烟叶烘烤生物质燃烧机的设计与试验

范沿沿 李建华 林智宗

摘要：设计一种应用于烟叶烘烤的生物质燃烧机，用于代替燃煤成为密集烤房的新热源。设计的生物质燃烧机，可以在不改变传统烤房主要结构的情况下，将生物质燃烧机与传统燃煤烤房的燃煤炉进料口连接，通过生物质燃烧机为燃煤炉供热。针对生物质燃烧机与传统燃煤炉安装后，烤房正常工作时的表面高温情况，进行了红外高温测试。为了解生物质燃烧机的成本和烘烤质量，进行3炕次的烘烤对比试验。最后通过试验得出了生物质燃烧机替代燃煤的可行性。

关键词：烟叶;生物质;燃烧机;烤房;烘烤质量

中图分类号： S226.9  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）12-0256-04

烤烟是工业原料，是烟农脱贫致富的经济作物，其在国内被广泛种植并进行推广。烟叶调制是烤烟生产中非常重要的环节，稍不注意就容易烤坏烟叶[1]，影响烟农收入，甚至影响烟叶的可用性[2]。烟叶调制过程中需要大量的能源消耗，过去煤炭是其主要能源需求。但是煤炭作为传统的能源，污染排放非常严重[3]，是大气的主要污染源之一[4]。在政府政策干預和社会舆论压力下，越来越倡导减少污染源，提高空气质量[5-6]，导致燃煤量一定会被进一步控制，因此寻求清洁能源成为了解决烟叶烘烤能源需求的新途径。烤房主要分布在农村，因为烟农是基础设施的直接受益群体[7-8]。热泵密集烤房目前建设比较少，若使用天然气进行烟叶烘烤须要铺设专用管道，成本太大[9]，生物质能技术前些年发展方向还不明确[10]，生物质致密成型技术近几年慢慢开始大规模生产和使用[11]。现有生物质颗粒燃料成型设备已经能够将农村生产废弃物，如作物秸秆、果壳、木屑等制作成成熟的生物质颗粒[12]。笔者预设计一种生物质燃烧机，采用生物质燃烧机与传统燃煤烤房有机结合，将生物质燃烧机安装到传统供热设备上，传统燃煤烤房的供热设备结构不进行改动，直接将生物质颗粒燃烧机与供热设备煤炉加煤口连接。

1 生物质燃烧机的主要结构

在设计生物质燃烧机时，笔者查阅了很多文献资料，对生物质燃烧机的应用和试验有了更清晰的思路，选择利用生物质能源炉替换传统煤炉[13-20]的方案进行设计。生物质颗粒燃料在市场上已经作为成熟商品被利用[21-22]。综合考虑了上料、通风、除渣等问题，该生物质燃烧机（图1）的主要机构包括外箱体、上料机构、燃烧器、升降机构和移动轮等主要部分，集合了上料、一键点火、自动除渣、风速控制等功能。上料时，料斗可以加料100 kg/次，在烘烤变黄期和干筋期，加1次料可以使用1 d以上。在烘烤定色期大火时，加1次料可以供应 12 h 以上。生物质燃料正常灰分含量在5%以下，1炕烟结渣50～60 kg，结渣比较少，烘烤过程中清1次灰渣即可。

其主要工作原理为机器开始工作时，打开上料机构的上箱盖，将生物质燃料加入到料斗中。生物质燃料通过料斗底部的螺旋绞龙进入燃烧器中。螺旋绞龙由电机带动齿轮驱动，电机的转速固定为16 r/min，每45 s停顿6 s。燃烧器中装有电动推杆用于带动推料板前后径向运动，当生物质燃料从螺旋绞龙自由下落后，堆积在由电动推杆带动的推料板顶部。达到设定堆积量时，电动推杆带动推料板向后运动（向内拉），生物质燃料进入燃烧器，堆积在推料板前方，然后电动推杆向前运动（向外推），推料板将生物质燃料推入炉胆中燃烧，经点火棒点火燃烧。此后工作步骤依次进行循环。

该生物质燃烧机的主要技术参数见表1。

2 生物质燃烧机的匹配和安全测试

利用该生物质燃烧机与目前使用比较广泛的烤房进行组合配套，与之相匹配的传统燃烧炉有小型煤炉和符合《密集烤房技术规范》要求的国标煤炉。小型煤炉在一些地区还在大量使用，特别是云南、贵州、四川等地区，笔者设计生物质燃烧机时，参考小型烤房供热设备的特点，能够做到在不改变小型烤房的主要供热设备的结构基础之上，使用生物质燃烧机代替燃煤进行供热。国标煤炉是大多数地区密集烤房的主要供热设备，但是随着国家节能减排政策的推广和落实，燃煤市场受到了极大的制约，不得不想办法利用替代热源。热泵密集烤房是替代传统密集烤房的一个手段，但是烟农在思想上认为它成本高，烤房群数量少，难以消化周边大量的烟叶烘烤需求。笔者设计的生物质燃烧机不须要重新建立烤房，可以直接和当地国标煤炉匹配安装，并进行供热。

2.1 生物质燃烧机与燃煤煤炉的安装匹配

按照《密集烤房技术规范》的具体要求，给出密集烤房供热设备的主要技术指标。国标煤炉炉体主要结构由类似半球形炉顶、圆柱形炉壁、管道散热片、进风管、燃煤加料口和圆形炉底等部分组成。小型煤炉炉体主要结构由圆形炉顶、圆柱形炉壁、进风管、燃煤加料口和圆形炉底等部分组成。生物质燃烧机通过火焰喷出口与传统煤炉供热设备的进料口进行连接，其主要结构和连接方式如图2、图3所示。

