密集烤房配套生物質(zhì)能換熱器的設(shè)計(jì)

王政　韋建玉　沈燕金　黃崇峻　敖金成　孔萬(wàn)軍　陳計(jì)華

摘要：為解決密集烤房生物質(zhì)能配套設(shè)備換熱器存在換熱效率低、易回火、易腐蝕和結(jié)渣、積灰嚴(yán)重及使用壽命短等問(wèn)題，基于前期應(yīng)用及國(guó)內(nèi)外換熱器的對(duì)比，設(shè)計(jì)了便于基建的新型煙葉調(diào)制的生物質(zhì)能換熱器，其目的就是為了滿足煙葉調(diào)制的換熱要求。該換熱器主要由過(guò)火方管、輸熱筒、散熱箱、散熱管、貯灰管等構(gòu)成。主要通過(guò)增加輸熱筒、散熱箱、散熱管上的散熱片和散熱管孔徑以提高換熱效率，通過(guò)優(yōu)化清灰裝置以實(shí)現(xiàn)換熱器在不停止工作的情況下清除輸熱筒及散熱管中的積灰和結(jié)渣，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠耐用的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)能;換熱器;密集烤房;結(jié)渣;烤煙

中圖分類號(hào)：TS45 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）18-0125-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.18.030 ? ? ? ? ? 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design of biomass energy heat exchanger for intensive curing barn

WANG Zheng1，WEI Jian-yu1，SHEN Yan-jin2，HUANG Chong-jun1，AO Jin-cheng3，KONG Wan-jun4，CHEN Ji-hua4

（1.China Tobacco Guangxi Industrial Co.，Ltd.，Nanning 530001，China;2.Wenshan Tobacco Company of Yunnan Province，Wenshan 663000，Yunnan，China;3.Yunnan Reascend Tobacco Technology（Group）Co.，Ltd.，Kunming 650106，China;4.Kunming Shuangwei Technology Co.，Ltd.，Kunming 650299，China）

Abstract： In order to solve the problems of the biomass energy heat exchanger for intensive curing barn on lower heat transfer efficiency， easy tempering， easy corrosion and slagging， serious ash accumulation and short service life. Based on the previous application and comparison between domestic and foreign heat exchangers， a new biomass energy heat exchanger for tobacco leaves curing was designed. The structure of heat exchanger is simple reliable and durable which is mainly composed of square tube， heat transfer tube， heatsink， dissipation tube and ash storage tube. The heat transfer efficiency can be improved mainly by increasing the heatsink of heat transfer tube and heat tube hole diameter， the ash and slagging which can be removed without stopping the heat exchanger by optimizing the ash removal device.

Key words： biomass energy; heat exchanger; intensive curing barn; slagging; flue-cured tobacco

長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)煙葉調(diào)制的密集烤房一直利用煤炭作為主流燃料。有研究表明，每烘烤1.0 kg干煙葉需耗煤1.5～2.0 kg，熱能利用僅30%[1]，能耗和用工遠(yuǎn)高于國(guó)外[2]。據(jù)測(cè)算，一個(gè)20座規(guī)模的密集烤房群，整個(gè)烘烤季排放煙塵4.0～5.0 t，CO2 160～220 t[3]，產(chǎn)生的SO2 3.4～5.6 t，NOX 1.6～2.8 t[4]。而近年來(lái)，隨著煙葉烤場(chǎng)及調(diào)制時(shí)間的進(jìn)一步集中，區(qū)域環(huán)境污染問(wèn)題已引起廣泛關(guān)注。由于生物質(zhì)成型燃料燃燒時(shí)CO2排放量基本為0，NOX排放量?jī)H為燃煤的1/5，SO2排放量?jī)H為燃煤的1/10[5]。因而生物質(zhì)成型燃料作為一種環(huán)境友好型清潔能源受到廣泛關(guān)注。

