密集烤房潔凈煤反燒熱風爐

艾元方 黃淑輝 段美珍

摘要：指出了目前煙草行業(yè)密集烘烤熱風爐分為立式爐和隧道爐兩種。針對立式爐的中途需多次加煤、操作強度大、爐門開啟時間長、熱輻射損失大、效率低、排煙污染物含量高以及隧道爐的裝煤舒適性差、溫濕度不符合烘烤工藝曲線要求，甚至可能燒毀風機等問題，研制了潔凈煤反燒熱風爐。反燒熱風爐結構簡單，成本低，一次性裝煤舒適；應用明火反燒及二次燃燒原理，熱效率高，環(huán)保性能好，污染物超低排放；爐溫可調可控，使用安全方便，一次性添加燃料，無誤傷操作人員以及燒毀風機的現象。主要闡明了其原理、結構、使用方法及優(yōu)勢。

關鍵詞：反燒熱風爐；密集烘烤；潔凈煤

中圖分類號：TF578

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）10015205

1 背景

熱風爐主要由爐體、煙氣-空氣換熱器及煙囪組成。來自裝煙室的空氣經換熱器加熱后，通過循環(huán)風機送入裝煙室內，以干燥裝煙室的濕煙葉。目前，國內各煙區(qū)的密集烤房供熱設備以燃煤熱風爐為主，主要包括立式金屬散煤熱風爐和隧道式非金屬熱風爐。

立式爐整個結構分為兩部分，上部為換熱器，下部為爐體，兩段連接端面為凹凸聯結，如圖1所示。立式爐具有火力集中、燃料燃燒充分、火力調控簡便等優(yōu)點[1～3]，但晚上需專人間斷性看火和添加散煤，燃燒放熱及熱風溫度不穩(wěn)定，烤房內熱風整體溫度及干煙葉質量不均勻。金屬熱風爐不完全燃燒和煙氣熱損失高達25%～40%，且金屬材質易腐蝕。

隧道爐也分為兩段，一段為換熱器，一段為爐體，如圖2所示。隧道爐不易腐蝕，一次性加煤，降低了烘烤勞動強度[4，5]，烘烤效率大幅提高。但隧道爐同時也存在以下問題：火力控制困難；易發(fā)生煤氣中毒和爆燃現象；電氣控制盒易燒損；預制件密封不嚴密；存在正壓噴火現象；起火慢，煤耗高；易出現掉溫現象；裝置蓄熱多，熱效率低，散熱較慢；因煤燃燒后易碎堵塞通風孔，只能燃燒帶泥低熱值型煤，不能燃燒高熱值煙煤等。

黃化剛等[6]針對當前采用的煙葉烘烤加熱設施普遍存在燃料利用率低、烘烤成本偏高、環(huán)保性能差等問題，研發(fā)了雙層對向正反燃燒熱風爐（圖3）。雙層對向正反燃燒熱風爐煤燃燒充分，傳統(tǒng)煙氣中所含的CO、CH4、碳粉塵等可燃物能得到充分、高效燃燒及利用。升溫速度快，平面溫度均勻，烘烤過程中溫濕度控制精準，能有效降低烘烤能耗和用工成本，但存在燃燒優(yōu)質煤節(jié)能效果不顯著，一次性成本高，操作不便等不足。

周昕等[7]研發(fā)了無塵環(huán)保逆流循環(huán)高效換熱烤煙設備（圖4），監(jiān)測和試驗表明：配置該烘烤設備的烤房煙塵排放濃度，煙氣中SO2、NOx排放濃度，都遠遠低于 DB37/2374-2013標準值；干煙葉平均節(jié)煤0.41 kg/kg，均價提高1.22元，平均每爐煙葉產值增加732.96元；烤出的煙葉油分多，上等煙比例提高4.1%，煙葉質量明顯提高，但同時存在操作強度大，成本高，生產效率較低等缺點。

