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(fēng)爐分為立式爐和隧道爐兩種。針對(duì)立式爐的中途需多次加煤、操作強(qiáng)度大、爐門(mén)開(kāi)啟時(shí)間長(zhǎng)、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(fēng)機(jī)等問(wèn)題，研制了潔凈煤反燒熱風(fēng)爐。反燒熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，一次性裝煤舒適；應(yīng)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(diào)可控，使用安全方便，一次性添加燃料，無(wú)誤傷操作人員以及燒毀風(fēng)機(jī)的現(xiàn)象。主要闡明了其原理、結(jié)構(gòu)、使用方法及優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：反燒熱風(fēng)爐；密集烘烤；潔凈煤

中圖分類(lèi)號(hào)：TF578

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16749944（2017）10015205

1 背景

熱風(fēng)爐主要由爐體、煙氣-空氣換熱器及煙囪組成。來(lái)自裝煙室的空氣經(jīng)換熱器加熱后，通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)送入裝煙室內(nèi)，以干燥裝煙室的濕煙葉。目前，國(guó)內(nèi)各煙區(qū)的密集烤房供熱設(shè)備以燃煤熱風(fēng)爐為主，主要包括立式金屬散煤熱風(fēng)爐和隧道式非金屬熱風(fēng)爐。

立式爐整個(gè)結(jié)構(gòu)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(lián)結(jié)，如圖1所示。立式爐具有火力集中、燃料燃燒充分、火力調(diào)控簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[1～3]，但晚上需專(zhuān)人間斷性看火和添加散煤，燃燒放熱及熱風(fēng)溫度不穩(wěn)定，烤房?jī)?nèi)熱風(fēng)整體溫度及干煙葉質(zhì)量不均勻。金屬熱風(fēng)爐不完全燃燒和煙氣熱損失高達(dá)25%～40%，且金屬材質(zhì)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(dòng)強(qiáng)度[4，5]，烘烤效率大幅提高。但隧道爐同時(shí)也存在以下問(wèn)題：火力控制困難；易發(fā)生煤氣中毒和爆燃現(xiàn)象；電氣控制盒易燒損；預(yù)制件密封不嚴(yán)密；存在正壓噴火現(xiàn)象；起火慢，煤耗高；易出現(xiàn)掉溫現(xiàn)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(fēng)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(duì)當(dāng)前采用的煙葉烘烤加熱設(shè)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(wèn)題，研發(fā)了雙層對(duì)向正反燃燒熱風(fēng)爐（圖3）。雙層對(duì)向正反燃燒熱風(fēng)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(guò)程中溫濕度控制精準(zhǔn)，能有效降低烘烤能耗和用工成本，但存在燃燒優(yōu)質(zhì)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(wú)塵環(huán)保逆流循環(huán)高效換熱烤煙設(shè)備（圖4），監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)表明：配置該烘烤設(shè)備的烤房煙塵排放濃度，煙氣中SO2、NOx排放濃度，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 DB37/2374-2013標(biāo)準(zhǔn)值；干煙葉平均節(jié)煤0.41 kg/kg，均價(jià)提高1.22元，平均每爐煙葉產(chǎn)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(zhì)量明顯提高，但同時(shí)存在操作強(qiáng)度大，成本高，生產(chǎn)效率較低等缺點(diǎn)。

國(guó)外爐窯多使用電能或者石油產(chǎn)品作能源，不存在嚴(yán)重的環(huán)保問(wèn)題，燃煤熱風(fēng)爐煙氣消煙方面的研究較少。其次，國(guó)外普遍采用爐前處理技術(shù)。使用清潔燃料或者在熱風(fēng)爐中使燃料完全燃燒，達(dá)到環(huán)保的要求[8]。在煤燃燒的污染物控制方面，英國(guó)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(yáng)能作為燃煤的替代能源，不僅經(jīng)濟(jì)環(huán)保，而且能緩解能源危機(jī)。國(guó)外密集烤房能源以柴油為主，成本高，不適合我國(guó)國(guó)情。

