Evaluación de la eficiencia térmica y el potencial de reducción de emisiones del alcohol.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13301 (2023) Citar este artículo

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Hasta el momento, el carbón, el petróleo y el gas natural siguen siendo los combustibles más utilizados, y las emisiones de SO2, NOX y partículas producidas por su combustión tienen una grave influencia en el aire. Por tanto, es necesario desarrollar un combustible limpio. En este estudio, los graneros de curado a granel estaban equipados con diferentes equipos de combustible: el granero A usaba equipo de calefacción de carbón tradicional; El granero B utilizó equipos de calefacción integrados con combustible de briquetas de biomasa (BBF); Granero C equipado con equipo de calefacción de combustible a base de alcohol (ABF). Se analizó la temperatura de la superficie exterior del equipo de calefacción, los gases de escape de la chimenea y la eficiencia del calor de curado y el consumo de energía. En comparación con el granero BBF y el granero con carbón, el granero ABF puede cumplir con los requisitos de temperatura más altos de curado del tabaco curado con humo de 68 °C, la precisión de la curva objetivo de temperatura de bulbo seco (DBT) durante el curado del tabaco curado con humo fue de 93,4 %. Al mismo tiempo, durante la combustión ABF, las emisiones de CO2 y CO fueron del 40,82% y 0,19%, respectivamente. Sin embargo, no se detectaron emisiones de NOX, SO2 y H2S en el escape de la chimenea. En comparación con el BBF del granero y el carbón del granero, la eficiencia térmica del equipo de calefacción ABF del granero aumentó en un 44,78% y un 86,28%, respectivamente. Además, el costo por kilogramo de tabaco seco se redujo en un 19,44% y 45,28%, respectivamente. Por lo tanto, en comparación con el carbón de granero y el BBF de granero, el ABF de granero puede controlar los cambios de temperatura con mayor precisión y muestra una ventaja obvia en la protección ambiental y la eficiencia de utilización del calor.

El tabaco curado al humo (FT) es uno de los tipos de tabaco más plantados en China. En el proceso de producción de CJ, el curado del tabaco (TC) sigue siendo el eslabón que más energía consume, representando más del 80% de la energía utilizada en el proceso de producción de TC1,2,3. Al mismo tiempo, el carbón sigue siendo el combustible de curado preferido en la mayoría de las áreas de producción de FT, y más del 95% de los graneros de curado a granel utilizan carbón para TC. El consumo anual de carbón es elevado: para curar 1 kg de tabaco seco se consumen entre 1,5 y 2,0 kg de carbón. En China, cada año se necesitan entre 3 y 4 millones de toneladas de carbón para CT4,5. Sin embargo, las emisiones, incluidas CO2, SO2, NOX y partículas, se descargan en gran medida durante la combustión del carbón, lo que provoca una grave contaminación del medio ambiente6,7. Durante la temporada de CT8 se emitirán alrededor de 4 a 5 t de humo y polvo, 160 a 220 t de CO2, 3,4 a 5,6 t de SO2 y 1,6 a 2,8 t de NOX en un grupo de 20 graneros de curado a gran escala8. La CT anual dura de julio a septiembre. Durante el período de curado, hay una gran cantidad de humo y hollín alrededor del granero de curado, lo que tiene grandes efectos negativos en el crecimiento y la calidad de los cultivos cercanos y daña la salud de humanos y animales, lo que genera peligros crónicos, graves. peligros y peligros invisibles9. Entre ellos, el humo y el hollín con las características de una larga estancia en la atmósfera y una larga distancia de transporte pueden causar neblina10. Además, el carbón es un recurso no renovable y existen muchos problemas durante la combustión del carbón, como una combustión insuficiente, gases de escape a alta temperatura de la chimenea y un lento aumento de temperatura que conduce a una disminución en la calidad de las hojas FT. Por lo tanto, es de gran importancia introducir una energía limpia para la conservación de energía, la protección del medio ambiente y el CT.

