CN109645542B - 一种天然气供能的烟叶初烤系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气供能的烟叶初烤系统，包括使用天然气产生热空气的热风炉模块、优化气流流动的烤房模块、回收排湿空气热能的余热利用模块以及自动控制模块，通过全局优化，实现天然气供能且自动化运行的高效烟叶初烤系统，其中排湿和补风以十字方向交叉流动，可以升高补风的温度，节省天然气消耗量，提高了能源利用的效率，减少烟叶初烤过程的燃料成本和劳动力成本，增加农民收入。

Description

一种天然气供能的烟叶初烤系统

技术领域

本发明属于能源利用领域，具体涉及一种天然气供能的烟叶初烤系统。

背景技术

我国是世界上烟草种植面积最大的国家，烤烟产量多年稳居世界第一。田间成熟的烤烟烟叶在采收后必须很快完成其初烤过程，即在烟叶烤房内，在一定的时间和温湿度环境可下进行调制，完成脱水干燥及其它一系列生化反应。

烟叶初烤系统通常有以下的特征：

（1）烟叶初烤需要一定的湿度和温度条件，因此需要外界持续向烤房内输入热空气，使烤房内维持一定的温度，在此温度下，烟叶缓慢脱除水分并完成生化反应，而脱除的水分需要向外界排出。可见，烟叶初烤系统需要外界持续供能，但同时又会因排湿而造成能量损失。

（2）烟叶初烤需要在烟叶采收后的24小时内开始，因此初烤烤房一般都建在烟叶种植区很近的田间或村落，这就决定了初烤烤房数量大（2017年末全国烤烟烤房保有量达到 94.80万座）、规模小（每座烤房每次烘烤量2-4t）。

（3）烟叶初烤的操作者通常都是农民或基层农业科技人员，在一个初烤周期（通常为7天）内，负责初烤的人员需要随时根据实际情况进行温度和湿度的调整，劳动强度比较大。

随着我国对环境保护要求的提高，烟叶初烤系统正逐步淘汰高污染的生物质或燃煤能源，而代之以清洁无污染的电能或天然气。例如，电能可以直接加热或以电力驱动热泵向烤房供能，但我国电力生产的初级能源中煤炭的占比达到3/4强，使用电力只是煤炭的间接使用；电力作为一种高级能源，用其来产生热能是不符合能源分级利用的原则的；电力生产-传输-使用过程中的全流程投入是比较大的，应用于烤房时，通常还需要建设一个变电站，总投资方面也比较大。因此，烟叶初烤系统使用电力，在全社会的宏观角度看并无明显优点。

我国环境保护政策中一个重要的内容就是大力推广使用天然气，因为天然气中产生能量的主体元素是氢，其燃烧后产生的是清洁无污染的水。同时，天然气易于运输，在我国目前已经基本建成全国性天然气管网的前提下，使用天然气进行烟叶初烤的外围投资比较小。在技术上，天然气使用难度小，易于点火和熄火，可以长期稳定的燃烧，而且负荷调整速度快、精度高，作为热能利用的原始燃料，具有非常好的优点。以年周期看，烟叶初烤通常不在天然气负荷最高的冬季，而是在负荷非高峰的春夏秋（由烟叶种植区自然条件决定）三季，因此使用天然气进行烟叶初烤对全国性的天然气负荷平衡也是非常有利的。

烟叶在烤房内发生的复杂过程中，和能量有关的过程是一个湿空气过程。这一过程中，烤房内的湿空气是循环流动的，当烟叶内的水分蒸发脱除时，烤房内的空气温度会下降、湿度会上升，因此需要从外界加热空气使之维持一定温度，同时把一部分高湿度的空气排至环境，并补充等量的低湿空气，使烤房维持一定的湿度。由于排出的高湿空气是高温的，补充的低湿空气是低温的，因此排湿补气的过程会造成很大的能量损失，如果能把排湿空气的能量回收利用，则可以明显降低烟叶初烤过程的能量需求。

