不同類型密集烤房應(yīng)用效果及發(fā)展現(xiàn)狀分析

段美珍, 農(nóng) 倩，趙阿娟，裴曉東，陳治鋒

(1.湖南省煙草公司長沙市公司，湖南 長沙 410019；2.中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

0 前言

國內(nèi)煙葉生產(chǎn)向規(guī)模化種植和密集烤房的集群化[1]發(fā)展，而烤煙技術(shù)設(shè)備、管理模式和設(shè)備相對發(fā)達(dá)國家比較落后，煙農(nóng)節(jié)能環(huán)保意識薄弱[2]，烤煙能源利用率相對較低，由此帶來的環(huán)境污染、能源浪費(fèi)、用工多、烘烤成本高等問題也越來越突出。

煤炭價格低廉，來源廣泛，是我國烤煙熱量主要來源。按我國煙葉年種植面積2017年2 100萬畝，以及現(xiàn)有燃煤熱風(fēng)爐能效低至35%～45%推算[3-5]，我國烤煙年用煤炭約為420～500萬噸煤，因烤房能效低而浪費(fèi)煤炭約200萬噸。而且，由于大多數(shù)密集烤房沒有配置有效的除塵裝置及脫硫脫硝設(shè)施，而烘烤燃煤多以未經(jīng)去硫去灰風(fēng)選洗選加工的原煤為主，其種類復(fù)雜，熱值不穩(wěn)定，灰分和含硫量高，導(dǎo)致燃煤生成的粉塵、SO2、NOx和多環(huán)芳烴等有害物質(zhì)排放超標(biāo)嚴(yán)重，對烤房群周圍環(huán)境已造成了較為明顯的污染影響[6]。密集烤房節(jié)能環(huán)保和降工減本的潛力巨大，只有優(yōu)化烤煙用能結(jié)構(gòu)才能滿足當(dāng)今我國節(jié)能環(huán)保低碳形勢需要。

使用清潔能源，重視節(jié)能減耗，完善烤房性能，充分挖掘烤煙工藝節(jié)能潛力是密集烤煙房發(fā)展的必然方向。立足于我國能源資源現(xiàn)狀，關(guān)注煙草烘烤加工中的安全、低成本、節(jié)省用工和節(jié)能等問題，可以為現(xiàn)有燃煤熱風(fēng)爐提供替代新方案，不僅有利于降低烤煙能源成本，精準(zhǔn)幫富煙農(nóng)，提高烘烤效率和煙葉品質(zhì)，安全烘烤，減少燃燒煙氣對附近農(nóng)田及村莊環(huán)境的影響、凈化烤房群附近空氣，而且有利于促進(jìn)環(huán)境友好型現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，滿足當(dāng)前社會主義新農(nóng)村建設(shè)需要。

1 常規(guī)燃煤烤房

1.1 立式金屬爐烤房

立式正燒熱風(fēng)爐爐膛呈立式結(jié)構(gòu)狀，其結(jié)構(gòu)簡單，投資少，具有火力集中，燃燒充分，火力調(diào)控簡便，節(jié)煤等優(yōu)點(diǎn)[7-9]，而且該爐安裝了進(jìn)風(fēng)口擋板，爐內(nèi)腔被無縫隙金屬殼體包裹，密封性好，爐溫可調(diào)可控，易于封火過夜及變黃期溫度控制，控火更簡便?？筛鶕?jù)燃料燃燒特性摸清燃燒規(guī)律，以及各烘烤階段熱量需求，準(zhǔn)確把握加煤時間和加煤量，提高燃燒效率和燃透率，減少因隨意操作造成的溫度過高或過低而增加能耗。