El combustible a base de alcohol (ABF), un tipo de combustible líquido a base de alcoholes (metanol CH3OH, etanol C2H5OH, butanol C4H9OH), se deriva de la fermentación de biomasa y de combustibles fósiles, como el carbón, el petróleo y el gas natural. Muchos países lo reconocen como un nuevo tipo de combustible renovable11,12,13,14. Debido al agotamiento gradual de la energía petroquímica, ABF es la nueva energía alternativa con mayor potencial. En el proceso de producción agrícola, los recursos de biomasa, incluidos el maíz, la paja y la remolacha azucarera, son abundantes. Con el desarrollo de la tecnología de síntesis de ABF utilizando biomasa no cerealera como materia prima (incluida la fermentación o gasificación con un posterior procesamiento del gas de síntesis), el desarrollo de la biomasa ABF ha mejorado significativamente15,16,17,18. Por lo tanto, se espera que el ABF, con las ventajas de un alto valor calorífico de combustión, bajo precio, limpieza y respeto al medio ambiente, amplia gama de aplicaciones, seguridad y confiabilidad, se convierta en un nuevo tipo de energía para reemplazar los combustibles fósiles19. Dado que el ABF tiene un efecto de autosuministro de oxígeno durante el proceso de combustión, en comparación con el carbón, el alquitrán de hulla, el petróleo pesado, el diésel, la gasolina y otros combustibles, el ABF es el combustible que se quema más completamente. Las emisiones de combustión de ABF son principalmente H2O y CO2, y las emisiones de gases de escape son más de un 80% inferiores a las del gas licuado de petróleo. Es el combustible más limpio, más ecológico y más prometedor del futuro. En la actualidad, el ABF se utiliza ampliamente en combustibles para motores, generación de energía industrial y calefacción20,21. En particular, los combustibles a base de alcohol se pueden mezclar con combustible diésel y biodiésel para obtener excelentes combustibles mixtos para la industria y el transporte, entre los cuales el butanol puede mejorar significativamente el estado de combustión del combustible mixto formado con diésel y tiene buenos efectos para mejorar la capacidad de control de temperatura y reducir las emisiones de CO y NOx22. Kilic et al.23 demostraron que cuando se forma un bajo contenido de butanol (hasta un 30 %) en combustible con diésel en calderas de tubo de llama, se puede mejorar la eficiencia de la combustión, lo que tiene una perspectiva positiva para reducir las emisiones y mejorar la eficiencia de la combustión.

Con la creciente conciencia sobre la conservación de energía, el desarrollo con bajas emisiones de carbono y la protección del medio ambiente, se realizaron muchos estudios sobre los diferentes combustibles para CT y se centraron principalmente en los combustibles de biomasa, las bombas de calor, el biogás y la energía solar24,25. Sin embargo, también existen algunas deficiencias. Por ejemplo, el uso de energía eléctrica puede provocar una presión excesiva en la red y altos costos de promoción; La energía solar se verá afectada por factores climáticos y no puede proporcionar calefacción continua durante todo el día y solo puede usarse como fuente de calor auxiliar; El BBF tiene baja densidad energética, aún existe acumulación de cenizas, escoria y producción de alquitrán en el proceso de combustión4,26,27. Por lo tanto, las energías limpias ABF se están utilizando gradualmente en la investigación de CT. Sin embargo, la aplicación de ABF a TC aún se encuentra en la etapa de exploración preliminar en China. Aunque existían equipos de curado ABF perfectos en países extranjeros, no se pueden adaptar a las condiciones locales debido al estado de producción de TC en China, la estructura del granero de curado a granel y el proceso de curado específico. Predecimos que el uso de ABF puede controlar con precisión la temperatura y tiene ventajas obvias en la protección ambiental y la eficiencia en la utilización del calor, en comparación con el carbón y el BBF. Por lo tanto, basándose en las condiciones de curado en China y las características de ABF, es importante desarrollar un conjunto de equipos de curado integrados de ABF para utilizar eficientemente la energía de ABF y proporcionar suficiente calor para el curado. Al mismo tiempo, también puede reducir en gran medida los problemas de contaminación ambiental y proporcionar bases teóricas y apoyo técnico para el desarrollo sostenible para la investigación y aplicación de equipos de calefacción en áreas tabacaleras y el proceso de secado de otros productos agrícolas y secundarios.

En 2009, China Tobacco estableció la forma y estructura básicas del granero de curado a granel con aire ascendente y descendente calentado con carbón. El equipo ABF fue diseñado para mejorarse sobre la base del granero de curado a granel de carbón original y las características de ABF (Fig. 1). ABF suministrado por Yunnan Xianfeng Chemical Industry Co., Ltd. La densidad del ABF es 791 kg/m3, el poder calorífico inferior es 23,36 MJ/kg, el punto de inflamación es 11 °C, la temperatura de ignición es 385 °C y la El contenido de alcohol es del 70%. El suministro de calor implica las siguientes fórmulas.

Gota de granero de curado a granel de combustible a base de alcohol. (a) Diagrama de flujo de gas. (b) Distribución del equipo principal.

La eficiencia térmica del sistema de curado (η) se expresa mediante la ecuación. (1), que puede reflejar la eficiencia de la utilización del combustible,

donde m1 (kg) es la cantidad de tabaco fresco por curado, m2 (kg) es la cantidad de tabaco seco por curado, CW es la constante de disipación de energía de la pérdida de agua de las hojas de tabaco durante el curado, cuyo valor es 2,6 × 103 kJ /kg, m3 (kg) es la cantidad de combustible consumido y Q2 (KJ/kg) es el poder calorífico de la combustión de ABF28.

Q1 (KJ/h) es el consumo máximo de energía por hora por lote en por granero de curado a granel y viene dado por la ecuación. (2).

donde α (%) es la tasa de pérdida de agua de las hojas de tabaco después del curado, que se obtiene por la diferencia entre tabaco fresco y tabaco seco por sala de curado, β (%) es la tasa máxima de pérdida de agua por unidad de tiempo de las hojas de tabaco durante el curado , que se obtiene comparando el muestreo continuo y el pesaje de las hojas de tabaco durante el curado. η (%) es la eficiencia térmica del sistema del granero de curado a granel.

m4 (kg) es la cantidad máxima de ABF requerida por hora para TC por la cámara de combustión y viene dada por la ecuación. (3).

donde ∆h (MJ/kg) es el valor de combustión del ABF, cuyo valor es 23,36 MJ/kg.