高效節(jié)能環(huán)保型密集烤房熱風(fēng)爐，目前市場(chǎng)同類(lèi)產(chǎn)品不多，普及率不高。煙葉烘烤加工過(guò)程中的節(jié)能和環(huán)保問(wèn)題，是密集烤房新技術(shù)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化推廣的前提。鐵燕等[11]研究表明，將蜂窩煤熱風(fēng)爐和散煤立式熱風(fēng)爐組合的熱風(fēng)爐，是目前密集烤房熱風(fēng)爐中較適宜的形式，能滿(mǎn)足煙葉烘烤時(shí)對(duì)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(fēng)爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，一次性裝煤舒適，可適應(yīng)農(nóng)村勞動(dòng)力緊缺形勢(shì)的需要，爐內(nèi)腔流動(dòng)傳熱燃燒組織合理，節(jié)能減排，安全舒適，可滿(mǎn)足當(dāng)前建設(shè)兩型社會(huì)的需要，促進(jìn)我國(guó)煙草行業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。

2 潔凈煤反燒熱風(fēng)爐技術(shù)原理

潔凈煤反燒熱風(fēng)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(jìn)行燃燒，這種燃燒方式比較少見(jiàn)。引燃物在煤層上面，依靠熱傳導(dǎo)和熱輻射傳遞熱量引燃煤層。爐頂蓋起聚熱反射作用。運(yùn)行初期，上面的火源把熱量傳導(dǎo)給最近的煤層，隨后開(kāi)始析出可燃性氣體并進(jìn)行燃燒，爐膛溫度進(jìn)一步提高，表面煤層溫度高于450℃時(shí)，煤層開(kāi)始正常燃燒。燃燒過(guò)程通過(guò)熱輻射及熱傳導(dǎo)的傳熱方式由上而下連續(xù)均勻地進(jìn)行。由于一次風(fēng)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(fēng)的補(bǔ)入使CO燃燒完全。

3 潔凈煤反燒熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)

基于明火反燒及二次燃燒的技術(shù)原理，設(shè)計(jì)了高大立式爐和二次螺旋進(jìn)風(fēng)裝置。密集烤房潔凈煤反燒熱風(fēng)爐，包括爐頂、爐腹、爐條、內(nèi)爐門(mén)和外爐門(mén)。爐頂側(cè)面均布3個(gè)二次進(jìn)風(fēng)口，底端面和爐腹頂端面滿(mǎn)焊連接，爐腹內(nèi)腔呈圓柱狀，爐腹內(nèi)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(nèi)壁貼敷耐火磚層，爐腹側(cè)壁開(kāi)設(shè)一個(gè)操作口，操作口高度和爐腹側(cè)壁高度相等，操作口兩側(cè)邊垂直于爐腹底板，爐條以下操作口邊緣與內(nèi)爐門(mén)無(wú)縫連接，內(nèi)爐門(mén)呈方板狀，內(nèi)爐門(mén)和靜壓區(qū)高度相等、寬度和操作口寬度相等。爐腹內(nèi)腔通過(guò)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(mǎn)焊連接，操作通道右端口由外爐門(mén)貼敷的耐火纖維板密封，外爐門(mén)中下部中心水平設(shè)置輔助通風(fēng)口。剖面圖如圖5所示，立體圖如圖6所示。

反燒熱風(fēng)爐爐頂內(nèi)壁、爐腹內(nèi)壁和操作通道除底板外的內(nèi)壁貼敷30～50 mm厚的一體式耐火澆注層，既可限制耐火層對(duì)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(zhǎng)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(wú)高溫?zé)龘p隱患，故靜壓室（儲(chǔ)灰室）及操作通道底板內(nèi)壁均不貼敷耐火磚或澆注層。

反燒熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)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(mén)較高，內(nèi)爐門(mén)較低，靜壓區(qū)封閉。技術(shù)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(fēng)爐使用方法