如圖1所示，立式正燒熱風(fēng)爐基于暗火正燃原理，在點(diǎn)火引燃后，根據(jù)沿煤床向上流動的助燃空氣，燃燒面沿煤床向上移動，處于燃燒面上方的散煤在高溫烘烤下?lián)]發(fā)出干餾氣和揮發(fā)分，且在還原性氣氛下，CO2接觸高溫焦炭被還原生成CO，這些氣體隨著助燃空氣一起向上流動，最終進(jìn)入拱頂區(qū)經(jīng)排煙口排出，從而導(dǎo)致煙氣CO含量高，化學(xué)不完全燃燒損失大。而且由于散煤爐爐膛容積小，烘烤過程中需要多次中途加煤燃燒供熱，使得烤煙房溫度波動大(6～8 ℃)，控溫精度差，烤煙質(zhì)量不佳，爐門熱輻射損失大，熱效率低，燃煤費(fèi)用高至烤煙生產(chǎn)成本的1/4以上。立式正燒熱風(fēng)爐普遍使用，2018年投標(biāo)價5 800元/臺，燒散煤，手工添煤，暗火正燒，空氣利用率低，頻繁開啟爐門導(dǎo)致烤房空氣干球溫度波動大。

圖1 立式金屬爐結(jié)構(gòu)

1.2 隧道式非金屬爐烤房

隧道式非金屬爐結(jié)構(gòu)如圖2所示，通常燃燒蜂窩狀型煤，一次性裝煤或中途多次加煤，非金屬熱交換管不易腐蝕。一次性裝煤隧道爐降低了烘烤勞動強(qiáng)度[10,11]，烘烤生產(chǎn)效率大幅提高。型煤控火主要通過自控設(shè)備調(diào)控鼓風(fēng)機(jī)啟停實(shí)現(xiàn)，同時靈活應(yīng)用煙囪控火閘進(jìn)行輔助調(diào)控。隧道爐調(diào)節(jié)位于煙道上的控火閘至關(guān)重要。隧道爐最大優(yōu)點(diǎn)是燃燒供熱過程與煙葉烘烤需熱規(guī)律相吻合，烘烤中僅需調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口面積大小，升溫穩(wěn)溫靈便，蓄熱多、熱慣性大，不會出現(xiàn)烤房溫度猛升猛降而影響煙葉烘烤質(zhì)量的現(xiàn)象，對三段式烘烤十分有利[12,13]。

隧道式非金屬爐同樣基于暗火正燃原理，也存在煙氣CO含量高，不完全燃燒損失大的情況，尤其是隧道爐拱頂區(qū)滯留CO濃度高，易出現(xiàn)爆燃傷人事故。同時，由于該助燃風(fēng)機(jī)處于高溫隧道爐旁，不僅使得線圈絕緣層頻繁遭受反向倒流的高溫爐氣烘烤毀損，而且導(dǎo)致流入爐內(nèi)引燃區(qū)的助燃風(fēng)機(jī)流量小于額定流量，出風(fēng)能力永久性下降，助燃空氣利用率不高，使得烤煙房溫度低于烘烤工藝設(shè)定溫度2～8 ℃，不能滿足大中火煙葉烘烤供熱需要，降低烤煙品質(zhì)，其熱效率低至35%～45%。

隧道式非金屬爐燒型煤球，優(yōu)勢是一次性預(yù)裝煤球，不需要頻繁的加煤，但裝煤操作不舒適，變黃期易掉溫，定色期易超溫(特別是烘烤上部煙葉)，助燃風(fēng)機(jī)燒損嚴(yán)重，供風(fēng)無保障，易意外停供熱導(dǎo)致降溫烤壞煙葉。2014年寧鄉(xiāng)市5個工場統(tǒng)計(jì)，助燃風(fēng)機(jī)損壞39%，更換費(fèi)用30 186元，烤煙損失14.15萬元。2017年寧鄉(xiāng)市某工場50座烤房第2～4烤風(fēng)機(jī)燒損報(bào)廢率達(dá)50%。

圖2 隧道式正燒熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)