El calor liberado por la combustión de ABF en la cámara de combustión se transfiere a través del intercambiador de calor, y el aire a alta temperatura pasa por convección y radiación a la pared exterior del intercambiador de calor y luego pasa el calor al aire a través del intercambiador de calor. Finalmente, el calor se transfiere a las hojas secas de tabaco por convección. Los resultados muestran que los principales modos de transferencia de calor son la conducción y la convección de calor, y la transferencia de calor por radiación puede despreciarse.

Qh (KJ/h) es la transferencia de calor a través de la conducción de calor del intercambiador de calor, calculada mediante la ecuación. (4)

donde δ es el espesor de la pared del intercambiador de calor, su valor es 2,75 mm, F es el área de calentamiento del intercambiador de calor y tb1 y tb2 son la temperatura interna y externa del intercambiador de calor respectivamente. λ es la conductividad térmica del intercambiador de calor, que está determinada por el material del intercambiador de calor y su valor es 163,29 kJ/(m·h °C).

Qc (KJ/h) es la transferencia de calor desde el intercambiador de calor mediante transferencia de calor por convección, calculada utilizando la ecuación. (5).

donde α es un factor exotérmico con valores de 20 a 100 kcal (m·h °C). t1 (°C) es la temperatura interna de los gases de combustión del intercambiador de calor, t2(°C) es la temperatura de la pared exterior del intercambiador de calor.

Considerando la transferencia de calor integral por conducción y convección de calor, Qs (KJ/h) es la transferencia de calor combinada entre conducción y convección de calor, calculada utilizando la ecuación. (6).

De acuerdo con las características de combustión de ABF, se diseña el equipo de combustión ABF, que se compone principalmente de cuatro componentes principales: cámara de combustión MXNY-100–1, zona de combustión de gas ABF, zona de disipación de calor y controlador inteligente de la sala de curado (Fig. 2). . Los principales parámetros de la cámara de combustión MXNY-100–1 se muestran en la Tabla 1. Se utilizaron termopares tipo K para el control de temperatura. La posición de medición de temperatura es de 70 mm en el extremo superior de la interfaz entre la cámara de combustión y el horno (Figs. 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 8). El equipo de control automático de temperatura se utiliza para controlar la velocidad de combustión del ABF y realizar un control preciso de la temperatura.

Cámara de combustión tipo MXNY-100-1. (a) Vista frontal. (b) Vista principal. (c) Vista trasera (d). 1. Tubo metálico que conecta el tanque externo de almacenamiento de combustible líquido a base de alcohol, 2. Dispositivo de control inteligente, 3. Dispositivo de gasificación de calefacción, 4. Bomba de aceite para combustible a base de alcohol, 5. Válvula de drenaje de precalentamiento, 6. Filtro de combustible, 7. Cámara de combustión boquilla, 8. Interfaz entre la cámara de combustión y el horno.

Zona de disipación de calor. (a) Vista principal. (b) Vista trasera. (c) Vista izquierda. 1. Soporte derecho, 2. Interfaz entre el horno y la cámara de combustión, 3. Entrada de aire para el soplador, 4. Cámara de combustión derecha, 5. Soporte izquierda, 6. Cuerpo del horno, 7. Cámara de combustión izquierda, 8. Aleta de aluminio disipadora de calor. , 9. Interfaz para chimenea.

Distribución espacial de la temperatura de la sección para (a) calentamiento máximo y (b) mínimo de equipos de calefacción energética a base de alcohol.

Curva de variación de la temperatura medida en diferentes equipos de calefacción durante el curado del tabaco.

Ajuste de regresión lineal de la temperatura medida en diferentes condiciones de calefacción. (a) Temperatura de la etapa de amarillamiento del curado del tabaco. (b) Temperatura de la etapa de fijación del color del curado del tabaco. (c) Temperatura de la etapa de secado del tallo del curado del tabaco.

Cantidad de emisiones de gases de la salida de la chimenea en las etapas clave del CT. Las medias con letras diferentes son estadísticamente diferentes entre sí en p ≤ 0,05. (a) Cantidad de emisiones de O2 por diferentes equipos de combustible. (b) Cantidad de emisiones de CO2 por diferentes equipos de combustible. (c) Cantidad de emisiones de CO por diferentes equipos de combustible. (d) Cantidad de emisiones de NOX por diferentes equipos de combustible. (e) Cantidad de emisiones de SO2 por diferentes equipos de combustible. (f) Cantidad de emisiones de H2S por diferentes equipos de combustible.

Costo del curado del tabaco y eficiencia térmica del sistema. Según los precios del mercado local en 2019, el carbón fue de $185,71 (t), el combustible de briquetas de biomasa fue de $150 (t), el combustible a base de alcohol fue de 285,71 (t) y la electricidad fue de $0,07 (kWh).