國外爐窯多使用電能或者石油產品作能源，不存在嚴重的環(huán)保問題，燃煤熱風爐煙氣消煙方面的研究較少。其次，國外普遍采用爐前處理技術。使用清潔燃料或者在熱風爐中使燃料完全燃燒，達到環(huán)保的要求[8]。在煤燃燒的污染物控制方面，英國的D.A.Spears等人研究了硫含量高的煤，指出利用其有效方式是混合燃燒[9]。另外，Roberson，Roy等[10]研究將太陽能作為燃煤的替代能源，不僅經濟環(huán)保，而且能緩解能源危機。國外密集烤房能源以柴油為主，成本高，不適合我國國情。

高效節(jié)能環(huán)保型密集烤房熱風爐，目前市場同類產品不多，普及率不高。煙葉烘烤加工過程中的節(jié)能和環(huán)保問題，是密集烤房新技術產品產業(yè)化推廣的前提。鐵燕等[11]研究表明，將蜂窩煤熱風爐和散煤立式熱風爐組合的熱風爐，是目前密集烤房熱風爐中較適宜的形式，能滿足煙葉烘烤時對溫度的需求，溫度平穩(wěn)、易控制，操作方便、節(jié)煤效果顯著。

潔凈煤反燒熱風爐結構簡單，成本低，一次性裝煤舒適，可適應農村勞動力緊缺形勢的需要，爐內腔流動傳熱燃燒組織合理，節(jié)能減排，安全舒適，可滿足當前建設兩型社會的需要，促進我國煙草行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。

2 潔凈煤反燒熱風爐技術原理

潔凈煤反燒熱風爐采用明火反燒法，明火反燒法是將引燃物放在煤層上方，煤層自上而下進行燃燒，這種燃燒方式比較少見。引燃物在煤層上面，依靠熱傳導和熱輻射傳遞熱量引燃煤層。爐頂蓋起聚熱反射作用。運行初期，上面的火源把熱量傳導給最近的煤層，隨后開始析出可燃性氣體并進行燃燒，爐膛溫度進一步提高，表面煤層溫度高于450℃時，煤層開始正常燃燒。燃燒過程通過熱輻射及熱傳導的傳熱方式由上而下連續(xù)均勻地進行。由于一次風從爐排下方鼓入，上層煤得不到足夠的氧氣，因此在煤層上部存在一定量的CO，二次旋風的補入使CO燃燒完全。

3 潔凈煤反燒熱風爐結構

基于明火反燒及二次燃燒的技術原理，設計了高大立式爐和二次螺旋進風裝置。密集烤房潔凈煤反燒熱風爐，包括爐頂、爐腹、爐條、內爐門和外爐門。爐頂側面均布3個二次進風口，底端面和爐腹頂端面滿焊連接，爐腹內腔呈圓柱狀，爐腹內腔離底板200～350 mm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)。爐條上方爐腹內壁貼敷耐火磚層，爐腹側壁開設一個操作口，操作口高度和爐腹側壁高度相等，操作口兩側邊垂直于爐腹底板，爐條以下操作口邊緣與內爐門無縫連接，內爐門呈方板狀，內爐門和靜壓區(qū)高度相等、寬度和操作口寬度相等。爐腹內腔通過操作口和操作通道相連通，操作通道頂面和爐腹頂端面共面，操作通道左端口和操作口重合且滿焊連接，操作通道右端口由外爐門貼敷的耐火纖維板密封，外爐門中下部中心水平設置輔助通風口。剖面圖如圖5所示，立體圖如圖6所示。

反燒熱風爐爐頂內壁、爐腹內壁和操作通道除底板外的內壁貼敷30～50 mm厚的一體式耐火澆注層，既可限制耐火層對爐壁散熱的阻礙作用，又可避免高溫火焰直接接觸而發(fā)生高溫腐蝕，以延長金屬殼體使用壽命。爐腹底板和操作通道底板為貼地平板，靜壓區(qū)溫度低，無高溫燒損隱患，故靜壓室（儲灰室）及操作通道底板內壁均不貼敷耐火磚或澆注層。

反燒熱風爐結構特征為：爐膛高大，裝煤和清灰通道合二為一，操作通道及外爐門較高，內爐門較低，靜壓區(qū)封閉。技術原理特征為：明火反燒，二次燃燒，爐溫自控及高溫隔離。

