生物质碎片燃料烤房流场分析及烤后烟叶质量影响研究_薛国辉.pdf

24 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；中国烟草总公司云南省公司科技计划项目（）作者简介：薛国辉（），男，山西朔州人，硕士研究生，主要从事热泵烘烤及建筑节能相关研究。通讯作者：罗会龙（），男，博士，教授，主要从事热泵烘烤及建筑节能相关研究。：。生物质碎片燃料烤房流场分析及烤后烟叶质量影响研究薛国辉，飞 鸿，黄智华，罗会龙，崔国民，刘兆宇，田雨薇（昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明；云南省烟草农业科学研究院，云南 昆明；云南省烟草公司 玉溪市公司，云南 玉溪）摘 要：传统烟叶调制造成了严重的生态环境问题，而生物质成型颗粒燃料原料的收集、贮存、运输难度大及成本较高成为了制约生物质烤房推广和发展重要因素。为推进烤烟绿色低碳循环发展，提出了一种烟秆碎片烘烤烟叶的生物质碎片燃料密集烤房工艺。基于装烟室建立数据模型，通过 软件对其烘烤时流场进行系统分析并通过试验验证。模拟结果表明装烟室内温度及速度分布较均匀，不同阶段上下层烟叶平均温差在 左右，叶间风速平均为 ，上下层叶间风速平均差值为 ，试验结果显示温度和速度的相对误差小，模拟数据可用来做流场系统分析，且烤后烟叶均价提升了 元，生物质碎片燃料可替代煤炭完成烟叶烘烤，具有广阔的应用前景。关键词：烟叶烘烤；生物质能；密集烤房；能源；数值模拟中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；新能源与储能DOI:10.16189/ki.nygc.2023.01.003 年，第 期 25 引 言煤、石油、天然气等化石能源的大量生产和消耗在助推世界经济快速增长的同时，也带来了严重的环境污染问题。据相关研究表明，在我国有空气质量监测系统的 个城市中可吸入颗粒物的平均浓度是世界卫生组织准则的 倍。由于严重的环境污染，我国北方居民的平均寿命将预计减少大约 岁。年 月，国家发改委明确要求要“大力调整能源结构，实施可再生能源替代行动”，将可再生能源发展确定为落实双碳目标的优先行动领域。中国作为世界上烤烟种植面积最大的国家，推进烘烤能源低碳化和去碳化，寻找高效、清洁、低碳、环保的可再生能源替代煤炭烘烤烟叶是亟待解决的问题。生物质能作为一种节能高效的零碳能源在烟草调制领域具有巨大的应用前景。王建安等将生物质挤压成型烘烤烟叶，可精确控制烤房内温度，提高中上等烟叶比例；高福宏等研究表明生物质燃料烘烤后的烟叶在外观质量、内在品质、评吸质量均优于常规燃料；宋朝鹏等研究发现，生物质能烘烤烟叶节能减排效果显著，在生态环境保护方面比煤炭具有更大的优越性。然而，生物质原料的收集、贮存、运输难度大，以及供给不稳定、价格昂贵，也制约着生物质颗粒燃料密集烤房的推广。针对上述问题提出一种生物质碎片燃料密集烤房工艺，以装烟室为对象建立计算流体（）模型，通过 软件数值求解与试验测试相结合的方式分析此烤房变黄、定色、干筋期的流场分布规律，并与燃煤烤房在烟叶烘烤成本及经济效益指标进行对比分析，为生物质碎片燃料密集烤房的推广提供理论依据。材料与方法 烤房物理模型以云南省玉溪市气流下降式生物质密集烤房建立物理模型，装烟室长宽高净空规格尺寸为 ，两仓三台，可挂三层鲜烟叶。进出风口的规格均为 ，烤房物理模型如图 所示。图 烤房物理模型图 烤房数学模型 模型建立及网格划分以生物质碎片燃料密集烤房的装烟室为原型，采用 的前处理软件 建立装烟室数学模型，考虑到装烟室内流场的多变性，为使计算结果精确，选用 软件进行非结构化网格划分处理。网格划分后的装烟室数学模型如图 所示，网格数为，平均网格质量为，符合模拟要求。为简化计算，做出以下合理假设：（）本次数值分析只考虑热空气与烟叶的热湿交换，换热过程仅涉及对流换热，不考虑烟叶内部生物化学反应对流场的影响；（）装烟室内的热气流视为不可压缩的理想气体，上中下三层烟叶烘烤区域气流为层流；（）把装烟室内的烟叶视为一种连续的多孔介质，孔隙率设置为 。