自動清灰型烤房加熱設備的設計與優化

田 輝，劉勇敢，丁 攀，王韻翔，王 玲，任天寶

(1.河南農業大學機電工程學院，河南鄭州450002;2.河南農業大學煙草學院，河南鄭州450002)

密集烤房在國外已經被普遍使用，但因技術不夠完善、設備價格昂貴或使用成本高等，在我國未得到廣泛推廣［1］。密集烤房是具有自動化、智能化等特點的先進烤煙裝置，也是實現煙葉烘烤工藝的關鍵設備［2］，具有溫濕度控制靈敏、平面溫度基本均勻、加煤操作方便、熱能利用率高等優點［3］。目前，我國對密集烤房的研究已取得很大進展，密集烤房的建造、安裝和使用等幾項關鍵技術問題已經得到基本解決［4］。但近年來密集烤房出現了一個比較突出的問題，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行，大幅度降低散熱效率，因此須要定期對加熱設備進行清灰處理，完善烤房加工工藝是當前密集烤房亟須解決的關鍵問題。加熱設備是整個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、易結渣等問題，各地都開始了相關研究［5］。本研究對密集烤房加熱設備進行改造和優化，使其成為加熱和排煤集成一體化的裝置。通過與人工排煤進行烘烤對比，比較2種方法的耗煤量和熱量利用效率等，分析自動清灰裝置的可行性。

1 結構與工作原理

1.1 自動清灰加熱系統的結構

自動清灰型烤房加熱設備主要由具有進煤口、排渣口和出渣門的爐體，爐體上部的集成散熱器，爐體內部的燃燒室組成，加煤斗通過送料管與內部燃燒室連通，在送料管下方設有進風設備，該裝置的排渣口通過蛟龍排渣機構將燃燒盤上燃盡的煤渣排出，爐體底側有出渣門，燃燒室排渣方向大致垂直出渣管，其中排渣口開口朝下;在清灰結構出渣管中設有沿軸向旋轉的蝸桿旋出裝置，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式電機，在爐體內的出渣管部分設上開口，整個裝置呈固定狀態，其結構如圖1所示［6］。

1.2 系統的工作原理

由圖1可知，該機構為自動清灰加熱設備，工作時先倒煤入斗，裝料量以剛填滿加煤斗為標準。步進式電機在控制器的作用下緩慢帶動渦輪旋轉將煤料經過進煤通道送入燃燒盤，燃燒盤與水平面呈一定的角度，由于進煤螺旋蝸桿的不斷旋轉，煤炭不斷進入燃燒盤，使得煤渣被擠落并不斷進入清灰裝置，煤渣在螺旋蝸桿的作用下經自動出渣通道排出爐體，圖2和圖3分別為蛟龍清灰裝置和排渣效果。圖4為燃燒室的結構示意，爐體上部設散熱器的作用是散熱，送料管下方設有的通風設備在溫度低于所需溫度時自動開啟，使溫度升高并達到所需要求。

為實現加料的自動化，進料口設有自動加料裝置，該自動加料裝置包括開口朝上的加料斗、送料管中的渦輪推進裝置以及加料斗外部的加料步進式電機，其中渦輪推進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式電機，加料步進式電機啟動后，帶動渦桿推進裝置將送料管中的燃料送入燃燒盤，這樣能夠保證爐體內有充足的燃料供給。

2 控制系統與控制流程

隨著單片機技術的發展趨于成熟，以單片機技術為核心的控制技術已經實現。通過單片機的控制，以烤房內的蒸汽溫度為前饋信號，經A/D轉換后送入單片機，經單片機分析計算后輸出控制信號［7］。單片機主控芯片(central processing unit，簡稱CPU)采用的是愛特梅爾公司的嵌入式單片機，型號為AT90S8535，該控制器內部有8個通道10位逐次逼近式模數轉換器(analog to digital converter，簡稱ADC)，不僅可以滿足溫度轉換的精度需求［8］，同時內部擁有8 kb字節在線可編程FLASH、512字節靜態內存SRAM(Static RAM)及512字節在線可編程電可擦可編程只讀存儲器(electrically erasable programmable read only memory，簡稱 EEPROM)，可滿足編程調試需要，其中32個可編程的輸入/輸出(input/output，簡稱I/O)接口中除PA口用于A/D轉換外，其他I/O接口可以用來接顯示電路、鍵盤輸入級預設置電路和執行機構的驅動電路等，1片40腳的DIP芯片即可滿足設計要求，它具有感應溫度時間短、反應速度較快、穩態溫度波動小、反應靈敏等一系列優點［9］，同時可智能辨別控制鼓風機的進風量，由顯示器(liquid crystal display，簡稱LCD)分別顯示烘烤曲線、設定溫度、設定濕度、控制時間、干球溫度、濕球溫度、升溫、穩溫等［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風設備、加料步進式電機以及出渣步進式電機的啟動和關閉，且與烤房內的溫度計相連，假設烤房內的溫度值(實時)為Tx，煙葉變黃階段烤房設定溫度為T0，烤房感應允許誤差為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，對烘烤流程進行說明。設置烤房控制器的參數，T0設為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℃，則啟動進風設備向爐體內送風。(2)當進風設備工作1 min后，如果Tx仍然低于39.7℃，說明僅靠送風已無法提高爐體內溫度，此時同時啟動加料步進式電機和出渣步進式電機，否則不啟動加料步進式電機。(3)如果 Tx高于40.3℃，則關閉進風設備停止送風，并轉至步驟(1)，等待Tx低于39.7℃，否則維持進風設備工作并轉至步驟(2)。步驟(2)中加料步進式電機和出渣步進式電機啟動1次，只須工作3～5 min即可，具體可根據烤房大小、烘烤溫度、啟動頻率調整工作時間。