4 潔凈煤反燒熱風爐使用方法

使用反燒熱風爐時，先取出外爐門，清空爐條上方灰渣，后取出內爐門，清空爐條下方灰渣，放回安置好內爐門。操作工從操作通道進入爐腹內腔爐條之上，蜂窩煤球從爐外遞入。在爐腹內腔堆置蜂窩煤球時孔與孔對齊，煤球與煤球之間的大空隙以碎煤塊塞滿。堆至最高層時空出操作口邊緣1～2個煤球，將正燃燒的1～2塊煙煤從最高層空缺處放入最高層頂面中心。操作工退出操作通道后，將外爐門塞進操作通道右端口，密封操作通道右端口并壓緊固定外爐門。設置溫控器溫濕度相關參數并啟動運行，啟動與靜壓區(qū)聯通的并由溫控器控制的風機，風機將空氣送入靜壓區(qū)，空氣在煤床中呈活塞狀全部向上流動，燃燒面緩慢地從爐腹頂部移動到爐條頂面，長時間明火反燒穩(wěn)定供熱，熱風溫度緊貼烘烤工藝曲線升溫至68℃，直至烘烤結束，安全穩(wěn)定運行6～7 d，完成變黃期、定色期和干莖期燃燒供熱任務。整個烘烤過程外爐門緊閉，無高溫輻射熱損失問題。

特殊情況裝煤不夠需在干莖期添加少量煤球時，在灰渣層上方直接添加煤球，從輔助通風口通入空氣，爐腹內腔進行短時間暗火正燒生成熱風。使用反燒熱風爐時，裝煙室、熱風室、溫控器、控制線路、助燃風機和循環(huán)風機規(guī)格均不變，更換熱風爐及換熱器即可。

5 潔凈煤反燒熱風爐優(yōu)勢

5.1 結構優(yōu)勢

立式爐按多次加煤原則設計。隧道熱風爐雖理論上能滿足一次性裝煤需要，但實際上由于隧道爐運行過程中出現的爐體蓄熱多、爐門輻射散熱損失大、煙氣CO排放多、耗煤量大等原因，難以實現一次性裝煤目標，中途需添加燃料。反燒熱風爐內腔結構高大，能一次性舒適裝煤，減輕操作工勞動強度。

立式爐有專用的加煤通道和清灰通道，用金屬板隔開，通道長度和寬度尺寸小，加煤清灰舒適性差。隧道爐堆煤區(qū)、集灰區(qū)、裝煤通道內腔、清灰通道內腔合為一體，無爐條，爐門高度為560 mm，裝煤舒適性差，難于滿足孔對孔及同排兩鄰煤球之間無縫隙等要求。反燒熱風爐直立式爐膛，堆煤區(qū)在集灰區(qū)之上，裝煤通道和清灰通道合并成操作通道，操作通道內腔高度和外爐門高度達1.2～1.5 m，裝煤舒適性高，易滿足堆煤要求。

立式散煤爐和隧道爐無內爐門。反燒熱風爐內爐門高度僅200～350mm，內爐門和爐腹側壁一起，構成封閉性良好的靜壓區(qū)，可有效防止空氣旁通流至操作通道。用普通紅磚或粘土磚來替代內爐門即可，可降低成本，便捷操作，且爐溫調控性能及靜壓區(qū)封閉性能良好。反燒熱風爐一次性裝煤，易于操作，能滿足當今農村勞動力市場需要。結構特征是爐內流動傳熱燃燒過程科學合理的前提條件。

5.2 技術優(yōu)勢

隧道爐基于“暗火正燒”原理燃燒供熱，如圖7所示。隧道爐從煤床下游點火引燃，風機驅動空氣向煤床斜上方流動，燃燒面向煤床斜上方方向移動，處于燃燒面斜上方的煤床受到高溫烘烤，揮發(fā)分連同被還原的CO氣體一起，向煤床上游方向流動離開煤床，最終經排煙口散失，降低了熱效率。更為重要的是，排出的CO氣流具有內熱能，燃燒放熱量減少，燃燒放熱量達不到最大，煙氣CO含量不穩(wěn)定直接導致燃燒放熱量和參與燃燒反應的空氣流量不成正比，加大了用空氣流量自動調控爐溫過程的難度。