基于以上假设，进行烤房内部的流场分布数值模拟。图 烤房装烟室数学模型新能源与储能 26 参数设置进风口设置为速度入口边界，出风口设置为压力出口边界，进风口风速方向水平向右，变黄期和定色干筋期分别设置为 和 ，湍流强度；工作环境的大气压为 ，出风口为；烤房四周及屋面采用聚氨酯复合板保温隔热，对流传热系数设置为 （）；因要研究装烟室内流场分布，为保障结果计算精确，湍流模型采用，数值计算方法采用 算法。控制方程组密集烤房内热空气不断与烟叶发生热湿交换，烟叶内部的水分不断被蒸发伴随着湿热空气被排出装烟室外，同时又有新的空气被加热参与热湿交换，流体在多孔介质内的复杂流动均遵循如下的质量、动量及能量守恒方程。（）质量守恒方程（）（）（）（）式中：为密度，；为时间，；、为空间中，和 三个方向相对应的长度，；、为速度矢量 在，和 三个方向相对应的速度分量，；为水蒸气质量源项，（）。（）动量守恒方程（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为速度矢量，；为流体作用在微元体上的压力，；为流体的动力粘度，（）；、分别代表，和 三个不同方向上对应的广义源项，在此为动量源项，表示热气流经过烟叶时所受到的粘性阻力和惯性阻力，其表达式如下：|（）（）|（）（）|（）（）式中：一般取。（）能量守恒方程（）（）|（）式中：为温度，；为流体的传热系数，（）；是比定压热容，（）；为流体由于粘性阻碍作用机械能转换为热能的部分，本次分析表示为热空气流经烟叶时受到粘性阻力作用而产生的热量，。能量守恒方程也可写为：（）（）（）（）（）（）（）式中：为流体所具有的总能量，；为烟叶所具有的能量，；为热空气的密度，；为烟叶密度，；是烟叶的孔隙率，本次分析孔隙率为 ；是流体的温度，；为第 种成分的热焓，；为切应力张量，；为流体焓源项，（）。为烟叶的有效传热系数，（）；为流体的热导率，（）；为烟叶的热导率，（）。结果与分析 装烟室温度场分析烟叶烘烤的实质是内部水分迁移导致的淀粉降解、还原糖生成等一系列酶促反应，因此合理的温度调控对烟叶的外观质量、内在品质有着决定性的作用。本次模拟选取第 小时（变黄期）、小时（定色期）、小时（干筋期）三个代表性的时间节点来对不同截面的温度云图进行分析。由图 的 截面可知，最高温度 出现在进风口区域，的温度区域占比达到左右。最低温度 出现在与围护结构相接触的极小一部分区域，低温区域出现在装烟室中后部，为，竖直方向上温度分布呈现进风口向装烟室门底部逐级递减的趋势。由、截面云图可知，竖直方向 平面上从进风口到装烟室门高温区域从 降为，整体上前部温度大于中后部温度。而、截面显示上中下层烟叶烘烤区域的平均温度分别是 、，上下层烟叶平均温差为。烘烤到达定色期时（见图）温度分布及梯度变化与变黄期类似，整体来看高温区域部分明显新能源与储能 年，第 期 27 增加，的温度区域占比达到 左右，相比变黄期的高温区域增加了，、截面的云图也显示从进风口到装烟室门高温区域增加到了 和。定色期上中下层烟叶烘烤区域的平均温度分别是 、，上下层烟叶平均温差为 ，整体来看定色期温度分布较变黄期更均匀。图 变黄期温度分布云图图 定色期温度分布云图到达干筋期后温度分布很均匀，图 截面显示 的温度区域占比达到 以上，、截面的云图显示高温区域占比分别为、和，此时上中下三层烟叶的平均温度分别是 、，上下层烟叶平均温差为 。根据上述情况分析认为，热空气被轴流风机送到进风口后，由于烟叶的阻碍作用，迅速充满顶部区域且无较多的热量损失，因此顶部区域温度最高。之后热空气与中上层烟叶热湿交换后，携带着一部分水蒸气往下层烟叶区域流动，此时有较多的热量损失，且动能有所下降，水蒸气积聚在装烟室后部暂时无法被新鲜的热空气排到室外，因此上中下三层烟叶区域温度逐级递减，装烟室门底部区域温度较低。图 干筋期温度分布云图 注：为竖直方向上温度分布云图（），、为水平方向上三层烟叶烘烤区温度分布云图（、），、为竖直方向上竖直方向 平面上从进风口到装烟室门的温度分布云图（、）装烟室速度场分析合理的叶间风速和气流组织可有效提高烟叶香气及外观质量，增加经济收益。