潔凈煤反向燃燒熱風爐密集烤煙試驗

段美珍，趙阿娟，謝鵬飛，徐均華，艾元方

（1湖南省煙草公司長沙市公司寧鄉(xiāng)縣分公司，湖南寧鄉(xiāng)410600；2湖南省煙草公司長沙市公司，長沙410019；3浙江中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心，杭州310009；4中南大學能源科學與工程學院，長沙410083）

0 引言

使用清潔能源、重視節(jié)能減耗是當今煙葉密集烤房發(fā)展方向之一[1]。美國等普遍使用燃油或天然氣烤煙。國內(nèi)新能源與可再生能源烤煙推廣示范空氣源熱泵烤煙[2-5]和生物質(zhì)燃料烤煙[6-7]。從示范效果看，空氣能熱泵成本高（2.8萬～3.8萬元/臺、0.72～0.75元/kWh、1080～1125元/房），需要太陽能[8]或電加熱等輔助熱源。壓縮機啟動延遲和熱泵制熱延遲，導致烤房溫度波動高達-2.9～0.6℃。生物質(zhì)成型燃料烘烤成本高（約1.5萬元/臺、約1150元/t顆粒、1150～1380元/房），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。顯然，空氣能熱泵和生物質(zhì)成型燃料目前尚不能改變烤煙用能仍然以燃煤為主的形勢。燃煤烘烤以基于正向燃燒原理的金屬熱風爐（金屬爐）為主，少數(shù)地區(qū)使用以基于正向燃燒原理的隧道式非金屬熱風爐（隧道爐）[9-10]。金屬爐煤耗高、需要多次添煤、爐門頻繁開啟導致爐溫波動，不適于當今各煙區(qū)用工緊缺形勢需要；隧道爐雖然一次性預裝煤，但變黃期升溫困難、干筋期降溫困難，易燒毀助燃風機，影響干煙葉質(zhì)量；此外，金屬爐和隧道爐都是燃煤消耗高且污染環(huán)境。尚處于推廣階段的單體熱風爐有生物質(zhì)壓塊反向燃燒熱風爐[11]、懸浮隧道式蜂窩煤反向燃燒熱風爐[12]和雙層對向正反燃燒熱風爐[13]等。生物質(zhì)壓塊反向燃燒熱風爐將傳統(tǒng)反燒爐倒立布置以便能連續(xù)加料去灰，但存在風機停運期間陰燃、反向受熱烘烤排放干餾氣白煙和供熱調(diào)控性能差等問題。懸浮隧道式蜂窩煤反向燃燒熱風爐存在供熱功率小、供熱調(diào)控性能差及因吸入空氣量小加熱升溫能力有限等問題。雙層對向正反燃燒熱風爐設(shè)置雙爐排結(jié)構(gòu)，供熱功率大，加熱升溫能力強，但未解決風機停運期間陰燃和排放白煙等問題。轉(zhuǎn)氣復燃[14]、主爐大火烘烤+輔爐小火燃燒、將蜂窩煤熱風爐和散煤立式熱風爐組合[15]的雙爐膛熱風爐燃燒功率大，常配合2座以上密集烤房同時運行使用。近年來以提高烤煙質(zhì)量為目的推廣應(yīng)用的精準烘烤工藝[16-17]需要配備供熱精準調(diào)控熱風爐?？紤]到今后相當長時期內(nèi)國內(nèi)能源消費結(jié)構(gòu)仍以燃煤為主，結(jié)合國家推行的潔凈煤燃燒技術(shù)，作者集成從煤床頂部點火引燃具有的低污染排放[18-19]及其獨特的燃燒特性[20-22]，研發(fā)推廣標準密集烤煙用單體立式潔凈煤反向燃燒熱風爐（反燒爐）[23-25]。本研究從解決正向燃燒風機停運期間陰燃、高溫煙氣干餾及高溫煙氣還原下游未燃新鮮煤所導致的烤煙高能耗、高污染及供熱不可調(diào)控問題出發(fā)，設(shè)計了熱風爐新型結(jié)構(gòu)及其使用方法，以優(yōu)化熱風爐熱工特性，提高密集烤煙試驗研究新型熱風爐節(jié)能環(huán)保及烤房溫度精準調(diào)控性能，解決傳統(tǒng)燃煤熱風爐由于爐內(nèi)流動傳熱燃燒過程不合理導致密集烤煙普遍存在的不節(jié)能、污染環(huán)境、烤房溫度調(diào)控性差、烘烤供熱用工成本高、干煙葉品質(zhì)缺乏保障、不能滿足煙草行業(yè)可持續(xù)發(fā)展需要等問題。旨在證實新型反向燃燒熱風爐應(yīng)用于密集烤煙工藝可行性，為目前廣泛使用的金屬爐和隧道爐節(jié)能環(huán)保技術(shù)升級改造提供新方案。