烟叶初烤烤房的容积一般在50-100m³之间，空气在烤房内循环时，受流动规律的限制，存在部分区域流速过大、部分区域流速过慢等不均匀情况，因此使烟叶处于不均匀的温湿度环境中，造成烟叶烘烤质量的差异。如果能通过优化使烤房内的气流均匀化，则可降低烟叶烘烤的质量差异，提高成品中高质量烟叶的比例，提高农民的收入。

一个烟叶初烤周期需要一周左右，在这一周内，农民或基层烘烤技术人员需要随时根据烟叶烘烤的情况调整烤房内的温度和湿度，需要频繁地增减燃料和开关排湿装置。因此，烟叶烘烤时农民和基层技术人员的劳动强度是比较大的，劳动力支出也比较大。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种天然气供能的烟叶初烤系统，通过全局优化，实现天然气供能且自动化运行，提高了能源利用的效率，减少烟叶初烤过程的燃料成本和劳动力成本，增加农民收入。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种天然气供能的烟叶初烤系统，包括四个模块：天然气热风炉模块、烤房模块、排湿空气余热回收模块和自动控制模块。该系统设计一次新鲜烟叶装入量为3―4t，根据这一容量确定天然气热风炉、烤房等各模块的参数，各模块的构成和功能如下：

1、天然气热风炉模块：根据计算和试验，系统需要的最大加热功率为45kW左右，因此系统选用了相应功率的燃烧器，即铭牌出力5万大卡的大―小两段火天然气燃烧器。在烟叶烘烤刚开始的快速升温阶段，烤房本体和烟叶升温需要较多的能量，因此燃烧器以大火出力运行；当快速升温阶段结束后，系统需要的热量变少，因此燃烧器以小火出力运行，且还需要间断运行，以保持系统内温度的稳定或以很小的速率爬升。燃烧器产生的热量需要通过一组换热器传递给空气，热空气进入烤房后，使烟叶升温且脱水，热空气降温增湿，然后回到热风炉内再次被加热，而湿度由排湿空气余热回收模块处理。为提高烟气―空气的换热强度、减小换热部分的体积，换热组件采用了板式换热器，且烟气为自上而下流动，空气为自下而上流动，两者构成逆流关系。天然气在燃烧筒内燃烧、在板式换热器内流动时，根据温度高低选用了不同的材料，即燃烧筒为310不锈钢、板式换热器为304不锈钢。为保证烟气自上而下流动，烟气侧选用了一个110W的小型风机，在燃烧期间及燃烧停止的1个小时内，风机持续运行，以保证高温气体不反流至燃烧器进口侧，进而保护燃烧器的点火部分和电气控制部分。

气流优化的烤房模块：系统内烤房的内径尺寸为高3.4m，宽2.7m，长8m，容积为73.33m³，一次可装入3―4t的新鲜烟叶。热空气从一端上部进入烤房，在烤房内加热烟叶后，从同一端下部流出烤房。为保证烤房在8m长度方向和3.4m宽度方向上流动的均匀性，设计制造了气流导流装置。

排湿空气余热回收模块：热空气进行烤房后，使烟叶升温脱水，而离开烤房的空气温度会下降、湿度会上升。为保证循环的进行，天然气热风炉会把空气重新加热，但必须把一部分高湿度的空气排至环境，并补充等量的低湿空气，这样进入烤房的空气为高温低湿，因此恢复了加热烟叶并使之脱水的能力。由于排出的高湿空气是温度比环境温度高很多，补充的低湿空气是环境温度，因此排湿补气的过程会造成很大的能量损失，如果能把排湿空气的能量回收利用，则可以明显降低烟叶初烤过程的能量需求。这一功能由排湿空气余热回收装置完成，该装置为两个独立对称布置的板式换热器，排湿空气和补风以十字方向交叉流动，排湿空气降温，而补风可以升温至接近排湿空气的温度，因此补风在热风炉模块内的升温幅度可以减小，进而节省天然气消耗量。

自动控制模块：在烟叶烘烤过程中，烤房内要按一定曲线维持温度和湿度，温度目标通过天然气燃烧器的运行来实现，湿度目标通过排湿―补风来实现。为减轻烟叶烘烤系统中的劳动强度和人力费用，本系统设计了自动控制系统，能够自动实现温湿度目标，并且保证天然气燃烧器的安全保护功能。