使用反燒熱風(fēng)爐時(shí)，先取出外爐門(mén)，清空爐條上方灰渣，后取出內(nèi)爐門(mén)，清空爐條下方灰渣，放回安置好內(nèi)爐門(mén)。操作工從操作通道進(jìn)入爐腹內(nèi)腔爐條之上，蜂窩煤球從爐外遞入。在爐腹內(nèi)腔堆置蜂窩煤球時(shí)孔與孔對(duì)齊，煤球與煤球之間的大空隙以碎煤塊塞滿(mǎn)。堆至最高層時(shí)空出操作口邊緣1～2個(gè)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(mén)塞進(jìn)操作通道右端口，密封操作通道右端口并壓緊固定外爐門(mén)。設(shè)置溫控器溫濕度相關(guān)參數(shù)并啟動(dòng)運(yùn)行，啟動(dòng)與靜壓區(qū)聯(lián)通的并由溫控器控制的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)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(dòng)，燃燒面緩慢地從爐腹頂部移動(dòng)到爐條頂面，長(zhǎng)時(shí)間明火反燒穩(wěn)定供熱，熱風(fēng)溫度緊貼烘烤工藝曲線升溫至68℃，直至烘烤結(jié)束，安全穩(wěn)定運(yùn)行6～7 d，完成變黃期、定色期和干莖期燃燒供熱任務(wù)。整個(gè)烘烤過(guò)程外爐門(mén)緊閉，無(wú)高溫輻射熱損失問(wèn)題。

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

5 潔凈煤反燒熱風(fēng)爐優(yōu)勢(shì)

5.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)

立式爐按多次加煤原則設(shè)計(jì)。隧道熱風(fēng)爐雖理論上能滿(mǎn)足一次性裝煤需要，但實(shí)際上由于隧道爐運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的爐體蓄熱多、爐門(mén)輻射散熱損失大、煙氣CO排放多、耗煤量大等原因，難以實(shí)現(xiàn)一次性裝煤目標(biāo)，中途需添加燃料。反燒熱風(fēng)爐內(nèi)腔結(jié)構(gòu)高大，能一次性舒適裝煤，減輕操作工勞動(dòng)強(qiáng)度。

立式爐有專(zhuān)用的加煤通道和清灰通道，用金屬板隔開(kāi)，通道長(zhǎng)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(nèi)腔、清灰通道內(nèi)腔合為一體，無(wú)爐條，爐門(mén)高度為560 mm，裝煤舒適性差，難于滿(mǎn)足孔對(duì)孔及同排兩鄰煤球之間無(wú)縫隙等要求。反燒熱風(fēng)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(nèi)腔高度和外爐門(mén)高度達(dá)1.2～1.5 m，裝煤舒適性高，易滿(mǎn)足堆煤要求。

立式散煤爐和隧道爐無(wú)內(nèi)爐門(mén)。反燒熱風(fēng)爐內(nèi)爐門(mén)高度僅200～350mm，內(nèi)爐門(mén)和爐腹側(cè)壁一起，構(gòu)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(lái)替代內(nèi)爐門(mén)即可，可降低成本，便捷操作，且爐溫調(diào)控性能及靜壓區(qū)封閉性能良好。反燒熱風(fēng)爐一次性裝煤，易于操作，能滿(mǎn)足當(dāng)今農(nóng)村勞動(dòng)力市場(chǎng)需要。結(jié)構(gòu)特征是爐內(nèi)流動(dòng)傳熱燃燒過(guò)程科學(xué)合理的前提條件。

