煙稈顆粒微波干燥設備的設計

張大斌，盧 澤，曹 陽，張紀利，黃德云,艾忠焰

0 引言

煙稈作為烤煙生產的副產物，由于含有煙堿、攜帶有煙草病菌，不適于當作飼料或直接還田[1-2]，因此，煙稈綜合回收利用成為近年的研究熱點。當前對煙稈處理的研究包括生物質燃料、活性炭與生物炭、刨花板、培養基及果膠等，煙稈因其木質特性，開展煙稈制備生物質燃料的研究可減少環境污染，提高煙稈利用價值，為煙農創收和實現煙草可持續發展提供了條件。鮮煙稈含水率為75%左右，研究表明[3]：原料含水率為12%～15%時，生物質壓縮成型的效果最好。因此，煙稈干燥成為制備生物質燃料的重要環節。

作物秸稈傳統干燥方式為自然曬干，但其周期較長，外界因素不可控，限制了秸稈工業化應用的發展。近年來，微波干燥因其加熱快速、均勻、高效等優勢，已被應用于疏解棉稈[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，擬采用微波對煙稈顆粒進行干燥。

為了設計出高效煙稈顆粒微波干燥設備，采用小型微波干燥機對煙稈顆粒進行干燥試驗，對試驗數據進行優化并獲得煙稈顆粒的微波干燥工藝參數，根據參數設計一種煙稈顆粒微波干燥設備，包括干燥設備輸送機關鍵零部件的選型，確定微波干燥功率，設計并搭建了微波干燥控制系統。

1 微波干燥試驗

1.1 試驗材料及處理

煙稈選自貴州大學教學實驗場烤煙種植基地，煙稈拔除時間為煙葉采摘結束后35天，煙稈品種為云煙87，煙稈的長度基本一致，其根部、中部、頂部的直徑大小基本相同。試驗前，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，在室內自然晾干12h；采用從鄭州鑫地機械設備有限公司購置的9RQ-2型秸稈粉碎機對煙稈進行粉碎，制成長度為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。試驗前，采用木屑含水率測量儀對煙稈顆粒初始水分含量進行測定，初始含水率約為75%。

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

1.2 試驗材料及處理

GZU型微波負壓干燥設備(貴州大學與廣西中煙工業有限責任公司共同研制)；9RQ-2型秸稈粉碎機(鄭州鑫地機械設備有限公司)；木屑含水率測量儀(北京順科達科技有限公司)；精密電子天平實驗室電子稱(深圳市俊仁科技有限公司)。

1.3 試驗方法

多因素正交試驗設計為：設置微波功率、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)作為正交試驗的因素，其因素編碼表如表1所示。將煙稈顆粒進行微波負壓連續干燥5min，以含水率(Y1)和干燥均勻度(Y2)為指標，進行3因素二次回歸正交試驗，通過對各指標與各因素間量化處理，從而求解回歸數學模型，建立目標函數和約束條件，利用SPSS對試驗數據進行處理，分析試驗因素對結果的影響。

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

1.4 干燥速率

整個過程中，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 干燥均勻度評分

干燥均勻度是評價物料干燥品質的重要指標。選出10位評委，對煙稈顆粒的干燥均勻度進行評分，并取平均值。參照評分標準：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 試驗及結果分析

通過對各指標與各因素間量化處理，從而求解回歸數學模型，建立目標函數和約束條件。根據3因素3水平正交試驗，利用SPSS軟件求解出回歸數學模型，即

(3)

其中，Y1為含水率(%)；Y2為均勻度(分)。

根據二次正交組合設計表的試驗設計對煙稈顆粒進行微波負壓干燥試驗，結合試驗評價指標的分析，得出正交試驗結果如表2所示。

表2 二次回歸正交組合設計表Table 2 DesignTable of two regression orthogonal combination

續表2

利用計算機數據處理軟件求解各因素的數學回歸模型，再通過判斷方差從而判斷數學模型的擬合優度，同時判斷各因素對干燥指標影響的顯著性。方差分析結果如表3、表4所示。

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

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

由表2及文獻[3]可知：原料含水率為12%～15%時，生物質壓縮成型的效果最好，均勻度評分較高，可得出此時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，煙稈顆粒干燥的含水率最適合用于加工成生物質燃料。