研究表明，使用生物質(zhì)顆粒燃料替代燃煤可實(shí)現(xiàn)減工降本、提質(zhì)增效目的[6，7]，生物質(zhì)顆粒密集烤房更具有推廣價(jià)值[8]。探討烤煙低碳烘烤技術(shù)，發(fā)展綠色生態(tài)烘烤[9]，充分利用生物質(zhì)能源[10]，對(duì)促進(jìn)中國(guó)現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。然而，生物質(zhì)成型燃料中含有堿金屬元素，尤其是秸稈類成型燃料中堿金屬元素含量較高，爐膛內(nèi)的溫度很容易達(dá)到灰分的熔點(diǎn)，使灰分軟化，黏附在爐膛內(nèi)壁和換熱管上形成積灰和結(jié)渣，造成換熱管堿金屬及氯腐蝕嚴(yán)重[11，12]，因此對(duì)設(shè)備要求較高[13]。因此，進(jìn)一步開(kāi)展換熱效率高、耐腐蝕的換熱器對(duì)提高中國(guó)作物秸稈類生物質(zhì)能源利用效率具有重要意義。目前，為解決生物質(zhì)成型燃料燃燒結(jié)渣、換熱效率低等難題，許多學(xué)者從原料預(yù)處理[14，15]、添加劑[16-18]、優(yōu)化燃燒設(shè)備[19，20]等方面開(kāi)展了大量研究，但關(guān)于密集烤房用的生物質(zhì)能換熱器的設(shè)計(jì)與研究鮮見(jiàn)報(bào)道。鑒于此，本研究設(shè)計(jì)了主要用于密集烤房煙葉烘烤的生物質(zhì)能換熱器，對(duì)提高中國(guó)作物秸稈類生物質(zhì)能源利用具有重要意義。

1 ?總體結(jié)構(gòu)

生物質(zhì)能換熱器如圖1所示，主要由支架、換熱系統(tǒng)、積灰和結(jié)渣清除系統(tǒng)及廢氣排放系統(tǒng)構(gòu)成。換熱器箱體長(zhǎng)、寬、高分別為1 493、860、1 493 mm。換熱器置于換熱室，換熱室墻體為水泥砌的實(shí)心磚，換熱器的方形過(guò)火管與墻體澆筑為一體，與烤房外的燃燒機(jī)相連。

1.1 ?換熱器系統(tǒng)構(gòu)件與尺寸

輸熱筒包括短方形過(guò)火管、貯灰管、輸熱筒端蓋、圓管、圓管散熱片，其長(zhǎng)、高分別為1 291、630 mm。為提高基建便利和密封性，短方形過(guò)火管采用耐酸鋼，內(nèi)框邊長(zhǎng)234 mm，外框邊長(zhǎng)277 mm。貯灰管長(zhǎng)、寬、高分別為1 287、200、150 mm，清灰門同過(guò)火管基建于換熱室外。輸熱筒端蓋直徑與輸熱管圓管一致，均為500 mm，其中圓管長(zhǎng)為1 004 mm。為提高散熱效率，圓管上焊接散熱片，散熱片由23根鋼片組成。

右散熱箱下部包括右散熱板下部、散熱箱下外板、散熱片、散熱箱連接管、插框。箱體長(zhǎng)、寬、高分別為800、208、718 mm。右散熱箱下部一側(cè)與輸熱筒焊接相連，頂端通過(guò)連接框、插框與散熱器焊接相連。為提高其散熱效率和使用壽命，分別在外側(cè)焊接散熱片和內(nèi)部裝填耐火磚。

散熱器箱體包括散熱管、左散熱箱、右散熱箱。為提高散熱效率和使用壽命，散熱管由21根不銹鋼管（304/1.5）均勻3組排列，連接左右散熱箱，直徑和長(zhǎng)度分別為76、850 mm。左散熱箱包括左散熱板、出煙管、散熱箱外板、右隔板、壓緊螺栓M12×200-C、清灰門，箱體長(zhǎng)、寬、高分別為800、150、737 mm。右散熱箱包括右散熱箱板上部、右散熱箱外板、右隔板和散熱箱連接管，箱體長(zhǎng)、寬、高分別為800、150、740 mm，如圖2所示。

