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2020 , Vol. 36 >Issue 10: 140 - 144

DOI: https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb19010042

Research article

Design of Centralized Feed System for Biomass Pellet Fuel and Its Application in Tobacco Leaf Baking

  • Jiang Duzhong , 1 ,
  • Chen Honglang 2 ,
  • He Yang 2 ,
  • Tang Shen 1 ,
  • Nie Xinbai 1 ,
  • Zhang Dawei 1 ,
  • Cheng Qingsong 1 ,
  • Yang Quanliu 1
Expand
  • (1) Yongzhou Branch of Hunan Tobacco Corporation, Yongzhou Hunan 425000
  • (2) Hunan Tobacco Corporation, Changsha 410004

Received date: 2019-01-08

  Request revised date: 2019-06-20

  Online published: 2020-03-19

Supported by

(永烟技(2018)45号)

Copyright

Copyright reserved © 2020. Chinese Agricultural Association. All articles published represent the opinions of the authors, and do not reflect the official policy of the Chinese Agricultural Association or the Editorial Board, unless this is clearly specified.
Fold

Abstract

To explore the efficient application of biomass particle burner in baking workshops or baking barns, a centralized feed system for biomass pellet fuel was designed to realize the automatic supply of biomass particle fuel in baking barns. The results showed that using biomass pellet fuel for heating tobacco curing could control temperature and humidity accurately, and the curing process was easy to be in place, which was conducive to improving the quality of tobacco curing and reducing the energy consumption cost of tobacco curing. The centralized feed system for biomass pellet fuel could realize the automatic supply of biomass pellet fuel in each curing room, and there was no material shortage during the whole baking process. So it could reduce the labor of tobacco leaf curing operation, and cut the labor and cost of tobacco leaf curing.

Key words： tobacco leaf baking; biomass; centralized feed system

Cite this article

Jiang Duzhong , Chen Honglang , He Yang , Tang Shen , Nie Xinbai , Zhang Dawei , Cheng Qingsong , Yang Quanliu . Design of Centralized Feed System for Biomass Pellet Fuel and Its Application in Tobacco Leaf Baking[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2020 , 36(10) : 140 -144 . DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb19010042

0 引言

烟叶烘烤是烤烟生产重要的环节,也是技术性较强、用工较多和劳动强度较大的环节[1,2,3,4,5,6,7]。目前国内推广的密集烤房基本上以煤炭为燃料,热能利用率较低,SO2、粉尘和炭黑等污染物排放量大,对周围环境造成较大污染[8,9,10,11],另外,以煤炭为燃料进行烟叶烘烤温度控制精度较低,烘烤工艺落实较难到位,烤后烟叶存在物质转化不充分、平滑、僵硬和油分不足等现象[12,13,14,15,16,17]。近年来,开展了较多清洁能源及相关设备等方面的研究,生物质颗粒燃料在烟叶烘烤上逐步得以推广,并取得了一定的效果[18,19,20]。肖志新等[21]开展了生物质颗粒燃料密集烤房节能减排效果研究,认为生物质颗粒燃料密集烤房节能减排效果明显;高福宏等[22]开展了生物质能源自动化烘烤对提高烟叶品质方面影响的研究,认为使用生物质燃料进行烟叶烘烤,烤后烟叶在外观质量上,上等烟比例高于常规燃料,其内在品质、评吸质量也更胜一筹;王承伟等[23]开展了新型生物质密集烤房的应用效果研究,认为相较于常规燃煤烤房,生物质烤房提高了烤后烟叶的质量,提高了烤房热效率。随着国内烤烟生产组织形式趋向规模化种植,密集烤房趋向工厂化,以烟农合作社开展的专业化烘烤得到较好的推广[24,25,26],但对集群烤房应用生物质颗粒燃料燃烧机进行集中供料技术研究较少。因此,笔者对生物质颗粒燃料集中供料系统进行设计,以期实现集群烤房专业化烘烤减工降本,提质增效。

