節能型茶葉加工流水線研究

陳加友，江進福，陳英勇，郭光候

（1.黎明職業大學，福建 泉州 362000 2.福建佳友茶葉機械智能科技有限公司，福建 泉州 362411）

1 當前茶葉生產過程中存在的技術問題

在傳統茶葉加工工藝中，烘焙、炒干、烘干等都屬于高耗能的工序，能源一般都有生物質顆粒、燃煤、燃氣、燃油、電等，傳統的茶葉機械制造廠家為滿足加工工藝盲目的加大熱功耗設計，造成能源消耗過高、能源利用率低。特別是茶葉加工自動化流水線，廠家在設計之初往往只考慮滿足鮮葉批次處理量，忽略了設備能源消耗與利用率，造成整套茶葉加工設備熱功耗偏高，同時現有的傳統茶葉烘焙機多采用電熱風烘焙，也存在熱能利用率低、耗能較高、溫度常不均勻、烘焙質量差等突出問題。茶企能源費用負擔加重，產茶成本增加，進而產品競爭力下降。目前，茶葉加工已經借助現代工業技術，實現了部分關鍵技術參數實時反饋、自動調節、過程智能自動控制，對推動茶葉加工的全面的技術優化升級提供堅實基礎。但是，當前我國茶產業和其他產業的農業機械化存在著：基礎薄弱、發展時間短、理論研究不足、節能意識差等問題，特別是部分關鍵零部件缺乏，由此仍存在以下4個方面的不足：

1.1 高能耗、能源綜合利用率低

茶葉的加工過程中工序繁雜，各個工序生產工藝對溫度的需求普遍存在差異，存在著能源利用時間和空間上無法做到連續進行，能源綜合利用率低。目前，茶葉加工中的殺青、烘干、炒干等工序都屬于高耗能過程，加工過程中多采用生物質顆粒燃料、煤、燃氣或電能為能源供應生產過程所需的能量，余熱回收綜合利用的相關開發利用仍較少。

1.2 工藝制定及參數設定多數依靠經驗，缺乏理論指導

國內茶葉加工裝備制造業存在著理論及經驗脫節的問題，如：茶葉加工從業人員實踐經驗豐富，但不懂茶葉機械設備的開發；茶葉機械制造企業對茶葉加工工藝不熟悉，為滿足不同茶葉的生產需求，在茶葉設備的設計和開發普遍存在設計容量較大，不僅造成茶葉設備操作復雜、自動化和集成化低，還造成運行中能耗較高。

1.3 智能化程度不高

茶葉加工，簡而言之就是在保證風味的基礎上，采用高溫的方法去除茶葉中的水分。目前，茶葉加工中的含水率等關鍵參數無法實現在線無損檢測及過程準確控制。因此，高智能化的“一鍵制茶”仍是茶葉加工的技術難題。

1.4 節能和環保意識薄弱

在國外，特別是在比如日本等國內自然資源匱乏的國家，在傳統的茶葉生產加工過程蒸青、炒干、烘干等高耗能工序中紛紛引入多熱源補償控制及余熱回收利用技術減少能源消耗。由于茶葉產品的產品附加值較高，再加上我國的人力成本相比日韓和歐美國家相對較低，造成茶葉加工的從業人員節能和環境意識不強，隨著農業機械領域更加健全的節能減排政策機制，重點行業的能源利用率和污染物排放水平基本達到國際先進水平，茶葉機械的節能降耗仍有較大潛力可以挖掘。

對于茶產業來說，特別是茶葉生產加工要從“機械化、自動化”向“智能化、節能化”縱深發展。研究表明：茶葉在干燥過程中平均需要11700～13600 KJ/Kg，烘干機的熱效率約為57.6%，而熱風爐與烘干機聯合干燥效率僅為 13.18%。若是能提高干燥過程的能量利用率，每年可以節約的能源將是非常可觀的。2021年我國提出2030年實現碳達峰，2060 年實現碳中和，二氧化碳的減排力度遠大于歐美等發達國家。因此，提升茶葉機械及茶葉加工生產線的節能水平，不僅是補齊茶葉初加工短板的重要環節，也是助力碳達峰與碳中和的重要手段。本研究提供一種節能型茶葉加工流水線的設計，為茶葉加工節能技術方面提供參考。

