楊飛，張霞，劉芮，陳重遠(yuǎn)，蔡宗壽，何東成

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明650201；2.云南省煙草公司保山市公司，云南保山678000)

　　摘要：【目的】為了研究生物質(zhì)顆粒燃料燃燒機(jī)在煙草等農(nóng)產(chǎn)品烘烤中的應(yīng)用，全面了解生物質(zhì)顆粒燃料燃燒機(jī)在煙草烘烤中的工作性能，解決煙葉烘烤環(huán)節(jié)用工多和能耗高等當(dāng)前制約綠色生態(tài)煙葉生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展的問題。【方法】分別對(duì)3種生物質(zhì)顆粒燃料燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，并對(duì)生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)應(yīng)用在煙草烘烤過程中的溫度控制、燃料的消耗量以及煙葉品質(zhì)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。【結(jié)果】3種類型燃燒機(jī)對(duì)干濕球的溫度控制穩(wěn)定性由高到低依次為雙螺桿式、履帶式和單螺桿式；在烤煙能源消耗方面，平均每生產(chǎn)1kg干煙的生物質(zhì)燃料和電能消耗量分別為：1.87kg和0.372kW·h、1.59kg和0.300kW·h、1.61kg和0.327kW·h；從烤煙的鮮干比方面看，烤煙的鮮干比分別為：6.667、5.818、5.872。【結(jié)論】雙螺桿送料式燃燒機(jī)在溫度控制方面有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)行穩(wěn)定，在節(jié)約能源消耗上也有著一定的優(yōu)勢(shì)；單螺桿送料式和履帶送料式生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)在烘烤煙草的品質(zhì)上具有一定的優(yōu)勢(shì)。

　　隨著全球能源危機(jī)以及溫室效應(yīng)的加劇，能源應(yīng)用向著經(jīng)濟(jì)的、可再生循環(huán)利用的新能源方向前進(jìn)，煙葉烘烤中新能源的應(yīng)用也變得越來越廣泛。生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)是以生物質(zhì)顆粒燃料作為燃料，提供熱能轉(zhuǎn)換的設(shè)備。生物質(zhì)顆粒燃料是生物質(zhì)在一定的溫度壓力下，壓縮或擠壓成為容積密度較大、熱效率較高、便于運(yùn)輸和貯藏的固體成型燃料，其形狀和尺寸統(tǒng)一，使用方便，易于燃燒，是煤和薪柴優(yōu)秀的替代燃料J。美國在20世紀(jì)30年代開始研究壓縮成型燃料及燃燒技術(shù)，并研制了螺旋壓縮機(jī)及相應(yīng)的燃燒設(shè)備；日本在20世紀(jì)30年代開始研究機(jī)械活塞式成型技術(shù)處理木材廢棄物；1954年研制成棒狀燃料成型機(jī)及相關(guān)的燃燒設(shè)備；70年代后期，西歐許多國家也開始重視壓縮成型技術(shù)及燃燒技術(shù)的研究，各國先后有了各類成型機(jī)及配套的燃燒設(shè)備；20世紀(jì)80年代亞洲除日本外，泰國、印度、菲律賓、韓國、馬來西亞已建了不少固化、碳化專業(yè)生產(chǎn)廠，并已研制出相關(guān)的燃燒設(shè)備；到20世紀(jì)90年代，日本、美國及歐洲一些國家生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備已經(jīng)定型，并形成了產(chǎn)業(yè)化，在加熱、供暖、發(fā)電等領(lǐng)域已普遍推廣應(yīng)用，但是在農(nóng)產(chǎn)品干燥方面的應(yīng)用研究卻較少。