本发明通过设计一种天然气供能的烟叶初烤系统，组合了天然气热风炉、气流优化的烤房模块、排湿空气余热利用模块和自动控制模块，实现了烟叶烤房供能能源的清洁化，以及能源利用的高效率，并且可以提高烟叶烘烤的质量，可以大幅度减轻烟叶烘烤过程的劳动强度和人力费用。具有能源清洁、环境友好、能源利用效率高、烟叶烘烤质量佳、人员劳动强度小、人力费用低的特点，符合社会节能减排、环境友好、提高农民收入的需求。

附图说明

图1是天然气供能的烟叶初烤系统总体示意图。

图2a是图1的A向视图。

图2b是图1的B-B剖面图。

图2c是图1的C-C剖面图。

图3是天然气热风炉模块示意图。

图4是余热回收模块示意图。

图5a是图4主视图。

图5b是图4右视图。

图6a是导流槽示意图。

图6b是分风板示意图。

图7是本发明所述的天然气供能的烟叶初烤系统工作流程示意图。

实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1、图2a、图2b、图2c所示，本发明所述的天然气供能的烟叶初烤系统总体结构包括烟叶烤房1、热风炉2、补风门3、排湿口4、导流槽5、循环风机6、水平导流装置即分风板7、余热回收装置13组成，烟叶烤房1为方形结构，与热风炉2相邻布置，两者通过送风口19和回风口18连通；补风门3布置在热风炉2的下部位置两侧面；排湿口4布置在烟叶烤房1与热风炉2相邻的墙壁的下部位置，两边各布置一个；排湿口4与补风门3垂直，所述余热回收装置13设置在排湿口4与补风门3外侧，余热回收装置的一侧面与排湿口4相连通；一端面与补风门3相连通；另外面均与外部环境相邻；循环风机6选用1.5kW/2.2kW的双速轴流式风机，有大小风两种运行方式，布置在热风炉2的上部位置，该循环风机的出风端朝向烤房1的热风送风口；导流槽5布置在循环风机6的上部，且与烤房1送风口相连通；分风板7布置在烟叶烤房1顶部，与送风口下边缘平齐。

工作流程：经过天然气热风炉2加热后的高温低湿空气在循环风机6作用下，经过导流槽5均流后通过送风口19进入烟叶烤房1的上部空间，热空气在沿水平方向流动过程中，又经过分风板7分流后均匀向下流动，与烟叶进行换热，带走烟叶中的水分。与烟叶进行传热传质后的空气温度降低，湿度增加，经过下部回风口18排出，排出空气分为两部分，一部分经过天然气热风炉2外围空间向上流动，另一部分再次进入天然气热风炉2内部进行加热，随后外围冷风与内部加热后的热风在上部混合，再次通过送风口19进入烟叶烤房1进行新一轮的循环。此过程中为了保证烟叶烘烤质量，烟叶烤房1内需要维持一定的温湿度的动态平衡，因此需要不定时的通过排湿口4进行排湿，相应的需要通过补风门3进行补风，排湿与补风是联动的。

图3是天然气烟叶初烤系统的天然气热风炉模块示意图，主要由天然气燃烧器8、高温燃烧筒9、Ⅰ级换热器10、Ⅱ级换热器11、烟囱12组成。天然气燃烧器8布置在整个天然气热风炉装置侧面的上部，主要是将混合后的天然气和空气喷入高温燃烧筒9；鉴于天然气燃烧温度高，高温燃烧筒9采用310耐热耐高温不锈钢材质，布置在天然气热风炉的上部位置，是天然气燃烧的场所；天然气燃烧产生的烟气从燃烧筒排出后温度有所降低，因此Ⅰ级换热器10和Ⅱ级换热器11均采用304普通不锈钢材质，Ⅰ级换热器10布置在高温燃烧筒9下部位置，Ⅱ级换热器11布置在Ⅰ级换热器10下部位置，从烟叶烤房出来的低温空气及补风的一部分与天然气燃烧产生的高温烟气依次在Ⅱ级换热器11、Ⅰ级换热器10和高温燃烧筒9进行换热；烟囱12布置在Ⅱ级换热器11出口并延伸到外部环境，将加热空气后的低温烟气排出。