1.2 ?換熱系統(tǒng)的工作原理

在引風(fēng)機(jī)的作用下，生物質(zhì)燃料燃燒機(jī)將火焰由短方形過(guò)火管，以高溫?zé)煔庑问竭M(jìn)入輸熱筒，經(jīng)右散熱箱下部進(jìn)入散熱器，利用“U”形回路完成換熱過(guò)程。高溫?zé)煔庠诰徛鲃?dòng)過(guò)程中，攜帶著的灰塵顆粒自動(dòng)沉降到貯灰管和散熱管，剩余少量部分通過(guò)出煙管排放到大氣中。貯灰管和散熱管中的灰塵顆粒和結(jié)渣定期手動(dòng)從清灰門清除。高溫?zé)煔庠诮?jīng)過(guò)輸熱筒、右散熱箱下部、右散熱箱上部、散熱管、左散熱箱時(shí)逐漸將熱量釋放到換熱室。與此同時(shí)，換熱室內(nèi)的熱空氣，經(jīng)引風(fēng)機(jī)泵入煙葉調(diào)制室，泵入速率依據(jù)煙葉烘烤工藝進(jìn)行調(diào)控。

2 ?提高散熱效率系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 ?散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

該熱交換器散熱系統(tǒng)包括輸熱筒及其散熱片、右散熱箱下部及其散熱片、右散熱箱上部集成及其散熱片、21根3層排列的Φ76 mm散熱鋼管、左散熱箱構(gòu)成。

2.2 ?散熱系統(tǒng)的工作原理

生物質(zhì)燃料在燃燒機(jī)中燃燒，在供氣裝置作用下，形成沸騰燃燒火焰，隨氣流由過(guò)火管進(jìn)入換熱器，換熱器將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)變成空氣熱能，空氣熱能在風(fēng)機(jī)的作用下，被送入煙葉調(diào)制室進(jìn)行煙葉烘烤。

3 ?積灰和結(jié)渣清除系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 ?積灰和結(jié)渣清除系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

生物質(zhì)顆粒燃料在燃燒時(shí)產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入熱交換器后，很容易在輸熱筒、散熱箱及散熱管上產(chǎn)生積灰和結(jié)渣。積灰和結(jié)渣如果不及時(shí)清除，不僅導(dǎo)致?lián)Q熱效率的降低，同時(shí)會(huì)造成換熱器構(gòu)件的腐蝕，從而降低換熱器的使用壽命。

3.2 ?積灰和結(jié)渣清除系統(tǒng)的工作原理

該換熱器由5個(gè)主要散熱單元構(gòu)成，其中輸熱筒、散熱箱右下部和散熱箱右上部中的積灰或結(jié)渣在重力沉降作用下落入貯灰管，并從貯灰管清灰門人工清除，而3組平行排列及左散熱箱體中產(chǎn)生的積灰或結(jié)渣通過(guò)左散熱箱體上的清灰門進(jìn)行人工手動(dòng)清除（圖3）。左散熱箱體上的清灰門進(jìn)行人工手動(dòng)清除。

4 ?密封方案的設(shè)計(jì)

為了避免換熱室的熱空氣向外界泄露，以及換熱器部件連接處發(fā)生高溫?zé)煔庑孤?，設(shè)計(jì)了密封方案。輸入同前端焊接方形過(guò)火管，便于與換熱室墻體基建，連接部用混凝土密封。換熱器的輸熱筒、散熱箱右下部、散熱箱右上部、21根散熱管及左散熱箱各連接處均焊接密封，無(wú)虛焊，焊后修磨焊疤并進(jìn)行倒鈍處理。

5 ?結(jié)論

1）該密集烤房用生物質(zhì)能換熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝搬運(yùn)、可靠性高，可以滿足以生物質(zhì)成型燃料為熱源的換熱要求。通過(guò)在輸熱筒、散熱箱上焊接大量散熱片，加上回路設(shè)計(jì)以及增加散熱管孔徑從而大大提高換熱器的換熱效率。