　　將生物質(zhì)顆粒燃料應(yīng)用于煙葉烘烤，是煙草干燥技術(shù)新的發(fā)展方向。傳統(tǒng)的煙草烘烤過程是一個(gè)高耗能過程。據(jù)統(tǒng)計(jì)，烘烤1kg干煙需要耗煤3.77kg，如果中國每年生產(chǎn)煙葉2億kg就需要原煤754萬t。所以，探索新能源煙葉烘烤技術(shù)意義重大。國內(nèi)應(yīng)用于生物質(zhì)燃燒的燃燒器仍處于起步階段，生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)與傳統(tǒng)能源煙草烤爐相比，燃料由不可再生的煤炭轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍偕茉瓷镔|(zhì)顆粒燃料，可以促進(jìn)煙草烘烤的節(jié)能減排和可持續(xù)的發(fā)展。生物質(zhì)顆粒燃料灰分含量小于1.50％，硫含量和氯含量均小于0.07％，氮含量小于0.50％，而傳統(tǒng)能源煤炭燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的灰分和有害物質(zhì)。研究表明：國內(nèi)煤炭中硫含量約為1.14％，氯含量約為0.02％，氮含量約為0.98％，大大降低烤煙的品質(zhì)。此外，由于生物質(zhì)顆粒燃料流動(dòng)性好，熱值穩(wěn)定，燃燒機(jī)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。依照煙草烘烤的干燥曲線來設(shè)置燃燒機(jī)的溫度控制曲線，加1次燃料后燃燒機(jī)即可連續(xù)6h自動(dòng)控制燃料進(jìn)給量，從而控制烤房溫度。據(jù)實(shí)踐統(tǒng)計(jì)，與傳統(tǒng)能源煙草烤房相比，大大降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，工作效率也由1個(gè)人看護(hù)2～3座烤房提高到10座以上烤房。目前，市場(chǎng)上的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)按進(jìn)料方式不同，主要分為3種：單螺桿送料式、雙螺桿送料式、履帶送料式，本研究根據(jù)這3種燃燒機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別對(duì)其在煙草烘烤中的總溫度控制、原料的消耗量以及煙葉品質(zhì)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)全面了解生物質(zhì)顆粒燃料燃燒機(jī)在煙草烘烤中的工作性能及燃燒機(jī)的選型具有積極的意義，對(duì)生物質(zhì)顆粒燃料燃燒機(jī)在其他農(nóng)產(chǎn)品干燥中的應(yīng)用也具有一定的參考價(jià)值。

　　1材料與方法

　　1.1試驗(yàn)設(shè)備

　　1.1.1單螺旋桿送料式

　　單螺旋桿送料式的燃燒機(jī)(圖1)工作時(shí)由電機(jī)帶動(dòng)通過鏈條鏈接傳動(dòng)的輪盤控制送料以及下料，長按密集烤房控制器的運(yùn)行鍵即可點(diǎn)火，初期3～5min爐膛內(nèi)會(huì)有大量的煙霧出現(xiàn)，一小部分顆粒燃料因?yàn)樗土霞涌鞂?dǎo)致未完全燃燒就被送出爐膛浪費(fèi)掉；控制溫度過程中下料量與送料量始終保持一定的比例，低溫保持溫度時(shí)電動(dòng)機(jī)控制在較低的轉(zhuǎn)速下料量較少，高溫保持溫度時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較快下料量較大；在升溫時(shí)加快燃料的輸送和燃燒，相應(yīng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也加快輔助燃燒。待煙葉烘烤結(jié)束，下料與送料設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)，爐膛內(nèi)殘料在風(fēng)機(jī)的輔助下結(jié)束燃燒。

　　1.1.2雙螺桿送料式

　　雙螺桿送料式的燃燒機(jī)(圖2)工作時(shí)分別由兩個(gè)電機(jī)直接連接控制送料以及下料，長按密集烤房控制器的運(yùn)行鍵即可點(diǎn)火。初期3～5min內(nèi)會(huì)有一定量的煙霧出現(xiàn)，原因與單螺桿送料式燃燒機(jī)相類似；控制溫度過程中由于存在雙電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)較為精確的下料與送料控制，而不是簡單地以一定的比例來運(yùn)行；在升溫時(shí)加快燃料的輸送和燃燒，相應(yīng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也加快輔助燃燒。箱體內(nèi)部一側(cè)配有水箱，待烘烤結(jié)束，控制下料的電機(jī)停止工作，下料停止，控制送料的電機(jī)繼續(xù)工作，并會(huì)有水由水箱注入爐膛，將還在燃燒的殘料熄滅，并通過送料桿排出爐膛。