須要注意的是，烤房控制儀目標溫度T0可根據煙葉烘烤需求靈活設置，根據煙葉烘烤和加煤設備運行參數需求控制烤房內溫度Tx為T0±(0.1～0.5)℃，既滿足煙葉烘烤需求，又利于設備正常運轉。如果是主要烘烤葉筋的階段，那么烘烤適宜溫度為42～49℃，此時須要重新設置烤房控制器的參數。當烘烤所需溫度須要調整時，只須修改參數即可。

3 系統試驗應用分析

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，進行了對比試驗。試驗過程中，調整儀器的各項目標參數，根據國家煙草專賣局推廣的三段六步式烘烤工藝要求設定溫度、濕度工藝曲線，使烤房正常運轉。烘烤過程中約每隔15 min記錄1次烤房內情況，并記錄試驗中的其他操作及時間。自控標儀的目標溫濕度與實際測定溫濕度如表1所示。

表1 自控標儀的目標溫濕度與實際溫濕度

經試驗分析得出，該自動清灰型烤房加熱設備能夠解決煤燃燒性差、易結渣堵塞爐體補風縫隙以及升穩溫困難等一系列問題，可實現定時排渣、定時清理的目的，且溫度工藝曲線的設定符合國家煙草專賣局推廣的三段六步式烘烤工藝要求。

3.1 不同燃爐烘烤經濟效益對比

按下部葉、中部葉、上部葉的順序開展了自動清灰加熱燃爐烘烤、常規燃爐烘烤各5房次的試驗。記錄2種烘烤方式的單房烘烤用煤量、加煤頻度、加煤次數、單次操作時間、加煤勞動強度、司爐成本、司爐效率、省工率等，并取樣對比分析烤后煙葉質量、經濟效益、投入產出成本等。

由表2、表3可知，自動清灰加煤燃爐較常規燃爐烘烤節省煤炭125 kg/房，烘烤省煤率為12.78%，節煤效果明顯;自動清灰加煤燃爐較常規燃爐烘烤節省用電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，自動清灰加煤燃爐較常規燃爐烘烤能耗成本節省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 不同燃爐烘烤質量效益對比

由表4可知，在烘烤質量上，自動清灰加煤燃爐較常規燃爐烘烤中上等煙葉比例提高6.08百分點，煙葉質量明顯提升(相關外觀質量和內在品質正在檢測中)。在經濟效益上，自動清灰加煤燃爐較常規燃爐烘烤的干煙收購均價提高1.31元/kg，烘烤單房增加收益為883.96元，收益增加率為5.55%，說明使用自動清灰加煤燃爐烘烤可明顯提高經濟效益。

表2 2種烤房經濟效益對比

表3 2種燃爐烘烤煤電能耗及成本對比分析

表4 不同燃爐烘烤煙葉質量及經濟效益對比分析

4 結語

自動清灰設備是根據實際生產中遇到的問題設計的［12］，通過對比試驗發現，該裝置可有效克服密集烤房排渣困難、勞動強度高、升溫慢、成本高等一系列問題［13］，有效提高烘烤煙葉的質量。本研究的自動清灰型烤房設備將密集烤房的自動控制設備和自動清灰加熱設備結合為一體，經濟實用，操作方便，可大大增強設備的自動調控能力，且可在保證密集烤房烘烤工藝正常進行的情況下，實現各烘烤參數的調整和優化。通過現場反復測試和改進，優化密集烤房裝置的不足之處［14］，對比分析優化前后烤房加煤系統的穩定性以及可靠性。結果表明，該設備不僅加煤方便而且可有效提高排渣效果，解決排渣困難的問題，轉變傳統的常規烘烤方式［15］，全面提高煙葉烘烤后的質量，在我國具有較好的推廣價值。