茶葉烘干機與生物質顆粒燃燒機的匹配性研究

蔣建江，徐偉，吳尊繁

（浙江紅五環集團股份有限公司，浙江衢州 324000）

茶葉烘干機與生物質顆粒燃燒機的匹配性研究

蔣建江，徐偉，吳尊繁

（浙江紅五環集團股份有限公司，浙江衢州 324000）

茶葉烘干機的熱源是噴流式金屬熱風爐提供的熱風，傳統的熱風爐以煤為燃料，存在污染且熱效率低，研發一款以生物質顆粒為燃料的顆粒燃燒機以匹配金屬熱風爐使用，并對熱風爐進行節能改造，目的是為了提高熱效率并實現茶葉生產的清潔化生產，匹配性試驗取得良好的效果，證明了生物質顆粒燃燒機與烘干機匹配的優越性。

茶葉烘干機；熱風爐；生物質顆粒燃燒機；熱效率；節能

茶葉烘干是茶葉加工過程中重要的一道工序，直接影響茶葉的色澤、營養、風味等品質。茶葉鏈板式烘干機是目前國內茶機市場上應用最廣泛的熱風烘干機，其熱風加熱源主要有：柴煤式金屬熱風爐、燃氣爐、電爐等，現階段根據我國茶葉加工和茶園的特點，柴煤式金屬熱風爐應用最為廣泛。隨著各地環境保護意識和要求的提高，傳統的柴煤噴流式金屬熱風爐在節能減排、環境保護、清潔生產等方面很難有提升的空間，尋求既節能環保又成本經濟的茶葉烘干機配套燃燒方案是各大茶葉機械企業及科研院所研究的熱點。

生物質顆粒燃燒機是以生物質顆粒為燃料的燃燒機，是新能源利用轉化的成果，在農業機械、生物質發電、工業鍋爐、食品烘干設備等行業的應用越來越多。在茶葉機械領域，生物質顆粒燃燒機配套茶葉殺青機、茶葉炒干機使用并取得良好效果，一般的燃燒機能耗在10萬大卡到30萬大卡之間，受燃燒值限制，其應用范圍局限于小型烘干機領域。為此，筆者團隊研發一款能匹配20~30平方翻板烘干機使用的顆粒燃燒機，對FP-100金屬熱風爐進行節能改造，并優化兩者之間的配合連接，目的是為了有效替代傳統的燃氣爐和電爐，提高能源利用效率，實現茶葉的清潔化生產。

1 方案設計

1.1 生物質顆粒介紹

生物質燃燒顆粒是以可再生生物資源如以秸稈、木屑、花生殼等為原料生產加工而成的清潔燃料。與其他燃料相比，生物質顆粒燃料具有發熱量大、燃燒充分、熱效率高、低碳環保等優點，煙塵、硫、氮等排放量低，符合GB 13271煙塵排放要求，以1000 kg/h蒸汽鍋爐即每小時把1000 kg的水變成蒸汽的鍋爐為例，生物質顆粒與其它能源現實使用成本對照如表1所示：

表1 各能源燃燒成本對照Table 1 The energy cost of combustion control

可見，作為一種新型的生物燃料，生物質顆粒燃料以其特有的低碳環保及良好的經濟效益越來越被廣泛應用和推廣，并且符合可持續發展的要求。

1.2 顆粒燃燒機設計

1.2.1 燃燒方案

市場上常見的生物質顆粒燃燒機燃燒室布置在圓柱形的爐膛內，在鼓風機作用下沿軸向噴火，即噴火方向與送料方向一致，這種結構有以下缺點：在與殺青機或熱風爐匹配時火焰水平噴射使得熱風爐受熱不均勻，如圖1所示，會出現高溫區與低溫區，這勢必造成熱風爐換熱不均勻，增大局部金屬的變形，且在高溫區的耐火磚會因為溫度過高而減短使用壽命。本設計中，采取燃燒平臺的結構即方案2所示，火焰方向垂直向上噴火，這種結構的好處是熱風爐耐火磚及爐內壁受熱均勻，金屬爐圓周方向無高溫集中區域，顆粒機燃燒產生的熱量利用率更高，相應的也更節能。