　　1.1.3履帶送料式

　　履帶送料式的燃燒機(jī)(圖3)工作時(shí)由電機(jī)直接連接控制送料以及履帶運(yùn)行，設(shè)有點(diǎn)火按鍵，長按點(diǎn)火鍵即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)點(diǎn)火。初期3～5ain內(nèi)會(huì)有一定量的煙霧出現(xiàn)，原因與單螺桿送料式燃燒機(jī)相類似；工作過程中電機(jī)帶動(dòng)下料桿將料箱中的顆粒燃料輸送到履帶上，同時(shí)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)助燃；在升溫時(shí)加快燃料的輸送和燃燒，下料與送料的比例固定，相應(yīng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也加快輔助燃燒。待烘烤結(jié)束，下料送料停止。由單電機(jī)控制下料與送料，風(fēng)機(jī)設(shè)置在箱體中央，履帶隨電動(dòng)機(jī)工作并在回程中設(shè)有除渣裝置，待烘烤結(jié)束會(huì)控制下料與送料停止并加大風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)，將殘余的燃料吹滅或加速顆粒燃料燃燒至熄滅。

　　1.2試驗(yàn)材料與方法

　　1.2.1試驗(yàn)材料

　　2016年8—9月，選擇保山地區(qū)隆陽區(qū)漢莊烤點(diǎn)3個(gè)臨近的中間位置的新型板式氣流下降式烤房，測(cè)試對(duì)象為烤煙品種‘NC297’，選擇同一部位、成熟度一致的5竿適熟鮮煙葉，編竿后的煙葉進(jìn)行標(biāo)記，使用精度為1g的電子秤稱重，根據(jù)竿數(shù)估測(cè)整爐鮮煙葉重，然后將5竿測(cè)試煙葉放在烤房中層的中間同一位置進(jìn)行烘烤。選擇3種烘烤設(shè)備做對(duì)照：型號(hào)為5LS-103A的單螺旋桿送料式燃燒機(jī)，最高額定熱功率為l0萬Kal／h；型號(hào)為HY-100SZ.Ⅱ的雙螺旋桿送料式燃燒機(jī)，最高額定熱功率為10萬Kal／h；型號(hào)為HDS—RS-10的履帶送料式燃燒機(jī)，最高額定熱功率為15萬Kal／h。烘烤設(shè)備的目標(biāo)干、濕球溫度曲線依照當(dāng)?shù)睾婵窘?jīng)驗(yàn)來制定，通過密集烤房控制器以及配套溫度傳感器來測(cè)量烤房內(nèi)溫度和濕度。燃燒機(jī)使用以煙桿為材料的生物質(zhì)顆粒燃料，熱值為18.663MJ／kg，直徑約為8～10mm，長度約為4—6cm。待烘烤結(jié)束，用電子秤測(cè)出干煙葉的重量，根據(jù)竿數(shù)估測(cè)整爐干煙總重。

　　1.2.2燃燒機(jī)溫度控制對(duì)比

　　在煙葉的烘烤過程中，溫度的控制對(duì)于烤煙的品質(zhì)有著較為重要的影響，烤煙設(shè)定的目標(biāo)溫度曲線以當(dāng)?shù)氐暮婵窘?jīng)驗(yàn)為準(zhǔn)，一般情況下烘烤過程中實(shí)際的干、濕球溫度曲線越接近目標(biāo)曲線，得到的烤煙品質(zhì)就越好，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也就更高。在溫度控制試驗(yàn)中，選擇同一時(shí)間開始烘烤試驗(yàn)，以免因天氣原因影響烘烤的原料消耗和烘烤得到的煙葉品質(zhì)。用一只熱電阻傳感器檢測(cè)空氣溫度得到的即為干球溫度，用另一只相同的傳感器檢測(cè)被蒸餾水浸濕的面紗套內(nèi)的溫度即為濕球溫度；根據(jù)傳感器所測(cè)量的干球溫度和濕球溫度的溫差可以反映出空氣中相對(duì)濕度的大小。實(shí)際干、濕球溫度曲線是指實(shí)際烘烤中烤房內(nèi)空氣所測(cè)量達(dá)到的溫度，目標(biāo)干、濕球溫度曲線是指實(shí)際烘烤中被蒸餾水浸濕的面紗套內(nèi)所設(shè)定的需要達(dá)到的的溫度，溫度顯示在烤房配套的控制面板。設(shè)定目標(biāo)溫度后啟動(dòng)生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)，自燃燒機(jī)工作開始，記錄控制面板所顯示的干、濕球溫度，每小時(shí)記錄1次數(shù)據(jù)，直到烘烤結(jié)束。

