段美珍, 農(nóng) 倩，趙阿娟，裴曉東，陳治鋒

(1.湖南省煙草公司長沙市公司，湖南 長沙 410019；2.中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙 410083)

0 前言

國內(nèi)煙葉生產(chǎn)向規(guī)?；N植和密集烤房的集群化[1]發(fā)展，而烤煙技術設備、管理模式和設備相對發(fā)達國家比較落后，煙農(nóng)節(jié)能環(huán)保意識薄弱[2]，烤煙能源利用率相對較低，由此帶來的環(huán)境污染、能源浪費、用工多、烘烤成本高等問題也越來越突出。

煤炭價格低廉，來源廣泛，是我國烤煙熱量主要來源。按我國煙葉年種植面積2017年2 100萬畝，以及現(xiàn)有燃煤熱風爐能效低至35%～45%推算[3-5]，我國烤煙年用煤炭約為420～500萬噸煤，因烤房能效低而浪費煤炭約200萬噸。而且，由于大多數(shù)密集烤房沒有配置有效的除塵裝置及脫硫脫硝設施，而烘烤燃煤多以未經(jīng)去硫去灰風選洗選加工的原煤為主，其種類復雜，熱值不穩(wěn)定，灰分和含硫量高，導致燃煤生成的粉塵、SO2、NOx和多環(huán)芳烴等有害物質(zhì)排放超標嚴重，對烤房群周圍環(huán)境已造成了較為明顯的污染影響[6]。密集烤房節(jié)能環(huán)保和降工減本的潛力巨大，只有優(yōu)化烤煙用能結構才能滿足當今我國節(jié)能環(huán)保低碳形勢需要。

使用清潔能源，重視節(jié)能減耗，完善烤房性能，充分挖掘烤煙工藝節(jié)能潛力是密集烤煙房發(fā)展的必然方向。立足于我國能源資源現(xiàn)狀，關注煙草烘烤加工中的安全、低成本、節(jié)省用工和節(jié)能等問題，可以為現(xiàn)有燃煤熱風爐提供替代新方案，不僅有利于降低烤煙能源成本，精準幫富煙農(nóng)，提高烘烤效率和煙葉品質(zhì)，安全烘烤，減少燃燒煙氣對附近農(nóng)田及村莊環(huán)境的影響、凈化烤房群附近空氣，而且有利于促進環(huán)境友好型現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，滿足當前社會主義新農(nóng)村建設需要。

1 常規(guī)燃煤烤房

1.1 立式金屬爐烤房

立式正燒熱風爐爐膛呈立式結構狀，其結構簡單，投資少，具有火力集中，燃燒充分，火力調(diào)控簡便，節(jié)煤等優(yōu)點[7-9]，而且該爐安裝了進風口擋板，爐內(nèi)腔被無縫隙金屬殼體包裹，密封性好，爐溫可調(diào)可控，易于封火過夜及變黃期溫度控制，控火更簡便?？筛鶕?jù)燃料燃燒特性摸清燃燒規(guī)律，以及各烘烤階段熱量需求，準確把握加煤時間和加煤量，提高燃燒效率和燃透率，減少因隨意操作造成的溫度過高或過低而增加能耗。

如圖1所示，立式正燒熱風爐基于暗火正燃原理，在點火引燃后，根據(jù)沿煤床向上流動的助燃空氣，燃燒面沿煤床向上移動，處于燃燒面上方的散煤在高溫烘烤下?lián)]發(fā)出干餾氣和揮發(fā)分，且在還原性氣氛下，CO2接觸高溫焦炭被還原生成CO，這些氣體隨著助燃空氣一起向上流動，最終進入拱頂區(qū)經(jīng)排煙口排出，從而導致煙氣CO含量高，化學不完全燃燒損失大。而且由于散煤爐爐膛容積小，烘烤過程中需要多次中途加煤燃燒供熱，使得烤煙房溫度波動大(6～8 ℃)，控溫精度差，烤煙質(zhì)量不佳，爐門熱輻射損失大，熱效率低，燃煤費用高至烤煙生產(chǎn)成本的1/4以上。立式正燒熱風爐普遍使用，2018年投標價5 800元/臺，燒散煤，手工添煤，暗火正燒，空氣利用率低，頻繁開啟爐門導致烤房空氣干球溫度波動大。