5.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

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(diǎn)火引燃，風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣向煤床斜上方流動(dòng)，燃燒面向煤床斜上方方向移動(dòng)，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(dòng)離開(kāi)煤床，最終經(jīng)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(nèi)熱能，燃燒放熱量減少，燃燒放熱量達(dá)不到最大，煙氣CO含量不穩(wěn)定直接導(dǎo)致燃燒放熱量和參與燃燒反應(yīng)的空氣流量不成正比，加大了用空氣流量自動(dòng)調(diào)控爐溫過(guò)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(dǎo)致供需的不平衡及燃燒過(guò)程的周期性變化，使熱風(fēng)爐經(jīng)濟(jì)性降低，煙塵濃度和煙氣黑度大大超過(guò)國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。如圖8所示，在暗火正燒的整個(gè)燃燒過(guò)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(dāng)空氣穿過(guò)爐排接觸到灰渣層的幾排灼熱煤粒時(shí)，就會(huì)形成CO，即：2C+O2→2CO，CO氣體在燃燒層間隙中又與過(guò)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(yīng)生成CO，在不滿(mǎn)足燃燒條件的情況下進(jìn)行部份燃燒，發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)生成碳黑。因此，此燃燒方法存在著煙囪冒黑煙，能源浪費(fèi)大的缺點(diǎn)。

潔凈煤反燒熱風(fēng)爐燃燒方式為明火反燒，反燒熱風(fēng)爐由風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的空氣進(jìn)入靜壓區(qū)，空氣全部穿過(guò)爐條自下向上在煤床中均勻流動(dòng)，以活塞流方式流過(guò)煤床，從頂面中心開(kāi)始點(diǎn)火引燃，燃燒面自上而下緩慢移動(dòng)，移動(dòng)方向與空氣流動(dòng)方向相反，實(shí)現(xiàn)明火反燒過(guò)程。在高溫燃燒面向下流動(dòng)過(guò)程中不斷地預(yù)熱與之接觸的底層煤球和空氣，煤球預(yù)熱時(shí)形成的干餾氣進(jìn)入燃燒面發(fā)生完全燃燒反應(yīng)，離開(kāi)燃燒面的高溫CO2氣體向上流動(dòng)時(shí)接觸高溫焦炭，生成還原性氣體CO，二次旋風(fēng)燃燒技術(shù)使CO進(jìn)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(fēng)裝置圖如圖10所示。

5.3 效果優(yōu)勢(shì)

立式爐存在爐門(mén)熱輻射損失大，操作繁瑣，安全衛(wèi)生條件差等問(wèn)題；隧道爐存在易燒毀風(fēng)機(jī)、溫度不滿(mǎn)足烘烤工藝需求、裝煤操作舒適性差等缺點(diǎn)，反燒熱風(fēng)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(fēng)溫度可調(diào)可控、緊貼烘烤工藝曲線供熱、不超溫掉溫、不燒風(fēng)機(jī)等效果優(yōu)勢(shì)。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(shí)現(xiàn)了燃燒供熱過(guò)程節(jié)能低污染物排放，避免了游離碳的析出，不產(chǎn)生黑煙；排煙無(wú)內(nèi)熱能損失，提高了熱風(fēng)爐的燃燒效率；燃燒放熱量達(dá)到最大，且與空氣流量成正比，為用空氣流量自動(dòng)調(diào)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(fēng)爐

能源及節(jié)能

6 結(jié)論

湖南省長(zhǎng)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(shí)踐顯示密集烤房潔凈煤反燒熱風(fēng)爐具有如下優(yōu)勢(shì)：一次性裝煤清灰、裝煤舒適，簡(jiǎn)便；點(diǎn)火引燃簡(jiǎn)易；排煙溫度<80℃，煙氣CO排放降低75%，燃煤熱值節(jié)約25%；風(fēng)機(jī)開(kāi)停對(duì)熱風(fēng)溫度調(diào)控性能良好，能滿(mǎn)足烘烤工藝曲線要求，無(wú)超溫和掉溫現(xiàn)象發(fā)生；無(wú)高溫爐氣外泄，風(fēng)機(jī)高溫?zé)龘p故障；降低了成本；干煙葉品質(zhì)好，無(wú)內(nèi)質(zhì)損耗，能燃用高灰分、低熱值當(dāng)?shù)責(zé)o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(wú)煙蜂窩煤，蜂窩煤成型不用粘土等無(wú)機(jī)類(lèi)粘接劑時(shí)，節(jié)能減排安全舒適性能更加突出。

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