主要工作流程：天然气和空气混合后通过燃烧器8喷入高温燃烧筒9，在高温燃烧筒9中剧烈燃烧，产生的高温烟气依次进入Ⅰ级换热器10和Ⅱ级换热器11，在Ⅰ级换热器10和Ⅱ级换热器11中与低温空气进行换热，换热后的低温烟气再经烟囱12排出。

天然气热风炉采用逆流布置，烟气自上向下流动，空气自下向上流动，逆流布置换热温差大、换热系数高，可以大大提高换热效率。

图4、图5a、图5b是天然气烟叶初烤系统的排湿空气余热回收模块示意图，排湿空气的余热回收主要是通过一个余热回收装置13来完成。装置的D面与排湿口相连通；装置的E面与补风门相连通；装置的F和G面均与外部环境相邻。这样的装置在系统中有两套，对称布置在天然气热风炉的两侧。

工作原理：为了维持烟叶烤房内稳定的湿度平衡，当实测湿度大于标准值时，需要进行排湿。方法是开启补风门3，因循环风机6的抽吸作用，外界低湿低温空气（即补风）被吸入，通过余热回收装置13后温度有所升高，成为中温补风进入天然气热风炉2，并由天然气加热后进入烟叶烤房1内。由于补风源源不断的进入，烟叶烤房1内压力增大直至形成室内正压，使高湿空气可以顶开排湿口4的铝百叶装置，排出进入余热回收装置13。在余热回收装置13内，从烟叶烤房1排出的高湿空气与外界进入的低温补风进行热量交换，高湿空气变为低湿空气排出到外界环境中，低湿低温补风升温后成为中温补风经过补风门3进入天然气热风炉。整个过程充分利用了高湿空气的热量加热补风，可以有效减小热损失，提高热利用率，具有节能效果。

需要指出的是：烟叶烤房1内的热空气经过下部回风口18排出，排出的空气一部分经过天然气热风炉2外围空间向上流动，另一部分再次进入天然气热风炉2内部进行加热，随后外围冷风与内部加热后的热风在上部混合，再次通过送风口19进入烟叶烤房1，如图7所示，与此同时排湿口4间歇排出高温湿气也会被补风门3吸入天然气热风炉2内部进行加热，充分利用了排出空气的热量加热补风，提高热利用率；其中烟叶烤房1与热风炉2通过送风口19和回风口18循环是补充热能的主要途径，排湿口4间歇排出的高温湿气的余热利用作为补充热能的辅助途径。

图6a是导流槽5的示意图，导流槽5由一个水平底座14和3个成一定角度排列的竖直挡板构成，布置在循环风机6上部的风道内，且水平底座14固定在扩展段底部。竖直挡板排布形成槽道，使得循环风机送来的热风沿宽度方向均匀的流入烟叶烤房。

图6b是水平导流装置即分风板7的示意图，分风板7是20个宽100mm、厚10mm的一组矩形板，长度和烤房1宽度相同，即2.7m。分风板7布置在烟叶烤房1内上部空间，与送风口下边缘所在水平面平齐。板的材料可以是木制的，也可以是金属的，也可以是能耐一定温度（不超过100℃）的塑料。根据进入烟叶烤房1内热空气流动特性，20个分风板和烤房的两端面形成20个间距，间距的确定是一个复杂的过程，先经过了流体力学的计算，又经过试验结果进行了修正。理论和试验表明，在入口端，进入气流的速度比较大，在远端，因为烤房2垂直墙的阻挡作用，这两端的气体流量比较大，而中段的气流流量反而比较小，因此需要采取措施降低两端流量，增加中段流量。方法就是通过布置水平向的布风板7，在烤房两端减小垂直向的流通面积，使气流流量在中段有所增加。目前采用的布风板7间距参数为：入口端A的7个间距为250mm，中段B的6个间距为417mm，远端C的7个间距为250mm。热空气经过送风口进入烟叶烤房1后，先经过分风板7均流后再进入下部烟叶区域，可以提高烟叶烤房内流场分布均匀性，从而改善烟叶烘烤品质。