立式爐燃料燃燒方法屬于薄煤層暗火正燒方法。由于周期性加煤，導致供需的不平衡及燃燒過程的周期性變化，使熱風爐經濟性降低，煙塵濃度和煙氣黑度大大超過國家規(guī)定的排放標準。如圖8所示，在暗火正燒的整個燃燒過程中，煤層自下而上分為灰渣層、氧化層、還原層、干餾層和加熱干燥層。當空氣穿過爐排接觸到灰渣層的幾排灼熱煤粒時，就會形成CO，即：2C+O2→2CO，CO氣體在燃燒層間隙中又與過剩的O2混合燃燒成CO2，即：2CO+O2→2CO2，之后高溫CO2與上層煤粒反應生成CO，在不滿足燃燒條件的情況下進行部份燃燒，發(fā)生一系列化學反應生成碳黑。因此，此燃燒方法存在著煙囪冒黑煙，能源浪費大的缺點。

潔凈煤反燒熱風爐燃燒方式為明火反燒，反燒熱風爐由風機驅動的空氣進入靜壓區(qū)，空氣全部穿過爐條自下向上在煤床中均勻流動，以活塞流方式流過煤床，從頂面中心開始點火引燃，燃燒面自上而下緩慢移動，移動方向與空氣流動方向相反，實現明火反燒過程。在高溫燃燒面向下流動過程中不斷地預熱與之接觸的底層煤球和空氣，煤球預熱時形成的干餾氣進入燃燒面發(fā)生完全燃燒反應，離開燃燒面的高溫CO2氣體向上流動時接觸高溫焦炭，生成還原性氣體CO，二次旋風燃燒技術使CO進一步燃燒，從而提高了熱效率，降低了煙氣污染物排放濃度。原理圖如圖9所示，二次旋風裝置圖如圖10所示。

5.3 效果優(yōu)勢

立式爐存在爐門熱輻射損失大，操作繁瑣，安全衛(wèi)生條件差等問題；隧道爐存在易燒毀風機、溫度不滿足烘烤工藝需求、裝煤操作舒適性差等缺點，反燒熱風爐立式具有一次性舒適裝煤及清灰、節(jié)能、煙氣低CO排放、熱風溫度可調可控、緊貼烘烤工藝曲線供熱、不超溫掉溫、不燒風機等效果優(yōu)勢。二次燃燒使排煙CO2含量高、CO含量低，熱效率提高到75%左右，實現了燃燒供熱過程節(jié)能低污染物排放，避免了游離碳的析出，不產生黑煙；排煙無內熱能損失，提高了熱風爐的燃燒效率；燃燒放熱量達到最大，且與空氣流量成正比，為用空氣流量自動調控爐溫創(chuàng)造了有利條件。

艾元方，等：密集烤房潔凈煤反燒熱風爐

能源及節(jié)能

6 結論

湖南省長沙市寧鄉(xiāng)縣金醇煙葉合作社2016年6～7月下部、中部及上部煙葉烘烤實踐顯示密集烤房潔凈煤反燒熱風爐具有如下優(yōu)勢：一次性裝煤清灰、裝煤舒適，簡便；點火引燃簡易；排煙溫度<80℃，煙氣CO排放降低75%，燃煤熱值節(jié)約25%；風機開停對熱風溫度調控性能良好，能滿足烘烤工藝曲線要求，無超溫和掉溫現象發(fā)生；無高溫爐氣外泄，風機高溫燒損故障；降低了成本；干煙葉品質好，無內質損耗，能燃用高灰分、低熱值當地無煙煤蜂窩煤，燃用灰分10%～12%、揮發(fā)分4%～8%、熱值5500～7000kCal/kg的精選無煙蜂窩煤，蜂窩煤成型不用粘土等無機類粘接劑時，節(jié)能減排安全舒適性能更加突出。

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