1 結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用

圖1 反燒爐原理結(jié)構(gòu)

如圖1所示，反燒爐包括爐頂、爐腹和內(nèi)外雙爐門。爐腹內(nèi)腔高度1.5 m，內(nèi)徑0.9～1.1 m。爐條離爐腹底板高度0.3 m，爐條上方為高1.2 m的煤床區(qū)、下方為靜壓區(qū)。爐腹側(cè)壁開設(shè)一個和爐腹側(cè)壁等高且寬0.56 m的操作口，操作口邊緣和操作通道左端口邊緣滿焊連接，操作通道右端口邊緣在熱風室前墻外壁面上，爐條以下的操作口（靜壓區(qū)側(cè)壁缺口）為清灰口。通過操作口爐腹內(nèi)腔和操作通道連通，通過清灰口靜壓區(qū)和操作通道連通，通過操作通道右端口操作通道和外界連通。內(nèi)爐門堵塞清灰口，外爐門密封操作通道右端口。反燒爐選材加工參照《密集烤房技術(shù)規(guī)范》（國煙辦綜〔2009〕418號）中金屬爐要求。反燒爐金屬結(jié)構(gòu)共重約400 kg。

潔凈無煙煤加入適量腐植酸鈉粘接劑后機加工成凈煤球。反燒爐一次性預先裝入烘烤所需的全部凈煤球，煤球最大預裝量約950個（15～16層）。熱風室內(nèi)腔大小1.4 m(L)×1.4 m(W)×2.5 m(H)，反燒爐總換熱面積為9.98 m2。使用反燒爐時，保持裝煙房、烘烤控制器及溫濕檢測系統(tǒng)、新風機和循環(huán)風機不變。

助燃空氣送入靜壓區(qū)后形成旋流氣流，穿過爐條后全部向上流過煤床。靜壓區(qū)氣流旋流和固定床式爐固有的邊壁效應(yīng)，使得爐腹內(nèi)腔靠近內(nèi)壁面區(qū)域空氣較多，中心區(qū)域空氣較少，絕大部分助燃空氣沿貼近爐腹內(nèi)壁區(qū)域流過煤床。將正燃的1～2小塊赤紅無煙煤塞入煤床頂層中心點火引燃型煤，排放煙氣成分以CO2氣體為主。高溫燃燒面自煤床頂面中心區(qū)域向邊緣區(qū)域緩慢移動，接著在貼近爐腹內(nèi)壁面區(qū)域自上向下快速移動，最后自貼壁區(qū)域向中心區(qū)域移動以消除爐條上方堆煤區(qū)中心碳錐的不完全燃燒損失。新型熱風爐高溫燃燒區(qū)鄰近爐頂蓋，爐頂蓋外壁面被大流量循環(huán)空氣豎直沖擊并對流冷卻，排煙溫度低至44～77℃，比金屬爐排煙溫度低100℃。新型熱風爐呈微負壓燃燒，爐內(nèi)負壓在58～63℃穩(wěn)溫階段最大，高達-8～-2Pa，CO2氣體是排煙主要成分。助燃風機開?？刂浦伎諝饬髁?，“小火→大火→中火”反向燃燒滿足“變黃→定色→干筋”烤煙供熱需要。

2 空載模擬試驗

反燒爐空載模擬升溫過程中，在關(guān)鍵溫度點50、58、65、70℃分別增設(shè)1～3 h穩(wěn)溫時間以檢查密封性和穩(wěn)溫性，確保無漏風導致加熱升溫能力不真實現(xiàn)象?？紤]項目開發(fā)新型熱風爐，不考查烤房保溫性能。反燒爐空載模擬烤房溫度設(shè)置曲線[1,26]和實測曲線如圖2所示。

分析圖2可知，新風門關(guān)閉條件下，烤房空氣溫度升高到50℃，空氣升溫速度＞6℃；新風門全開條件下，烤房空氣溫度從50℃升高到58℃，烤房空氣升溫速度≥3℃；新風門半開條件下，烤房空氣溫度從58℃升高到65℃，加熱時間≤3 h；最大加熱能力和穩(wěn)溫能力滿足三段式密集烤煙工藝需要。

