密集烤房加熱設(shè)備材質(zhì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

陳獻(xiàn)勇，王新旺，劉建陽(yáng)，巫常標(biāo)

（1.福建省煙草公司，福州 350003；2.福建省煙草公司南平分公司，福建 南平 353000）

密集烘烤在國(guó)外已普遍使用，進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著我國(guó)烤煙規(guī)?；a(chǎn)的發(fā)展，密集烤房在全國(guó)各煙區(qū)也得到了迅速的推廣和應(yīng)用[1]。近年來，我國(guó)密集烤房的研究已取得很大進(jìn)展，密集烤房的建造、安裝和使用等幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問題已得到基本解決[3]，但建設(shè)成本較高，需要大量的資金投入。因此，如何降低建造成本、延長(zhǎng)設(shè)備使用年限、完善烘烤工藝，是當(dāng)前密集烤房急需解決的關(guān)鍵問題。

加熱設(shè)備是密集烤房的核心設(shè)備，為解決目前密集烤房加熱設(shè)備易腐蝕、使用年限短等問題，各地都開展了相關(guān)研究。一方面利用納米功能材料涂刷烤房?jī)?nèi)壁、改進(jìn)換熱器設(shè)計(jì)、采用余熱共享烤房、改進(jìn)裝煙方式、設(shè)計(jì)氣流平移式密集烤房等措施來提高烤房性能、降低能耗[2-5]；另一方面開展換熱器替代材料研究，通過采用陶火管、耐火材料等材料替代目前常用的鋼質(zhì)材料制作烤房供熱設(shè)備，取得了一定的效果，但同時(shí)發(fā)現(xiàn)由這些材料制作的換熱器存在清灰不便或加工質(zhì)量較難控制等問題[6-7]。

本研究采用鑄鐵和碳化硅陶瓷材料制作密集烤房換熱器，并在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以提升性能。通過與鋼制材質(zhì)換熱器進(jìn)行烘烤對(duì)比試驗(yàn)，比較兩種替代材料換熱器在烤煙過程中的溫差、耗煤量和熱能利用效率等參數(shù)，研究耐腐蝕替代材料制作烤房換熱器的可行性。

1 材料與方法

1.1 密集烤房及加熱設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1.1 密集烤房 烤房裝煙室規(guī)格為長(zhǎng)8 m×寬2.7 m×高3.5 m，掛煙架3棚，棚距0.8 m。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理，即T1：耐硫酸露點(diǎn)腐蝕鋼換熱器（對(duì)照）；T2：碳化硅陶瓷換熱器；T3：鑄鐵換熱器。

1.1.2 加熱設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 密集烤房加熱室設(shè)計(jì)成寬1.7 m×深1.5 m×高2.9 m，進(jìn)風(fēng)道呈喇叭狀，進(jìn)風(fēng)口高0.4 m，回風(fēng)道高0.5 m×1.1 m。

加熱設(shè)備包括爐膛、換熱器和煙囪等。爐膛設(shè)計(jì)成隧道式，長(zhǎng)2.1 m×寬0.5 m×高0.7 m。鑄鐵爐蓋厚12 mm，上火口位于中間爐蓋頂，由上火管與換熱器一端的火箱箱體相連接。換熱器由3層圓形換熱管構(gòu)成，材質(zhì)為碳化硅材料或鑄鐵。換熱管長(zhǎng)1.8 m，其中底層管2根外徑為0.165 m，中層和上層各3根外徑為0.133 m。上火管為鑄鐵（外徑200 mm）。換熱管兩端與火箱相連接，火箱箱體采用耐火材料一次壓模成型，壁厚50 mm，箱體整體厚度0.3 m，安裝時(shí)嵌于密集烤房加熱室側(cè)墻上?；鹣渫鈧?cè)設(shè)計(jì)保溫門。爐膛、上火管、換熱管、火箱和煙囪構(gòu)成燃料煙氣通道（圖1）。

圖1 加熱設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 The construction of heating equipment

1.2 供試烤煙品種和烤后煙葉處理

供試煙葉為K326品種。按照三段式烘烤工藝進(jìn)行煙葉烘烤。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2635—92進(jìn)行分級(jí)，取X2F、C3F和B2F測(cè)定煙葉樣品水分和主要化學(xué)成分?？竞鬅熑~重量統(tǒng)一換算成含水量為12%時(shí)煙葉重量。

1.3 溫度測(cè)定

烘烤過程中使用溫濕度無紙記錄儀和紅外測(cè)溫儀分別觀測(cè)各試驗(yàn)烤房的裝煙室內(nèi)溫度和煙囪煙氣尾氣溫度。

1.3.1 裝煙室溫度測(cè)定 分別在每棚左、中、右三行，各行前、中、后位置掛置溫濕度傳感器，每棚9支，共27支。當(dāng)中棚中間位置干球溫度讀數(shù)穩(wěn)定為 38、42、46、50、55、60、68 ℃時(shí)讀取其他各點(diǎn)溫度值。溫濕度計(jì)放置于各棚煙葉距葉尖1/3處。取各試驗(yàn)烤房各烤次平面溫差和垂直溫差的平均值。

平面溫差計(jì)算：各棚平均溫差 t平＝（t1+t2+ ……+t9）×1/9；各棚的平面溫差△t=（∣t1-t平∣+∣t2-t平∣+……+∣t9-t平∣）×1/9。其中 t1-t9為各棚各點(diǎn)溫濕度計(jì)的溫度讀數(shù)。垂直溫差為各棚平均溫度之差。