El ABF se almacena previamente en un barril de almacenamiento de metal, el tanque de almacenamiento de ABF externo está conectado a la cámara de combustión MXNY-100-1 a través de un tubo de metal (Fig. 2), el extremo frontal de la cámara de combustión está equipado con un filtro de combustible; el ABF se gasifica y quema a través de una cámara de combustión tipo MXNY-100-1; la cámara de combustión tipo MXNY-100-1 es preestampada por una válvula de descarga precalentada y luego encendida por el encendedor para precalentar el ABF, calentando el dispositivo de gasificación, precalentando la temperatura y el tiempo para alcanzar el valor establecido, la válvula de trabajo y el aceite. La bomba se abre y se gasifica y quema continuamente. Al mismo tiempo, control de llama durante el precalentamiento o el funcionamiento del quemador. El controlador siempre está funcionando, si no se detecta la llama, emitirá una señal automáticamente y el controlador emitirá una alarma y se detendrá para proteger.

Al mismo tiempo, una zona de combustión independiente y una zona de disipación de calor (Fig. 3) están diseñadas para proporcionar una cámara de combustión segura e independiente para la combustión de la cámara de combustión MXNY-100–1 y el calor generado por la combustión de gasificación de la ABF se transporta a la zona de disipación de calor para el intercambio de calor. Dado que la cámara de combustión también se encuentra en la cámara de calentamiento del horno, las aletas de disipación de calor están soldadas a la pared del horno para aumentar el área de disipación de calor y mejorar la eficiencia de transferencia de calor. Bajo la acción del ventilador de circulación en la sala de curado, se produce un intercambio de calor con el aire en la sala de curado, y la energía térmica producida por la combustión de gasificación del combustible volátil a base de alcohol proporciona el uso del curado de hojas de tabaco. Para retrasar la alta temperatura de la combustión del combustible en el horno y otras veces hacia la atmósfera, el acero en la medida de lo posible, el calor del gas de alta temperatura se lava a través del ventilador de circulación y se pierde en la sala de calefacción, y luego se recicla en la sala de carga de humos para el curado de la hoja de tabaco. Los principales parámetros de los componentes del equipo ABF se muestran en la Tabla 2.

El experimento se llevó a cabo en el Parque Científico Hongda, Prefectura de Dali, Provincia de Yunnan, de julio a agosto de 2019. Utilizando la Ley del Monopolio Nacional del Tabaco No.418 de 2009, el Granero A utilizó equipos tradicionales de calefacción de carbón; El granero B utiliza briquetas de biomasa como combustible para equipos de calefacción integrados; Granero C equipado con equipo de calentamiento de combustible a base de alcohol (Fig. 2a,b). Las tres salas de tabaco curado al humo tienen un aislamiento de algodón de 100 mm de espesor incrustado en las paredes, solo el equipo de calefacción, el resto de instalaciones y equipos permanecen sin cambios. Seleccione el cultivo estandarizado de campos de tabaco contiguos y, una vez que la calidad uniforme de las hojas intermedias esté madura, se cosecharán, se fabricarán varillas, se cargarán y se curarán al fuego al mismo tiempo. En este estudio, el tamaño de todos los graneros de curado densos es largo × ancho × alto = 8 m × 2,7 m × 4,2 m.

Según las características de conducción de calor, la distribución de temperatura en el horno debe ser continua durante la combustión del combustible. Para comprender la distribución de temperatura de los equipos ABF, se midieron los lados representativos (como el frente, el costado o la parte posterior) del equipo. Por lo tanto, en condiciones naturales sin máquina circulante fuera de la sala de curado y con combustión estable del combustible, los datos del equipo de combustible de la sala de curado ABF están cuadriculados y la distancia de la distribución de puntos es de 20 × 20 cm. Los datos se recopilan cuadriculando el equipo de combustible de la sala de curado ABF. Usando Autocad 2013 para ubicar el contorno del equipo de calefacción y las coordenadas X-Y del espacio del punto de muestreo, la temperatura del punto de muestreo se mide con un termómetro infrarrojo (Lei Qin RAYTEK -CI1B). Se utiliza el software Arcgis10.0 para interpolar el mapa de distribución de la variación espacial de la temperatura máxima y mínima de calentamiento del equipo.

En el DBT clave de 38, 48 y 68 °C durante la prueba 1, se empleó un analizador de gases de combustión (RBR Ecom-J2KN, Alemania) para detectar el oxígeno (O2), así como el monóxido de carbono (CO), el carbono concentraciones de dióxido de carbono (CO2), óxido nítrico (NO), dióxido de nitrógeno (NO2), dióxido de azufre (SO2) y sulfuro de hidrógeno (H2S) en la salida de la chimenea, mientras el combustible se quemaba de manera constante durante el proceso de curado del tabaco.

Durante los experimentos se registró el consumo de combustible y electricidad. La calidad del tabaco verde y seco de cada lote y granero se analizó estadísticamente mediante la toma de muestras representativas. Los costos operativos para el curado del tabaco eran iguales al costo de mano de obra local por unidad de tiempo multiplicado por el número de personas necesarias para alimentar el horno y retirar las cenizas. La eficiencia térmica del sistema se calculó utilizando la ecuación. (5).

