煙葉烘烤生物質燃燒機的設計與試驗

范沿沿 李建華 林智宗

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

關鍵詞：煙葉;生物質;燃燒機;烤房;烘烤質量

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

烤煙是工業原料，是煙農脫貧致富的經濟作物，其在國內被廣泛種植并進行推廣。煙葉調制是烤煙生產中非常重要的環節，稍不注意就容易烤壞煙葉[1]，影響煙農收入，甚至影響煙葉的可用性[2]。煙葉調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。但是煤炭作為傳統的能源，污染排放非常嚴重[3]，是大氣的主要污染源之一[4]。在政府政策干預和社會輿論壓力下，越來越倡導減少污染源，提高空氣質量[5-6]，導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。烤房主要分布在農村，因為煙農是基礎設施的直接受益群體[7-8]。熱泵密集烤房目前建設比較少，若使用天然氣進行煙葉烘烤須要鋪設專用管道，成本太大[9]，生物質能技術前些年發展方向還不明確[10]，生物質致密成型技術近幾年慢慢開始大規模生產和使用[11]。現有生物質顆粒燃料成型設備已經能夠將農村生產廢棄物，如作物秸稈、果殼、木屑等制作成成熟的生物質顆粒[12]。筆者預設計一種生物質燃燒機，采用生物質燃燒機與傳統燃煤烤房有機結合，將生物質燃燒機安裝到傳統供熱設備上，傳統燃煤烤房的供熱設備結構不進行改動，直接將生物質顆粒燃燒機與供熱設備煤爐加煤口連接。

1 生物質燃燒機的主要結構

在設計生物質燃燒機時，筆者查閱了很多文獻資料，對生物質燃燒機的應用和試驗有了更清晰的思路，選擇利用生物質能源爐替換傳統煤爐[13-20]的方案進行設計。生物質顆粒燃料在市場上已經作為成熟商品被利用[21-22]。綜合考慮了上料、通風、除渣等問題，該生物質燃燒機（圖1）的主要機構包括外箱體、上料機構、燃燒器、升降機構和移動輪等主要部分，集合了上料、一鍵點火、自動除渣、風速控制等功能。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 12 h 以上。生物質燃料正常灰分含量在5%以下，1炕煙結渣50～60 kg，結渣比較少，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，打開上料機構的上箱蓋，將生物質燃料加入到料斗中。生物質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動，電機的轉速固定為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，當生物質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。達到設定堆積量時，電動推桿帶動推料板向后運動（向內拉），生物質燃料進入燃燒器，堆積在推料板前方，然后電動推桿向前運動（向外推），推料板將生物質燃料推入爐膽中燃燒，經點火棒點火燃燒。此后工作步驟依次進行循環。

該生物質燃燒機的主要技術參數見表1。

2 生物質燃燒機的匹配和安全測試

利用該生物質燃燒機與目前使用比較廣泛的烤房進行組合配套，與之相匹配的傳統燃燒爐有小型煤爐和符合《密集烤房技術規范》要求的國標煤爐。小型煤爐在一些地區還在大量使用，特別是云南、貴州、四川等地區，筆者設計生物質燃燒機時，參考小型烤房供熱設備的特點，能夠做到在不改變小型烤房的主要供熱設備的結構基礎之上，使用生物質燃燒機代替燃煤進行供熱。國標煤爐是大多數地區密集烤房的主要供熱設備，但是隨著國家節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密集烤房的一個手段，但是煙農在思想上認為它成本高，烤房群數量少，難以消化周邊大量的煙葉烘烤需求。筆者設計的生物質燃燒機不須要重新建立烤房，可以直接和當地國標煤爐匹配安裝，并進行供熱。

2.1 生物質燃燒機與燃煤煤爐的安裝匹配

按照《密集烤房技術規范》的具體要求，給出密集烤房供熱設備的主要技術指標。國標煤爐爐體主要結構由類似半球形爐頂、圓柱形爐壁、管道散熱片、進風管、燃煤加料口和圓形爐底等部分組成。小型煤爐爐體主要結構由圓形爐頂、圓柱形爐壁、進風管、燃煤加料口和圓形爐底等部分組成。生物質燃燒機通過火焰噴出口與傳統煤爐供熱設備的進料口進行連接，其主要結構和連接方式如圖2、圖3所示。

2.2 生物質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燃燒機和傳統煤爐連接正常工作后，測試煤爐表面和連接處的溫度。根據小型煤爐和國標煤爐的不同情況，筆者在煤爐連接處和傳統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。

設備正常工作后，生物質燃燒機大火并保持烤房內溫度恒定時，測試溫度情況如表2、表3所示。

由表2、表3可知，生物質燃燒機和傳統煤爐供熱設備連接工作時，最高溫度位于供熱設備的爐體內，而連接處的溫度最低。其主要因素是生物質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。而在國標煤爐的燃燒過程中可以看出，生物質燃燒機和國標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 生物質燃燒機烤房和燃煤密集烤房對比試驗

為了比較傳統燃煤供熱烤房和生物質顆粒燃燒機供熱烤房的經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，生物質顆粒燃燒機烤房和對照傳統燃煤烤房的煙葉部位、鮮煙質量、裝煙竿數、鮮煙裝煙質量均基本一致，以確保試驗結果具有客觀性，裝煙情況如表4所示。

3.2 試驗結果與分析

3.2.1 成本對比 在生物質燃燒機烤房與傳統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。

由表5可知，生物質燃燒機烤房平均每炕煙能耗為1 099元，傳統燃煤密集烤房平均每炕煙能耗為885.2元，與傳統燃煤密集烤房相比生物質燃燒機烤房每炕煙能耗增加213.8元。生物質燃燒機烤房平均每炕煙用工 1.8個，因為生物質燃燒機烤房可以實現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，與傳統燃煤密集烤房相比生物質燃燒機烤房每炕煙節省用工1.2個，按照每個用工100元計算，每炕煙用工節省費用120元。

綜合成本比較，生物質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，生物質燃燒機烤房設備控制溫度波動比較小，基本一致，能夠準確地執行烘烤工藝。傳統的燃煤密集烤房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，穩定溫度時又比較容易沖高，溫度容易出現波動，濕度的波動不明顯。生物質燃燒機烤房每次加料準確，1次最少約50 g，燃燒迅速，不會出現爆燃和陰燃，溫度容易控制，所以其溫度曲線波動較小，比較穩定，濕度基本上無波動。生物質燃燒機烤房在溫度控制上比燃煤密集烤房準確。

3.2.3 烘烤質量對比 由表6可知，生物質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%，生物質燃燒機烤房煙葉的烘烤質量得到明顯提高。

4 討論與結論

在做煙葉烘烤試驗時，生物質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顆粒燃燒機烤房建立生物質顆粒加工廠，把附近農作物秸稈、煙稈、樹枝等農業廢棄物利用起來，就會大大降低生物質燃料成本。

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

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

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

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