潔凈煤反向燃燒爐節(jié)能效益測(cè)定研究

段美珍， 農(nóng) 倩， 趙阿娟， 裴曉東， 陳治鋒

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

0 前言

目前，我國(guó)各煙區(qū)多采用隧道爐和金屬爐作為煙葉烘烤設(shè)備［1］，這些燃煤熱風(fēng)爐技術(shù)裝備落后，能源利用率低，環(huán)保設(shè)施不到位［2－3］，與我國(guó)追求可持續(xù)發(fā)展和發(fā)展環(huán)境友好型社會(huì)的目標(biāo)格格不入。立式金屬爐需要多次添加燃煤，加煤時(shí)排放黑煙，烘烤溫度有明顯波動(dòng)，排放眾多赤紅渣團(tuán)，散煤總消耗量在1.0～1.2 噸／ 房。 隧道式非金屬爐變黃定色期需要看護(hù)助燃風(fēng)機(jī)以避免電機(jī)高溫?zé)龘p，變黃定色期升溫困難，掉溫超溫幾率大。 應(yīng)用清潔能源，降低燃料耗損，減少環(huán)境污染，是熱風(fēng)爐能源變革的必經(jīng)之路［4］。

為此，各煙區(qū)將空氣源熱泵和生物質(zhì)等清潔能源應(yīng)用于煙葉烘烤領(lǐng)域［5］，但是由于煙葉供熱設(shè)備不同于其他產(chǎn)品的烘干設(shè)備，加上煙葉有其較為獨(dú)特的烘烤工藝技術(shù)，導(dǎo)致這些清潔能源的煙葉烘烤應(yīng)用效果不理想。 空氣源熱泵能滿足密集烘烤38℃變黃期和67～70 ℃干莖期供熱需要，安裝工藝簡(jiǎn)單［6］，但存在著成本高、熱能轉(zhuǎn)換效率低、節(jié)能效益穩(wěn)定性較差、額定制熱功率不足、升溫困難［7－9］等問題；而生物質(zhì)供熱設(shè)備在實(shí)際烤煙時(shí)也存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、結(jié)焦、卡料、頻繁點(diǎn)火［10－12］等問題。這些問題導(dǎo)致空氣源熱泵和生物質(zhì)烤房一直處于試驗(yàn)示范階段，并不能全面推廣。

潔凈煤反向燃燒爐設(shè)計(jì)基于明火反燒原理，立足于綠色清潔的潔凈型煤，是一套能滿足烤煙熱量需求、有利于煙葉烘烤生產(chǎn)可持續(xù)性發(fā)展的節(jié)能型供熱烘烤設(shè)備［13］。 潔凈煤反燒爐一次性裝煤，裝煤輕便，包括低溫變黃階段在內(nèi)控溫性能良好，溫度波動(dòng)±0.2 ℃，整個(gè)烘烤過程中不需要人工看護(hù)監(jiān)視，煙囪看不到排煙。 潔凈煤反向燃燒爐的節(jié)能特性實(shí)驗(yàn)研究對(duì)烤煙工藝的節(jié)能減排、省工降耗及傳統(tǒng)燃煤熱風(fēng)爐的技術(shù)升級(jí)改造具有重要意義。

1 潔凈煤反向燃燒爐裝置及節(jié)能原理

1.1 潔凈煤反向燃燒爐裝置

潔凈煤反向燃燒爐包括爐頂、爐腹、爐條、內(nèi)爐門和外爐門，圓柱狀爐腹內(nèi)腔高1.5 m、內(nèi)徑1 m，在爐腹內(nèi)腔0.2 m 高度處水平固定爐條，爐條上方為堆煤區(qū)、下方為靜壓區(qū)，在爐腹側(cè)壁開設(shè)一個(gè)和爐腹側(cè)壁等高且寬為0.6 m 的操作口，操作口連通爐腹和倒置的操作通道，內(nèi)爐門封閉靜壓區(qū)側(cè)壁缺口，外爐門密封操作通道右端口。 潔凈煤反向燃燒爐基于明火反燒原理，在固定爐柵的燃燒室中將一爐的用煤量一次性投入，從煤層上面點(diǎn)火，從爐柵下面鼓入新鮮空氣，引火后煤層在熱輻射和熱傳導(dǎo)作用下自上而下燃燒，是一種不需要加煤和翻動(dòng)煤層，不進(jìn)行間斷性清爐的燃燒方式。以這種方式燃燒，可以將高溫?fù)]發(fā)出來的揮發(fā)分與煤末煙渣和燃料中的固定炭一同燃燒，不僅避免了大量CO 及可燃性揮發(fā)分排出，最大化地釋放了燃料熱能，還起到了消煙除塵和保溫節(jié)煤的良好效果［14－15］。

