Bewertung der thermischen Effizienz und des Emissionsminderungspotenzials von Alkohol

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 13301 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Bisher sind Kohle, Erdöl und Erdgas immer noch die am häufigsten verwendeten Brennstoffe, und die bei ihrer Verbrennung entstehenden Emissionen von SO2, NOX und Feinstaub haben erhebliche Auswirkungen auf die Luft. Daher ist es notwendig, einen sauberen Kraftstoff zu entwickeln. In dieser Studie waren die Scheunen für die Massenhärtung mit unterschiedlichen Brennstoffgeräten ausgestattet, Scheune A verwendete traditionelle Kohleheizgeräte; Scheune B verwendete integrierte Heizgeräte für Biomassebriketts (BBF); Scheune C ist mit Heizgeräten für alkoholbasierte Brennstoffe (ABF) ausgestattet. Die Temperatur der Außenfläche der Heizanlage, die Abgase des Schornsteins sowie die Aushärtungswärmeeffizienz und der Energieverbrauch wurden analysiert. Verglichen mit der Scheunen-BBF und der Scheunenkohle kann die Scheunen-ABF die höchsten Temperaturanforderungen für die Aushärtung von flue-cured-Tabak von 68 °C erfüllen. Die Genauigkeit der Ziel-Trockentemperaturkurve (DBT) während der Aushärtung von flue-cured-Tabak betrug 93,4 %. Gleichzeitig betrugen die Emissionen von CO2 und CO bei der ABF-Verbrennung 40,82 % bzw. 0,19 %. Im Schornsteinabgas wurden jedoch keine Emissionen von NOX, SO2 und H2S festgestellt. Im Vergleich zum Stall-BBF und zur Stallkohle wurde der thermische Wirkungsgrad der Stall-ABF-Heizgeräte im Stall um 44,78 % bzw. 86,28 % gesteigert. Darüber hinaus wurde der CO2-Ausstoß pro Kilogramm Trockentabak um 19,44 % bzw. 45,28 % reduziert. Daher kann die Scheunen-ABF im Vergleich zu Scheunenkohle und Scheunen-BBF Temperaturänderungen genauer steuern und weist einen offensichtlichen Vorteil beim Umweltschutz und der Wärmenutzungseffizienz auf.

Flue-Cured-Tabak (FT) ist eine der am häufigsten angebauten Tabaksorten in China. Im Prozess der FT-Produktion ist die Tabakhärtung (TC) immer noch der energieintensivste Schritt und macht mehr als 80 % der im Produktionsprozess von TC1,2,3 verbrauchten Energie aus. Gleichzeitig ist Kohle in den meisten FT-Produktionsgebieten nach wie vor der bevorzugte Brennstoff für die Härtung, und mehr als 95 % der Massenhärtungsställe verwenden Kohle für TC. Der jährliche Kohleverbrauch ist hoch, bei der Trocknung von 1 kg trockenem Tabak werden 1,5–2,0 kg Kohle verbraucht. In China werden jedes Jahr etwa 3–4 Millionen Tonnen Kohle für TC benötigt4,5. Allerdings werden die Emissionen, darunter CO2, SO2, NOX und Feinstaub, bei der Kohleverbrennung in großem Umfang freigesetzt, was zu einer erheblichen Umweltverschmutzung führt6,7. Etwa 4–5 t Rauch und Staub, 160–220 t CO2, 3,4–5,6 t SO2 und 1,6–2,8 t NOX werden in einer Gruppe von 20 großen Pökelställen während der TC-Saison emittiert8. Die jährliche TC dauert von Juli bis September. Während der Reifezeit entstehen große Mengen Rauch und Ruß rund um die Scheune, was große negative Auswirkungen auf das Wachstum und die Qualität der umliegenden Feldfrüchte hat und die Gesundheit von Mensch und Tier beeinträchtigt, was zu chronischen und akuten Gefahren führt Gefahren und unsichtbare Gefahren9. Darunter können Rauch und Ruß mit den Eigenschaften einer langen Verweildauer in der Atmosphäre und einer langen Transportdistanz Dunst verursachen10. Darüber hinaus ist Kohle eine nicht erneuerbare Ressource, und bei der Kohleverbrennung gibt es viele Probleme, wie z. B. unzureichende Verbrennung, hohe Abgastemperaturen aus dem Schornstein und einen langsamen Temperaturanstieg, der zu einer Verschlechterung der Qualität der FT-Blätter führt. Daher ist die Einführung sauberer Energie für Energieeinsparung, Umweltschutz und TC von großer Bedeutung.

Alkoholbasierter Kraftstoff (ABF), eine Art flüssiger Kraftstoff auf Basis von Alkoholen (Methanol CH3OH, Ethanol C2H5OH, Butanol C4H9OH), wird aus der Fermentation von Biomasse und fossilen Brennstoffen wie Kohle, Erdöl und Erdgas gewonnen. Er wird von vielen Ländern als neue Art erneuerbarer Kraftstoffe anerkannt11,12,13,14. Aufgrund der allmählichen Erschöpfung der petrochemischen Energie ist ABF die potenziell größte neue alternative Energie. Im Prozess der landwirtschaftlichen Produktion stehen reichlich Biomasseressourcen wie Mais, Stroh und Zuckerrüben zur Verfügung. Mit der Entwicklung der Synthese der ABF-Technologie unter Verwendung von Nicht-Getreide-Biomasse als Rohstoff (einschließlich Fermentation oder Vergasung mit anschließender Verarbeitung von Synthesegas) wurde die Entwicklung der Biomasse-ABF erheblich verbessert15,16,17,18. Daher wird erwartet, dass ABF mit den Vorteilen eines hohen Verbrennungswärmewerts, eines niedrigen Preises, sauberer und umweltfreundlicher, breiter Anwendungsbereiche, Sicherheit und Zuverlässigkeit zu einer neuen Energieart wird, die fossile Brennstoffe ersetzt19. Da ABF im Vergleich zu Kohle, Kohlenteer, Schweröl, Diesel, Benzin und anderen Kraftstoffen während des Verbrennungsprozesses selbst Sauerstoff liefert, ist ABF der am gründlichsten verbrannte Kraftstoff. Die Verbrennungsemissionen von ABF bestehen hauptsächlich aus H2O und CO2, und die Abgasemissionen sind mehr als 80 % niedriger als die von Flüssiggas. Es ist der sauberste, umweltfreundlichste und zukunftsträchtigste Kraftstoff. Derzeit wird ABF häufig in Motorkraftstoffen, industrieller Stromerzeugung und Heizung eingesetzt20,21. Insbesondere können Kraftstoffe auf Alkoholbasis mit Diesel- und Biodieselkraftstoffen zu hervorragenden gemischten Kraftstoffen für Industrie und Transport gemischt werden, wobei Butanol den Verbrennungszustand des mit Diesel gebildeten gemischten Kraftstoffs erheblich verbessern kann und gute Auswirkungen auf die Verbesserung der Temperaturkontrollfähigkeit hat Reduzierung der CO- und NOx-Emissionen22. Kilic et al.23 zeigten, dass die Verbrennungseffizienz verbessert werden kann, wenn ein geringer Butanolgehalt (bis zu 30 %) mit Diesel in Flammrohrkesseln zu Kraftstoff verarbeitet wird, was positive Aussichten auf eine Reduzierung der Emissionen und eine Verbesserung der Verbrennungseffizienz hat.