圖1 顆粒燃燒機方案對比Fig.1 The Scheme comparison of the particle combustion engine

1.2.2 產品開發設計

在完成主要的參數計算后，確定顆粒燃燒機的設計輸入，設計整機燃燒能力范圍控制在15~ 70萬大卡，主要確定驅動電機、鼓風機及送料螺桿的型號及參數，以確保燃燒機的燃燒控制，主要控制的參數是生物質顆粒的送料量、鼓風機的風量及燃燒時間，目的是為了實現燃燒溫度及燃燒時間的可控性。運用三維設計軟件Pro/E進行主要零部件的三維建模并進行虛擬裝配以縮短設計開發周期。具體的如圖2所示，該機的結構主要包括機架、調節輪組件、外罩、料斗、送料部件、驅動電機、鼓風機、燃燒盤組件、點火裝置、通風道（配風管）、控制系統等部件，其中機架、料斗和送料組件三者形成可拆分的整體，送料部件的核心元件是安裝在送料圓筒內壁可以自由旋轉的送料螺桿，燃燒盤組件固定在送料部件出料端，其特征是平臺式結構，包括底托架，燃燒平臺，垂直端板等結構，燃燒平臺替代傳統顆粒機的燃燒室或爐膛成為顆粒物料燃燒的平臺，保證了燃燒火焰垂直向上，燃燒充分徹底，并且避免了傳統顆粒燃燒機容易出現的回火現象。

圖2 生物質顆粒燃燒機結構圖Fig.2 The Structure diagram of the Biomass pellet combustion machine

1.3 金屬熱風爐節能改造

噴流式金屬熱風爐是內燃式熱風爐的一種，其主要結構包括爐灶底、爐柵、爐芯、耐火磚、外殼、噴流環、煙環等，工作時依靠鼓風機吹進的空氣與燃燒產生的熱煙氣形成逆流換熱，煙氣在引煙機作用下形成壓差，空氣與煙氣走不同的通道，依靠噴流環及熱風爐內部的高溫實現對空氣的加熱，這一過程是很復雜的傳熱過程，包含對流換熱、熱傳導及熱輻射，計算時一般我們以供熱量表示熱風爐的能力，實際的熱平衡為：燃料產生的熱量QR轉化為熱空氣吸收的熱量△QR、熱損失△Q及煙氣排出的熱量QP，

熱空氣吸收的熱量△Qg近似等于烘干機所需的熱量，供熱量在值理論上等于燃料燃燒產生的熱量和熱效率的乘積即：

其中：Qh為換熱量，單位為kj/h；

η為熱風爐熱效率。

熱風爐換熱量計算公式為：

其中：T1為環境溫度，T2為熱風爐出風口熱風溫度；

qg為空氣質量流量，單位為m3/h；

Cg為干空氣比熱，單位為kj/（kg·℃）。

如公式（1）換熱量Qh其實就等于干空氣的吸收的熱量△Qg，空氣質量流量和煙氣流量可以通過優化通道設計、改變空氣流速、改變引煙速度來控制，實際操作時主要通過鼓風機與引煙機的選型來實現。

燃煤熱風爐的供熱能力主要取決于爐膛容積與爐排面積，熱風爐的供熱量等于煤的總發熱量，而熱效率取決于爐的傳熱效率與換熱能力，傳統柴煤噴流熱風爐熱效率低于70%。換熱面積是熱風爐換熱能力的決定因素，設計中必須考慮熱風爐的換熱面積，在柴煤式熱風爐中，爐膛內表面及爐芯內表面下端必須鑲砌耐火磚來保護熱風爐不被損壞，且必須布置合理的爐柵來控制煤燃燒面積及控制爐膛容積，但這些結構減少了熱風爐的有效換熱面積；如果采用生物質顆粒燃燒機來對熱風爐加熱，因為顆粒燃燒機火焰在爐芯中間垂直向上噴，不會直接對爐芯內壁進行加熱，所以取消內部的耐火磚并且取消爐排（爐柵）的結構，以此加大爐子的換熱面積；如圖3所示，我們對原有的柴煤噴流式金屬熱風爐進行改造，一方面減少不必要的結構如爐柵、清灰門等，降低成本，另一方面取消耐火磚來增加爐芯的換熱面積，并將整個爐子的相應尺寸進行調整。

圖3 熱風爐改造Fig.3 The modification of the hot blast stove

改造后，在相同外形尺寸下，熱風爐換熱面積提高了8.5%，且整機重量降低12%，有效地降低制造成本的同時提高熱風爐熱效率η。

2 匹配性試驗

2.1 試驗

按上文設計方案完成型號為6CSR-70生物質顆粒燃燒機樣機試制并對FP-100A噴流式金屬熱風爐進行節能改造后，對型號為6CHB-20鏈板式烘干機進行聯機試驗如圖4所示，