圖1 潔凈煤反向燃燒爐結(jié)構(gòu)圖

1.2 潔凈煤反向燃燒爐節(jié)能原理

首先，由于潔凈煤反向燃燒爐采用明火反燒方式，燃煤自上而下燃燒，因此，干餾層煤炭在高溫下?lián)]發(fā)出的可燃揮發(fā)分以及燃燒層底部煤炭在還原氛圍下與CO2反應(yīng)產(chǎn)生的CO，將隨底部流進(jìn)燃煤層頂部燃燒區(qū)的助燃空氣一起向上流動(dòng)并燃燒，使得燃煤內(nèi)能全部釋放出來，燃燒放熱量達(dá)到最大，煙氣中CO 含量降低。 其次，潔凈煤反向燃燒爐的燃燒區(qū)高溫面直接面對(duì)爐頂內(nèi)壁面，煤燃燒熱量即放即用，燃燒放熱直接用作加熱空氣，維持了爐內(nèi)腔、排煙口以及第一、二層換熱單管的高溫傳熱條件。 第三，潔凈煤反向燃燒爐只設(shè)置一個(gè)爐門，和隧道式非金屬爐的兩個(gè)爐門相比，潔凈煤反向燃燒的爐門散熱損失減小50%，和立式金屬爐相比，潔凈煤反向燃燒的爐門開啟次數(shù)從2 小時(shí)／ 次減少到整個(gè)烘烤過程只打開一次，敞開爐門導(dǎo)致的高溫輻射散熱損失大幅度地降低。

2 潔凈煤反向燃燒爐節(jié)能效益測(cè)定過程

密集烤煙房用高效節(jié)能環(huán)保型熱風(fēng)爐項(xiàng)目，集成明火反燒、潔凈煤燃燒、高溫燃燒和分區(qū)燃燒等技術(shù)，研發(fā)一種可強(qiáng)化爐內(nèi)可燃物－空氣混合燃燒的潔凈煤反向燃燒爐，并于寧鄉(xiāng)市玉山工場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。 項(xiàng)目實(shí)施前后的能源利用、能源計(jì)量監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)運(yùn)行等滿足《節(jié)能項(xiàng)目節(jié)能量審核指南》（發(fā)改環(huán)資［2008］704 號(hào)）、《節(jié)能量確定和監(jiān)測(cè)方法》、《節(jié)能監(jiān)測(cè)技術(shù)通則》（GB ／ T 15316—2009）、《用能單位能源計(jì)量器具配備與管理通則》（GB 17167—2006）和《綜合能耗計(jì)算通則》 （ GB ／ T 2589—2008） 等要求。 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)鮮煙葉裝入量及干煙葉卸出量、烘烤燃煤消耗及電能消耗，核定項(xiàng)目綜合能源消耗、單位產(chǎn)品能耗及年節(jié)能量等指標(biāo)。

以隧道爐和金屬爐作為對(duì)照爐，選取同一塊大田，采摘時(shí)間相同，且顏色、營(yíng)養(yǎng)條件、部位、成熟度均衡一致的云煙87 鮮煙葉進(jìn)行編煙，從中選擇30～40 竿掛牌標(biāo)記，隨后將鮮煙葉掛置于裝煙室內(nèi)，保證每次掛置的位置及裝煙密度基本一致，按照農(nóng)藝師設(shè)定的烘烤三段式工藝，以氣流上升式烘烤方式進(jìn)行烘烤。

2.1 項(xiàng)目邊界

潔凈煤反向燃燒爐、隧道爐及金屬爐的能耗核算邊界劃分如圖2 所示，表示電能表，表示現(xiàn)場(chǎng)電子臺(tái)稱，生產(chǎn)和能源消耗計(jì)量所涉及計(jì)量?jī)x表于表1 匯總。

圖2 項(xiàng)目核算邊界劃分

表1 項(xiàng)目生產(chǎn)及能源消耗計(jì)量?jī)x表配備

2.2 單耗及節(jié)能量核算方法

根據(jù)核算邊界，采用電子臺(tái)秤及電能表分別測(cè)量每次實(shí)驗(yàn)進(jìn)出烤房的煙葉重量、潔凈煤使用量以及總電耗。 并以標(biāo)記濕、干煙葉重量差確定實(shí)驗(yàn)煙葉的含水量，由此推測(cè)蒸發(fā)水總重量。 標(biāo)準(zhǔn)烤煙房設(shè)計(jì)干煙葉產(chǎn)能2 500 kg ／ 房，鮮煙葉含水率按平均86%計(jì)算。