Mit dem zunehmenden Bewusstsein für Energieeinsparung, kohlenstoffarme Entwicklung und Umweltschutz gab es viele Studien zu den verschiedenen Brennstoffen für TC und konzentrierte sich hauptsächlich auf Biomassebrennstoffe, Wärmepumpen, Biogas und Solarenergie24,25. Allerdings gibt es auch gewisse Mängel. Beispielsweise kann die Nutzung elektrischer Energie zu einer übermäßigen Belastung des Netzes und hohen Förderkosten führen; Solarenergie wird durch Wetterfaktoren beeinflusst und kann den ganzen Tag über nicht kontinuierlich heizen und kann nur als zusätzliche Wärmequelle genutzt werden; Der BBF hat eine niedrige Energiedichte, es kommt im Verbrennungsprozess immer noch zu Ascheansammlungen, Verschlackung und Teerproduktion4,26,27. Daher werden saubere Energie-ABF nach und nach in der TZ-Forschung eingesetzt. Allerdings befindet sich die Anwendung von ABF auf TC in China noch im vorläufigen Explorationsstadium. Obwohl es im Ausland eine perfekte ABF-Härtungsausrüstung gab, kann diese aufgrund des Produktionsstatus von TC in China, der Struktur des Massen-Härtungsstalls und des spezifischen Härtungsprozesses nicht an die örtlichen Gegebenheiten angepasst werden. Wir gehen davon aus, dass der Einsatz von ABF die Temperatur genau steuern kann und im Vergleich zu Kohle und BBF offensichtliche Vorteile beim Umweltschutz und der Wärmenutzungseffizienz bietet. Basierend auf den Aushärtungsbedingungen in China und den Eigenschaften von ABF ist daher die Entwicklung einer Reihe integrierter ABF-Aushärtungsgeräte zur effizienten Nutzung der ABF-Energie und zur Bereitstellung ausreichender Wärme für die Aushärtung von Bedeutung. Gleichzeitig kann es auch die Probleme der Umweltverschmutzung erheblich reduzieren und theoretische Grundlagen und technische Unterstützung für eine nachhaltige Entwicklung für die Forschung und Anwendung von Heizgeräten in Tabakanbaugebieten und den Trocknungsprozess anderer Agrar- und Nebenerzeugnisse bieten.

Im Jahr 2009 wurden von China Tobacco die grundlegende Form und Struktur der mit Kohle erhitzten Luftaufstiegs- und Luftabfall-Massenhärtungsscheune festgelegt. Die ABF-Ausrüstung wurde so konzipiert, dass sie auf der Grundlage des ursprünglichen Kohle-Härtungsstalls und der Eigenschaften von ABF verbessert wurde (Abb. 1). ABF wird von Yunnan Xianfeng Chemical Industry Co., Ltd. geliefert. Die Dichte von ABF beträgt 791 kg/m3, der untere Heizwert beträgt 23,36 MJ/kg, der Flammpunkt beträgt 11 °C, die Zündtemperatur beträgt 385 °C Der Alkoholgehalt beträgt 70 %. Die Wärmezufuhr erfolgt nach folgenden Formeln.

Aushärtender Tropfen alkoholbasierten Kraftstoffs in großen Mengen. (a) Gasflussdiagramm. (b) Hauptausrüstungsverteilung.

Der thermische Wirkungsgrad (η) des Aushärtungsstallsystems wird durch Gleichung ausgedrückt. (1), das die Effizienz der Kraftstoffnutzung widerspiegeln kann,

Dabei ist m1 (kg) die Menge an frischem Tabak pro Trocknung, m2 (kg) die Menge an trockenem Tabak pro Trocknung und CW die Wasserverlust-Energiedissipationskonstante der Tabakblätter während der Trocknung, deren Wert 2,6 × 103 kJ beträgt /kg, m3 (kg) ist die Menge des Kraftstoffverbrauchs und Q2 (KJ/kg) ist der Heizwert der ABF-Verbrennung28.

Q1 (KJ/h) ist der maximale Energieverbrauch pro Stunde, pro Charge und pro Massenpökelstall, gegeben durch Gleichung. (2).

Dabei ist α (%) die Wasserverlustrate der Tabakblätter nach dem Aushärten, die sich aus der Differenz zwischen frischem Tabak und trockenem Tabak pro Reiferaum ergibt, und β (%) ist die maximale Wasserverlustrate der Tabakblätter pro Zeiteinheit während des Aushärtens , der durch den Vergleich der kontinuierlichen Probenahme und des Wiegens von Tabakblättern während der Reifung ermittelt wird. η (%) ist der thermische Systemwirkungsgrad des Massenpökelstalls.

m4 (kg) ist die maximale ABF-Menge, die pro Stunde für TC von der Brennkammer benötigt wird. Sie ergibt sich aus Gl. (3).

wobei ∆h (MJ/kg) der Verbrennungswert von ABF ist, dessen Wert 23,36 MJ/kg beträgt.

