潔凈煤反向燃燒爐節能效益測定研究

段美珍， 農 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

目前，我國各煙區多采用隧道爐和金屬爐作為煙葉烘烤設備［1］，這些燃煤熱風爐技術裝備落后，能源利用率低，環保設施不到位［2－3］，與我國追求可持續發展和發展環境友好型社會的目標格格不入。立式金屬爐需要多次添加燃煤，加煤時排放黑煙，烘烤溫度有明顯波動，排放眾多赤紅渣團，散煤總消耗量在1.0～1.2 噸／ 房。 隧道式非金屬爐變黃定色期需要看護助燃風機以避免電機高溫燒損，變黃定色期升溫困難，掉溫超溫幾率大。 應用清潔能源，降低燃料耗損，減少環境污染，是熱風爐能源變革的必經之路［4］。

為此，各煙區將空氣源熱泵和生物質等清潔能源應用于煙葉烘烤領域［5］，但是由于煙葉供熱設備不同于其他產品的烘干設備，加上煙葉有其較為獨特的烘烤工藝技術，導致這些清潔能源的煙葉烘烤應用效果不理想。 空氣源熱泵能滿足密集烘烤38℃變黃期和67～70 ℃干莖期供熱需要，安裝工藝簡單［6］，但存在著成本高、熱能轉換效率低、節能效益穩定性較差、額定制熱功率不足、升溫困難［7－9］等問題；而生物質供熱設備在實際烤煙時也存在著結構復雜、造價高、結焦、卡料、頻繁點火［10－12］等問題。這些問題導致空氣源熱泵和生物質烤房一直處于試驗示范階段，并不能全面推廣。

潔凈煤反向燃燒爐設計基于明火反燒原理，立足于綠色清潔的潔凈型煤，是一套能滿足烤煙熱量需求、有利于煙葉烘烤生產可持續性發展的節能型供熱烘烤設備［13］。 潔凈煤反燒爐一次性裝煤，裝煤輕便，包括低溫變黃階段在內控溫性能良好，溫度波動±0.2 ℃，整個烘烤過程中不需要人工看護監視，煙囪看不到排煙。 潔凈煤反向燃燒爐的節能特性實驗研究對烤煙工藝的節能減排、省工降耗及傳統燃煤熱風爐的技術升級改造具有重要意義。

1 潔凈煤反向燃燒爐裝置及節能原理

1.1 潔凈煤反向燃燒爐裝置

潔凈煤反向燃燒爐包括爐頂、爐腹、爐條、內爐門和外爐門，圓柱狀爐腹內腔高1.5 m、內徑1 m，在爐腹內腔0.2 m 高度處水平固定爐條，爐條上方為堆煤區、下方為靜壓區，在爐腹側壁開設一個和爐腹側壁等高且寬為0.6 m 的操作口，操作口連通爐腹和倒置的操作通道，內爐門封閉靜壓區側壁缺口，外爐門密封操作通道右端口。 潔凈煤反向燃燒爐基于明火反燒原理，在固定爐柵的燃燒室中將一爐的用煤量一次性投入，從煤層上面點火，從爐柵下面鼓入新鮮空氣，引火后煤層在熱輻射和熱傳導作用下自上而下燃燒，是一種不需要加煤和翻動煤層，不進行間斷性清爐的燃燒方式。以這種方式燃燒，可以將高溫揮發出來的揮發分與煤末煙渣和燃料中的固定炭一同燃燒，不僅避免了大量CO 及可燃性揮發分排出，最大化地釋放了燃料熱能，還起到了消煙除塵和保溫節煤的良好效果［14－15］。

圖1 潔凈煤反向燃燒爐結構圖

1.2 潔凈煤反向燃燒爐節能原理

首先，由于潔凈煤反向燃燒爐采用明火反燒方式，燃煤自上而下燃燒，因此，干餾層煤炭在高溫下揮發出的可燃揮發分以及燃燒層底部煤炭在還原氛圍下與CO2反應產生的CO，將隨底部流進燃煤層頂部燃燒區的助燃空氣一起向上流動并燃燒，使得燃煤內能全部釋放出來，燃燒放熱量達到最大，煙氣中CO 含量降低。 其次，潔凈煤反向燃燒爐的燃燒區高溫面直接面對爐頂內壁面，煤燃燒熱量即放即用，燃燒放熱直接用作加熱空氣，維持了爐內腔、排煙口以及第一、二層換熱單管的高溫傳熱條件。 第三，潔凈煤反向燃燒爐只設置一個爐門，和隧道式非金屬爐的兩個爐門相比，潔凈煤反向燃燒的爐門散熱損失減小50%，和立式金屬爐相比，潔凈煤反向燃燒的爐門開啟次數從2 小時／ 次減少到整個烘烤過程只打開一次，敞開爐門導致的高溫輻射散熱損失大幅度地降低。

2 潔凈煤反向燃燒爐節能效益測定過程

密集烤煙房用高效節能環保型熱風爐項目，集成明火反燒、潔凈煤燃燒、高溫燃燒和分區燃燒等技術，研發一種可強化爐內可燃物－空氣混合燃燒的潔凈煤反向燃燒爐，并于寧鄉市玉山工場進行試驗測試。 項目實施前后的能源利用、能源計量監測、生產運行等滿足《節能項目節能量審核指南》（發改環資［2008］704 號）、《節能量確定和監測方法》、《節能監測技術通則》（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。 現場監測鮮煙葉裝入量及干煙葉卸出量、烘烤燃煤消耗及電能消耗，核定項目綜合能源消耗、單位產品能耗及年節能量等指標。