图7是自动控制系统的示意图。由天然气供能的烟叶烘烤系统，需要控制的目标参数为烤房内的温度和湿度，这一参数由两组名为干湿球温度计15和16的测量装置测得。需要控制的设备有三个，即循环风机6、天然气燃烧器8和补风门3（排湿口4的开关不需要控制，由烤房内的正压自然顶开）。自动控制系统17预设了烤房内干球温度和湿球温度的运行曲线，通过控制循环风机6、天然气燃烧器8和补风门3的运行状态，可实现烤房内的温度和湿度的自动控制。

运行方式为：

（1） 当烤房1内完成新鲜烟叶的装入后，手动开启循环风机6的大风档，手动开启天然气燃烧器8的大火档，系统以较快的速度升至干球温度的第一目标值，随后手动把循环风机6切换至小风档，而天然气燃烧器8停止运行，并自动进入小火档，接受控制系统的信号来控制干球温度。

（2） 烤房因为散热、或因为烟叶内水分的蒸发、或因为工艺需要提高干球温度时，自动控制系统都会启动燃烧器8的小火，使烤房内的循环空气在天然气热风炉2内加热，直至达到干球目标温度。

（3） 因为烟叶内水分的蒸发，烤房2内的湿度上升，干湿球温度计15和16测得的湿球温度将超过目标值，这时自动控制系统会打开补风门3，补风源源不断的进入烟叶烤房1，直至形成室内正压，使高湿空气顶开排湿口4的铝百叶装置，进入余热回收装置13。这一系列动作实现了高湿空气排出、低湿空气补入以及热能的回收。当湿球温度将降至低于目标值时，补风门3关闭，烟叶烤房1内压力下降，无法顶开排湿口4的铝百叶装置，因此排湿口4也关闭，空气在烤房1和天然气热风炉2进行封闭循环，直至触发补风门3的开启条件。

（4） 以（2）（3）动作的不断进行，烟叶烘烤系统达到最终的干湿球温度目标，完成烟叶烘烤的全过程。

综上所述，本发明通过天然气热风炉模块、烟叶烤房模块、排湿空气余热回收模块和自动控制模块的有机组合，实现了以天然气供能的烟叶烘烤系统，有助于清洁能源使用和环境保护；通过排湿空气的余热回收，有助于提高能源利用效率；通过设计炉内气流的均流装置，实现了烤房内温度湿度的均匀，有助于提高烟叶烘烤的质量；通过自动控制系统，有助于降低劳动强度、减少人力费用。总之，天然气供能的烟叶烘烤系统，和国家节能减排、环境保护、提高农民收入等宏观政策是相符的，具有技术的独特性和先进性。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (9)

1.一种天然气供能的烟叶初烤系统，其特征在于：包括：天然气热风炉模块，气流优化的烤房模块，排湿空气余热回收模块，自动控制模块，所述天然气热风炉模块对烤房进行加热，所述气流优化的烤房模块使热风炉与烟叶烤房通过送风口和回风口连通；热空气从热风炉均匀进入烟叶烤房，所述排湿空气余热回收模块使烤房排湿和热风炉补风以十字方向交叉流动，自动控制模块控制温度与湿度；

所述烤房模块包括烟叶烤房、热风炉、补风门、排湿口、导流槽、循环风机、水平导流装置即分风板、余热回收装置组成，烟叶烤房为方形结构，与热风炉相邻布置，两者通过送风口和回风口连通；补风门布置在热风炉的下部位置两侧面；排湿口布置在烟叶烤房与热风炉相邻的墙壁的下部位置，两边各布置一个；排湿口与补风门垂直，所述余热回收装置设置在排湿口与补风门外侧，余热回收装置的一侧面与排湿口相连通；一端面与补风门相连通；另外面均与外部环境相邻；循环风机布置在热风炉的上部位置，该循环风机的出风端朝向烤房的热风送风口；导流槽布置在循环风机的上部，且与烤房送风口相连通；分风板布置在烟叶烤房顶部，与送风口下边缘平齐；