Die durch die ABF-Verbrennung in der Brennkammer freigesetzte Wärme wird durch den Wärmetauscher übertragen, und die Hochtemperaturluft strömt durch Konvektion und Strahlung zur Außenwand des Wärmetauschers und gibt die Wärme dann durch den Wärmetauscher an die Luft weiter. Schließlich wird die Wärme durch Konvektion auf die trockenen Tabakblätter übertragen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Hauptwärmeübertragungsmodi Wärmeleitung und Konvektion sind und die Strahlungswärmeübertragung vernachlässigt werden kann.

Qh (KJ/h) ist die Wärmeübertragung durch die Wärmeleitung des Wärmetauschers, berechnet mit Gl. (4)

Dabei ist δ die Wandstärke des Wärmetauschers, sein Wert beträgt 2,75 mm, F ist die Heizfläche des Wärmetauschers und tb1 und tb2 sind die Innentemperatur bzw. Außentemperatur des Wärmetauschers. λ ist die Wärmeleitfähigkeit des Wärmetauschers, die durch das Wärmetauschermaterial bestimmt wird und einen Wert von 163,29 kJ/(m·h °C) hat.

Qc (KJ/h) ist die Wärmeübertragung vom Wärmetauscher durch Konvektionswärmeübertragung, berechnet mit Gleichung. (5).

wobei α ein exothermer Faktor mit Werten von 20–100 kcal (m·h °C) ist. t1 (°C) ist die innere Rauchgastemperatur des Wärmetauschers, t2(°C) ist die Außenwandtemperatur des Wärmetauschers.

Unter Berücksichtigung der umfassenden Wärmeübertragung von Wärmeleitung und Konvektion ist Qs (KJ/h) die kombinierte Wärmeübertragung zwischen Wärmeleitung und Konvektion, berechnet mit Gl. (6).

Entsprechend den Verbrennungseigenschaften von ABF ist die ABF-Verbrennungsausrüstung konzipiert, die hauptsächlich aus vier Hauptkomponenten besteht: MXNY-100–1-Brennkammer, ABF-Gasverbrennungszone, Wärmeableitungszone und intelligente Steuerung des Aushärtungsraums (Abb. 2). . Die Hauptparameter der MXNY-100–1-Brennkammer sind in Tabelle 1 aufgeführt. Zur Temperaturregelung wurden Thermoelemente vom Typ K verwendet. Die Temperaturmessposition liegt 70 mm am oberen Ende der Schnittstelle zwischen Brennkammer und Ofen (Abb. 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8). Automatische Temperaturkontrollgeräte werden verwendet, um die Verbrennungsgeschwindigkeit von ABF zu steuern und eine genaue Temperaturkontrolle zu realisieren.

Brennkammer Typ MXNY-100-1. (a) Vorderansicht. (b) Hauptansicht. (c) Rückansicht (d). 1. Metallrohr, das den externen Lagertank für flüssigen Alkohol auf Alkoholbasis verbindet, 2. Intelligentes Steuergerät, 3. Heizvergasungsgerät, 4. Ölpumpe für Kraftstoff auf Alkoholbasis, 5. Vorwärmablassventil, 6. Kraftstofffilter, 7. Brennkammer Düse, 8. Schnittstelle zwischen der Brennkammer und dem Ofen.

Wärmeableitungszone. (a) Hauptansicht. (b) Rückansicht. (c) Linke Ansicht. 1. Rechte Halterung, 2. Schnittstelle zwischen Ofen und Brennkammer, 3. Lufteinlass für Gebläse, 4. Rechter Feuerraum, 5. Linke Halterung, 6. Ofenkörper, 7. Linker Feuerraum, 8. Wärmeableitende Aluminiumlamelle , 9. Schnittstelle für Schornstein.

Räumliche Verteilung der Abschnittstemperatur für (a) maximale und (b) minimale Erwärmung von alkoholbasierten Energieheizgeräten.

Variationskurve der gemessenen Temperatur in verschiedenen Heizgeräten während der Tabakhärtung.

Lineare Regressionsanpassung der gemessenen Temperatur bei verschiedenen Heizbedingungen. (a) Temperatur im Vergilbungsstadium der Tabakhärtung. (b) Temperatur der Farbfixierungsstufe der Tabakhärtung. (c) Stängeltrocknungstemperatur der Tabakhärtung.

Menge der Gasemissionen aus dem Schornsteinausgang auf den wichtigsten TC-Stufen. Mittelwerte mit unterschiedlichen Buchstaben unterscheiden sich statistisch gesehen voneinander bei p ≤ 0,05. (a) Menge der O2-Emissionen durch verschiedene Kraftstoffgeräte. (b) Menge der CO2-Emissionen durch verschiedene Brennstoffgeräte. (c) Menge der CO-Emissionen durch verschiedene Brennstoffgeräte. (d) Menge der NOX-Emissionen durch verschiedene Brennstoffgeräte. (e) Menge der SO2-Emissionen durch verschiedene Brennstoffgeräte. (f) Menge der H2S-Emissionen durch verschiedene Brennstoffgeräte.

Kosten für die Tabakhärtung und thermische Effizienz des Systems. Den lokalen Marktpreisen im Jahr 2019 zufolge kostete Kohle 185,71 US-Dollar (t), Biomassebriketts kosteten 150 US-Dollar (t), alkoholbasierter Kraftstoff 285,71 US-Dollar (t) und Strom 0,07 US-Dollar (kWh).

