公司）用于測量并記錄通風(fēng)室內(nèi)溫度分布。

2.2.4 烤房熱效率記錄并分析生物質(zhì)燃料烤煙供熱過程的各項經(jīng)濟(jì)參數(shù)，其中燃燒及供熱系統(tǒng)熱效率ηb計算方式為：

式中：M1為生物質(zhì)燃料的使用量，kg；Q2為生物質(zhì)燃料的發(fā)熱值。

2.3 數(shù)據(jù)處理

Autocad 2013軟件（Autodesk, Inc., USA）用于繪制設(shè)備構(gòu)造圖；GraphPad Prism 5.0（GraphPad Software, Inc., USA）用于數(shù)據(jù)分析和圖片自動生成。

3 結(jié)果與分析

3.1 設(shè)備供熱對控溫精度的影響

表1顯示設(shè)備供熱后對煙葉烘烤的不同階段和不同裝煙方式控溫精度分析，煙葉在變黃期控制精度較高，定色期受通風(fēng)排濕的影響相對稍差；箱式煙葉烘烤的控溫精度總體上高于掛竿。本試驗兩種裝煙方式的實際溫度與目標(biāo)溫度之間的差異在±0.5℃以內(nèi)，對比當(dāng)前報道內(nèi)置式生物質(zhì)烤煙供熱存在±1.0℃～±2.8℃溫度差異[26-27]，具有控溫準(zhǔn)確的優(yōu)勢。

表1 不同裝煙方式的煙葉烘烤對控溫精度的影響Tab. 1 Control precision of dry-bulb temperature under different tobacco loading modes ℃

3.2 收集的粉塵顆粒組分粒徑及質(zhì)量分布

通過3～2000 μm電成型篩網(wǎng)分離沉積箱內(nèi)粉塵混合物質(zhì)，其粒徑和含量分布見圖4。不同粉塵顆粒含量呈現(xiàn)正態(tài)分布，顆粒粒徑分布的99.99%置信區(qū)間在89～420 μm，其中178 μm含量最高，約占粉塵總含量的20%。一定燃燒方式下的生物質(zhì)固體成型燃料燃燒顆粒物的數(shù)量和質(zhì)量具有一定的峰值[28]，這條曲線顯示烤煙供熱模式下粉塵顆粒物的粒徑主要集中在178 μm。通過對烘烤結(jié)束后爐體散熱管道內(nèi)檢測，管道內(nèi)壁沉積極少的粉塵顆粒，說明生物質(zhì)成型顆粒燃料燃燒后大部分沉降到除塵箱體的底部，降低了這些粉塵物質(zhì)堆積到散熱器中影響散熱效率。

圖4 沉積箱體內(nèi)收集的不同粉塵粒徑和質(zhì)量的曲線分布Fig.4 Distribution of different particle size and mass of dust collected indeposition chamber

3.3 生物質(zhì)燃燒時爐膛及通風(fēng)室溫度分布狀況

圖5顯示生物質(zhì)燃料最大火力供熱過程中爐膛和通風(fēng)室溫度分布狀況，從爐膛—內(nèi)封擋板—外封擋板呈現(xiàn)溫度降低的趨勢，通風(fēng)室內(nèi)溫度保持在44.5℃～50.5℃之間。通常情況下，25℃～60℃為一般的電子元器件的安全溫度段[29]，這種在通風(fēng)室內(nèi)采用助燃空氣流動的降溫構(gòu)造，不僅預(yù)熱了有利于生物質(zhì)燃料燃燒的助燃空氣，又能夠避免過高的溫度對各類功能性部件的損壞。

圖5 爐膛及通風(fēng)室溫度分布Fig.5 Temperature distribution in furnace and ventilation chamber

3.4 烘烤供熱的經(jīng)濟(jì)參數(shù)測試、分析

表2是以中部葉為測試材料，顯示了新設(shè)備烤煙供熱的基本經(jīng)濟(jì)參數(shù)。密集烤房系統(tǒng)熱效率是考察供熱設(shè)備的重要參數(shù)，從Siddiqui and Rajabu[30]使用14 kg木材燃料烘烤出1 kg干煙，到Musoni[31]改進(jìn)供熱設(shè)備后提高到4.5 kg/kg，烤房的熱效率得到明顯提升。近兩年，隨著煙區(qū)推廣生物質(zhì)成型顆粒燃料烤煙供熱，烤房系統(tǒng)熱效率已經(jīng)從原先直接燃燒的39%[26]上升到目前生物質(zhì)外置專用烤煙氣化燃燒爐膛的59.93%[16]。本設(shè)備烤煙系統(tǒng)熱效率達(dá)到64.26%～65.42%，也遠(yuǎn)高于類似計算方法的燃煤供熱設(shè)備50%左右的熱效率[32]，具有節(jié)能的優(yōu)勢。然而，本研究采用的是原有燃煤標(biāo)準(zhǔn)的散熱器[21]，是否能與新設(shè)備組合到達(dá)最佳的供熱效果，還需圍繞散熱器的優(yōu)化進(jìn)一步研究。

表2 烤煙供熱基本經(jīng)濟(jì)參數(shù)的分析Tab. 2 Basic economic characteristics of the integrated furnace after tobacco curing

4 結(jié)論

本文依據(jù)生物質(zhì)成型顆粒燃料燃燒和烤煙烘烤需熱的特點，設(shè)計出一種生物質(zhì)燃料內(nèi)置式烤煙供熱爐體設(shè)備，配套開發(fā)出控制生物質(zhì)燃燒的供熱程序。試驗結(jié)果表明，新設(shè)備供熱較好把實際溫度與目標(biāo)的差異控制在±0.5℃以內(nèi)；合理的沉降箱構(gòu)造設(shè)計，降低了飛塵沉積到散熱器管道中影響散熱的幾率。該爐體置換原有燃煤爐膛并對接散熱器后，能夠滿足箱式和掛竿煙葉的烘烤供熱，不同裝置間的協(xié)同工作使密集烤房的系統(tǒng)熱效率提高到64.26%～65.42%。但生物質(zhì)成型顆粒燃料的能量密度是影響其熱效率的重要參數(shù)，本試驗使用的生物質(zhì)燃料的直徑和長度分別為10 mm和30 mm～40 mm，有必要下一步根據(jù)生物質(zhì)燃料的粒徑和長度展開烤煙供熱研究。