茶叶烘干机与生物质颗粒燃烧机的匹配性研究

蒋建江，徐伟，吴尊繁

（浙江红五环集团股份有限公司，浙江衢州 324000）

茶叶烘干机与生物质颗粒燃烧机的匹配性研究

蒋建江，徐伟，吴尊繁

（浙江红五环集团股份有限公司，浙江衢州 324000）

茶叶烘干机的热源是喷流式金属热风炉提供的热风，传统的热风炉以煤为燃料，存在污染且热效率低，研发一款以生物质颗粒为燃料的颗粒燃烧机以匹配金属热风炉使用，并对热风炉进行节能改造，目的是为了提高热效率并实现茶叶生产的清洁化生产，匹配性试验取得良好的效果，证明了生物质颗粒燃烧机与烘干机匹配的优越性。

茶叶烘干机；热风炉；生物质颗粒燃烧机；热效率；节能

茶叶烘干是茶叶加工过程中重要的一道工序，直接影响茶叶的色泽、营养、风味等品质。茶叶链板式烘干机是目前国内茶机市场上应用最广泛的热风烘干机，其热风加热源主要有：柴煤式金属热风炉、燃气炉、电炉等，现阶段根据我国茶叶加工和茶园的特点，柴煤式金属热风炉应用最为广泛。随着各地环境保护意识和要求的提高，传统的柴煤喷流式金属热风炉在节能减排、环境保护、清洁生产等方面很难有提升的空间，寻求既节能环保又成本经济的茶叶烘干机配套燃烧方案是各大茶叶机械企业及科研院所研究的热点。

生物质颗粒燃烧机是以生物质颗粒为燃料的燃烧机，是新能源利用转化的成果，在农业机械、生物质发电、工业锅炉、食品烘干设备等行业的应用越来越多。在茶叶机械领域，生物质颗粒燃烧机配套茶叶杀青机、茶叶炒干机使用并取得良好效果，一般的燃烧机能耗在10万大卡到30万大卡之间，受燃烧值限制，其应用范围局限于小型烘干机领域。为此，笔者团队研发一款能匹配20~30平方翻板烘干机使用的颗粒燃烧机，对FP-100金属热风炉进行节能改造，并优化两者之间的配合连接，目的是为了有效替代传统的燃气炉和电炉，提高能源利用效率，实现茶叶的清洁化生产。

1 方案设计

1.1 生物质颗粒介绍

生物质燃烧颗粒是以可再生生物资源如以秸秆、木屑、花生壳等为原料生产加工而成的清洁燃料。与其他燃料相比，生物质颗粒燃料具有发热量大、燃烧充分、热效率高、低碳环保等优点，烟尘、硫、氮等排放量低，符合GB 13271烟尘排放要求，以1000 kg/h蒸汽锅炉即每小时把1000 kg的水变成蒸汽的锅炉为例，生物质颗粒与其它能源现实使用成本对照如表1所示：

表1 各能源燃烧成本对照Table 1 The energy cost of combustion control

可见，作为一种新型的生物燃料，生物质颗粒燃料以其特有的低碳环保及良好的经济效益越来越被广泛应用和推广，并且符合可持续发展的要求。

1.2 颗粒燃烧机设计

1.2.1 燃烧方案

市场上常见的生物质颗粒燃烧机燃烧室布置在圆柱形的炉膛内，在鼓风机作用下沿轴向喷火，即喷火方向与送料方向一致，这种结构有以下缺点：在与杀青机或热风炉匹配时火焰水平喷射使得热风炉受热不均匀，如图1所示，会出现高温区与低温区，这势必造成热风炉换热不均匀，增大局部金属的变形，且在高温区的耐火砖会因为温度过高而减短使用寿命。本设计中，采取燃烧平台的结构即方案2所示，火焰方向垂直向上喷火，这种结构的好处是热风炉耐火砖及炉内壁受热均匀，金属炉圆周方向无高温集中区域，颗粒机燃烧产生的热量利用率更高，相应的也更节能。

图1 颗粒燃烧机方案对比Fig.1 The Scheme comparison of the particle combustion engine

1.2.2 产品开发设计

在完成主要的参数计算后，确定颗粒燃烧机的设计输入，设计整机燃烧能力范围控制在15~ 70万大卡，主要确定驱动电机、鼓风机及送料螺杆的型号及参数，以确保燃烧机的燃烧控制，主要控制的参数是生物质颗粒的送料量、鼓风机的风量及燃烧时间，目的是为了实现燃烧温度及燃烧时间的可控性。运用三维设计软件Pro/E进行主要零部件的三维建模并进行虚拟装配以缩短设计开发周期。具体的如图2所示，该机的结构主要包括机架、调节轮组件、外罩、料斗、送料部件、驱动电机、鼓风机、燃烧盘组件、点火装置、通风道（配风管）、控制系统等部件，其中机架、料斗和送料组件三者形成可拆分的整体，送料部件的核心元件是安装在送料圆筒内壁可以自由旋转的送料螺杆，燃烧盘组件固定在送料部件出料端，其特征是平台式结构，包括底托架，燃烧平台，垂直端板等结构，燃烧平台替代传统颗粒机的燃烧室或炉膛成为颗粒物料燃烧的平台，保证了燃烧火焰垂直向上，燃烧充分彻底，并且避免了传统颗粒燃烧机容易出现的回火现象。