Das ABF wird in einem Metalllagerfass vorgelagert, der externe ABF-Lagertank ist über ein Metallrohr mit der Brennkammer MXNY-100-1 verbunden (Abb. 2), das vordere Ende der Brennkammer ist mit einem Kraftstofffilter ausgestattet; das ABF wird vergast und durch eine Brennkammer vom Typ MXNY-100-1 verbrannt; Die Brennkammer vom Typ MXNY-100-1 wird durch ein vorgeheiztes Auslassventil vorgestempelt und dann durch den Zünder gezündet, um den ABF vorzuheizen, die Vergasungsvorrichtung aufzuheizen, die Temperatur und Zeit vorzuheizen, um den eingestellten Wert, das Arbeitsventil und das Öl zu erreichen Pumpe geöffnet und kontinuierlich vergast und verbrannt. Gleichzeitig Flammenüberwachung beim Vorheizen oder Brennerbetrieb. Der Controller ist immer in Betrieb. Wenn die Flamme nicht erkannt wird, gibt er automatisch ein Signal und der Controller gibt einen Alarm aus und stoppt zum Schutz.

Gleichzeitig sind eine unabhängige Verbrennungszone und eine Wärmeableitungszone (Abb. 3) so konzipiert, dass sie eine sichere und unabhängige Brennkammer für die Verbrennung der MXNY-100–1-Brennkammer und die durch die Vergasungsverbrennung erzeugte Wärme bereitstellen ABF wird zum Wärmeaustausch in die Wärmeableitungszone transportiert. Da sich die Brennkammer auch in der Heizkammer des Ofens befindet, sind die Wärmeableitungsrippen an der Ofenwand angeschweißt, um die Wärmeableitungsfläche zu vergrößern und die Wärmeübertragungseffizienz zu verbessern. Unter der Wirkung des Umwälzgebläses im Härtungsraum findet ein Wärmeaustausch mit der Luft im Härtungsraum statt, und die durch die Vergasungsverbrennung des flüchtigen alkoholbasierten Brennstoffs erzeugte Wärmeenergie ermöglicht die Verwendung der Tabakblätter-Härtung. Um die hohe Temperatur der Brennstoffverbrennung im Ofen und zu anderen Zeitpunkten so weit wie möglich in die Stahlatmosphäre zu verzögern, wird die Wärme im Hochtemperaturgas durch das Umwälzgebläse gespült und geht an den Heizraum verloren und wird dann in den Heizraum zurückgeführt der Rauchladeraum für die Aushärtung von Tabakblättern. Die Hauptkomponentenparameter der ABF-Ausrüstung sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Das Experiment wurde von Juli bis August 2019 im Hongda Science Park, Präfektur Dali, Provinz Yunnan, durchgeführt. Unter Verwendung des National Tobacco Monopoly Act Nr. 418 von 2009, Scheune A unter Verwendung traditioneller Kohleheizgeräte; Scheune B mit integrierter Heizanlage für Biomassebriketts; Scheune C, ausgestattet mit Heizgeräten für alkoholbasierte Brennstoffe (Abb. 2a,b). Alle drei Flue-Cured-Tabakräume verfügen über eine 100 mm dicke Baumwollisolierung, die in die Wände eingelassen ist. Lediglich die Heizgeräte bleiben unverändert, die übrigen Einrichtungen und Geräte bleiben unverändert. Wählen Sie den standardisierten Anbau zusammenhängender Tabakfelder, und nachdem die einheitliche Qualität der mittleren Blätter ausgereift ist, werden diese gleichzeitig geerntet, zu Stäbchen verarbeitet, verladen und feuergehärtet. In dieser Studie beträgt die Größe aller dichten Reifeställe Länge × Breite × Höhe = 8 m × 2,7 m × 4,2 m.

Gemäß den Wärmeleitungseigenschaften sollte die Temperaturverteilung im Ofen während der Brennstoffverbrennung kontinuierlich sein. Um die Temperaturverteilung von ABF-Geräten zu verstehen, wurden die repräsentativen Seiten (z. B. Vorderseite, Seite oder Rückseite) des Geräts gemessen. Daher sind die Daten der Brennstoffausrüstung des ABF-Härtungsraums unter der natürlichen Bedingung, dass sich außerhalb des Härtungsraums keine Umlaufmaschine befindet und der Kraftstoff stabil verbrennt, gerastert und der Abstand der Punktverteilung beträgt 20 × 20 cm. Die Daten werden durch Rasterung der Brennstoffausrüstung des ABF-Härtungsraums gesammelt. Unter Verwendung von Autocad 2013 zur Lokalisierung der Kontur der Heizausrüstung und der X-Y-Koordinaten des Probenahmepunktraums wird die Temperatur des Probenahmepunkts mit einem Infrarot-Thermometer (Lei Qin RAYTEK) gemessen -CI1B). Die Software Arcgis10.0 wird verwendet, um die Verteilungskarte der räumlichen Variation der maximalen und minimalen Heiztemperatur der Ausrüstung zu interpolieren.

Bei den wichtigsten DBT-Werten von 38, 48 und 68 °C während Test 1 wurde ein Rauchgasanalysator (RBR Ecom-J2KN, Deutschland) zum Nachweis von Sauerstoff (O2) sowie Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenstoff eingesetzt Die Konzentrationen von Kohlendioxid (CO2), Stickoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO2), Schwefeldioxid (SO2) und Schwefelwasserstoff (H2S) am Schornsteinausgang, während der Brennstoff während des Tabakaushärtungsprozesses gleichmäßig brannte.

Während der Experimente wurden Kraftstoff- und Stromverbrauch erfasst. Die Qualität des grünen und getrockneten Tabaks für jede Charge und jeden Stall wurde anhand repräsentativer Proben statistisch analysiert. Die Betriebskosten für die Tabakhärtung entsprachen den örtlichen Arbeitskosten pro Zeiteinheit multipliziert mit der Anzahl der Personen, die zum Befeuern des Ofens und zum Entfernen der Asche erforderlich waren. Der thermische Wirkungsgrad des Systems wurde mit Gleichung berechnet. (5).