1 材料与方法

1.1 试验时间和地点

试验于2018年在湖南省永州市江华县云田烟叶工场进行。

1.2 供试材料

供试品种为‘云烟87’。供试设备为2.7 m×8.0 m的气流上升式密集烤房42座,其中40座采用生物质颗粒燃料燃烧机供热,并安装1套满足40座烤房的生物质颗粒燃料集中供料系统;1座采用生物质颗粒燃料燃烧机供热,独立加料;1座采用一次性加煤非金属供热设备供热。

1.3 试验设计

T1为生物质颗粒燃料集中供料烤房,T2为生物质颗粒燃料独立加料烤房,CK为一次性加煤非金属供热设备烤房。以中部叶和上部叶各1房烟进行试验。

1.4 试验方法

1.4.1 供试烤房选择 在烤房数量50座以上的烘烤工场进行,T1处理为40座生物质颗粒燃料集中供料烤房中的任意1座。
1.4.2 标识烟叶选择 为确保试验的准确性,烟叶装房前选取具有代表性的烟叶并编成12竿（夹）,分为3份,2个处理和对照各4竿（夹）,分别称其鲜重并挂牌记录,然后将标识烟分别挂置在供试烤房装烟室4 m的位置的中层左右各2竿（夹）;烘烤结束烟叶回潮后将其分级进行经济性状分析。
1.4.3 编装烟方法 采用烟夹夹烟,中部叶每夹夹烟质量12 kg左右,装烟378~396夹;上部叶每夹夹烟质量13 kg左右,装烟378~396夹;各处理烤房装烟数量一致。
1.4.4 烘烤方法 T1和T2烘烤工艺为：以1℃/h的升温速度将干球温度升至37~38℃,湿球温度保持35℃,稳温24 h左右,使烟叶叶片发软,变黄7~8成;以0.5℃/h的升温速度将干球温度升至42~43℃,湿球温度保持36~36.5℃,稳温18~22 h左右,使烟叶基本变黄,且凋萎塌架,主脉变软;以0.5℃/h的升温速度将干球温度升至47~48℃,湿球温度保持37~38℃,稳温12~18 h左右,使烟叶小卷筒,主脉变黄;以0.5℃/h的升温速度将干球温度升至53~54℃,湿球温度保持38~39℃,稳温18~22 h左右,使烟叶大卷筒;以1℃/h的升温速度将干球温度升至68℃,湿球温度保持42℃,稳温20 h左右,使烟叶干筋。CK按当地常规烘烤工艺实施。
1.4.5 测定项目 （1）烘烤过程温湿度,通过密集烤房控制仪检测和记录装烟室内的干球温度和湿球温度;（2）烟叶烘烤能耗,记录试验烤房的耗煤量、耗电量;（3）烟叶经济性状,烤后烟叶经专业分级人员分级计算;（4）烟叶常规化学成分,还原糖、淀粉、总氮及氯含量采用连续流动法测定,钾含量采用火焰光度法测定。

2 生物质颗粒燃料集中供料系统设计

2.1 设计要求

2.1.1 可靠性 生物质颗粒燃料供料系统设计时尽可能增加异常检测、系统的容错性,提高系统安全可靠性。
2.1.2 扩展性 在满足当前生产工艺的要求前提下,有足够的扩展空间和扩展能力,能满足不同规模的密集烤房群或烘烤工场。
2.1.3 稳定性 控制技术成熟,系统运行稳定,满足经济、实用、稳定的原则。
2.1.4 通用性 考虑设备使用维护及备件维修的方便性,尽可能选择通用电气产品。

2.2 系统结构

生物质颗粒燃料集中供料系统包括循环管链输送、储料下料回料、自动控制3个模块（图1）,其中循环管链输送模块负责将储料系统中的生物质颗粒按照控制系统的指令输送到每一座使用中的生物质燃烧机料斗中;储料下料回料模块作为生物质颗粒料的存储和系统运行时物料的流量控制;自动控制模块负责全系统的管理,根据使用者发出的指令保证系统的自动运行。