1.3 雙層對向正反燒爐烤房

如圖3所示，雙層對向正反燒爐設(shè)置上中下三個爐門，上爐門用于加煤和鼓風(fēng)，中爐門用于加煤和集渣，下爐門集渣和鼓風(fēng)，設(shè)置兩層爐條分隔出上中下3個爐膛。上爐膛從上往下進(jìn)行反向燃燒并形成高溫火焰，下爐膛從下往上進(jìn)行正向燃燒并產(chǎn)生大量可燃?xì)怏w，正反向燃燒火焰及可燃?xì)怏w在中爐膛“對向”相遇后再次進(jìn)行燃燒并產(chǎn)生高溫?zé)煔廨敵?。通過二次燃燒和對向燃燒，煙氣CO等可燃物能得到充分燃燒利用。將傳統(tǒng)反燒爐倒立安裝，沿助燃空氣流動方向爐條安置在高溫燃燒區(qū)下游，靜壓室當(dāng)成儲煤室，便于烘烤過程中在低溫儲煤室多次加料，燃料層緩慢下移以相對固定高溫燃燒區(qū)位置，使得一般反燒爐存在“爐條附近區(qū)域的固體燃料難以完全燃燒”缺點(diǎn)變得不明顯[14]。

雙層對向正反燒爐存在2個技術(shù)缺陷：一是在停止供應(yīng)助燃空氣時未燃燃料受到反燒爐底面高溫燃燒區(qū)烘烤，揮發(fā)分等可燃性氣體易于上升漂浮至反燒爐最頂部的靜壓室，出現(xiàn)反向氣化問題，不僅排放黑煙，而且在助燃風(fēng)機(jī)開啟送風(fēng)瞬間靜壓室易出現(xiàn)爆燃等安全事故。二是扒出高溫爐渣。高溫?zé)煔庖鹘?jīng)爐渣層，爐渣層保持通紅高溫狀態(tài)，爐渣含有一定量未燃燼碳并攜帶大量顯熱，直接影響反燒爐熱效率的提高。這種反燒爐高溫燃燒層始終外露，燃燒放熱直接用于生成高溫循環(huán)空氣，即要求間歇性清爐渣以保持薄渣層，無爐渣高溫蓄熱以穩(wěn)定爐溫設(shè)計(jì)，一旦停止燃燒供熱爐溫即迅速下降。

圖3 雙層對向正反燒爐結(jié)構(gòu)

2 空氣源熱泵烤房

如圖4所示，空氣源熱泵烤房主要由空氣源熱泵、翅片式散熱器、烘烤控制器和烤煙房等結(jié)構(gòu)構(gòu)成。空氣源熱泵基于卡諾循環(huán)原理運(yùn)行，低溫高壓的載熱工質(zhì)經(jīng)膨脹閥節(jié)流后，在壓力作用下進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)吸收空氣中的熱量汽化，隨后載熱工質(zhì)經(jīng)壓縮機(jī)壓縮變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，在冷凝器內(nèi)與循環(huán)熱空氣換熱，實(shí)現(xiàn)了熱量從空氣側(cè)向烤煙房內(nèi)轉(zhuǎn)移，蒸發(fā)鮮煙葉水分。從示范效果來看，現(xiàn)場整潔，空氣源熱泵烤房能滿足密集烘烤38～40 ℃變黃期和61～68 ℃干莖期供熱需要，其安裝工藝簡單，平面溫差和垂直溫差較小，風(fēng)速適宜，通風(fēng)排濕順暢，烤房的能耗及用工減少，節(jié)能減排效果明顯[15,16]。但空氣源熱泵烤房存在著成本高、熱能轉(zhuǎn)換效率低、易受光照強(qiáng)度和時長等氣候因素的影響不能全天候運(yùn)行、節(jié)能效益穩(wěn)定性較差[17,18]、無法作為單一熱源為煙葉烘烤提供熱量等問題，此外空氣源熱泵造價較高，元器件成本高，后期維護(hù)工作量大，技術(shù)要求高，多種原因限制了空氣源熱泵烤房推廣應(yīng)用。