圖1 立式金屬爐結構

1.2 隧道式非金屬爐烤房

隧道式非金屬爐結構如圖2所示，通常燃燒蜂窩狀型煤，一次性裝煤或中途多次加煤，非金屬熱交換管不易腐蝕。一次性裝煤隧道爐降低了烘烤勞動強度[10,11]，烘烤生產(chǎn)效率大幅提高。型煤控火主要通過自控設備調(diào)控鼓風機啟停實現(xiàn)，同時靈活應用煙囪控火閘進行輔助調(diào)控。隧道爐調(diào)節(jié)位于煙道上的控火閘至關重要。隧道爐最大優(yōu)點是燃燒供熱過程與煙葉烘烤需熱規(guī)律相吻合，烘烤中僅需調(diào)節(jié)進風口面積大小，升溫穩(wěn)溫靈便，蓄熱多、熱慣性大，不會出現(xiàn)烤房溫度猛升猛降而影響煙葉烘烤質(zhì)量的現(xiàn)象，對三段式烘烤十分有利[12,13]。

隧道式非金屬爐同樣基于暗火正燃原理，也存在煙氣CO含量高，不完全燃燒損失大的情況，尤其是隧道爐拱頂區(qū)滯留CO濃度高，易出現(xiàn)爆燃傷人事故。同時，由于該助燃風機處于高溫隧道爐旁，不僅使得線圈絕緣層頻繁遭受反向倒流的高溫爐氣烘烤毀損，而且導致流入爐內(nèi)引燃區(qū)的助燃風機流量小于額定流量，出風能力永久性下降，助燃空氣利用率不高，使得烤煙房溫度低于烘烤工藝設定溫度2～8 ℃，不能滿足大中火煙葉烘烤供熱需要，降低烤煙品質(zhì)，其熱效率低至35%～45%。

隧道式非金屬爐燒型煤球，優(yōu)勢是一次性預裝煤球，不需要頻繁的加煤，但裝煤操作不舒適，變黃期易掉溫，定色期易超溫(特別是烘烤上部煙葉)，助燃風機燒損嚴重，供風無保障，易意外停供熱導致降溫烤壞煙葉。2014年寧鄉(xiāng)市5個工場統(tǒng)計，助燃風機損壞39%，更換費用30 186元，烤煙損失14.15萬元。2017年寧鄉(xiāng)市某工場50座烤房第2～4烤風機燒損報廢率達50%。

圖2 隧道式正燒熱風爐結構

1.3 雙層對向正反燒爐烤房

如圖3所示，雙層對向正反燒爐設置上中下三個爐門，上爐門用于加煤和鼓風，中爐門用于加煤和集渣，下爐門集渣和鼓風，設置兩層爐條分隔出上中下3個爐膛。上爐膛從上往下進行反向燃燒并形成高溫火焰，下爐膛從下往上進行正向燃燒并產(chǎn)生大量可燃氣體，正反向燃燒火焰及可燃氣體在中爐膛“對向”相遇后再次進行燃燒并產(chǎn)生高溫煙氣輸出。通過二次燃燒和對向燃燒，煙氣CO等可燃物能得到充分燃燒利用。將傳統(tǒng)反燒爐倒立安裝，沿助燃空氣流動方向爐條安置在高溫燃燒區(qū)下游，靜壓室當成儲煤室，便于烘烤過程中在低溫儲煤室多次加料，燃料層緩慢下移以相對固定高溫燃燒區(qū)位置，使得一般反燒爐存在“爐條附近區(qū)域的固體燃料難以完全燃燒”缺點變得不明顯[14]。

雙層對向正反燒爐存在2個技術缺陷：一是在停止供應助燃空氣時未燃燃料受到反燒爐底面高溫燃燒區(qū)烘烤，揮發(fā)分等可燃性氣體易于上升漂浮至反燒爐最頂部的靜壓室，出現(xiàn)反向氣化問題，不僅排放黑煙，而且在助燃風機開啟送風瞬間靜壓室易出現(xiàn)爆燃等安全事故。二是扒出高溫爐渣。高溫煙氣要流經(jīng)爐渣層，爐渣層保持通紅高溫狀態(tài)，爐渣含有一定量未燃燼碳并攜帶大量顯熱，直接影響反燒爐熱效率的提高。這種反燒爐高溫燃燒層始終外露，燃燒放熱直接用于生成高溫循環(huán)空氣，即要求間歇性清爐渣以保持薄渣層，無爐渣高溫蓄熱以穩(wěn)定爐溫設計，一旦停止燃燒供熱爐溫即迅速下降。