2.3 系统的优点

优化了转角轮组和卸料组件,确保环形通道不堵料。通过余料检测、定时控制及设置保证每台启用的燃烧机料斗不会出现缺料现象。设计了松紧机构,对输送链条的松紧进行适当调节,便于输送链条的平稳运动。设计了颗粒燃料转接装置,使储存塔中的燃料顺利转移至输送链条,确保给料顺畅。控制器兼具全自动控制方式和手动控制方式,系统集多参数采集和实时控制为一体,支持多个生物质燃烧机进行自动集中供料,控制送料精准。

3 结果与分析

3.1 不同处理的烘烤工艺

从图2~3可以看出,采用生物质颗粒燃料供热的T1和T2处理在烘烤过程中温湿度与工艺设置比较吻合,CK在烘烤过程中温湿度有一定的变幅,特别是中部叶烘烤时,干球温度在54℃左右时出现忽高忽低的现象。

3.2 不同处理能耗情况

从表1可以看出,采用生物质颗粒燃料供热进行烟叶烘烤,千克干烟耗料量较燃煤烤房的耗煤量略低,可能与生物质燃烧机的燃烧效率和热量利用率较高有关。中部叶烘烤能耗成本以T1最低,CK较高,T1的千克干烟烘烤能耗成本较CK降低0.05元,降低了3.60%,T2的千克干烟烘烤能耗成本较CK降低0.02元,降低了1.44%。上部叶烘烤能耗成本以T1和T2的能耗相同,均低于CK,T1和T2的千克干烟烘烤能耗成本较CK降低0.05元,降低了4.24%。
图1 生物质颗粒燃料集中供料系统示意图

1.抖式提升机;2.转角轮,3.料塔,4.输送管,5.主机,6.星型给料器,7.塞盘料线转接抖,8.操作电箱,9.生物质燃烧机,10.落料器,11.盘塞链条,12.红外线感应器

图2 中部叶不同处理烘烤过程温湿度情况
图3 上部叶不同处理烘烤过程温湿度情况
表1 不同部位各处理的烘烤能耗情况
部位 处理 干烟总质量/kg 电耗成本/kWh 耗料成本/kg 千克干烟烘烤能耗成本/(元/kg)
耗电总量 千克干烟耗电量 耗料总量 千克干烟耗料量
中部叶 T1 529.2 235 0.44 608.8 1.15 1.34
T2 518.4 233 0.45 609.5 1.17 1.36
CK 525.2 248 0.47 625.3 1.19 1.39
上部叶 T1 608.2 215 0.35 602.3 0.99 1.13
T2 615.6 218 0.35 611.3 0.99 1.13
CK 604.9 223 0.37 626.8 1.04 1.18

注：生物质颗粒和煤价均为900元/t,电价为0.68元/kWh。

说明利用生物质燃烧机进行烟叶烘烤,能提高生物质颗粒燃料的燃烧效率,热量利用率较高,有利于降低烟叶烘烤的能耗成本。

3.3 不同处理的经济性状

从表2可以看出,中部叶各处理的上等烟比例以T1最高,依次为T2和CK;均价以T1最高,依次为T2和CK;T1较CK上等烟比例提高了8.48个百分点,均价提高0.95元/kg,提高了3.56%;T2较CK上等烟比例提高了2.56个百分点,均价提高0.77元/kg,提高了2.89%。上部叶各处理的上等烟比例以T1最高,依次为T2和CK;均价以T1最高,依次为T2和CK;T1较CK上等烟比例提高了3.61个百分点,均价提高1.61元/kg,提高了6.99%,T2较CK上等烟比例提高了2.44个百分点,均价提高0.95元/kg,提高了4.13%。
表2 不同部位各处理的经济性状
部位 处理 上等烟比例/% 中等烟比例/% 均价/(元/kg)
中部叶 T1 82.03 14.07 27.61
T2 76.11 19.90 27.43
CK 73.55 22.31 26.66
上部叶 T1 81.43 17.50 24.64
T2 80.26 13.56 23.98
CK 77.82 14.86 23.03