3 密集烤煙試驗

圖3為寧鄉(xiāng)煙區(qū)2017年5—7月反燒爐烘烤上部煙葉時烤房空氣干濕球溫度設(shè)定值和實際值變化曲線圖，鮮煙葉裝入量3615 kg，一次性預先裝入801個凈煤球，煙葉含水率86.46%。

圖2 反燒爐空載模擬試驗曲線

分析圖3可知：（1）反燒房一次性預裝801個凈煤球烘烤供熱時間長達198 h。烘烤前一次性預先裝入烘烤所需全部用煤，避免烘烤中途打開爐門看火引起的烤房溫度波動影響。爐內(nèi)煤床區(qū)高1.2 m，一次性預裝最多950個煤球，能滿足標準密集烤房煙葉烘烤供熱需要。（2）烘烤中、上部煙葉，無論是38～40℃小火變黃期、40～60℃大火定色期還是68℃中火干莖期，反燒爐穩(wěn)溫和升溫能力均可以滿足烘烤供熱需要。（3）烤房空氣干球溫度實測值和設(shè)定值誤差在烘烤控制器設(shè)定范圍±0.2℃以內(nèi)，能緊貼烘烤曲線生成烘烤熱風，烤房溫度無掉溫或超溫現(xiàn)象發(fā)生。整個烘烤過程燃燒供熱滿足烘烤工藝要求，無過量燃燒供熱，也無欠量燃燒供熱。將烤房溫度與烤房設(shè)定溫度偏差在±0.2℃以內(nèi)的燃燒供熱視為有效烘烤供熱，則反燒爐有效烘烤供熱在全部烘烤供熱中占比達到100%，提高了烘烤效率，縮短了烘烤周期，保證了節(jié)能效益，也避免了不正確烘烤供熱對干煙葉品質(zhì)的影響。沒有對烘烤控制技術(shù)及元器件提出額外過高要求，僅通過助燃風機啟停，低成本地實現(xiàn)了烤房溫度的精準調(diào)控，降低了初始投資。（4）無助燃風機倒火燒損隱患。助燃風機安裝在煤床低溫端，一定高度的低溫煤床可以阻止停機期間高溫爐氣反向倒流至風機機殼，風機始終處于低溫狀態(tài)，風機送風量始終恒定為額定風量，從而穩(wěn)定了供熱能力，保證了精準燃燒供熱，節(jié)省了助燃風機更新費用。

圖3 反燒爐烘烤上部煙葉時烤房空氣溫度設(shè)定值與實測值變化曲線

反燒爐爐內(nèi)靜壓值決定能否正常排煙和燃燒安全性。用標準畢托管（配數(shù)字式微壓差計）測得的2個烤次反燒爐爐內(nèi)靜壓如表1所示。顯然，爐內(nèi)能保持微負壓燃燒，高溫爐氣向上流動進入換熱管束阻力小，向外噴火可能性較小，烘烤供熱安全。58～63℃穩(wěn)溫階段爐內(nèi)負壓值最大，高達-8～-2 Pa，此階段爐門及備用通風口的密封對保持爐溫調(diào)控性能非常重要。

在熱風爐垂直排煙管中點開設(shè)測溫孔，用PT 100鉑電阻測試排煙溫度。反燒爐和金屬爐排煙溫度匯總成表2，顯然反燒爐排煙溫度在44～77℃范圍，比金屬爐排煙溫度低100℃左右。

表1 反燒爐穩(wěn)溫階段操作通道靜壓測試 Pa

表2 熱風爐換熱管出口煙氣溫度檢測 ℃

4 能效評估

依據(jù)《節(jié)能項目節(jié)能量審核指南》（發(fā)改環(huán)資〔2008〕704號）、《節(jié)能監(jiān)測技術(shù)通則》(GB/T 15316—2009)、《用能單位能源計量器具配備與管理通則》(GB 17167—2006)和《綜合能耗計算通則》(GB/T 2589—2008)等要求，2017年5—7月委托第三方進行反燒爐能效測試。

試驗煙葉品種為‘云煙87’。同批次對比試驗煙葉成熟度相近，摘自同一塊大田，采摘部位相近，采摘時間相同。選用漣源產(chǎn)低硫無煙煤（低熱值23.3 MJ/kg，灰分23%）。反燒爐和隧道爐型煤均為110 mm(φ)×75 mm(h)蜂窩狀型煤球。不考慮年度首烤數(shù)據(jù)。