空氣能熱泵烤房的優(yōu)勢是環(huán)保干凈，劣勢是造價高，2.8～3.8萬元/臺(2018年投標(biāo)價)，電能需求高，定色期升溫困難，需電加熱輔熱，壓縮機(jī)啟動和熱泵制熱等延遲，烤房溫度頻繁波動(-2.9～+0.6 ℃)，有效加熱時間短。

圖4 空氣源熱泵烤房

3 生物質(zhì)烤房

生物質(zhì)燃料低熱值約為3 000～4 000 kCal/kg，揮發(fā)分含量70%～80%，固定碳10%～20%，含硫量低于2%，是理想的可替代再生能源，是烤煙工藝節(jié)能降本重要途徑之一。

目前，各煙區(qū)大力試驗(yàn)推廣如圖5所示的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)，其結(jié)構(gòu)主要包括燃燒器、二次燃燒室和換熱器，其中燃燒器包括料倉、螺旋供料機(jī)構(gòu)及絕熱熱解室。在熱解室內(nèi)組織生物質(zhì)顆粒不完全燃燒，生成可燃性中間氣在二次燃燒室內(nèi)和二次空氣混合后繼續(xù)燃燒，提高二次燃燒室溫度到1 000 ℃以上，未燃盡煙氣再次充分燃燒，焦油裂解，達(dá)到節(jié)能減排效果。生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)基于雙爐膛和分級燃燒原理，可減少煙氣NOx排放濃度，且由于是火焰燃燒，熱慣性小無蓄熱，即燃即用，能夠控制燃燒速度，升降溫速度快，特別適應(yīng)于中大火烘烤期間使用，煙氣能夠充分燃燒，不產(chǎn)生焦油[19,20]。

圖5 生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)

由于顆粒屬于散體，不連續(xù)，小火低溫階段極易發(fā)生后面顆?？焖倥鰮羟懊骖w粒，出現(xiàn)加料熄火、燃燒不穩(wěn)定、火力可控性差及頻繁點(diǎn)火等故障。同時，由于生物質(zhì)顆粒完全燃燒時間長，沿?zé)煔庑谐桃装l(fā)生未完全燃燒顆粒堆積結(jié)焦問題，一方面焦粒易板結(jié)而難以清除，導(dǎo)致燃燒機(jī)機(jī)械運(yùn)動部件意外卡死而切斷供熱而又長時間不能被發(fā)現(xiàn)，另一方面導(dǎo)致突然著火出現(xiàn)爆燃、排放黑煙問題，在燃燒機(jī)與二次燃燒器連接松動有縫隙時從連接處意外噴出高溫火焰，導(dǎo)致傷人、燒毀燃燒機(jī)及火災(zāi)(燃燒機(jī)布置有電導(dǎo)線、堆積有廢棄生物質(zhì)顆粒包裝袋)問題。

生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的優(yōu)勢是燃料不含硫，環(huán)保，劣勢是優(yōu)質(zhì)顆粒供貨及途徑不可靠，零部件故障率高，技術(shù)要求高，存在爐內(nèi)爆燃、外噴火引起火災(zāi)和斷料降溫烤壞煙葉等隱患。

4 潔凈煤反向燃燒爐烤房

潔凈煤反向燃燒爐以潔凈煤為燃料，主要包括如圖6所示的爐頂蓋、立式爐腹、爐條、內(nèi)外雙爐門，其爐腹側(cè)壁均勻焊有向外輻射狀肋片，爐頂蓋側(cè)壁設(shè)置2～4個補(bǔ)風(fēng)縫，爐內(nèi)腔包括爐腹內(nèi)腔和操作通道內(nèi)腔，操作通道用于裝煤清灰，內(nèi)爐門堵塞清灰口，外爐門密封操作通道[21,22]。

圖6 潔凈煤反向燃燒爐結(jié)構(gòu)