圖3 雙層對向正反燒爐結構

2 空氣源熱泵烤房

如圖4所示，空氣源熱泵烤房主要由空氣源熱泵、翅片式散熱器、烘烤控制器和烤煙房等結構構成?？諝庠礋岜没诳ㄖZ循環(huán)原理運行，低溫高壓的載熱工質(zhì)經(jīng)膨脹閥節(jié)流后，在壓力作用下進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)吸收空氣中的熱量汽化，隨后載熱工質(zhì)經(jīng)壓縮機壓縮變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，在冷凝器內(nèi)與循環(huán)熱空氣換熱，實現(xiàn)了熱量從空氣側向烤煙房內(nèi)轉移，蒸發(fā)鮮煙葉水分。從示范效果來看，現(xiàn)場整潔，空氣源熱泵烤房能滿足密集烘烤38～40 ℃變黃期和61～68 ℃干莖期供熱需要，其安裝工藝簡單，平面溫差和垂直溫差較小，風速適宜，通風排濕順暢，烤房的能耗及用工減少，節(jié)能減排效果明顯[15,16]。但空氣源熱泵烤房存在著成本高、熱能轉換效率低、易受光照強度和時長等氣候因素的影響不能全天候運行、節(jié)能效益穩(wěn)定性較差[17,18]、無法作為單一熱源為煙葉烘烤提供熱量等問題，此外空氣源熱泵造價較高，元器件成本高，后期維護工作量大，技術要求高，多種原因限制了空氣源熱泵烤房推廣應用。

空氣能熱泵烤房的優(yōu)勢是環(huán)保干凈，劣勢是造價高，2.8～3.8萬元/臺(2018年投標價)，電能需求高，定色期升溫困難，需電加熱輔熱，壓縮機啟動和熱泵制熱等延遲，烤房溫度頻繁波動(-2.9～+0.6 ℃)，有效加熱時間短。

圖4 空氣源熱泵烤房

3 生物質(zhì)烤房

生物質(zhì)燃料低熱值約為3 000～4 000 kCal/kg，揮發(fā)分含量70%～80%，固定碳10%～20%，含硫量低于2%，是理想的可替代再生能源，是烤煙工藝節(jié)能降本重要途徑之一。

目前，各煙區(qū)大力試驗推廣如圖5所示的生物質(zhì)顆粒燃燒機，其結構主要包括燃燒器、二次燃燒室和換熱器，其中燃燒器包括料倉、螺旋供料機構及絕熱熱解室。在熱解室內(nèi)組織生物質(zhì)顆粒不完全燃燒，生成可燃性中間氣在二次燃燒室內(nèi)和二次空氣混合后繼續(xù)燃燒，提高二次燃燒室溫度到1 000 ℃以上，未燃盡煙氣再次充分燃燒，焦油裂解，達到節(jié)能減排效果。生物質(zhì)顆粒燃燒機基于雙爐膛和分級燃燒原理，可減少煙氣NOx排放濃度，且由于是火焰燃燒，熱慣性小無蓄熱，即燃即用，能夠控制燃燒速度，升降溫速度快，特別適應于中大火烘烤期間使用，煙氣能夠充分燃燒，不產(chǎn)生焦油[19,20]。

圖5 生物質(zhì)顆粒燃燒機

由于顆粒屬于散體，不連續(xù)，小火低溫階段極易發(fā)生后面顆?？焖倥鰮羟懊骖w粒，出現(xiàn)加料熄火、燃燒不穩(wěn)定、火力可控性差及頻繁點火等故障。同時，由于生物質(zhì)顆粒完全燃燒時間長，沿煙氣行程易發(fā)生未完全燃燒顆粒堆積結焦問題，一方面焦粒易板結而難以清除，導致燃燒機機械運動部件意外卡死而切斷供熱而又長時間不能被發(fā)現(xiàn)，另一方面導致突然著火出現(xiàn)爆燃、排放黑煙問題，在燃燒機與二次燃燒器連接松動有縫隙時從連接處意外噴出高溫火焰，導致傷人、燒毀燃燒機及火災(燃燒機布置有電導線、堆積有廢棄生物質(zhì)顆粒包裝袋)問題。

生物質(zhì)顆粒燃燒機的優(yōu)勢是燃料不含硫，環(huán)保，劣勢是優(yōu)質(zhì)顆粒供貨及途徑不可靠，零部件故障率高，技術要求高，存在爐內(nèi)爆燃、外噴火引起火災和斷料降溫烤壞煙葉等隱患。