由表3和表4可知：當指標為含水率(P=0.036)和均勻度(P=0.045)時，微波功率對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為B、A、C。

1.7 工藝參數的優化與分析

1.7.1 目標函數的確定

煙稈顆粒的含水率、干燥均勻度在各自對應的約束條件下應達到最大值，即滿足MaxY1,MaxY2為多目標決策問題。

1.7.2 約束條件

煙稈顆粒的含水率、干燥均勻度各指標的值均應大于零，其對應的試驗因素編碼值限制在試驗設計的范圍內取值，即

(4)

1.7.3 優化結果與分析

該試驗屬于三因素的多目標正交試驗，為了對工藝參數進行綜合優化，得出較好的工藝參數，采用加權綜合評分法將含水率Y1、均勻度分數Y2變換成無量綱參數，計算綜合加權評分值公式為Y=λ1Y1+λ2Y2。根據干燥煙稈顆粒的實際要求，首先保證含水率在12%～15%，其次干燥均勻度對煙稈顆粒成型效果較好，因此Y1和Y2的加權值取λ1=0.8，λ2=0.2。利用計算機進行規劃求解，得出當干燥室壓力為-24.3kPa，微波功率為695.7W、物料厚度為12.9mm時，兩個目標函數綜合值最優。經試驗驗證，煙稈顆粒的含水率為13.2%、均勻度評分為89.3，綜合評分為0.923。

2 微波干燥設備的設計

2.1 設備的組成及干燥過程

微波干燥設備結構由萬向輪、厚度限位裝置、輸送帶、微波發生器、干燥腔體、出料機構滾筒及進料機構滾筒等組成，如圖2所示。通過試驗所得工藝參數，對輸送機的托輥、滾筒等進行了選型設計和校核，計算出驅動干燥設備所需的功率為260W，根據計算的驅動功率選擇了Y80m1-4型電動機來驅動輸送機滾筒。對微波單元進行了選型，計算了全部微波單元需要功率，選擇了三星公司生產的OM75PESGN型微波發生器，單個功率為700W，有效覆蓋面積為500cm2。烘干機干燥室的總面積為20 000cm2，所以烘干機微波單元需要的總功率為28 000W。

1.萬向輪 2.厚度限位裝置 3.輸送帶 4.微波發生器 5.干燥腔體 6.出料機構滾筒 7.進料機構滾筒圖2 微波干燥設備結構簡圖Fig.2 Schematic diagram of microwave drying equipment

干燥過程為：將粉碎后的煙稈顆粒從物料箱輸入進料機構，煙稈顆粒通過輸送帶進入厚度限位裝置，將煙稈顆粒的厚度控制為13mm，當達到所需厚度時，將煙稈顆粒輸入微波干燥腔體；微波干燥腔體內設置有微波發生器，當煙稈顆粒鋪滿干燥室時，啟動微波干燥發生器，電機驅動輸送帶往復運動；當煙稈顆粒達到含水率達到12%時，關閉干燥發生器，電機將煙稈顆粒輸出干燥腔，此時煙稈顆粒的含水率為制備生物質燃料的最佳條件。

2.2 控制系統的設計

2.2.1 控制系統的組成

該微波干燥設備主要完成物料的裝卸、物料的干燥、微波單元的調節及輸送過程的控制，如圖3所示。根據筆者對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程為：短時間的升速，長時間的恒速，短時間的降速。因此，針對煙稈顆粒不同的含水率，控制微波發生器工作的數量，可實現干燥能耗的優化設計。