表1 潔凈煤反向燃燒爐烤房與其他烤房對比分析

潔凈煤反向燃燒爐基于明火反燒原理，把引火柴放在煤層上面，通過熱輻射和熱傳導(dǎo)使得煤層自上而下進(jìn)行燃燒，運(yùn)行初期，上面的火源把熱量傳導(dǎo)給最近的煤層，將表面的煤層加熱到300 ℃左右，煤層開始析出可燃性氣體，可燃?xì)馊紵?，爐膛溫度進(jìn)一步提高，熱輻射傳熱效果進(jìn)一步增強(qiáng)，當(dāng)表面煤層溫度>450 ℃時，煤即開始正常燃燒，此時燃燒的炙熱煤層又通過熱傳導(dǎo)加熱相鄰煤層，當(dāng)相鄰煤層達(dá)到燃點(diǎn)后開始劇烈燃燒，如此周而復(fù)始，煤層自上而下連續(xù)均勻地燃燒[23]。由于新空氣自下而上鼓入，因此氧化層在下邊，上層煤因得不到足夠的氧氣，不能完全燃燒而形成“紅焦”的還原層，所以在煤層上邊存在一定量的CO。同時，由于反燒法連續(xù)均勻地進(jìn)行氧化燃燒，使得煤層干餾出來的可燃?xì)馐沁B續(xù)而均勻的，避免了游離碳的析出，減少黑煙產(chǎn)生。組織從煤層頂中心點(diǎn)火的明火反燃和頂蓋內(nèi)腔切錐面旋流燃燒。與金屬爐和隧道爐相比，其優(yōu)化了熱風(fēng)爐爐內(nèi)流動傳熱燃燒，實(shí)現(xiàn)“旋流送風(fēng)+由內(nèi)向外由上向下反向燃燒+旋流燃燒”，滿足三段式密集烘烤、節(jié)能減排和精準(zhǔn)烘烤等需要。經(jīng)過烘烤實(shí)驗(yàn)測試，潔凈煤反向燃燒爐烤房的烘烤溫度變化在±0.2 ℃以內(nèi)，變黃定色干莖期烤房溫度曲線貼合設(shè)定曲線，無掉溫超溫現(xiàn)象，低、中、高溫穩(wěn)溫及加熱速度，能滿足密集烤煙工藝需要。與其他烤房相比，潔凈煤凈煤反向燃燒爐烤房節(jié)能減排，減工降本，控溫精度佳，無溫度延遲，安全性高等優(yōu)勢明顯，是烤房改造及技術(shù)升級的最優(yōu)選擇方案。比如相較金屬爐而言，每座潔凈煤反向燃燒爐烤房每年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤993 kg，節(jié)省能源成本1 750元，相對節(jié)能26.4%，其干煙葉等級結(jié)構(gòu)更優(yōu)，內(nèi)在質(zhì)量略好，外觀質(zhì)量相當(dāng)，糖堿比更合理、化學(xué)成分更協(xié)調(diào)[24]。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)燃煤烤房能源利用率低，污染物排放量大，不符合我國環(huán)境友好可持續(xù)發(fā)展要求，有關(guān)節(jié)能變革勢在必行。推廣烘烤過程既符合環(huán)保的要求、貼近社會主義新農(nóng)村發(fā)展現(xiàn)實(shí)的密集烤房潔凈煤反向燃燒爐，為現(xiàn)有三高(高用工成本、高污染及高能耗)金屬爐及隧道爐更新、煙草調(diào)制工序?qū)嵭心芎南揞~及環(huán)保門檻管理，提供了除生物質(zhì)成型燃料烤房及空氣能熱泵烤房之外的另一種新方案。潔凈煤反向燃燒爐烤房組織明火反向燃燒供熱，能精準(zhǔn)調(diào)控烤房溫度，提高能源利用率，減少污染物排放，操作方便，維修簡單，不僅有利于降低烤煙生產(chǎn)能源成本，提高煙葉品質(zhì)，而且有利于促進(jìn)煙草生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，發(fā)展環(huán)境友好型現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)，是傳統(tǒng)燃煤技術(shù)升級節(jié)能改造理想方案，具有明朗的推廣應(yīng)用前景。