2）該換熱器可以實(shí)現(xiàn)在不停止工作的條件下有效清除輸熱筒及散熱管上的積灰和結(jié)渣。另外，輸熱筒使用耐酸鋼，散熱箱及散熱管均使用304不銹鋼，大大提高換熱器的耐腐蝕性，有效提高設(shè)備的使用壽命。

3）該設(shè)備的推廣應(yīng)用有助于提高農(nóng)林廢棄資源的綜合利用和烤煙清潔生產(chǎn)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋朝鵬，賀 ?帆，王戰(zhàn)義，等.提高烤房熱能利用率的途徑初探[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（18）：7743-7744.

[2] 宋朝鵬，孫福山，許自成，等.我國(guó)專業(yè)化烘烤的現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].中國(guó)煙草科學(xué)，2009，30（6）：73-77.

[3] 宮長(zhǎng)榮，陳江華，吳洪田，等.密集烤房[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[4] 肖艷松，李曉燕，李圣云，等.不同類型的烤房烘烤效果比較[J].煙草科技，2009（2）：61-63.

[5] 羅 ?娟，侯書(shū)林，趙立欣，等.典型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒特性試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（5）：220-226.

[6] 韋 ?忠，高華軍，范東升，等.生物質(zhì)顆粒燃料烘烤煙葉的效果分析[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2017，48（12）：2228-2233.

[7] 蔣篤忠，陳洪浪，何陽(yáng)，等.生物質(zhì)顆粒燃燒爐在密集烤房上的應(yīng)用[J].農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào)，2017，7（8）：82-86.

[8] 許錫祥，陳承亮，呂作新，等.幾種新型密集烤房烘烤效果比較[J].中國(guó)煙草科學(xué)，2017，38（5）：82-86.

[9] 武圣江，楊秀祥，李 ?明，等.我國(guó)烤煙烘烤突出問(wèn)題和解決思路探討[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（2）：232-234.

[10] 王文超，賀 ?帆，徐成龍，等.煙葉烘烤節(jié)能技術(shù)研究進(jìn)展[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，42（10）：1267-1270.

[11] 王翠蘋(píng)，李定凱，王鳳印，等.生物質(zhì)成型顆粒燃料燃燒特性的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22（10）：174-177.

[12] 劉圣勇，劉小二，王 ?森，等.Ⅱ型生物質(zhì)成型燃料鍋爐的研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（12）：100-104.

[13] 姚宗路，趙立欣，RONNBACK，等.生物質(zhì)顆粒燃料熱性及其對(duì)燃燒的影響分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010（1）：97-102.

[14] 顧懷勝，曾中林，王 ?邦，等.烤煙秸稈固體成型燃料的工藝優(yōu)化[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（5）：2263-2265.

[15] 霍麗麗，孟海波，田宜水，等.粉碎秸稈類生物質(zhì)原料物理特性試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（11）：189-195.

[16] 袁艷文，趙立欣，孟海波，等.玉米秸稈顆粒燃料抗結(jié)渣劑效果的比較[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（11）：251-255.

[17] 馬孝琴，駱仲泱，方夢(mèng)祥，等.添加劑對(duì)秸稈燃燒過(guò)程中堿金屬行為的影響[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40（4）：599-604.

[18] BHATTACHARYA S P，HARTTING M. Control of agglomeration and defluidization burning high-alkali，high-sulfur lignites in a small fluidized bed combustors effect of additive size and type and the role of calcium[J].Energy and fuels，2003，17：1014-1021.

[19] 劉立果，張學(xué)軍，劉 ?云，等.生物質(zhì)燃料熱風(fēng)爐換熱器的設(shè)計(jì)與研究[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2016，37（9）：204-207.

[20] 張江勇，孫桓五，李 ?戟，等.生物質(zhì)熱風(fēng)爐換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（3）：237-241.