1.3.2 煙囪尾氣溫度測(cè)定 當(dāng)中棚中間位置干球溫度讀數(shù)分別為38、42、46、50、55、60、68 ℃時(shí)觀測(cè)煙囪尾氣溫度。

1.4 耗煤量和熱能利用效率

記錄試驗(yàn)烤房各烤次用煤量，根據(jù)煤樣熱值化驗(yàn)結(jié)果，將各烤次耗煤量折算成標(biāo)準(zhǔn)耗煤量，測(cè)算單位重量煙葉的標(biāo)準(zhǔn)耗煤量。

1.5 耗電量的測(cè)定

對(duì)試驗(yàn)烤房分別安裝電度表，記錄煙葉開始烘烤前后電度表讀數(shù)，記錄每烤次用電量。

2 結(jié) 果

2.1 不同材質(zhì)換熱器能耗成本和能效對(duì)比

由表1結(jié)果看出，鑄鐵換熱器（T3）和耐硫酸露點(diǎn)腐蝕鋼換熱器（對(duì)照）能耗相當(dāng)，每千克干煙耗標(biāo)準(zhǔn)煤分別為1.10 kg和1.06 kg，碳化硅陶瓷換熱器（T2）的能耗最高，每千克干煙耗標(biāo)準(zhǔn)煤為1.22 kg。從能效方面看（表 2），鑄鐵換熱器（T3）為56.85%，優(yōu)于另外兩種材質(zhì)換熱器，對(duì)照略高于碳化硅陶瓷換熱器（T2），分別為51.89%和51.01%。由此可見，鑄鐵換熱器烤房的換熱性能優(yōu)于耐硫酸露點(diǎn)腐蝕鋼和碳化硅換熱器烤房，從煙葉烘烤過程中煙囪尾氣溫度的差異也可以說明這一點(diǎn)（表3）。

2.2 裝煙室溫度差異和烤后煙葉質(zhì)量分析

從表4、5可以看出，在烤煙過程中，3種處理烤房裝煙室各棚平面溫度和垂直溫差基本相似，差異較小。從煙葉烘烤等級(jí)質(zhì)量（表 6）和煙葉化學(xué)成分分析（表 7）來看，3種處理的煙葉等級(jí)質(zhì)量和主要化學(xué)成分也無明顯差異，煙葉等級(jí)結(jié)構(gòu)也基本相當(dāng)（即上等煙、中等煙和下低等煙的比例約為5∶5∶1）。因此，碳化硅陶瓷換熱器（T2）和鑄鐵換熱器（T3）烤房性能均能滿足煙葉烘烤要求。

表1 不同換熱器處理能耗Table1 Comparison of energy consumption using different heat dispersion systems

表2 不同換熱器處理能效Table2 Comparison of energy efficiency using different heat dispersion systems

表3 烤房煙囪尾氣溫度差異 ℃Table3 Temperatures of exhaust gas using different heat dispersion systems

表4 烘烤過程中各棚平均溫度 ℃Table4 Average temperatures of curing process in different layers

表5 烘烤過程中各棚間垂直溫差 ℃Table5 Differences of temperature between adjacent layers during curing process

表6 不同處理煙葉等級(jí)質(zhì)量 %Table6 Comparison of grade quality of tobacco leaves using different treatments

2.3 煙葉烘烤操作

優(yōu)化設(shè)計(jì)后加熱設(shè)備在清灰性能方面有了明顯改進(jìn)，清灰耗時(shí)為5～8 min/次，而生產(chǎn)上常規(guī)遂道式爐膛烤房清灰耗時(shí)約30～45 min/次，單爐膛烤房耗時(shí)約30 min/次。此外，試驗(yàn)烤房平均加煤次數(shù)為8次/烤，比生產(chǎn)上常規(guī)遂道式爐膛烤房多3次，比單爐膛烤房少 22次。因此加熱設(shè)備經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的試驗(yàn)烤房，加煤頻次適中，換熱器清灰更為快捷，大大降低煙葉烘烤勞動(dòng)強(qiáng)度。

表7 不同處理煙葉主要化學(xué)成分含量 %Table7 Main chemical components of tobacco leaves using different treatments

3 小 結(jié)

與目前生產(chǎn)上使用的常規(guī)密集烤房換熱器相比，本試驗(yàn)采用鑄鐵、碳化硅陶瓷等耐氧化腐蝕材料制作烤房換熱器，每千克干煙能耗較低，烤房溫濕度均衡，煙葉烘烤質(zhì)量相當(dāng)。烘烤中加煤次數(shù)和加煤勞動(dòng)強(qiáng)度適中，型煤燃燒穩(wěn)定持續(xù)，能根據(jù)煙葉烘烤工藝要求穩(wěn)定、精準(zhǔn)地控制溫濕度變化，烤房性能完全滿足烘烤工藝和技術(shù)要求。另外，鑄鐵、碳化硅陶瓷等材料具有良好的導(dǎo)熱和穩(wěn)定性，抗腐蝕性也強(qiáng)，用其制作成的密集烤房換熱器，具有抗腐蝕、提高能效（鑄鐵換熱器）、安裝方便、易維修保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可有效解決金屬材質(zhì)換熱器易腐蝕、使用年限短的問題，起到了降低密集烤房的建設(shè)、維護(hù)成本的作用，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

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