裝鮮煙葉時，每房選取45竿夾密度基本一致的煙葉，分別掛置在試驗烤房相同位置上，每層15竿夾并標記。記錄裝入爐內(nèi)腔蜂窩煤球個數(shù)或添入爐內(nèi)腔的散煤總重量，記錄烘烤前后標記煙葉重量和烘烤后解出的干煙葉總重量，記錄烘烤前后電能表讀數(shù)，核算出單位干煙葉能耗指標（表3），進而核算出技術(shù)經(jīng)濟指標（表4）。

分析表3可知，反燒爐單位干煙葉綜合能源消耗為1.105 kgce/kg，金屬爐單位干煙葉綜合能源消耗為1.502 kgce/kg，隧道爐單位干煙葉綜合能源消耗為1.279 kgce/kg。分析表4可知，反燒爐替換金屬爐，相對節(jié)能26.4%，節(jié)能993 kg標煤/年臺，運行費用節(jié)省1750元/年臺，節(jié)能及經(jīng)濟效益顯著；反燒爐替換隧道爐，相對節(jié)能13.6%，節(jié)能435 kg標煤/年臺，運行費用節(jié)省444元/年臺，有節(jié)能及經(jīng)濟效益。

考慮到烤煙熱風爐能效影響因素多，特定條件下單一工況能效數(shù)據(jù)可能不具有代表性，本研究分別隨機抽取寧鄉(xiāng)煙區(qū)表5所示的10個隧道爐和表6所示的10個金屬爐的干煙葉重量及燃煤消耗重量數(shù)據(jù)，以判斷表3隧道爐和金屬爐基準單耗數(shù)據(jù)可信性。

表3 密集烘烤單位產(chǎn)品能源消耗指標對比

表4 反燒爐替換燃煤爐技術(shù)經(jīng)濟指標

表5 隧道爐烘烤耗煤統(tǒng)計

表5中，煤球0.85～0.95 kg/個，按0.9 kg/個計，凈煤低熱值24090 kJ/kg，摻泥40～80 kg/100 kg煤，折60 kg，凈煤含水率7%，干煙葉廢品率5%，折標煤，接近于表3數(shù)據(jù)，即1.279可作為隧道爐基準單耗。

表6中，金屬爐燃用散煤低熱值為24090 kJ/kg，散煤含水率為10%，干葉廢品率為5%，折標煤，接近于表3數(shù)據(jù)，即1.502可作為金屬爐基準單耗。

表6 金屬爐烘烤耗煤基準統(tǒng)計

5 環(huán)保檢測

依據(jù)《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標準》(GB 9078—1996)和《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》(GB/T 16157—1996)要求，2017年7月委托第三方進行反燒爐穩(wěn)溫階段煙氣污染物排放檢測，廢氣檢測方法與儀器如表7所示，廢氣檢測數(shù)據(jù)匯總成表8。燃用朝鮮產(chǎn)精選無煙煤凈蜂窩煤球。

分析表8可知，煙氣顆粒物、氮氧化物及二氧化硫排放濃度低于《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標準》(GB 9078—1996)排放標準。煙農(nóng)自行使用反燒爐，預裝煤時煤床區(qū)煤球之間縫隙明顯，空氣短路旁通較多，煙氣含氧濃度高，導致煙氣SO2濃度偏高。反燒爐內(nèi)氣流速度小，燃燒反應(yīng)溫和，燃燒區(qū)溫度均勻且無局部高溫區(qū)，是煙氣含NOx和顆粒物濃度低的主要原因。

表7 反燒爐廢氣檢測方法與儀器

表8 反燒爐廢氣檢測數(shù)據(jù)

6 干煙葉品質(zhì)鑒定

采用國標42標準分級，委托農(nóng)業(yè)部煙草產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心檢測反燒爐烤房干煙葉外觀質(zhì)量、評吸質(zhì)量和內(nèi)在化學成分。以金屬爐烤房為對照。

從煙葉等級結(jié)構(gòu)（表9）看，反燒爐干煙葉上等煙比例高于金屬爐1.1個百分點，橘黃煙比例高6.7個百分點，青雜煙比例低于對照0.7個百分點，綜合以上，反燒爐優(yōu)于金屬爐。從烤后煙外觀質(zhì)量（表10）看，干煙葉外觀質(zhì)量鑒定相當，證明反燒爐與金屬爐無明顯區(qū)別。從干煙葉內(nèi)在質(zhì)量（表11）看，反燒爐煙葉略好于金屬爐，上部葉高于對照一個檔次。