天然气热风炉模块由天然气燃烧器、高温燃烧筒、Ⅰ级换热器、Ⅱ级换热器、烟囱组成；天然气燃烧器布置在整个天然气热风炉装置侧面的上部，高温燃烧筒布置在天然气热风炉的上部位置，Ⅰ级换热器布置在高温燃烧筒下部位置，Ⅱ级换热器布置在Ⅰ级换热器下部位置，从烟叶烤房出来的低温空气及补风的一部分与天然气燃烧产生的高温烟气依次在Ⅱ级换热器、Ⅰ级换热器和高温燃烧筒进行换热；烟囱布置在Ⅱ级换热器11出口并延伸到外部环境，将加热空气后的低温烟气排出；

排湿空气余热回收模块里排湿空气的余热回收是通过一个方形的余热回收装置来完成；装置的一个侧面与排湿口相连通；与之相对应的另一个侧面与外部环境相邻；装置的一个端面与补风门相连通；与之相对应的另一个端面与外部环境相邻；这样的装置在系统中有两套，对称布置在天然气热风炉的两侧。

2.根据权利要求1所述的一种天然气供能的烟叶初烤系统，其特征在于：系统的工作流程，包括以下步骤：

（1）天然气热风炉模块内的热风炉开启加热，达到设定温度后，自动控制模块控制燃烧器以小火出力运行或间断运行，保持系统内温度的稳定，

（2）热空气经过烟气―空气传热组件与导流槽、分风板进入烤房，热空气自上向下流动，排出的空气自下向上流动，

（3）热空气进入烤房后与烟叶进行换热，带走烟叶中的水分；与烟叶进行传热传质后的空气温度降低，湿度增加，经过下部回风口排出，排出空气分为两部分，一部分经过天然气热风炉外围空间向上流动，另一部分再次进入天然气热风炉内部进行加热，随后外围冷风与内部加热后的热风在上部混合，再次通过送风口进入烟叶烤房进行新一轮的循环；与此同时烤房排湿口会间歇排出高温湿气，烤房排湿口与热风炉补风门垂直，所述排湿口与补风门处设有余热回收装置，外界低温低湿空气经补风门进入余热回收装置后，吸收高温排湿空气放出的热量，以中温补风进入热风炉，加热后进入烟叶烤房进行新一轮的循环。

3.根据权利要求2所述的一种天然气供能的烟叶初烤系统，其特征在于：工作流程所述的烟气―空气传热组件包括Ⅰ级换热器和Ⅱ级换热器。

4.根据权利要求3所述的一种天然气供能的烟叶初烤系统，其特征在于：所述的Ⅰ级换热器和Ⅱ级换热器为板式换热器。

5.根据权利要求2所述的一种天然气供能的烟叶初烤系统，其特征在于：工作流程所述的热风炉上方设有循环风机。

6.根据权利要求2所述的一种天然气供能的烟叶初烤系统，其特征在于：工作流程所述的余热回收装置的一侧面与排湿口相连通；一端面与补风门相连通；另外面均与外部环境相邻；所述余热回收装置有两套，对称布置在热风炉的两侧。

7.根据权利要求2所述的一种天然气供能的烟叶初烤系统，其特征在于：工作流程所述的导流槽由一个水平底座和3个成一定角度排列的竖直挡板构成，所述竖直挡板排布形成槽道，将循环风机送来的热风沿宽度方向均匀的流入烟叶烤房。

8.根据权利要求2所述的一种天然气供能的烟叶初烤系统，其特征在于：工作流程所述的分风板是20个矩形板，分风板布置在烟叶烤房内上部空间，20个分风板和烤房的两端面形成20个间距，入口端7个间距为250mm，中段6个间距为417mm，远端7个间距为250mm。

9.根据权利要求2所述的一种天然气供能的烟叶初烤系统，其特征在于：工作流程所述的烤房内设有两组干湿球温度计，所述干湿球温度计连接自动控制系统，自动控制系统同时连接热风炉与补风门，通过启停热风炉燃烧器的小火档实现干球温度目标，通过开关补风门实现湿球温度目标。