　　1.2.3燃燒機(jī)能源消耗量

　　生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的能源消耗量可以直觀地反映出這種燃燒機(jī)在使用過程中對(duì)能源的利用率。燃燒機(jī)的能源消耗主要分布在電能和生物質(zhì)顆粒的使用兩方面，通過對(duì)電能和生物質(zhì)能的消耗量可以對(duì)比出不同類型燃燒機(jī)在烤煙中的應(yīng)用好壞，也可以在經(jīng)濟(jì)上減輕煙農(nóng)烤煙的成本。使用電表記錄每1個(gè)烤房1次烤煙從燃燒機(jī)開機(jī)供熱到停機(jī)所消耗的電量，并記錄生物質(zhì)顆粒燃料的消耗量。一般在烤煙結(jié)束后，燃燒機(jī)內(nèi)有顆粒燃料剩余，可以通過側(cè)面的排料孔將大部分的剩余顆粒排出料箱，由此可較為準(zhǔn)確的計(jì)算燃燒機(jī)每烤1爐煙生物質(zhì)顆粒的消耗量。由于每一爐烤房裝煙量不一定，本研究計(jì)算平均每千克煙葉烘烤結(jié)束的能源消耗量。

　　1.2.4烤煙鮮干比品質(zhì)

　　烤煙的品質(zhì)對(duì)煙農(nóng)的收入有著直接的影響，品質(zhì)好的煙葉價(jià)格往往是品質(zhì)差的煙葉的數(shù)倍，而烤煙的鮮干比又是煙葉品質(zhì)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。鮮干比是指凈鮮煙葉質(zhì)量和凈干煙葉質(zhì)量的比值。為了評(píng)價(jià)煙葉的烘烤品質(zhì)，需要計(jì)算每1爐煙葉的鮮干比，鮮干比越大則說明烘烤的煙葉品質(zhì)越好。使用精度為1g的電子秤，分別記錄每1桿煙的鮮重(除去桿重)，再統(tǒng)計(jì)每1桿煙的煙葉數(shù)量，計(jì)算得到平均每1片煙葉的重量。記錄每1爐烤煙房的裝煙桿數(shù)，待烘烤結(jié)束，取出做標(biāo)記的5桿煙葉，測(cè)得其以及試驗(yàn)所記錄的5桿煙葉中每片煙葉的單葉濕重、單葉干重、每桿煙葉的鮮重和干重。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1三種類型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)溫度控制對(duì)比由圖4可知：單螺旋桿送料式的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)在初期低溫度時(shí)可以較好地控制干濕球的溫度，設(shè)備工作75h后濕球溫度波動(dòng)變大，設(shè)備工作140h之后干球溫度波動(dòng)變大，生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)對(duì)烤煙房的干球溫度控制偏差較大。

　　由圖5可知：雙螺旋桿送料式的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)在初期低溫度時(shí)可以較好地控制干濕球的溫度變化，設(shè)備工作至111、112h左右時(shí)出現(xiàn)干球溫度的波動(dòng)，在數(shù)小時(shí)后再次穩(wěn)定在目標(biāo)溫度曲線附近；工作后期會(huì)出現(xiàn)干球溫度較小的控制上的偏差。濕球溫度在后期有著較小的溫度波動(dòng)，基本可以維持在目標(biāo)溫度曲線附近。

　　圖6顯示：履帶送料的式生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)在設(shè)備工作過程中對(duì)干球溫度的控制比較穩(wěn)定，一直維持在目標(biāo)干球溫度較一致的水平。在初期低溫度時(shí)可以較好地控制濕球的溫度在目標(biāo)溫度曲線附近，工作135h后對(duì)濕球的溫度控制偏差較大，出現(xiàn)濕球溫度控制上的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

　　對(duì)比3種不同類型的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)對(duì)溫度的控制，從干球溫度控制上看，履帶送料式燃燒機(jī)對(duì)干球溫度的控制較為接近目標(biāo)干球溫度；從濕球溫度控制上看，雙螺桿送料式燃燒機(jī)對(duì)濕球溫度的控制較為接近目標(biāo)濕球溫度。綜合考慮對(duì)干球和濕球的溫度控制，雙螺桿送料式具有較好的溫度控制效果。