Die Software 3D-Max 2013 wurde verwendet, um das stereoskopische Struktureffektdiagramm der Ausrüstung zu zeichnen. Die statistische Analyse wurde durch Zwei-Wege-Variationsanalysen (ANOVAs) unter Verwendung von SPSS22.0 (SPSS Institute Inc.) durchgeführt. Für den Entwurf wurde die Software 3D-Max 2013 und für die experimentelle Datenanalyse die Software GraphPad Prism 5.0 verwendet. Lineare Regressionen der am besten passenden Modelle (P < 0,05) gemäß der R-Plattform-Analyse (Version 4.0.3) wurden durchgeführt, um die Beziehung zwischen DBT und unterschiedlicher Brennstoffausrüstung (ABF, BBF, Kohle) von Scheunenkohle während der Vergilbung zu untersuchen. Farbfixierungs- und Trocknungsphasen während des Prozesses der Stabilisierung der Härtungstemperatur.

Bei der Heizung im Freien des Massenhärtungsstalls und bei Windstille, wenn die alkoholbasierte Energieanlage eine stabile Kraftstoffverbrennung durchführt, werden die Gittererkennungsergebnisse der Seitentemperatur der Anlage bei maximaler und minimaler Erwärmung angezeigt Abb. 4. Das Heizgeräteprofil zeigt eine kontinuierliche hierarchische Temperaturverteilung vom Ende der Spindelstruktur bis zum Auslass des Verbindungsschornsteins mit einem Trend, der zunächst ansteigt und dann abnimmt. Es gibt einen Bereich mit der höchsten Temperatur, der im Bereich der Vergasungsgasverbrennung auftritt. Die höchste Temperatur bei maximaler Erwärmung beträgt etwa 460 °C (Abb. 4a), und die höchste Temperatur bei minimaler Erwärmung beträgt etwa 240 °C (Abb. 4b). Die Wärmeableitungslast einer Gruppe von 3 Kühlerrohren, die an den Gasbrenner angeschlossen sind, ist hoch und liegt im Sub-Hochtemperaturbereich (250 °C), daher sollten die Materialauswahl und der Schweißprozess ihrer Teile streng reguliert werden. Unter normalen Umständen steigt die Temperatur von TC während der Abbindezeit bei Raumtemperatur (68 °C) in einem kontinuierlichen Intervall weiter an, wodurch die Anforderungen an die Aushärtung erfüllt werden können. Um das Gewicht der Ausrüstung und die Wärmeableitung zu reduzieren, kann der Einsatz von feuerfestem Auskleidungsmaterial reduziert oder reduziert werden, indem der Ofentür Farbstoff hinzugefügt wird. Ohne den Einsatz eines Umwälzgebläses zur erzwungenen Wärmeableitung, sondern nur durch natürliche Wärmeableitung liegt die Temperatur am Ende des Heizgeräts, das an den Schornstein stößt, unter 150 °C, was darauf hindeutet, dass das ABF-Heizgerät (Edelstahl) konzipiert ist Diese Forschung hat einen besseren Wärmeableitungseffekt.

Abb. 5 zeigt den Temperaturanstieg und die Temperaturstabilisierung mittlerer Tabakblätter beim Beladen und Aushärten in einem Massen-Pökelstall in drei Arten von Pökelställen. Die meisten tatsächlichen Temperaturen in Scheunen-ABF, Scheunen-BBF und Scheunenkohle unterscheiden sich von denen, die von den Härtungstechnikern zu den ausgewählten Zeitpunkten eingestellt wurden, was darauf hindeutet, dass die drei Arten von Härtungsställen die idealen Temperatur- und Feuchtigkeitsanforderungen nicht genau einhalten können, darunter: Der Temperaturunterschied zum eingestellten Vergilbungsstadium beträgt ± 3,0 °C, der Unterschied in der Farbfixierungsdauer beträgt ± 2,0 °C und der maximale Unterschied im Trockenglutenstadium beträgt ± 4,0 °C. Während des gesamten Aushärtungsprozesses stellt die kontinuierliche Kurve der drei Arten von Aushärtungsscheunen um die eingestellte Prozesskurve den Kurvenhöchst- und -tiefpunkt dar. Die Abweichung der Temperaturkurvenschwankung zwischen alkoholbasiertem Stall und Biomasse-Härtungsstall ist geringer als die des kohlebefeuerten Stalls, der nahe an der von Technikern entworfenen Härtungskurve liegt. Es zeigt, dass der Temperaturanstieg und die temperaturstabilisierende Betriebssteuerung von Scheunen-ABF und Scheunen-BBF gemäß der von Technikern voreingestellten Ziel-DBT-Kurve gesteuert werden können und die Genauigkeit der Temperaturregelung besser ist als die von Scheunenkohle. Aus Abb. 5 ist ersichtlich, dass das technische Personal die Gerätetemperatur der Stall-ABF und des Stall-BBF besser kontrollieren kann, wenn die drei Arten von Reifeställen zum Erhitzen von Tabakblättern betrieben werden, was der TC gemäß der Ziel-DBT-Kurve förderlicher ist.

Basierend auf dem DBT-Härtungsprozess wurde die R-Plattform verwendet, um eine lineare Regressionsanpassung der gemessenen Temperaturen von Scheunen-ABF und Scheunen-BBF, Scheunen-ABF und Scheunenkohle während der Vergilbungs-, Farbfixierungs- und Trocknungsphasen während des Prozesses der Stabilisierung der Härtungstemperatur durchzuführen (Abb. 6). ). Der Bestimmungskoeffizient des Anpassungsmodells für Scheunen-ABF und Scheunen-BBF betrug bei jeder stabilen Temperaturperiode r2 > 0,9, während der Bestimmungskoeffizient des Anpassungsmodells für Kohle weniger als 0,9 betrug. Es ist klar, dass die Temperaturregelungsgenauigkeit von Scheunen-ABF und Scheunen-BBF im Allgemeinen ähnlich ist, während die Temperaturregelungsfähigkeit von Scheunenkohle weit von der von Scheunen-ABF entfernt ist und die Leistung der Wärmeversorgung und Temperaturregelung relativ schlecht ist, was möglicherweise der Fall ist Dies hängt mit der intermittierenden Zugabe von Kohle zusammen, die zu großen Temperaturschwankungen führt.