以隧道爐和金屬爐作為對照爐，選取同一塊大田，采摘時間相同，且顏色、營養條件、部位、成熟度均衡一致的云煙87 鮮煙葉進行編煙，從中選擇30～40 竿掛牌標記，隨后將鮮煙葉掛置于裝煙室內，保證每次掛置的位置及裝煙密度基本一致，按照農藝師設定的烘烤三段式工藝，以氣流上升式烘烤方式進行烘烤。

2.1 項目邊界

潔凈煤反向燃燒爐、隧道爐及金屬爐的能耗核算邊界劃分如圖2 所示，表示電能表，表示現場電子臺稱，生產和能源消耗計量所涉及計量儀表于表1 匯總。

圖2 項目核算邊界劃分

表1 項目生產及能源消耗計量儀表配備

2.2 單耗及節能量核算方法

根據核算邊界，采用電子臺秤及電能表分別測量每次實驗進出烤房的煙葉重量、潔凈煤使用量以及總電耗。 并以標記濕、干煙葉重量差確定實驗煙葉的含水量，由此推測蒸發水總重量。 標準烤煙房設計干煙葉產能2 500 kg ／ 房，鮮煙葉含水率按平均86%計算。

（1）煙葉單位產品能耗的計算公式為

式中，η為煙葉單耗，kgce ／ kg；E為總能耗，包括燃煤能耗和電耗，kgce；M為干煙葉總重量或煙葉蒸發水總重量，kg。

（2）潔凈煤反向燃燒爐的節能量計算公式：

①以干煙葉單耗為核算指標的節能量

②以蒸發水單耗為核算指標的節能量

式中，M1和M反、M2和M對分別表示潔凈煤反向燃燒爐和對照爐烘烤后的干煙葉總重量和蒸發水總重量，kg；E1、E2表示潔凈煤反向燃燒爐和對照爐的總能耗，包括燃煤能耗和電耗，kgce。

3 節能特性實驗結果

3.1 單位產品能耗計算

由表2 可知，以潔凈煤為燃料時，反向燃燒爐的干煙葉平均單耗為1.035 kgce ／ kg，蒸發水平均單耗為0.194 kgce ／ kg；以非潔凈煤為燃料時，反向燃燒爐的干煙葉平均單耗為1.279 kgce ／ kg，蒸發水平均單耗為0.200 kgce ／ kg。 反向燃燒爐使用潔凈煤的干煙葉單耗僅為不使用潔凈煤的80.9%，潔凈煤的使用能顯著降低反向燃燒爐的單位能耗。 而隧道爐以潔凈煤和非潔凈煤為燃料的干煙葉單耗和蒸發水單耗分別為1.323 kgce ／ kg 和0.238 kgce ／ kg 及1.381 kgce ／ kg 和0.216 kgce ／ kg，金屬爐的干煙葉單耗和蒸發水單耗分別為1.648 kgce ／ kg 和0.246 kgce ／ kg。綜上對比可知，反向燃燒爐使用潔凈煤的干煙葉單耗比隧道爐和金屬爐低了0.287 kgce ／ kg 和0.613 kgce ／ kg，蒸 發 水 單耗 低 了0. 044 kgce ／ kg 和0. 052 kgce ／ kg，反向燃燒爐使用非潔凈煤的干煙葉單耗和蒸發水單耗比隧道爐低了0.102 kgce ／ kg 和0.016 kgce ／ kg。 潔凈煤反向燃燒爐的降耗效果明顯。

表2 綜合能耗數據表

3.2 節能量計算

根據湖南實際采購潔凈煤單價0.7 元／ kg 及熱值0.6 Mcal／ kg 換算得潔凈煤0.8 元 ／ kgce，并以干煙葉單耗和蒸發水單耗為核算指標計算反向燃燒爐的節能量及節省成本。

如表3 所示，以潔凈煤反燒爐干煙葉單耗為指標計算時，潔凈煤反向燃燒爐比隧道爐相對節能21.7%，每座烤房可節省燃煤718.3 kgce 及成本574.6 元，比金屬爐相對節能37.2%，節省燃煤1 532.4 kgce 及成本1 226 元。 以潔凈煤反燒爐蒸發水單耗為指標計算時，潔凈煤反向燃燒爐比隧道爐相對節能18.6%，每座烤房可節省燃煤682.5 kgce 及成本546 元，比金屬爐相對節能21.3%，節省燃煤806.1 kgce 及成本644.9 元。 潔凈煤反向燃燒爐的使用能減少能源消耗，降低運行成本，可替代隧道爐和金屬爐應用于烤煙領域。

表3 反向燃燒爐節能量核算

4 結論

（1）潔凈煤反向燃燒爐的干煙葉單耗和蒸發水單耗為1.035 kgce ／ kg 及0.194 kgce ／ kg，其干煙葉單耗比隧道爐低0.287 kgce ／ kg，相對節能21.7%，比金屬爐低0.613 kgce ／ kg，相對節能37.2%，其蒸發水單耗比隧道爐低0.044 kgce ／ kg，相對節能18.6%，比金屬爐低0.052 kgce ／ kg，相對節能21.3%。

（2）以干煙葉單耗為核算指標，以潔凈煤反向燃燒爐替代隧道爐的年節省標準煤為718.3 kgce，年凈收益為574.6 元，以潔凈煤反向燃燒爐替代金屬爐的年節省標準煤為1 532.4 kgce，年凈收益為1 226 元。

（3）潔凈煤反向燃燒爐基于明火反燒原理，省工降耗效果明顯，不僅提高熱能利用效率，也極大減少了有害污染物排放，可完全替代隧道式非金屬爐和立式金屬爐，具有廣闊的應用推廣前景。