Se utilizó el software 3D-Max 2013 para dibujar el diagrama de efectos de estructura estereoscópica del equipo. Los análisis estadísticos se realizaron mediante análisis de variación de dos vías (ANOVA) utilizando SPSS22.0 (SPSS Institute Inc.). Se utilizó el software 3D-Max 2013 para el dibujo y el software GraphPad Prism 5.0 para el análisis de datos experimentales. Se realizaron regresiones lineales de los modelos que mejor se ajustan (P <0,05) según el análisis de la plataforma R (versión 4.0.3) para investigar la relación entre DBT y diferentes equipos de combustible (ABF, BBF, carbón) del carbón de granero durante el amarillamiento. Etapas de fijación del color y secado durante el proceso de estabilización de la temperatura de curado.

En la calefacción exterior del granero de curado a granel y bajo la condición de que no haya viento, cuando el equipo de energía a base de alcohol está en combustión estable de combustible, los resultados de la detección de la rejilla de la temperatura lateral del equipo en calentamiento máximo y mínimo se muestran en Fig. 4. El perfil del equipo de calefacción presenta una distribución jerárquica continua de la temperatura, desde la cola de la estructura del husillo hasta la salida de la chimenea de conexión, mostrando una tendencia primero creciente y luego decreciente. Hay una región con la temperatura más alta, que se produce en la región de combustión del gas de gasificación. La temperatura más alta con calentamiento máximo es de aproximadamente 460 °C (Fig. 4a), y la temperatura más alta con calentamiento mínimo es de aproximadamente 240 °C (Fig. 4b). La carga de disipación de calor de un grupo de 3 tubos de radiador conectados a la cámara de combustión de gas es pesada y está ubicada en el área de temperatura subalta (250 °C), por lo que la selección del material y el proceso de soldadura de sus piezas deben estar estrictamente regulados. En circunstancias normales, la temperatura del TC continúa aumentando en el intervalo continuo durante el período de fraguado a temperatura ambiente (68 °C), lo que puede cumplir con los requisitos de curado. Para reducir el peso del equipo y la disipación de calor, el uso de material de revestimiento refractario se puede reducir o reducir agregando tinte a la puerta del horno. En ausencia del uso de un ventilador de circulación con disipación de calor forzada, solo mediante disipación de calor natural, la temperatura en el extremo del equipo de calefacción que topa con la chimenea es inferior a 150 °C, lo que indica que el equipo de calefacción ABF (acero inoxidable) diseñado en Esta investigación tiene un mejor efecto de disipación de calor.

En el proceso de carga y curado en una sala de curado a granel, la Fig. 5 muestra el aumento y la estabilización de la temperatura de las hojas medias de tabaco en tres tipos de salas de curado. La mayoría de las temperaturas reales en el granero ABF, el granero BBF y el granero de carbón son diferentes de las establecidas por los técnicos de curado en los momentos seleccionados, lo que indica que los tres tipos de granero de curado no pueden seguir estrictamente los requisitos ideales de temperatura y humedad, entre los cuales, la diferencia de temperatura con respecto a la etapa de amarilleo establecida es de ± 3,0 °C, la diferencia en el período de fijación del color es de ± 2,0 °C y la diferencia máxima en la etapa de gluten seco es de ± 4,0 °C. En todo el proceso de curado, la curva continua de tres tipos de salas de curado alrededor de la curva del proceso establecida presenta el pico de la curva y la oscilación mínima. La desviación de la fluctuación de la curva de temperatura entre el granero a base de alcohol y el granero de curado con biomasa es menor que la del granero alimentado con carbón, que está cerca de la curva de curado diseñada por los técnicos. Muestra que los aumentos de temperatura y el control de la operación de estabilización de temperatura del granero ABF y del granero BBF se pueden controlar de acuerdo con la curva DBT objetivo preestablecida por los técnicos, y la precisión del control de temperatura es mejor que la del carbón del granero. Se puede ver en la Fig. 5 que el personal técnico puede controlar mejor la temperatura del equipo del granero ABF y del granero BBF cuando opera los tres tipos de granero de curado para calentar hojas de tabaco, lo cual es más propicio para TC de acuerdo con la curva DBT objetivo.

Con base en el proceso de curado DBT, se utilizó la plataforma R para realizar un ajuste de regresión lineal en las temperaturas medidas de granero ABF y granero BBF, granero ABF y carbón de granero durante las etapas de amarillamiento, fijación del color y secado durante el proceso de estabilización de la temperatura de curado (Fig. 6). ). El coeficiente de determinación del modelo de ajuste para el granero ABF y el granero BBF en cualquier período de temperatura estable fue r2 > 0,9, mientras que el coeficiente de ajuste del modelo del carbón fue inferior a 0,9. Está claro que la precisión del control de temperatura del granero ABF y del granero BBF es generalmente similar, mientras que la capacidad de control de temperatura del granero de carbón está muy lejos de la del granero ABF, y el rendimiento del suministro de calor y el control de temperatura es relativamente pobre, lo que puede estar relacionado con la adición intermitente de carbón, lo que conduce a grandes fluctuaciones de temperatura.