Gemäß den Anpassungskurven verschiedener Härtungsstufen betrug die Genauigkeit der Temperaturregelung in der gesamten Härtungsstufe ABF > BBF > Kohle, und die Anpassungsabweichung von ABF in jeder Härtungsstufe ist gering und stabil. Im Vergilbungsstadium (Abb. 6a) zeigten BBF und Kohle einen Trend zunächst zunehmender und dann abnehmender Anpassungsabweichungen mit zunehmender Temperatur, wobei Kohle die größte Schwankung aufwies. In der Farbfixierungsphase (Abb. 6b) zeigte BBF einen Trend, bei dem die Anpassungsabweichung mit zunehmender Temperatur zunächst abnahm und dann zunahm, während bei Kohle stets große Schwankungen auftraten. In der Stängeltrocknungsphase (Abb. 6c) zeigten die Anpassungsabweichungen von BBF und Kohle mit zunehmender Temperatur einen Trend, der zunächst zunahm, dann abnahm und dann zunahm, wobei Kohle die größte Schwankung aufwies.

Aus Abb. 7 ist ersichtlich, dass die Emission von Umweltschadstoffen (NOX, SO2 und H2S) aus dem Rauchgas verschiedener energieintensiver Rauchgaskamine während des gesamten Prozesses der dichten Rauchgasbehandlung einen kontinuierlichen Abwärtstrend aufweist, wobei die Emission maximal ist Konzentration in der Vergilbungsphase und die minimale Emissionskonzentration in der Trocknungsphase. Unter ihnen beträgt die NOX-Emissionsmenge 10,6–400,4 mg·m−3, die SO2-Emissionsmenge 7,3–426,3 mg·m−3 und die H2S-Emissionsmenge 5,2–33,4 mg·m−3. Bei der Intensivhärtung gibt es große Unterschiede in der Emission umweltschädlicher Gase (NOx, SO2 und H2S) aus verschiedenen Energiequellen. Unter anderem werden im Abgas von Stall-ABF kein NOx, SO2 und H2S nachgewiesen, während die SO2-Konzentration im Abgas von Stallkohle in der Vergilbungsperiode (38 °C) 400 mg·m−3 übersteigt, und die NOx Die Konzentration im Abgas von Stall-BBF übersteigt in der Vergilbungsphase (38 °C) 400 mg·m−3. Gemäß dem integrierten Emissionsstandard für Luftschadstoffe der Volksrepublik China (GB16297-1996) ist die SO2-Emissionskonzentration deutlich niedriger als die maximal zulässige Emissionskonzentration (1200 mg·m−3), aber die NOx-Konzentration steht an zweiter Stelle auf die maximal zulässige Emissionskonzentration (420 mg·m−3), was darauf hinweist, dass die Scheunen-ABF umweltfreundlicher und umweltfreundlicher ist als andere energieintensive Aushärtungsverfahren.

Bei der Aushärtung dichter Rauchgase ist die in den verschiedenen Phasen der Rauchgasaushärtung erforderliche Wärme unterschiedlich, und auch die O2-Konzentration, die von verschiedenen Energiequellen im Verbrennungsprozess benötigt wird, ist unterschiedlich. Die Gehalte der Gaskomponenten (O2, CO2 und CO) an den wichtigsten Härtungstemperaturpunkten sind in Abb. 7 dargestellt. Es gibt erhebliche Unterschiede in der O2-Konzentration in der Vergilbungsphase der Rauchgashärtung, der Farbfixierungsphase und der Glutentrocknungsphase zwischen verschiedenen Energiequellen ( P < 0,05), während die CO2- und CO-Konzentration nur einen signifikanten Unterschied im Vergilbungsstadium der Aushärtung aufweist (P < 0,05). In Bezug auf die O2-Konzentration am Schornsteinaustritt war ABF deutlich niedriger als BBF um 37,12 % (P < 0,05) und Kohle um 38,42 % (P < 0,05). In Bezug auf die CO2-Konzentration am Schornsteinaustritt war ABF während der Vergilbungsperiode um 75,12 % deutlich höher als BBF und Kohle um 84,2 % (P < 0,05). In Bezug auf die CO-Konzentration am Schornsteinaustritt war ABF 25 % niedriger als BBF und 62,5 % deutlich niedriger als Kohle in der Vergilbungsphase (P < 0,05). Die Ergebnisse zeigen, dass der Sauerstoffverbrauch von ABF während der Aushärtung höher ist als der von BBF und Kohle, was beweist, dass der flüssige Brennstoff vollständig verbrannt ist. Die CO-Konzentration am Schornsteinaustritt von Scheunenkohle liegt zwischen 0,05 und 0,16 % und ist damit weitaus höher als bei anderen Energiehärtungsscheunen, was der vollständigen Nutzung des Brennstoffs nicht förderlich ist und eine erhebliche Energieverschwendung darstellt.

Aus Abb. 8 ist ersichtlich, dass die Kosten pro Kilogramm Tabak in jedem Reifestadium von Scheunen-ABF beim Beladen und Aushärten in Scheunenkohle und Scheunen-BBF niedriger sind als die von Scheunenkohle und Scheunen-BBF, und der Durchschnittswert beträgt 0,24 $ bzw. 0,07 $ niedriger als bei Scheunenkohle bzw. Scheunen-BBF. Bei der Aushärtung von Brennstoff im Arbeitsbetrieb verwendet die Scheunen-ABF automatische Ausrüstung, um die quantitative Verbrennung von flüssigem Brennstoff genau zu steuern, was die Arbeitskosten der manuellen Aushärtung im Vergleich zu Scheunenkohle und Scheunen-BBF erheblich senkt. Verglichen mit Scheunen-BBF und Scheunenkohle wurde die Küste pro Kilogramm Trockentabak um 19,44 % bzw. 45,28 % reduziert. Beim TC-Prozess wird das Abgas mit einer hohen Temperatur von über 100 °C am Ausgang des Schornsteins durch den Schornstein abgeführt, was zu einem Verlust an Härtungswärme führt, der weniger als fast 80 % des thermischen Wirkungsgrads des Stalls beträgt ABF. Im Vergleich zum Stall-BBF und zur Stallkohle wurde der thermische Wirkungsgrad der Stall-ABF-Heizgeräte im Stall um 44,78 % bzw. 86,28 % gesteigert. Darüber hinaus wurde der CO2-Ausstoß pro Kilogramm Trockentabak um 19,44 % bzw. 45,28 % reduziert.