2 節能型茶葉加工流水線的設計

2.1 多熱源區域集中供熱模式

傳統茶葉加工工藝包括攤青（萎凋）、烘干、揉捻、發酵、烘干、炒干等工序及相應設備，加工過程流水線整體布局較長，批次鮮葉處理量較大的茶葉加工流水線甚至達到一百多米。生產加工過程中需要吸收熱能的工序也較多，相應的熱處理后的存在大量的熱能浪費，但沒有配套的熱能回收和梯度利用。因此茶葉加工中，萎凋、殺青、炒干等工序的熱源供應仍屬于“一機一灶”的單機供熱作業。

本節能型茶葉加工流水線的集中供熱主熱源采用電磁加熱熱風爐，其核心是采用電磁感應的加熱原理，通過電磁感應變頻電源將交流電改變為直流電，再把直流電變為高頻交變電，高頻交變電作用在翅片管內的線圈上，從而產生交變磁場，磁力線切割線圈內翅片管，從而產生渦流，通過渦流碰撞使翅片快速發熱，風機吹風通過翅片管產生熱風吹至各熱風管道內，如圖1所示。其優點有：（1）電磁加熱技術在金屬發熱材料筒外表覆蓋有絕緣隔熱保溫材料層，基本無熱量散失，熱能利用率高達90%以上；（2）溫度參數自動控制，實時顯示，相比傳統用能方式的高強度勞動作業，可做到無人值守；（3）采用電磁感應加熱技術，電線和爐體之間有絕緣體，靠磁場切割金屬加熱，無明火產生，不漏電；（4）相比傳統燃燒用能方式，節能、低碳、減排的效果顯著。

圖1 節能型茶葉加工流水線電磁加熱熱風爐

為解決流水線整體布局較長，余熱回收再利用及風壓損耗大等難題，高耗能工序設備布置采用回字形、S型、并排等布局方式，將高耗能制茶工序設備盡可能緊挨在一起，管道布置最大限度減少彎管銜接，如遇到彎角，避免采用直角彎管銜接，最大限度減少熱風在管道輸送過程的風壓損耗及熱能損耗滿足各制茶工序設備所需的溫度及風量，同時也降低用電，達到低碳節能減排的效果。

2.2 余熱回收、熱能梯級

結合茶葉加工過程各工序對熱源溫度的需求不同，本研究采用能源梯級利用的相關理論，將殺青、烘干、炒干等耗能設備釋放的高溫、高濕蒸汽進行余熱回收，并將余熱傳遞至上游工序機組（如萎凋）作為輔熱，減少萎凋機組熱功耗，或將殺青余熱傳遞至下游烘干、炒干工序機組，以供機體提前升溫預熱，降低干燥機組的整體能耗和提升能源綜合利用效率，從而達到熱能高效利用和節能減排，具體實施如圖2所示。

圖2 將殺青機排放的余熱傳遞至其他制茶設備

2.3 熱能高效分配機制研究

為同時滿足各制茶設備的制茶工藝要求及達到低碳節能減排的效果，多熱源供熱模式下的各個工序需要做到的是系統合理運行，要在供熱的初級階段，先投入主熱源，承擔基本熱負荷，隨著機體達到預熱效果可進行制茶工序，輔助熱源再投入運行，承擔接下來的制茶所需供熱。電磁加熱熱風爐供熱調節及時性較差、熱損失較多，其投入和退出生產不靈活，存在一個熱負荷過渡區，所以殺青、炒干段的熱量提供主要依靠自帶的燃氣加熱，保證茶葉加工工序供熱的需求。由此，實現余熱回收和能源梯級利用，從而實現降低運行費用和減小環境影響。

綜上所述，熱能高效分配原則應遵循，如圖3所示：

圖3 熱源負荷分配的優先次序

（1）供熱初期，以主熱源的電磁加熱熱風爐為主；

（2）殺青、炒干階段以燃氣加熱為主；

（3）烘干階段，電磁熱風爐優于余熱回收利用。

2.4 節能型茶葉加工流水線控制系統

PID控制原理：被控制量的值由傳感器或變送器來檢測，這個值與給定值進行比較，得到偏差，模擬調節器依一定規律使操作變量變化，以使偏差趨于零，其輸出通過執行器作用于過程。PID模糊控制系統原理如圖4所示：

圖4 PID模糊控制系統原理圖

本節能型茶葉加工流水線采用模塊化設計理念，對每個功能模塊通過主程序的調用來實現控制效果，控制程序流程圖，如圖5所示。

圖5 節能型茶葉加工流水線控制系統程序流程圖

PLC取代了傳統的繼電器控制電路，實現順序控制，邏輯控制，通過總線與PLC連接，從而通過變頻器對茶葉生產過程中的各個開關進行有效控制，實現生產過程中的自動控制，如圖6所示。