Según las curvas de ajuste de las diferentes etapas de curado, la precisión del control de temperatura en toda la etapa de curado fue ABF > BBF > Carbón, y la desviación de ajuste de ABF en cada etapa de curado es pequeña y estable. En la etapa de amarilleo (Fig. 6a), BBF y Carbón mostraron una tendencia de desviaciones de ajuste primero crecientes y luego decrecientes con el aumento de la temperatura, entre los cuales el Carbón mostró la mayor fluctuación. En la etapa de fijación del color (Fig. 6b), BBF mostró una tendencia de desviación de ajuste primero decreciente y luego creciente con el aumento de la temperatura, mientras que el carbón siempre tuvo una gran fluctuación. En la etapa de secado del tallo (Fig. 6c), con el aumento de la temperatura, las desviaciones de ajuste de BBF y Carbón mostraron una tendencia de primero aumentar, luego disminuir y luego aumentar, entre las cuales el Carbón mostró la mayor fluctuación.

Se puede ver en la Fig. 7 que durante todo el proceso de curado de humos densos, la emisión de contaminantes ambientales (NOX, SO2 y H2S) de los gases de combustión de diferentes chimeneas de curado de humos de uso intensivo de energía presenta una tendencia continua a la baja, con la emisión máxima concentración en la etapa de amarilleo y la concentración mínima de emisión en el período de secado. Entre ellos, la cantidad de emisiones de NOX es de 10,6 a 400,4 mg·m-3, la cantidad de emisiones de SO2 es de 7,3 a 426,3 mg·m-3 y la cantidad de emisiones de H2S es de 5,2 a 33,4 mg·m-3. Existe una gran diferencia en la emisión de gases contaminantes al medio ambiente (NOx, SO2 y H2S) procedentes de diferentes fuentes de energía en el proceso de curado intensivo. Entre ellos, no se detectan NOx, SO2 y H2S en el gas de cola del granero ABF, mientras que la concentración de SO2 en el gas de cola del granero de carbón supera los 400 mg·m-3 en el período de amarillamiento (38 °C), y los NOx La concentración en el gas de cola del BBF de granero supera los 400 mg·m-3 en el período de amarillamiento (38 °C). Según el estándar integrado de emisiones de contaminantes atmosféricos de la República Popular China (GB16297-1996), la concentración de emisiones de SO2 es significativamente menor que la concentración de emisiones máxima permitida (1200 mg·m-3), pero la concentración de NOx ocupa el segundo lugar. a la concentración de emisión máxima permitida (420 mg·m-3), lo que indica que el ABF de granero es más ecológico y respetuoso con el medio ambiente que otros curados que consumen mucha energía.

En el proceso de curado por combustión densa, el calor requerido en las diferentes etapas del curado por combustión es diferente, y la concentración de O2 requerida por diferentes fuentes de energía en el proceso de combustión también es diferente. Los contenidos de los componentes del gas (O2, CO2 y CO) en los puntos clave de temperatura de curado se muestran en la Fig. 7. Existen diferencias significativas en la concentración de O2 en la etapa de amarilleamiento del curado al humo, en la etapa de fijación del color y en la etapa de secado del gluten entre las diferentes fuentes de energía ( P < 0,05), mientras que la concentración de CO2 y CO solo tiene una diferencia significativa en la etapa de curado y amarilleo (P < 0,05). En términos de concentración de O2 en la salida de la chimenea, el ABF fue significativamente menor que el BBF en un 37,12% (P <0,05) y el carbón en un 38,42% (P <0,05). En términos de concentración de CO2 en la salida de la chimenea, el ABF fue significativamente mayor que el BBF en un 75,12% y el carbón en un 84,2% durante el período de amarillamiento (P <0,05). En términos de concentración de CO en la salida de la chimenea, ABF fue un 25% menor que BBF y un 62,5% significativamente menor que el carbón en fase de amarilleo (P <0,05). Los resultados muestran que el consumo de oxígeno del ABF es mayor que el del BBF y el del carbón durante el curado, lo que demuestra que el combustible líquido se quema por completo. La concentración de CO en la salida de la chimenea del carbón de granero está entre 0,05 y 0,16%, que es mucho más alta que la de otros graneros de curado energético, lo que no favorece la utilización completa del combustible y genera un grave desperdicio de energía.