4 潔凈煤反向燃燒爐烤房

潔凈煤反向燃燒爐以潔凈煤為燃料，主要包括如圖6所示的爐頂蓋、立式爐腹、爐條、內(nèi)外雙爐門，其爐腹側壁均勻焊有向外輻射狀肋片，爐頂蓋側壁設置2～4個補風縫，爐內(nèi)腔包括爐腹內(nèi)腔和操作通道內(nèi)腔，操作通道用于裝煤清灰，內(nèi)爐門堵塞清灰口，外爐門密封操作通道[21,22]。

圖6 潔凈煤反向燃燒爐結構

表1 潔凈煤反向燃燒爐烤房與其他烤房對比分析

潔凈煤反向燃燒爐基于明火反燒原理，把引火柴放在煤層上面，通過熱輻射和熱傳導使得煤層自上而下進行燃燒，運行初期，上面的火源把熱量傳導給最近的煤層，將表面的煤層加熱到300 ℃左右，煤層開始析出可燃性氣體，可燃氣燃燒后，爐膛溫度進一步提高，熱輻射傳熱效果進一步增強，當表面煤層溫度>450 ℃時，煤即開始正常燃燒，此時燃燒的炙熱煤層又通過熱傳導加熱相鄰煤層，當相鄰煤層達到燃點后開始劇烈燃燒，如此周而復始，煤層自上而下連續(xù)均勻地燃燒[23]。由于新空氣自下而上鼓入，因此氧化層在下邊，上層煤因得不到足夠的氧氣，不能完全燃燒而形成“紅焦”的還原層，所以在煤層上邊存在一定量的CO。同時，由于反燒法連續(xù)均勻地進行氧化燃燒，使得煤層干餾出來的可燃氣是連續(xù)而均勻的，避免了游離碳的析出，減少黑煙產(chǎn)生。組織從煤層頂中心點火的明火反燃和頂蓋內(nèi)腔切錐面旋流燃燒。與金屬爐和隧道爐相比，其優(yōu)化了熱風爐爐內(nèi)流動傳熱燃燒，實現(xiàn)“旋流送風+由內(nèi)向外由上向下反向燃燒+旋流燃燒”，滿足三段式密集烘烤、節(jié)能減排和精準烘烤等需要。經(jīng)過烘烤實驗測試，潔凈煤反向燃燒爐烤房的烘烤溫度變化在±0.2 ℃以內(nèi)，變黃定色干莖期烤房溫度曲線貼合設定曲線，無掉溫超溫現(xiàn)象，低、中、高溫穩(wěn)溫及加熱速度，能滿足密集烤煙工藝需要。與其他烤房相比，潔凈煤凈煤反向燃燒爐烤房節(jié)能減排，減工降本，控溫精度佳，無溫度延遲，安全性高等優(yōu)勢明顯，是烤房改造及技術升級的最優(yōu)選擇方案。比如相較金屬爐而言，每座潔凈煤反向燃燒爐烤房每年可節(jié)省標準煤993 kg，節(jié)省能源成本1 750元，相對節(jié)能26.4%，其干煙葉等級結構更優(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)[24]。

5 結論

傳統(tǒng)燃煤烤房能源利用率低，污染物排放量大，不符合我國環(huán)境友好可持續(xù)發(fā)展要求，有關節(jié)能變革勢在必行。推廣烘烤過程既符合環(huán)保的要求、貼近社會主義新農(nóng)村發(fā)展現(xiàn)實的密集烤房潔凈煤反向燃燒爐，為現(xiàn)有三高(高用工成本、高污染及高能耗)金屬爐及隧道爐更新、煙草調(diào)制工序?qū)嵭心芎南揞~及環(huán)保門檻管理，提供了除生物質(zhì)成型燃料烤房及空氣能熱泵烤房之外的另一種新方案。潔凈煤反向燃燒爐烤房組織明火反向燃燒供熱，能精準調(diào)控烤房溫度，提高能源利用率，減少污染物排放，操作方便，維修簡單，不僅有利于降低烤煙生產(chǎn)能源成本，提高煙葉品質(zhì)，而且有利于促進煙草生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，發(fā)展環(huán)境友好型現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)，是傳統(tǒng)燃煤技術升級節(jié)能改造理想方案，具有明朗的推廣應用前景。