TC erfordert eine hohe Temperaturgenauigkeit, verschiedene flue-cured-Tabaksorten und unterschiedliche Reifestadien erfordern unterschiedliche Temperaturen. Wenn die Temperatur nicht richtig kontrolliert wird, wird die Qualität des Flue-Cured-Tabaks stark beeinträchtigt. Daher zielen Forscher darauf ab, verschiedene Kraftstofftypen zu kombinieren, um die intelligente TC auf der Grundlage unterschiedlicher Qualitäten frischer Tabakblätter und der Temperatur- und Feuchtigkeitskontrolleigenschaften verschiedener Reifestadien zu untersuchen5,29. In dieser Studie können die Scheunen-ABF und die Scheunen-BBF im Vergleich zur Scheunenkohle den Heiz- und Stabilisierungsvorgang gemäß der von den Technikern voreingestellten Ziel-DBT-Kurve genauer steuern. Daher ist es möglicherweise möglich, durch den Einsatz von Scheunen-ABF und Scheunen-BBF eine intelligente Tabakhärtung und eine intelligente Trocknung verschiedener Agrar- und Nebenprodukte (Obst, Gemüse und Getreide) zu erreichen. Der TC ist eine arbeits- und zeitaufwändige Verbindung und erfordert ein ständiges Auftanken, um die Temperatur ohne Unterbrechung in einem angemessenen Bereich zu halten. Während des Aushärtungsprozesses von Scheunen-ABF kann das ABF auf einmal entsprechend den Temperaturanforderungen der Ziel-DBT-Kurve hinzugefügt werden, wodurch der Arbeitsvorgang des Hinzufügens von Kraftstoff effektiv eliminiert, ein unbeaufsichtigter Betrieb realisiert und der Zweck einer genauen Steuerung erreicht werden kann Innentemperatur im Stall. Wang und Duan stellten im Jahr 201714 fest, dass der Systemwärmewirkungsgrad von Scheunen-ABF durch die Integration von „Internet +“-Fernüberwachungs- und -verwaltungsplattformen deutlich höher war als der von Scheunenkohle; und realisierte Echtzeitüberwachung des Kraftstoffverbrauchs und des Gerätebetriebsstatus sowie anderer Dateninformationen; Passen Sie die Größe der Feuerkraft automatisch an, steuern Sie die Aushärtetemperatur präzise und verbessern Sie die Wärmenutzungseffizienz von ABF. Nach einem Ausfall gibt es Schutzmaßnahmen zur Beurteilung und Anzeige des Ausfallspektrums, wodurch die Wartungseffizienz der Ausrüstung verbessert wird. Unsere Studie zeigt, dass eine intelligente Aushärtung durch die Modifizierung des Stall-ABF erreicht werden kann.

Die Verbrennungsgleichung von ABF lautet CxHyOw + (x + y/4-w/2)O2 → x CO2 + y/2H2O + Q Kalorien (die Summenformel lautet 2CH3OH + 3O2 = 2CO2 + 4H2O), was zeigt, dass die Emissionen aus dem Bei der Verbrennung von ABF handelt es sich um CO2 und H2O, und es entstehen weder SO2, CO, NOX noch andere schädliche Gase und Rauch30. Einige Studien haben gezeigt, dass CO2 aus der Verbrennung von BBF gerade die Menge an CO2 liefert, die für das Biomassewachstum benötigt wird31. In dieser Studie war der CO2-Gehalt aus Scheunen-ABF während der Vergilbungsperiode deutlich höher als der von Scheunen-BBF und Scheunenkohle, während CO deutlich niedriger war als der von Scheunenkohle, was darauf hindeutet, dass die Verbrennung von ABF relativ vollständig war. Aufgrund des extrem niedrigen Schwefelgehalts von ABF ist es schwierig, die Menge an SO2 und H2S zu bestimmen, was ein weiterer Beweis dafür ist, dass ABF ein potenziell sauberer Kraftstoff ist. Die Gründe dafür, dass der ABF im Stall kein NOX produzierte, könnten sein, dass der ABF keine Stickoxide enthält, dass ABF und Luft im Frühstadium weniger vermischt sind und die Spitzentemperatur der ABF-Verbrennung niedriger ist32,33. In dieser Studie wird bei der Verbrennung von BBF auch eine Menge Schadstoffgas erzeugt. Einige Studien haben jedoch gezeigt, dass bei der BBF-Verbrennung weniger Schadstoffe entstehen34, was möglicherweise auf die Emissionen aus der Verbrennung von BBF mit Biomasse-Rohstoffen zurückzuführen ist. Um die Schadstoffemissionen zu reduzieren, ist eine Entschwefelungs- und Denitrifikationsbehandlung zur BBF erforderlich. Darüber hinaus kann das ABF mit der Fähigkeit, die Emission von Feinstaub (PM) zu reduzieren, als Motorkraftstoffadditiv verwendet werden; Es kann auch als Kraftstoff für Automotoren anstelle von Benzin verwendet werden, um die durch Autofahrten verursachte Luftverschmutzung erheblich zu reduzieren35,36. Das ABF verfügt über eine hohe Klopffestigkeit und einen hohen Zündpunkt und ist nicht anfällig für Brandunfälle. Sein Flammpunkt liegt bei 20 °C und kann mit Wasser zerstört werden, was sicherer ist als die Verwendung von Erdgas- und Kohlegasbrennstoffen.