圖3 控制系統結構簡圖Fig.3 Structure diagram of control system

根據上述的干燥過程，用變頻器調節電動機的轉速，使煙稈顆粒在輸送機上的速度相對穩定；然后，將物料輸送進微波干燥室中干燥，在干燥室的進口和出口各安裝一個光電傳感器；當烤煙秸稈輸送到進口或者出口時，光電傳感器發出信號，并將信號傳送給PLC從而控制電動機正反轉，使物料在干燥室中往復運動。 隨著干燥的進行，煙稈顆粒中的水分不斷蒸發而含水率不斷降低，由于其含水率不方便測量，在干燥機上安裝重量傳感器，間接測量秸稈的含水率。將微波單元的功率設置為3個檔位，使煙稈顆粒高含水率時對應高功率檔位，低含水率對應低功率檔位，從而節省電能。當煙稈顆粒的含水率在70%～50%時，傳感器發送信號給PLC，PLC控制微波3擋單元全開運行；當含水率在50%～20%時，PLC控制部分微波單元關閉，2擋降低功率運行；當秸稈含水率在20%～15%時，PLC控制微波單元以最低功率運行。

2.2.2 PLC選型

根據干燥設備控制方案的要求，其輸入24點，輸出16點，同時經過綜合性能和價格等方面的考慮，選擇歐姆龍生產的CP1H-X40DR-A型PLC作為控制器。

2.2.3 光電傳感器的選型

在干燥過程中，微波單元通電個數受到控制，煙稈顆粒需要在干燥室中往復運動來達到均勻受熱。因此，需要在干燥室的進出口處裝一個傳感器來充當開關，當煙稈顆粒到達干燥室進出口時，傳感器發出信號，電動機改變轉向，輸送帶上的煙稈顆粒往復運動實現均勻干燥。綜合考慮，選用歐姆龍公司生產的E3Z-FTN11型號的光電傳感器。

2.2.4 重量傳感器的選型

干燥過程中，微波的功率隨著秸稈質量的減小而減小，為了控制微波功率，需要給烘干機裝一個重量傳感器。重量傳感器的工作原理是將不方便測量的質量信號轉換為方便測量的電流電壓信號并輸出的器件，當煙稈質量變化時，傳感器發送信號給PLC來控制微波功率。綜合經濟性和實用性考慮，選用中航電測公司生產的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運動速度不宜過快，為了調節電動機的速度，需要選擇變頻器，應用變頻驅動技術控制交流電動機電壓的頻率和幅度，來平穩調節交流電動機轉速及轉矩，最常見的是輸入及輸出都是交流電的交流/交流轉換器。根據電機的功率，選擇的變頻器型號為3G3MX2-A2004-ZV。

2.3 控制系統的設計

2.3.1 變頻器的選型

本設計的控制部分有5個輸入信號，分別為啟動、停止、兩個光電開關和一個重量傳感器，輸出信號有8個，分別為輸出給電動機和輸出給微波單元。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 控制系統流程

1)控制系統通電后，電機正轉5s，將設定質量的煙稈顆粒傳輸到輸送帶上，厚度限位機構將煙稈鋪成13mm，煙稈顆粒經輸送帶輸入干燥腔。

2)干燥腔設置有重量傳感器，當物料質量大于3.8kg時，啟動微波3擋運行；當物料質量在3.2～3.6kg時，啟動微波2擋運行；當物料質量低于3～3.2kg時，啟動微波1擋。光電開關1和2分別控制電機正轉和反轉，實現物料干燥往復運動。當物料質量為低于3kg時，關閉所有微波發生器。

3)關閉微波發生器后，光電開關1觸發，電機正轉，將煙稈顆粒出干燥腔，干燥結束，如此循環。其控制過程如圖5所示[12]。

3 結論

1)正交試驗結果表明：微波功率對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個因素對干燥評價指標有不同的影響。

圖5 程序流程圖Fig.5 Program flow chart

2)采用多目標非線性優化方法，優化煙稈顆粒的干燥工藝，得到煙稈顆粒微波負壓干燥的最佳工藝參數，即干燥室壓力為-24.3kPa，微波功率為695.7W，物料厚度為12.9mm。經工藝優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燃料的條件。

3)根據試驗獲得煙稈顆粒的微波干燥工藝參數，設計了煙稈顆粒的微波干燥設備，并搭建了微波干燥

控制系統。該設備根據煙稈顆粒的微波干燥特性進行優化設計，在實現煙稈顆粒的高效干燥的同時，達到節能減排的目的。