En el proceso de carga y curado en un granero de curado a granel, se puede ver en la Fig. 8 que el costo por kilogramo de tabaco en cada granero de curado del granero ABF es menor que el del carbón del granero y el del granero BBF, y el valor promedio es $0,24 y $0,07 menos que el del carbón de granero y el BBF de granero, respectivamente. En el proceso de operación de curado de combustible, el granero ABF utiliza equipos automáticos para controlar con precisión la combustión cuantitativa de combustible líquido, lo que reduce significativamente el costo de mano de obra del curado manual en comparación con el granero de carbón y el granero BBF. En comparación con el BBF de granero y el carbón de granero, el costo por kilogramo de tabaco seco se redujo en un 19,44% y un 45,28%, respectivamente. En el proceso de TC, el gas de escape a alta temperatura superior a 100 °C en la salida de la chimenea se descarga a través de la chimenea, lo que resulta en una pérdida de calor de curado, que es inferior a casi el 80% de la eficiencia térmica del granero. ABF. En comparación con el BBF del granero y el carbón del granero, la eficiencia térmica del equipo de calefacción ABF del granero aumentó en un 44,78% y un 86,28%, respectivamente. Además, el costo por kilogramo de tabaco seco se redujo en un 19,44% y 45,28%, respectivamente.

El TC requiere alta precisión de temperatura, diferentes variedades de tabaco curado al aire libre y diferentes etapas de curado requieren diferentes temperaturas. Si la temperatura no se controla adecuadamente, la calidad del tabaco curado al humo se verá seriamente afectada. Por lo tanto, los investigadores pretenden combinar diferentes tipos de combustible para estudiar el TC inteligente basado en diferentes calidades de las hojas frescas de tabaco y las características de control de temperatura y humedad de diferentes etapas de curado5,29. En este estudio, en comparación con el carbón del granero, el granero ABF y el granero BBF pueden controlar la operación de calentamiento y estabilización con mayor precisión de acuerdo con la curva DBT objetivo preestablecida por los técnicos. Por lo tanto, puede ser posible lograr un curado inteligente del tabaco y un secado inteligente de diferentes productos agrícolas y secundarios (frutas, verduras y cereales) mediante el uso de ABF de granero y BBF de granero. El TC es un enlace que consume mucho tiempo y trabajo y requiere un reabastecimiento constante de combustible para mantener la temperatura dentro de un rango apropiado sin interrupción. Durante el proceso de curado del ABF de granero, el ABF se puede agregar al mismo tiempo de acuerdo con los requisitos de temperatura de la curva DBT objetivo, lo que puede eliminar efectivamente la operación laboral de agregar combustible, realizar una operación desatendida y lograr el propósito de controlar con precisión el Temperatura interior del granero. Wang y Duan en 201714 descubrieron que la eficiencia térmica del sistema de granero ABF era significativamente mayor que la del granero de carbón al integrar plataformas de gestión y monitoreo remoto “Internet +”; y realizó un monitoreo en tiempo real del uso de combustible y el estado de operación del equipo y otra información de datos; ajusta automáticamente el tamaño de la potencia de fuego, controla con precisión la temperatura de curado y mejora la eficiencia de utilización del calor de ABF; Después de una falla, existen medidas de salvaguardia para juzgar y mostrar el rango de fallas, mejorando así la eficiencia del mantenimiento del equipo. Nuestro estudio muestra que se puede lograr un curado inteligente modificando el ABF del granero.

La ecuación de combustión de ABF es CxHyOw + (x + y/4-w/2)O2 → x CO2 + y/2H2O + Q calorías (la fórmula molecular es 2CH3OH + 3O2 = 2CO2 + 4H2O), lo que muestra que las emisiones del La combustión de ABF son CO2 y H2O, y no producirá SO2, CO, NOX ni otros gases nocivos ni humo30. Algunos estudios demostraron que el CO2 procedente de la combustión de BBF sólo proporciona la cantidad de CO2 necesaria para el crecimiento de la biomasa31. En este estudio, el CO2 del ABF de granero durante el período de amarillamiento fue significativamente mayor que el del BBF de granero y el del carbón de granero, mientras que el CO fue significativamente menor que el del carbón de granero, lo que indica que la combustión de ABF fue relativamente completa. Debido al contenido extremadamente bajo de azufre del ABF, es difícil detectar la cantidad de SO2 y H2S, lo que confirma aún más que el ABF es un combustible potencialmente limpio. Las razones por las que el ABF del granero no produjo NOX pueden incluir que el ABF no contiene óxidos de nitrógeno, el ABF y el aire están menos mezclados en la etapa inicial y la temperatura máxima de combustión del ABF es más baja32,33. En este estudio, la quema de BBF también produce una gran cantidad de gases contaminantes. Sin embargo, algunos estudios han demostrado que la combustión de BBF produce gases menos contaminantes34, lo que puede deberse a que las emisiones de la combustión de BBF están relacionadas con las materias primas de biomasa. Para reducir las emisiones de gases contaminantes se requiere un tratamiento de desulfuración y desnitrificación al BBF. Además, el ABF con capacidad de reducción de emisiones de partículas (PM) se puede utilizar como aditivo para el combustible del motor; también se puede utilizar como combustible para motores de automóviles en lugar de gasolina para reducir en gran medida la contaminación de la atmósfera causada por los viajes en automóvil35,36. El ABF tiene un alto rendimiento antidetonante y un alto punto de ignición, y no es propenso a sufrir accidentes por incendio. Su punto de inflamación es de 20 °C y puede destruirse con agua, lo que es más seguro que utilizar gas natural y gas de carbón.