注：以上数据是通过专业分级队分级的结果。

说明利用生物质燃烧机进行烟叶烘烤,有利于提高烟叶烘烤质量,可能与利用生物质颗粒燃料供热温湿度控制较为准确,烘烤工艺容易到位有关。

3.4 不同处理的化学成分

从表3可以看出,3个处理的化学成分均较为协调,不同部位烟叶各处理中淀粉含量以CK较高,T1较低,中部叶T1的淀粉含量较CK降低了1.71个百分点,T2的淀粉含量较CK降低了0.95个百分点;上部叶T1的淀粉含量较CK降低了1.32个百分点,T2的淀粉含量较CK降低了1.05个百分点。可能与T1和T2的烘烤工艺比较到位,在干球温度42℃和43℃稳温时间较长有关。
表3 不同处理烤后烟叶的化学成分 %
部位 处理 还原糖 烟碱 总氮 氯 钾 淀粉
C3F T1 24.6 2.57 1.90 0.17 2.48 4.20
T2 22.3 2.54 1.86 0.23 2.39 4.96
CK 23.6 2.68 1.87 0.15 2.39 5.91
B2F T1 21.6 3.26 2.23 0.29 2.30 5.12
T2 19.5 3.37 2.53 0.28 2.35 5.39
CK 17.5 3.40 2.64 0.27 2.34 6.44
说明利用生物质燃烧机进行烟叶烘烤,烟叶烘烤过程中的关键温度点稳温控制较为到位,有利于烟叶大分子物质的充分降解,改善烟叶的内在质量。

3.5 不同处理的用工情况

从表4可以看出,T1减工降本的效果最为明显,依次是T2和CK,采用集中供料系统,一天只需将料仓装满一次,料仓装满质量为5 t左右,一次装满所需时间约为2 h,即可满足40座烤房烘烤用燃料,平均每座烤房用时约为3 min。T1平均每座烤房烘烤司炉用时约为22 min,T2平均每座烤房烘烤司炉用时约为42 min,CK平均每座烤房烘烤司炉用时约为110 min,T1司炉用工是T2的52.38%,CK的20.00%,T1平均司炉用工成本较CK降低135.00元/hm2,降低了60%;T2平均司炉用工成本较CK降低75.00元/hm2,降低了33.33%。
表4 不同处理烘烤用工情况
处理 运料时间/<break/>min 点火 添料 控火时间/<break/>min 出渣时间/<break/>min 单个司炉工<break/>可管理烤房/座 司炉工费用/<break/>元 用工成本/<break/>(元/hm2)
方式 时间/min 方式 时间/min
T1 15 自动点火 2 自动供料 0 0 5 50 6000 90.00
T2 30 自动点火 2 倒入料斗 5 0 5 30 6000 150.00
Ck 30 人工点火 10 一次性装煤 40 10 20 20 6000 225.00
说明采用生物质颗粒燃料集中自动供料装置,能实现各烤房生物质燃烧机的自动供料,有利于降低烟叶烘烤司炉操作用工。

4 结论

（1）利用生物质颗粒燃料供热进行烟叶烘烤,在烘烤过程中温湿度控制比较精准,基本与设置的烘烤工艺曲线吻合,烘烤工艺较易到位;有利于提高烟叶烘烤质量,其上等烟比例和均价均有不同程度的提高,烤后烟叶化学成分更趋协调,淀粉含量有所降低。
（2）利用生物质颗粒燃料供热进行烟叶烘烤,热量利用率较高,有利于降低烟叶烘烤的能耗成本。
（3）生物质颗粒燃料集中供料系统,能实现各烤房生物质燃烧机的自动供料,整个烘烤过程中不会出现料斗缺料现象,降低烟叶烘烤司炉操作用工,且操作简单,有利于烟叶烘烤的减工降本;同时,防止了烘烤过程中因加料不及时造成掉温现象,确保了烟叶烘烤质量。

5 讨论

（1）目前烟叶烘烤生物质颗粒燃烧机的推广应用较为分散,不利于生物质颗粒燃料集中供料系统的应用。因此,将生物质颗粒燃烧机应用进行合理布局,探索在烘烤工场或烤房群应用生物质颗粒集中供料系统,实现多座烤房自动加料,降低烟叶烘烤用工。
（2）条件较好的烟农合作社可以建设生物质颗粒燃料生产线,并与生物质颗粒燃料集中供料系统配套,进一步降低烟叶烘烤的能耗和用工成本,促进烟农增收。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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