圖6 節能型茶葉加工流水線電氣控制圖

控制系統輸入各項茶葉生產的控制參數，通過嵌入式與PLC通訊，如圖7所示，人機界面友好，操作簡便，用戶可以通過界面掌握整套成型控制系統的各參數與操作方式，可根據茶葉老嫩的不同調整設置技術參數，參數設置完畢后，系統啟動進入自動控制，在制茶過程中如發現參數需修改，可直接輸入，不需要停止自動程序，系統也可根據不同批次茶葉進行分段計時。

圖7 節能型茶葉加工流水線控制系統操作界面

3 節能型茶葉加工流水線效能分析

以福建佳友茶葉機械公司承建的南京市六合區街道辦事處節能型茶葉加工流水線為例，于2019年09月開工，2021年06月安裝完畢，總造價199.2萬元。該節能型茶葉加工流水線對高耗能的烘干、炒干設備采用并排緊密布局，外墻隔離間安置電磁加熱熱風爐進行集中供熱，當上一道初烘工序出料完畢且無進料時，熱風爐關閉初烘段熱風閥門。同理，當炒干工序加工完畢時，熱風爐關閉炒干段熱風閥門，進一步提高燃燒效率，減少用電用能，達到低碳節能減排的效果。

圖8 南京市六合區街道辦事處節能型茶葉加工流水線布置圖

根據生產工藝，茶葉加工生產主要有兩種形式，如圖9所示。該研究的節能方案為：

圖9 南京市六合區街道辦事處節能型茶葉加工流水線

（1）利用殺青機的排煙溫度預熱空氣，并將預熱后的空氣引入復烘/炒干；

（2）復烘/炒干后的濕熱空氣直接引入初烘機。

考慮茶葉加工的工藝流程如圖10所示，本節能型茶葉加工流水線思路：

圖10 節能型茶葉加工流水線工藝流程圖

（1）采用燃燒石油液化氣的殺青機，每小時可產生約27m3溫度為270℃的煙氣，這部分的煙氣余熱可回收，并用于加熱進入復烘/炒干工序的空氣；

（2）由于復烘/炒干后的排濕風含濕量低，可將復烘/炒干后的熱濕風直接引入初烘機。

以每小時加工100kg茶葉為例，殺青過程需要消耗5kg液化天然氣。根據實驗測量，排煙溫度約270℃。基于燃燒學相關理論，5kg液化天然氣燃燒后產生的煙氣量約為27m。根據上述余熱回收方案，需要利用流量27m/h，270℃的排煙將25℃的空氣加熱到90℃，以滿足復烘工藝所需要的熱風。考慮煙氣余熱利用的熱損失，考慮到需較長距離通風，取熱利用率70%。

查表可得煙氣的物性參數：比熱容為1.097kJ/(kg·K)，密度為0.748kg/m，空氣的比熱容為1.005kJ/(kg·K)，密度為1.09kg/m。根據生產工藝要求，設計余熱利用后的排煙溫度為180℃。由此，根據能量守恒定律，計算可得加熱后的空氣流量為：

初烘和復烘均采用32型鏈板式烘干機，采用電磁感應加熱，配備3臺功率550W的風機。為了對比改進后的節能效果，實驗測量改進前初烘機的電磁感應加熱為95KW，循環風量2000m/h；復烘機電磁感應加熱為80KW，循環風量2500m/h。

初烘和復烘過程加熱空氣所需的能量為：

由此，計算可得電磁感應加熱的電熱轉換效率約61%。改進后，將復烘機的熱排風引入初烘機，為滿足工藝要求同時考慮熱量損失，熱排風升溫所需的能量為：

改進后的初烘機所需的功率為：

改進后系統經實驗測試，初烘機的電磁感應加熱為40 KW，循環風量為 ；復烘機電磁感應加熱為80 KW，循環風量為。

因此，在相同的設備操作時間下，改進前后的生產線各設備能耗對比，如表1所示，可以看出，系統能耗降低約：

表1 改進前后流水線各設備的能耗

4 結論

本文研究提出多熱源區域集中供熱模式，采用“余熱回收、熱能梯級利用”技術，建立熱能高效分配機制，研發節能型茶葉加工流水線，提高茶葉加工流水線的供熱效率、降低茶企能源消耗及費用、降低人工勞動強度、達到節能低碳減排的效果。