Der thermische Wirkungsgrad des Scheunen-ABF ist deutlich höher als der von Scheunen-BBF und Scheunenkohle. Möglicherweise ist es der Eigensauerstoffeffekt des ABF, der die vollständige Verbrennung des ABF fördert; Darüber hinaus verfügt die Scheune möglicherweise auch über einen besseren ABF-Kühler, wodurch der Gesamtwärmewirkungsgrad verbessert wird und die bei der Verbrennung von ABF freigesetzte Energie vollständig genutzt werden kann. CO ist ein Zwischenprodukt, das bei unzureichender Verbrennung von Kohlenwasserstoffen entsteht37,38. Der Vergleich der Auslassgastemperatur und des CO-Gehalts zeigt, dass die Verbrennungseffizienz von Scheunen-ABF höher ist als die von Scheunen-BBF und Scheunenkohle. Liu nutzte im Jahr 202031 verschiedene Energiequellen, um die Energieforschung zur Getreidetrocknung zu untersuchen, und stellte fest, dass die Wärmeumwandlungsrate von ABF-Heißwindöfen in Scheunen mehr als 90 % erreichte, was sich durch hohe Effizienz, Energieeinsparung und Umweltschutz auszeichnet. Studien haben gezeigt, dass ABF eine höhere Oktanzahl und eine höhere Klopffestigkeit aufweist, was ein hervorragendes Additiv zur Verbesserung der Oktanzahl von Benzin ist19,39,40. ABF weist jedoch auch die Eigenschaften eines niedrigen Heizwerts auf, der nur 60 % einiger Kraftstoffe mit hohem Heizwert ausmacht. Für TC ist dies ausreichend. Für andere Aushärtungsverfahren, die einen höheren Heizwert erfordern, ist es jedoch erforderlich, den Heizwert zu erhöhen ABF. Es gibt einige Untersuchungen zur Erhöhung des Brennwerts von ABF. Beispielsweise kann die Zugabe eines Stabilisierungsmittels die Stabilität der Kraftstoffverbrennung verbessern und den Heizwert deutlich erhöhen; Durch die Zugabe eines Ferrocen-Katalysators (Enteisen) kann die Brennbarkeit des Kraftstoffs erhöht, eine vollständige Verbrennung erreicht, der Heizwert erhöht und Luftverschmutzung vermieden werden. Durch die Zugabe von Rauchunterdrückungsmittel, Korrosionsinhibitor und Geruchsbeseitigungsmittel kann die Entstehung von Kraftstoffrückständen, die Entstehung von Rauch, Geruch und Koks vermieden und eine lange Lagerzeit erreicht werden10. Darüber hinaus bestimmten Csemany et al.41 die thermophysikalischen und Transporteigenschaften verschiedener Volumenanteile von n-Butanol, einer Mischung aus Aceton-Butanol-Ethanol-Biokraftstoffen und deren Mischungen mit Standarddieselöl. Diese Studie ging davon aus, dass die Verbrennungseigenschaften von Biokraftstoff mit einem Volumenanteil von 25 % für n-Butanol und Mischungen aus Aceton-Butanol-Ethanol-Biokraftstoffmischungen vorteilhaft sind. Diese Studie bietet eine neue Möglichkeit, die Kosten für alkoholbasierten Kraftstoff zu senken, die Verbrennungseffizienz sowie den Ausstoß von CO und unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu verbessern.

Unter den Bedingungen dieser Studie kann der Stall ABF die höchsten Temperaturanforderungen von TC erfüllen. Im Vergleich zu Scheunen-BBF und Scheunenkohle ist es förderlicher, die Temperatur zu erhöhen und die Temperatur gemäß der angestrebten DBT-Kurve während des TC-Härtungsprozesses zu stabilisieren. Bei der Verbrennung von ABF sind zwar CO2 und CO entstanden, im Abgas des Schornsteins werden jedoch keine schädlichen Gase wie NOX, SO2 und H2S nachgewiesen; Der thermische Wirkungsgrad des Scheunen-ABF im TC-Prozess erreicht 79,43 %, und die Kosten pro Kilogramm Tabakblätter sind niedriger als die von Scheunen-BBF und Scheunenkohle. Daher kann die Scheunen-ABF im Vergleich zu Scheunenkohle und Scheunen-BBF Temperaturänderungen genauer steuern und bietet offensichtliche Vorteile beim Umweltschutz und der Wärmenutzungseffizienz.

Alle während der Studie generierten oder verwendeten Daten, Modelle und Codes erscheinen im eingereichten Artikel.

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Die Autoren möchten sich bei Zhejiang Mingxin Blower Fan Co., Ltd. bedanken, die uns bei der Geräteunterstützung sehr geholfen hat.

Diese Forschung wurde von Yunnan Applied Fundamental Research Projects, Fördernummer 202305AD160036, Yunnan Province Tobacco Science and Technology Plan Key Project, Fördernummer 2023530000241024, 2021530000242018 finanziert.

Yunnan Academy of Tobacco Agricultural Sciences, Kunming, 650031, China

Ke Ren, Xinwei Ji, Yi Chen, Jiaen Su und Yonglei Jiang

Hochschule für Agronomie und Biotechnologie, Southwest University, Chongqing, 400715, China

Ke Ren

Kunming Universität für Wissenschaft und Technologie, Kunming, 650201, China

Huilong Luo

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KR führte die Experimente durch und verfasste den Haupttext des Manuskripts. XWJ und JES überprüfen das Manuskript. YC konzipierte die Forschung und gestaltete die Experimente. HLL steuerte die Materialien und Analysetools bei. YLJ ist für die Finanzierungseinwerbung verantwortlich. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Yonglei Jiang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Eingegangen: 17. Mai 2023

Angenommen: 03. August 2023

Veröffentlicht: 16. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40015-w

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