速度场模拟依然选取第 小时（变黄期）、小时（定色期）、小时（干筋期）三个代表性的时间节点的云图进行分析。图 截面代表不同时期竖直方向（）的速度分布云图，而 截面代表此时期的速度矢量图，速度矢量的疏密程度和箭头方向反映某一区域的气流组织分布。整体来看，在变黄、定色和干筋期装烟室风速及气流组织分布规律一致，装烟室顶部和底部的风速大于叶间风速。由图 可知，热空气经轴流风机送到进风口的速度为 ，此时由于风速较大，热气流迅速填满装烟室顶部空间，形成一个椭球形的速度梯度，到达顶部靠门区域时速度约为 。在重力作用下热气流流向烟叶区域，模拟结果显示叶间风速分布较均匀，变黄期上中下层烟叶间平均风速为 、。装烟室最大风速 ，出现在底部靠近出风口区域，这是由于装烟室内风机作用形成的正压与出风口形成的压差使得越靠近出风口速度越大，由 截面可知此时的气流组织也较强。定色期（见图）与变黄期速度分布基本一致，顶部的高风速区域进一步加大，上中下层烟叶间平新能源与储能 28 均风速为 、。底部最大风速为 。干筋期（见图）与定色期叶 间 风 速 相 近，叶 间 风 速 从 上 到 下 分 别 是 、，定色和干筋期叶间风速与王勇军和王战仪的研究结果一致，说明模拟效果较好，可真实反映实际烘烤情况。图 变黄期速度分布云图图 定色期速度分布云图图 干筋期速度分布云图 模拟数据与试验数据验证分析上述模拟结果显示，温度场与速度场的模拟数值满足烟叶烘烤的要求，接下来通过实际烘烤试验来验证其 数据在第 小时（变黄期）、小时（定色期）的可靠性。如图 所示，烘烤前在数字位置处安装温度传感器，并与烤房外的数据采集器相连接，用于收集实测温度数据。由于试验条件有限，全程测量烤房的风速有些困难，试验中采用热敏风速仪测量烤房空载时装烟室 号相对应顶部位置的风速。温度数据整理如表 所示，除了 号和 号位置定色期的误差偏大外，其余位置绝对误差均在 以内，整体来看平均绝对误差为 ，平均相对误差为。表 显示顶部区域 号监测点误差较大，其余监测点速度绝对误差值均在 以内，平均相对误差为 。通过试验验证发现实测值与模拟值差距较小，拟合效果较好，本次模拟生物质碎片燃料密集烤房的流场分布可靠性较高。图 烤房传感器布置图表 变黄定色期温度值数据对比传感器时期温度 模拟值试验值绝对误差 相对误差 变黄 定色 变黄 定色 变黄 定色 变黄 定色 变黄 定色 变黄 定色 变黄 定色 变黄 定色 变黄 定色 新能源与储能 年，第 期 29 表 变黄定色期速度值数据对比相对应位置时期速度 模拟值试验值绝对误差 相对误差 变黄 定色 变黄 定色 变黄 定色 变黄 定色 变黄 定色 烤后烟叶质量分析烤后烟叶的成本及经济效益是烟叶外观质量品质的核心体现指标，也是烤房能否推广的决定性因素，现对生物质碎片燃料密集烤房烘烤时人工成本、烘烤成本及燃料费用、烤后不同等级烟叶价格折合成单位干烟价格进行对比，并与当地燃煤烤房烤后烟叶的平均值做对比分析（见表）。结果表明生物质碎片燃料密集烤房在烟叶均价提升了 元 的同时，成本降低了 元，这与赵浩宾的研究结果一致。说明生物质烘烤后的烟叶外观品质要优于燃煤烤房，具有广阔的应用前景。表 烤后烟叶经济效益分析单位：元 烤房单位干烟成本单位干烟均价单位干烟净收益燃煤 生物质碎片 讨 论烟叶烘烤是一场复杂的生物化学反应过程，随着叶片内淀粉等有机物不断消耗和转化成还原糖，烟叶的香气逐渐积累。在此期间合理的流场分布就成为提高烟叶总氨基酸含量和提升烟叶品质、化学组分协调性的关键性影响因素。根据本次模拟结果及试验验证可知，生物质碎片烤房温度及叶间风速分布较均匀，烘烤不同阶段上下层烟叶平均温差在 左右，叶间风速平均为 ，上下层叶间风速平均差值为 ，满足烟叶烘烤要求，试验后的烟叶均价较燃煤烤房提升了 元，也从侧面反映了生物质碎片燃料密集烤房可有效提高烟叶外观质量。我国每年耗费约 万 万 煤炭用于烟叶烘烤，产生有害气体 万 万，并产生大量的固体尘埃颗粒。随