圖4 試驗方案簡圖Fig.4 Schematic diagram of test scheme

匹配性試驗的主要目的有：（1）驗證生物質顆粒燃燒機匹配20平方烘干機的可行性；（2）在滿足可行性前提下尋求最優即最節能高效的匹配方案；（3）驗證改造后的FP-100A金屬熱風爐的熱效率是否提高。

為此，進行聯機試驗。

試驗一：顆粒機鼓風機風量及熱風爐鼓風機風量（熱風風量）為固定值，測試數據有：顆粒機送料量（換算成輸出熱量）、最高熱風溫度、加熱至最高溫度時間等，并計算對應熱效率。部分數據如表2所示：

表2 不同燃燒值測試值Table 2 The test values of different combustion values

以測試4數據為列，代入公式（1）、（2）、（3）計算得：

一般工況下，20平方茶葉翻板烘干機的熱風溫度控制在150~220℃，如表2所測數據表明在顆粒機燃燒值在50萬大卡、60萬大卡及70萬大卡時均能達到理想的熱風溫度，在燃燒值為50萬大卡時熱效率最高，且升溫時間最短，可見生物質顆粒燃燒機燃燒值控制在50萬大卡時與茶葉烘干機的匹配性最好。

試驗二：顆粒燃燒機燃燒值設定50萬大卡，顆粒機供氧風量為1200 m3/h，環境溫度30℃，改變熱風風量，測量數據有：熱風最高溫度T2，并計算熱效率η。如圖5、圖6所示：

圖5 熱風溫度與風量關系Fig.5 Relationship between hot air temperature and air volume

圖6 熱風風量與熱效率關系Fig.6 Relationship between air volume andthermal efficiency

圖5表明在一定范圍內，隨著熱風風量的增加，熱風溫度呈下降趨勢，熱風風量越大則溫度越低，圖6表明熱風爐熱效率在剛開始隨著風量的增加而增高，且在熱風風量為9000 m3/h時最高其值為77%，隨后風量增加熱效率則呈下降趨勢。

試驗三：顆粒燃燒機燃燒值設定50萬大卡，顆粒機供氧風量為 1200 m3/h，熱風風量為9500m3/h，環境溫度30℃，分別匹配改造前的熱風爐FP-100和改造后的金屬熱風爐FP-100A進行試驗，測試數據有：熱風最高溫度T2，加熱至最高溫度時間t，并計算各自熱效率η。如表3所示：

表3數據說明改造前的最高熱風爐熱風溫度低于改造后的熱風爐，升溫時間反而更長，熱效率計算值也未能突破70%，相對而言，改造后的熱風爐在升溫時間縮短了5 min，表明熱風爐內部的熱傳遞效率更高，熱風最高溫度T2也有明顯的提高。整體熱效率而言，改造后的熱風爐FP-100A也更高。

表3 兩種熱風爐測試對比Table 3 Comparison testing date of the two metal hot blast stove

2.2 結論

匹配性試驗數據表明：

（1）新設計的生物質顆粒燃燒機6CSR-70及改造后的FP-100A金屬熱風爐能夠很好的匹配6CHB-20鏈板式烘干機，可以滿足烘干機對于熱風風量和熱風溫度的要求；

（2）改造后的FP-100A熱風爐匹配顆粒燃燒機熱效率在同等條件下可提高6%左右，達到75.8%。

（3）顆粒燃燒機燃燒值在50萬大卡，熱風風量在9000 m3/h時熱效率最高（達到77%），即最節能，匹配效也最好。

3 結束語

本文采用理論計算結合現場試驗的方法來進行相互驗證，尋求最優即最節能的匹配方案，即為茶葉鏈板式烘干機的能源配套提供即經濟環保又方便高效的解決方案。配套生物質顆粒燃燒機，并對鏈板式烘干機的熱風爐進行節能改造后，可以提高熱效率約6%，生物質顆粒及生物質顆粒燃燒機的使用可以實現茶葉清潔化生產并有效減少勞動強度，降低茶葉生產企業的成本，對于節能型燃料在茶葉生產領域及農村的推廣有重要意義。

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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

中國茶葉加工 2016（6）:37-42

2016-11-15

蔣建江（1963-），男，浙江衢州人，高級工程師，主要從事通用機械及茶葉機械設計開發，主攻空氣壓縮機開發。