采用B2F、C3F、X2F為分析樣，分析總糖、還原糖、總植物堿、總氮、K2O、Cl，表明反燒爐糖堿比更合理，化學成分更協(xié)調(diào)。

7 結(jié)論

反燒爐應(yīng)用于三段式密集烤煙工藝完全可行。反燒爐組織明火反向燃燒供熱，助燃風機開停能精準調(diào)控烤房溫度，烤房空氣干濕球溫度變化緊貼烘烤工藝曲線，無掉溫或超溫現(xiàn)象發(fā)生，克服了燃燒供熱對干煙葉品質(zhì)影響。

表9 干煙葉等級結(jié)構(gòu)對比

表10 干煙葉外觀質(zhì)量對比

表11 干煙葉內(nèi)在質(zhì)量對比

反燒爐節(jié)能環(huán)保品質(zhì)優(yōu)勢突出。能效評估表明反燒爐比金屬爐相對節(jié)能26.4%。反燒爐替代金屬爐節(jié)能993 kg標煤/年臺，運行費用節(jié)省1750元/年臺；反燒爐比隧道爐相對節(jié)能13.6%。反燒爐替代隧道爐節(jié)能435 kg標煤/年臺，運行費用節(jié)省444元/年臺。煙氣檢測表明反燒爐煙氣污染物排放低于《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標準》(GB 9078—1996)排放標準。干煙葉品質(zhì)鑒定表明和金屬爐對照反燒爐干煙葉等級結(jié)構(gòu)更優(yōu)，內(nèi)在質(zhì)量略好，外觀質(zhì)量相當，糖堿比更合理、化學成分更協(xié)調(diào)。

反燒爐在煙草調(diào)制行業(yè)推廣應(yīng)用前景廣闊。按2017年全國煙葉種植面積120萬公頃測算，建有烤房約90萬座。這些烤房滿足不了當今各煙區(qū)青壯年勞動力緊缺、煙農(nóng)增收、節(jié)能減排和綠色烘烤需要。密集烤房大面積的推廣是從2009年開始，按10年的使用壽命計算，多批烤房加熱設(shè)備進入更換期。潔凈煤反向燃燒熱風爐，是燃煤金屬爐和隧道爐節(jié)能環(huán)保綜合改造理想方案之一。

8 討論

（1）反向燃燒在密集烤煙中具有節(jié)煤環(huán)保、溫濕度控制精準和提高煙葉烘烤質(zhì)量優(yōu)勢[11-13]，在本研究中得到了進一步證實。

（2）潔凈煤反向燃燒熱風爐能應(yīng)用于三段式密集烤煙工藝，關(guān)鍵是熱風爐結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和爐內(nèi)流動傳熱燃燒過程優(yōu)化。反燒爐將裝煤通道和清灰通道合并為操作通道，并將操作通道頂面升高至爐腹頂面，增加了使用舒適性。反燒爐內(nèi)爐門堵封清灰口且外爐門封閉操作通道進口，型煤床豎直布置，空氣在靜壓室旋流流動后貼爐腹內(nèi)壁區(qū)域流過型煤床，少量高溫引燃物塞入型煤床頂面中心區(qū)域，實現(xiàn)“小火→大火→中火”烘烤供熱，和三段式密集烤煙工藝相適應(yīng)。停止供給空氣時，反燒爐不會反向加熱新鮮未燃煤，從而解決陰燃和白煙問題。

（3）潔凈煤反向燃燒熱風爐推廣應(yīng)用仍有條件限制：反燒爐預裝型煤球數(shù)量有限，減小中途加煤次數(shù)要求燃用高熱值型煤。試驗表明無煙煤低熱值大于18.837 MJ/kg，且選用腐植酸鈉為型煤粘結(jié)劑，可以做到烘烤中途不開啟爐門添加型煤。傳統(tǒng)反燒煤點火需要較多高熱值高揮發(fā)分引燃物。反燒爐選用高熱值煙煤，但煤球數(shù)量只有1～2個，且將煤球埋入空氣相對較少型煤床頂面中心，另外燃用型煤揮發(fā)分不低于10%，可以確保點火引燃順利。在型煤低熱值、揮發(fā)分含量和點火引燃方式滿足上述要求時，烤煙試驗未發(fā)現(xiàn)爐條上方明顯未燃燼新鮮碳錐現(xiàn)象。