图2 生物质颗粒燃烧机结构图Fig.2 The Structure diagram of the Biomass pellet combustion machine

1.3 金属热风炉节能改造

喷流式金属热风炉是内燃式热风炉的一种，其主要结构包括炉灶底、炉栅、炉芯、耐火砖、外壳、喷流环、烟环等，工作时依靠鼓风机吹进的空气与燃烧产生的热烟气形成逆流换热，烟气在引烟机作用下形成压差，空气与烟气走不同的通道，依靠喷流环及热风炉内部的高温实现对空气的加热，这一过程是很复杂的传热过程，包含对流换热、热传导及热辐射，计算时一般我们以供热量表示热风炉的能力，实际的热平衡为：燃料产生的热量QR转化为热空气吸收的热量△QR、热损失△Q及烟气排出的热量QP，

热空气吸收的热量△Qg近似等于烘干机所需的热量，供热量在值理论上等于燃料燃烧产生的热量和热效率的乘积即：

其中：Qh为换热量，单位为kj/h；

η为热风炉热效率。

热风炉换热量计算公式为：

其中：T1为环境温度，T2为热风炉出风口热风温度；

qg为空气质量流量，单位为m3/h；

Cg为干空气比热，单位为kj/（kg·℃）。

如公式（1）换热量Qh其实就等于干空气的吸收的热量△Qg，空气质量流量和烟气流量可以通过优化通道设计、改变空气流速、改变引烟速度来控制，实际操作时主要通过鼓风机与引烟机的选型来实现。

燃煤热风炉的供热能力主要取决于炉膛容积与炉排面积，热风炉的供热量等于煤的总发热量，而热效率取决于炉的传热效率与换热能力，传统柴煤喷流热风炉热效率低于70%。换热面积是热风炉换热能力的决定因素，设计中必须考虑热风炉的换热面积，在柴煤式热风炉中，炉膛内表面及炉芯内表面下端必须镶砌耐火砖来保护热风炉不被损坏，且必须布置合理的炉栅来控制煤燃烧面积及控制炉膛容积，但这些结构减少了热风炉的有效换热面积；如果采用生物质颗粒燃烧机来对热风炉加热，因为颗粒燃烧机火焰在炉芯中间垂直向上喷，不会直接对炉芯内壁进行加热，所以取消内部的耐火砖并且取消炉排（炉栅）的结构，以此加大炉子的换热面积；如图3所示，我们对原有的柴煤喷流式金属热风炉进行改造，一方面减少不必要的结构如炉栅、清灰门等，降低成本，另一方面取消耐火砖来增加炉芯的换热面积，并将整个炉子的相应尺寸进行调整。

图3 热风炉改造Fig.3 The modification of the hot blast stove

改造后，在相同外形尺寸下，热风炉换热面积提高了8.5%，且整机重量降低12%，有效地降低制造成本的同时提高热风炉热效率η。

2 匹配性试验

2.1 试验

按上文设计方案完成型号为6CSR-70生物质颗粒燃烧机样机试制并对FP-100A喷流式金属热风炉进行节能改造后，对型号为6CHB-20链板式烘干机进行联机试验如图4所示，

图4 试验方案简图Fig.4 Schematic diagram of test scheme

匹配性试验的主要目的有：（1）验证生物质颗粒燃烧机匹配20平方烘干机的可行性；（2）在满足可行性前提下寻求最优即最节能高效的匹配方案；（3）验证改造后的FP-100A金属热风炉的热效率是否提高。

为此，进行联机试验。

试验一：颗粒机鼓风机风量及热风炉鼓风机风量（热风风量）为固定值，测试数据有：颗粒机送料量（换算成输出热量）、最高热风温度、加热至最高温度时间等，并计算对应热效率。部分数据如表2所示：