　　2.2顆粒燃料和電量消耗

　　由表1可知：使用雙螺旋桿送料式燃燒機(jī)，每獲得1kg的干煙所需要的能源消耗量最低為1.59kg生物質(zhì)顆粒燃料和0.300kW·h電能。因此，從所節(jié)約能源上來講，使用雙螺桿送料式系統(tǒng)的燃燒機(jī)更有優(yōu)勢(shì)。

　　2.3烘烤煙葉品質(zhì)結(jié)果對(duì)比

　　如表2所示：使用單螺旋桿送料式燃燒機(jī)、雙螺桿送料式燃燒機(jī)、履帶送料式燃燒機(jī)的烤煙房，其烤煙的鮮干比分別為6.667、5.818、5.872。因此，從所獲得烤煙的品質(zhì)上來講，使用單螺桿送料式系統(tǒng)的燃燒機(jī)較有優(yōu)勢(shì)。

　　3討論

　　本研究對(duì)比了市場(chǎng)上現(xiàn)有的3種常用的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)在煙葉烘烤中的使用情況，對(duì)烘烤過程中的溫度控制、能源消耗和產(chǎn)品品質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比分析，得出了各種類型燃燒機(jī)的使用優(yōu)劣。

　　王漢文等和張聰輝等研究表明：生物質(zhì)能源在煙葉烘烤中可以作為煤炭的優(yōu)質(zhì)替代能源；徐成龍等的研究表明：生物質(zhì)能源配套的燃燒機(jī)在煙葉烘烤中具有較高的推廣價(jià)值。本研究為煙葉烘烤中生物質(zhì)烤煙燃燒機(jī)設(shè)備的選擇提供了參考。

　　目前對(duì)于生物質(zhì)在煙草烘烤中的應(yīng)用研究主要在于生物質(zhì)烘烤與燃煤烘烤模式的成本對(duì)比和對(duì)環(huán)境的影響，或者是僅對(duì)某一種燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)問題進(jìn)行研究解決，對(duì)各種類型的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的應(yīng)用研究還較少。隨著烤煙工藝的發(fā)展，配合新型能源燃燒機(jī)的使用，不僅可以降低對(duì)燃煤的消耗，有效地減少廢氣的排放以及對(duì)環(huán)境的污染，還可以降低對(duì)人工的需求，提升烤煙的品質(zhì)，節(jié)約成本，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高煙農(nóng)收入。把顆粒燃料同智能燃燒機(jī)進(jìn)行結(jié)合，再將其與現(xiàn)有烤房的溫濕度自控設(shè)備進(jìn)行對(duì)接可以實(shí)現(xiàn)對(duì)烤房溫濕度的自動(dòng)控制，對(duì)煙葉烘烤的減工降本意義重大。由于市場(chǎng)上現(xiàn)存的燃燒機(jī)質(zhì)量不一，在烤煙過程中也有一定的缺陷，研究各種類型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)與性能對(duì)促進(jìn)生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的推廣應(yīng)用有著積極的意義，對(duì)于生物質(zhì)顆粒燃料燃燒機(jī)在烤煙房以及其他農(nóng)產(chǎn)品干燥中的應(yīng)用有一定的參考價(jià)值。由于研究中使用的只有以煙桿為材料的生物質(zhì)顆粒，不同材料下燃燒機(jī)的適應(yīng)性可能會(huì)有多不同，下一步需要進(jìn)行其他幾種常用材料的生物質(zhì)顆粒的試驗(yàn)來研究，并對(duì)比燃煤烘烤，選擇合適的燃燒機(jī)和生物質(zhì)顆粒組合。

　　4結(jié)論

　　雙螺桿送料式燃燒機(jī)在溫度控制方面有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)行穩(wěn)定，在節(jié)約能源上有著一定的優(yōu)勢(shì)；從烤煙的鮮干比方面看，履帶送料式生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)在烘烤煙草的品質(zhì)上具有一定的優(yōu)勢(shì)。綜合分析雙螺桿送料式燃燒機(jī)整體設(shè)備性能較好，但設(shè)備較為復(fù)雜，市場(chǎng)價(jià)格也較高，如果可以降低市場(chǎng)價(jià)格和操作難度，是烤煙房的較佳的選擇；履帶送料式燃燒機(jī)整體表現(xiàn)不突出；單螺桿送料式燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本也較低，適合煙農(nóng)操作，如果在溫度控制上能有所改進(jìn)，相對(duì)其他兩種更適合煙農(nóng)在煙葉烘烤中的使用。