（1）煙葉單位產(chǎn)品能耗的計(jì)算公式為

式中，η為煙葉單耗，kgce ／ kg；E為總能耗，包括燃煤能耗和電耗，kgce；M為干煙葉總重量或煙葉蒸發(fā)水總重量，kg。

（2）潔凈煤反向燃燒爐的節(jié)能量計(jì)算公式：

①以干煙葉單耗為核算指標(biāo)的節(jié)能量

②以蒸發(fā)水單耗為核算指標(biāo)的節(jié)能量

式中，M1和M反、M2和M對(duì)分別表示潔凈煤反向燃燒爐和對(duì)照爐烘烤后的干煙葉總重量和蒸發(fā)水總重量，kg；E1、E2表示潔凈煤反向燃燒爐和對(duì)照爐的總能耗，包括燃煤能耗和電耗，kgce。

3 節(jié)能特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 單位產(chǎn)品能耗計(jì)算

由表2 可知，以潔凈煤為燃料時(shí)，反向燃燒爐的干煙葉平均單耗為1.035 kgce ／ kg，蒸發(fā)水平均單耗為0.194 kgce ／ kg；以非潔凈煤為燃料時(shí)，反向燃燒爐的干煙葉平均單耗為1.279 kgce ／ kg，蒸發(fā)水平均單耗為0.200 kgce ／ kg。 反向燃燒爐使用潔凈煤的干煙葉單耗僅為不使用潔凈煤的80.9%，潔凈煤的使用能顯著降低反向燃燒爐的單位能耗。 而隧道爐以潔凈煤和非潔凈煤為燃料的干煙葉單耗和蒸發(fā)水單耗分別為1.323 kgce ／ kg 和0.238 kgce ／ kg 及1.381 kgce ／ kg 和0.216 kgce ／ kg，金屬爐的干煙葉單耗和蒸發(fā)水單耗分別為1.648 kgce ／ kg 和0.246 kgce ／ kg。綜上對(duì)比可知，反向燃燒爐使用潔凈煤的干煙葉單耗比隧道爐和金屬爐低了0.287 kgce ／ kg 和0.613 kgce ／ kg，蒸 發(fā) 水 單耗 低 了0. 044 kgce ／ kg 和0. 052 kgce ／ kg，反向燃燒爐使用非潔凈煤的干煙葉單耗和蒸發(fā)水單耗比隧道爐低了0.102 kgce ／ kg 和0.016 kgce ／ kg。 潔凈煤反向燃燒爐的降耗效果明顯。

表2 綜合能耗數(shù)據(jù)表

3.2 節(jié)能量計(jì)算

根據(jù)湖南實(shí)際采購潔凈煤?jiǎn)蝺r(jià)0.7 元／ kg 及熱值0.6 Mcal／ kg 換算得潔凈煤0.8 元 ／ kgce，并以干煙葉單耗和蒸發(fā)水單耗為核算指標(biāo)計(jì)算反向燃燒爐的節(jié)能量及節(jié)省成本。

如表3 所示，以潔凈煤反燒爐干煙葉單耗為指標(biāo)計(jì)算時(shí)，潔凈煤反向燃燒爐比隧道爐相對(duì)節(jié)能21.7%，每座烤房可節(jié)省燃煤718.3 kgce 及成本574.6 元，比金屬爐相對(duì)節(jié)能37.2%，節(jié)省燃煤1 532.4 kgce 及成本1 226 元。 以潔凈煤反燒爐蒸發(fā)水單耗為指標(biāo)計(jì)算時(shí)，潔凈煤反向燃燒爐比隧道爐相對(duì)節(jié)能18.6%，每座烤房可節(jié)省燃煤682.5 kgce 及成本546 元，比金屬爐相對(duì)節(jié)能21.3%，節(jié)省燃煤806.1 kgce 及成本644.9 元。 潔凈煤反向燃燒爐的使用能減少能源消耗，降低運(yùn)行成本，可替代隧道爐和金屬爐應(yīng)用于烤煙領(lǐng)域。

表3 反向燃燒爐節(jié)能量核算

4 結(jié)論

（1）潔凈煤反向燃燒爐的干煙葉單耗和蒸發(fā)水單耗為1.035 kgce ／ kg 及0.194 kgce ／ kg，其干煙葉單耗比隧道爐低0.287 kgce ／ kg，相對(duì)節(jié)能21.7%，比金屬爐低0.613 kgce ／ kg，相對(duì)節(jié)能37.2%，其蒸發(fā)水單耗比隧道爐低0.044 kgce ／ kg，相對(duì)節(jié)能18.6%，比金屬爐低0.052 kgce ／ kg，相對(duì)節(jié)能21.3%。

（2）以干煙葉單耗為核算指標(biāo)，以潔凈煤反向燃燒爐替代隧道爐的年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤為718.3 kgce，年凈收益為574.6 元，以潔凈煤反向燃燒爐替代金屬爐的年節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤為1 532.4 kgce，年凈收益為1 226 元。

（3）潔凈煤反向燃燒爐基于明火反燒原理，省工降耗效果明顯，不僅提高熱能利用效率，也極大減少了有害污染物排放，可完全替代隧道式非金屬爐和立式金屬爐，具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。