表2 不同燃烧值测试值Table 2 The test values of different combustion values

以测试4数据为列，代入公式（1）、（2）、（3）计算得：

一般工况下，20平方茶叶翻板烘干机的热风温度控制在150~220℃，如表2所测数据表明在颗粒机燃烧值在50万大卡、60万大卡及70万大卡时均能达到理想的热风温度，在燃烧值为50万大卡时热效率最高，且升温时间最短，可见生物质颗粒燃烧机燃烧值控制在50万大卡时与茶叶烘干机的匹配性最好。

试验二：颗粒燃烧机燃烧值设定50万大卡，颗粒机供氧风量为1200 m3/h，环境温度30℃，改变热风风量，测量数据有：热风最高温度T2，并计算热效率η。如图5、图6所示：

图5 热风温度与风量关系Fig.5 Relationship between hot air temperature and air volume

图6 热风风量与热效率关系Fig.6 Relationship between air volume andthermal efficiency

图5表明在一定范围内，随着热风风量的增加，热风温度呈下降趋势，热风风量越大则温度越低，图6表明热风炉热效率在刚开始随着风量的增加而增高，且在热风风量为9000 m3/h时最高其值为77%，随后风量增加热效率则呈下降趋势。

试验三：颗粒燃烧机燃烧值设定50万大卡，颗粒机供氧风量为 1200 m3/h，热风风量为9500m3/h，环境温度30℃，分别匹配改造前的热风炉FP-100和改造后的金属热风炉FP-100A进行试验，测试数据有：热风最高温度T2，加热至最高温度时间t，并计算各自热效率η。如表3所示：

表3数据说明改造前的最高热风炉热风温度低于改造后的热风炉，升温时间反而更长，热效率计算值也未能突破70%，相对而言，改造后的热风炉在升温时间缩短了5 min，表明热风炉内部的热传递效率更高，热风最高温度T2也有明显的提高。整体热效率而言，改造后的热风炉FP-100A也更高。

表3 两种热风炉测试对比Table 3 Comparison testing date of the two metal hot blast stove

2.2 结论

匹配性试验数据表明：

（1）新设计的生物质颗粒燃烧机6CSR-70及改造后的FP-100A金属热风炉能够很好的匹配6CHB-20链板式烘干机，可以满足烘干机对于热风风量和热风温度的要求；

（2）改造后的FP-100A热风炉匹配颗粒燃烧机热效率在同等条件下可提高6%左右，达到75.8%。

（3）颗粒燃烧机燃烧值在50万大卡，热风风量在9000 m3/h时热效率最高（达到77%），即最节能，匹配效也最好。

3 结束语

本文采用理论计算结合现场试验的方法来进行相互验证，寻求最优即最节能的匹配方案，即为茶叶链板式烘干机的能源配套提供即经济环保又方便高效的解决方案。配套生物质颗粒燃烧机，并对链板式烘干机的热风炉进行节能改造后，可以提高热效率约6%，生物质颗粒及生物质颗粒燃烧机的使用可以实现茶叶清洁化生产并有效减少劳动强度，降低茶叶生产企业的成本，对于节能型燃料在茶叶生产领域及农村的推广有重要意义。

[1] 张正荣.传热学[M].北京:高等教育出版社，1983.

[2] 王秉铨.工业炉设计手册[M].北京:机械工业出版社，1989.

[3] 胡秀和.高效节能热风炉设计与计算 [J].工业炉，2004，5（3）:41-44.

[4] 周仁贵，祝叶峰，孙峰.茶叶烘干机的结构特性和维护保养[J].中国茶叶加工，2010（3）:39-42.

[5] 王永莉.热风炉燃烧器的改造与优化[J].河北冶金，2004（4）: 31-33.

[6] 朱文学，张仲欣，刘建学，等.我国干燥用热源的研究和应用现状分析[J].粮食仓储，2005，34（4）:40-46.

Research on the Matching of Tea Drying Machine and Biomass Pellet Burning Machine

JIANG Jian-jiang，XU Wei，WU Zun-fan
（Zhejiang Hongwuhuan Group Co.Ltd.，Quzhou 324000，China）

The heat source of tea drying machine is the hot air provided by a jet type metal hot blast stove. Traditional hot blast stoves burn coal as the fuel，which causes pollution and low thermal efficiency.Thus it is necessary to develop a combustion engine using biomass fuel particles so that it can match the metal stove in order to improve the thermal efficiency and realize clean production of tea production.The matching test showed good effect，which proved the advantage of the biomass pellet combustion machine matching the drying machine.

Tea drying machine；Hot blast stove；Biomass pellet burner；Thermal efficiency；Energy saving

TS272.3；TK6

A

2095-0306（2016）06-0037-06

中国茶叶加工 2016（6）:37-42

2016-11-15

蒋建江（1963-），男，浙江衢州人，高级工程师，主要从事通用机械及茶叶机械设计开发，主攻空气压缩机开发。