La eficiencia térmica del granero ABF es significativamente mayor que la del granero BBF y la del granero carbón. Puede ser el efecto de autooxígeno del ABF, que promueve la combustión completa del ABF; Además, también puede ser que el ABF del granero tenga un mejor radiador, mejorando así la eficiencia térmica general, y la energía liberada por la combustión del ABF se puede utilizar por completo. El CO es un producto intermedio producido por una combustión insuficiente de hidrocarburos37,38. La comparación de la temperatura del gas de salida y el contenido de CO muestra que la eficiencia de combustión del ABF de granero es mayor que la del BBF de granero y la del carbón de granero. Liu en 202031 utilizó diferentes fuentes de energía para estudiar la investigación energética sobre el secado de granos y descubrió que la tasa de conversión de calor de las estufas de aire caliente ABF de granero alcanzaba más del 90%, lo que tiene las características de alta eficiencia, ahorro de energía y protección del medio ambiente. Los estudios han demostrado que el ABF tiene un mayor índice de octanaje y un mayor rendimiento antidetonante, lo que es un excelente aditivo para mejorar el índice de octanaje de la gasolina19,39,40. Sin embargo, el ABF también tiene las características de bajo poder calorífico, que es solo el 60% de algunos combustibles de alto poder calorífico, es suficiente para TC, pero para otros curados que requieren mayor poder calorífico, es necesario aumentar el poder calorífico de ABF. Se han realizado algunas investigaciones sobre el aumento del poder calorífico del ABF. Por ejemplo, agregar un agente estabilizador puede mejorar la estabilidad de la combustión del combustible y aumentar considerablemente el poder calorífico; agregar un catalizador de ferroceno (deshierro) puede aumentar la combustibilidad del combustible, lograr una combustión completa, aumentar el poder calorífico y evitar la contaminación del aire; Agregar un supresor de humo, un inhibidor de corrosión y un agente eliminador de olores puede evitar la generación de líquido residual de combustible, evitar la generación de humo, olor y coque, y tener un tiempo de almacenamiento prolongado10. Además, Csemany et al.41 determinaron las propiedades termofísicas y de transporte de diferentes fracciones en volumen de biocombustibles de n-butanol, mezclas de acetona-butanol-etanol y sus mezclas con gasóleo estándar. Este estudio consideró que las características de combustión de una fracción en volumen del 25% de biocombustible para n-butanol y una mezcla de biocombustibles de acetona-butanol-etanol son ventajosas. Este estudio proporciona una nueva forma de reducir el coste del combustible a base de alcohol, mejorar la eficiencia de la combustión y la emisión de CO y de hidrocarburos no quemados.

Bajo las condiciones de este estudio, el ABF del granero puede cumplir con los requisitos de temperatura más altos de TC. En comparación con el BBF de granero y el carbón de granero, es más propicio para aumentar la temperatura y estabilizarla de acuerdo con la curva DBT objetivo durante el proceso de curado de TC; Mientras tanto, durante la combustión de ABF se produjeron CO2 y CO, pero no se detectan gases nocivos como NOX, SO2 y H2S en los gases de escape de la chimenea; La eficiencia térmica del ABF de granero en el proceso TC alcanza el 79,43% y el costo por kilogramo de hojas de tabaco es menor que el del BBF de granero y el del carbón de granero. Por lo tanto, en comparación con el carbón de granero y el BBF de granero, el ABF de granero puede controlar con mayor precisión los cambios de temperatura y tiene ventajas obvias en la protección ambiental y la eficiencia de utilización del calor.

Todos los datos, modelos y códigos generados o utilizados durante el estudio aparecen en el artículo enviado.

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Los autores desean agradecer a Zhejiang Mingxin Blower Fan Co., Ltd., que fue de gran ayuda en el soporte del equipo.

Esta investigación fue financiada por Proyectos de Investigación Fundamental Aplicada de Yunnan, subvención número 202305AD160036, Proyecto Clave del Plan de Ciencia y Tecnología del Tabaco de la Provincia de Yunnan, subvención número 2023530000241024, 2021530000242018.

Academia de Ciencias Agrícolas del Tabaco de Yunnan, Kunming, 650031, China

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

Facultad de Agronomía y Biotecnología, Universidad del Suroeste, Chongqing, 400715, China

Ke Ren

Universidad de Ciencia y Tecnología de Kunming, Kunming, 650201, China

Hui Long Luo

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KR realizó los experimentos y escribió el texto principal del manuscrito. XWJ y JES revisan el manuscrito. YC concibió la investigación y diseñó los experimentos. HLL contribuyó con los materiales y herramientas de análisis. YLJ responsable de la adquisición de financiación. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Yonglei Jiang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Ren, K., Ji, X., Chen, Y. et al. Evaluación de la eficiencia térmica y el potencial de reducción de emisiones de los equipos de curado de combustibles a base de alcohol en el curado de tabaco. Representante científico 13, 13301 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40015-w

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Recibido: 17 de mayo de 2023

Aceptado: 03 de agosto de 2023

Publicado: 16 de agosto de 2023

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

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