2.2 生物质燃烧机和燃煤煤炉的高温测试

烘烤过程中，人员须要靠近烤房加料和了解燃料剩余情况。为了解供热设备表面高温对工作人员的烫伤隐患情况，以及防止高温带来的其他损害，笔者利用红外线温度测试器对生物质燃烧机和传统煤炉连接正常工作后，测试煤炉表面和连接处的温度。根据小型煤炉和国标煤炉的不同情况，笔者在煤炉连接处和传统煤炉炉体上分别选择了7、5个测试点进行温度测量，测试点分布如图4、图5所示。

设备正常工作后，生物质燃烧机大火并保持烤房内温度恒定时，测试温度情况如表2、表3所示。

由表2、表3可知，生物质燃烧机和传统煤炉供热设备连接工作时，最高温度位于供热设备的炉体内，而连接处的温度最低。其主要因素是生物质燃烧机的火焰喷出口加装了1层隔热管道。在小型煤炉的燃烧过程中，生物质燃烧机和小型煤炉的连接处温度比较低，甚至可以用手触摸。而在国标煤炉的燃烧过程中可以看出，生物质燃烧机和国标煤炉的连接处温度虽然相对较低，但是超过了130 ℃，人员靠近的话会有安全隐患，工作人员在操作时须要注意并保持距离。

3 生物质燃烧机烤房和燃煤密集烤房对比试验

为了比较传统燃煤供热烤房和生物质颗粒燃烧机供热烤房的经济效益和考后烟占比情况，进行烘烤对比试验。

3.1 试验方法

在烟叶成熟采烤期，共进行3次烘烤对比试验，对照传统燃煤烤房为气流下降式燃煤密集烤房。对每一炕次进行对比试验，生物质颗粒燃烧机烤房和对照传统燃煤烤房的烟叶部位、鲜烟质量、装烟竿数、鲜烟装烟质量均基本一致，以确保试验结果具有客观性，装烟情况如表4所示。

3.2 试验结果与分析

3.2.1 成本对比 在生物质燃烧机烤房与传统燃煤密集烤房试验过程中，记录2个类别烤房的费用使用情况，并进行费用对比分析。把费用分解为能耗费用和用工费用2个部分。能耗费用包括燃料消耗和用电消耗，使用过程中生物质颗粒燃料的购买价格为1 000元/t，燃煤价格为850元/t。用工费用主要是用工平均人数。

由表5可知，生物质燃烧机烤房平均每炕烟能耗为1 099元，传统燃煤密集烤房平均每炕烟能耗为885.2元，与传统燃煤密集烤房相比生物质燃烧机烤房每炕烟能耗增加213.8元。生物质燃烧机烤房平均每炕烟用工 1.8个，因为生物质燃烧机烤房可以实现自动上料和自动除渣，减少了人工。燃煤密集烤房平均每炕烟用工3.0个，与传统燃煤密集烤房相比生物质燃烧机烤房每炕烟节省用工1.2个，按照每个用工100元计算，每炕烟用工节省费用120元。

综合成本比较，生物质燃烧机烤房平均每炕烟能耗为 1 099元，平均每炕用工费用为180元，合计为1 279元。燃煤密集烤房平均每炕烟能耗为885.2元，平均每炕用工费用为300元，合计为1 185.2元。生物质燃烧机烤房平均每炕烟烘烤费用增加93.8元，增幅为7.91%，成本增加很低。

3.2.2 升温曲线对比 在烘烤试验过程中，选择其中一个炕次，通过控制器获取生物质燃烧机烤房和燃煤密集烤房控制器的一次升温曲线图。

由图6、图7可知，生物质燃烧机烤房设备控制温度波动比较小，基本一致，能够准确地执行烘烤工艺。传统的燃煤密集烤房1次加煤的量在10 kg以上，燃煤燃烧速度比较慢，升温时比较滞后，稳定温度时又比较容易冲高，温度容易出现波动，湿度的波动不明显。生物质燃烧机烤房每次加料准确，1次最少约50 g，燃烧迅速，不会出现爆燃和阴燃，温度容易控制，所以其温度曲线波动较小，比较稳定，湿度基本上无波动。生物质燃烧机烤房在温度控制上比燃煤密集烤房准确。

3.2.3 烘烤质量对比 由表6可知，生物质燃烧机烤房平均每炕中等烟比例为29%，上等烟比例为64.3%。传统燃煤密集烤房平均每炕中等烟比例为25.2%，上等烟比例为603%。生物质燃烧机烤房比燃煤密集烤房平均每炕中等烟高出 3.8%，上等烟高出4.0%，生物质燃烧机烤房烟叶的烘烤质量得到明显提高。

4 讨论与结论

在做烟叶烘烤试验时，生物质颗粒燃料都是在市场上购买而来， 成本稍高。如果能够围绕生物质颗粒燃烧机烤房建立生物质颗粒加工厂，把附近农作物秸秆、烟秆、树枝等农业废弃物利用起来，就会大大降低生物质燃料成本。

通过生物质燃烧机与国标煤炉、小型煤炉2种传统煤炉的高温测试，可知生物质燃烧机与国标煤炉安装配套时，供热设备表面的温度比较高，人员操作须要谨慎。而生物质燃烧机与小型煤炉安装配套时，供热设备表面温度比较低，人员操作相对安全。

生物质燃烧机受生物质燃料的价格影响，使用成本比传统燃煤密集烤房费用稍高，但不是很明显。在生物质燃料充足的情况下，生物质燃烧机能够代替传统燃煤密集烤房进行烟叶烘烤。

生物质燃烧机一次加料比较少，温度容易控制。而传统燃煤密集烤房一次加料多，会出现燃煤阴燃的情况，温度不容易控制。生物质燃烧机在进行烟叶烘烤时，烟叶烘烤后质量要比传统燃煤密集烤房高。

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