摘要：指出了目前烟草行业密集烘烤热风炉分为立式炉和隧道炉两种。针对立式炉的中途需多次加煤、操作强度大、炉门开启时间长、热辐射损失大、效率低、排烟污染物含量高以及隧道炉的装煤舒适性差、温湿度不符合烘烤工艺曲线要求，甚至可能烧毁风机等问题，研制了洁净煤反烧热风炉。反烧热风炉结构简单，成本低，一次性装煤舒适；应用明火反烧及二次燃烧原理，热效率高，环保性能好，污染物超低排放；炉温可调可控，使用安全方便，一次性添加燃料，无误伤操作人员以及烧毁风机的现象。主要阐明了其原理、结构、使用方法及优势。
关键词：反烧热风炉；密集烘烤；洁净煤
中图分类号：TF578
文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）10015205
1 背景
热风炉主要由炉体、烟气-空气换热器及烟囱组成。来自装烟室的空气经换热器加热后，通过循环风机送入装烟室内，以干燥装烟室的湿烟叶。目前，国内各烟区的密集烤房供热设备以燃煤热风炉为主，主要包括立式金属散煤热风炉和隧道式非金属热风炉。
立式炉整个结构分为两部分，上部为换热器，下部为炉体，两段连接端面为凹凸联结，如图1所示。立式炉具有火力集中、燃料燃烧充分、火力调控简便等优点[1～3]，但晚上需专人间断性看火和添加散煤，燃烧放热及热风温度不稳定，烤房内热风整体温度及干烟叶质量不均匀。金属热风炉不完全燃烧和烟气热损失高达25%～40%，且金属材质易腐蚀。
隧道炉也分为两段，一段为换热器，一段为炉体，如图2所示。隧道炉不易腐蚀，一次性加煤，降低了烘烤劳动强度[4，5]，烘烤效率大幅提高。但隧道炉同时也存在以下问题：火力控制困难；易发生煤气中毒和爆燃现象；电气控制盒易烧损；预制件密封不严密；存在正压喷火现象；起火慢，煤耗高；易出现掉温现象；装置蓄热多，热效率低，散热较慢；因煤燃烧后易碎堵塞通风孔，只能燃烧带泥低热值型煤，不能燃烧高热值烟煤等。
黄化刚等[6]针对当前采用的烟叶烘烤加热设施普遍存在燃料利用率低、烘烤成本偏高、環保性能差等问题，研发了双层对向正反燃烧热风炉（图3）。双层对向正反燃烧热风炉煤燃烧充分，传统烟气中所含的CO、CH4、碳粉尘等可燃物能得到充分、高效燃烧及利用。升温速度快，平面温度均匀，烘烤过程中温湿度控制精准，能有效降低烘烤能耗和用工成本，但存在燃烧优质煤节能效果不显著，一次性成本高，操作不便等不足。
周昕等[7]研发了无尘环保逆流循环高效换热烤烟设备（图4），监测和试验表明：配置该烘烤设备的烤房烟尘排放浓度，烟气中SO2、NOx排放浓度，都远远低于 DB37/2374-2013标准值；干烟叶平均节煤0.41 kg/kg，均价提高1.22元，平均每炉烟叶产值增加732.96元；烤出的烟叶油分多，上等烟比例提高4.1%，烟叶质量明显提高，但同时存在操作强度大，成本高，生产效率较低等缺点。
国外炉窑多使用电能或者石油产品作能源，不存在严重的环保问题，燃煤热风炉烟气消烟方面的研究较少。其次，国外普遍采用炉前处理技术。使用清洁燃料或者在热风炉中使燃料完全燃烧，达到环保的要求[8]。在煤燃烧的污染物控制方面，英国的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烧[9]。另外，Roberson，Roy等[10]研究将太阳能作为燃煤的替代能源，不仅经济环保，而且能缓解能源危机。国外密集烤房能源以柴油为主，成本高，不适合我国国情。
高效节能环保型密集烤房热风炉，目前市场同类产品不多，普及率不高。烟叶烘烤加工过程中的节能和环保问题，是密集烤房新技术产品产业化推广的前提。铁燕等[11]研究表明，将蜂窝煤热风炉和散煤立式热风炉组合的热风炉，是目前密集烤房热风炉中较适宜的形式，能满足烟叶烘烤时对温度的需求，温度平稳、易控制，操作方便、节煤效果显著。
洁净煤反烧热风炉结构简单，成本低，一次性装煤舒适，可适应农村劳动力紧缺形势的需要，炉内腔流动传热燃烧组织合理，节能减排，安全舒适，可满足当前建设两型社会的需要，促进我国烟草行业的可持续性发展。
2 洁净煤反烧热风炉技术原理
洁净煤反烧热风炉采用明火反烧法，明火反烧法是将引燃物放在煤层上方，煤层自上而下进行燃烧，这种燃烧方式比较少见。引燃物在煤层上面，依靠热传导和热辐射传递热量引燃煤层。炉顶盖起聚热反射作用。运行初期，上面的火源把热量传导给最近的煤层，随后开始析出可燃性气体并进行燃烧，炉膛温度进一步提高，表面煤层温度高于450℃时，煤层开始正常燃烧。燃烧过程通过热辐射及热传导的传热方式由上而下连续均匀地进行。由于一次风从炉排下方鼓入，上层煤得不到足够的氧气，因此在煤层上部存在一定量的CO，二次旋风的补入使CO燃烧完全。
3 洁净煤反烧热风炉结构
基于明火反烧及二次燃烧的技术原理，设计了高大立式炉和二次螺旋进风装置。密集烤房洁净煤反烧热风炉，包括炉顶、炉腹、炉条、内炉门和外炉门。炉顶侧面均布3个二次进风口，底端面和炉腹顶端面满焊连接，炉腹内腔呈圆柱状，炉腹内腔离底板200～350 mm高度处水平固定炉条，炉条上方为堆煤区、下方为静压区。炉条上方炉腹内壁贴敷耐火砖层，炉腹侧壁开设一个操作口，操作口高度和炉腹侧壁高度相等，操作口两侧边垂直于炉腹底板，炉条以下操作口边缘与内炉门无缝连接，内炉门呈方板状，内炉门和静压区高度相等、宽度和操作口宽度相等。炉腹内腔通过操作口和操作通道相連通，操作通道顶面和炉腹顶端面共面，操作通道左端口和操作口重合且满焊连接，操作通道右端口由外炉门贴敷的耐火纤维板密封，外炉门中下部中心水平设置辅助通风口。剖面图如图5所示，立体图如图6所示。
反烧热风炉炉顶内壁、炉腹内壁和操作通道除底板外的内壁贴敷30～50 mm厚的一体式耐火浇注层，既可限制耐火层对炉壁散热的阻碍作用，又可避免高温火焰直接接触而发生高温腐蚀，以延长金属壳体使用寿命。炉腹底板和操作通道底板为贴地平板，静压区温度低，无高温烧损隐患，故静压室（储灰室）及操作通道底板内壁均不贴敷耐火砖或浇注层。
反烧热风炉结构特征为：炉膛高大，装煤和清灰通道合二为一，操作通道及外炉门较高，内炉门较低，静压区封闭。技术原理特征为：明火反烧，二次燃烧，炉温自控及高温隔离。
4 洁净煤反烧热风炉使用方法
使用反烧热风炉时，先取出外炉门，清空炉条上方灰渣，后取出内炉门，清空炉条下方灰渣，放回安置好内炉门。操作工从操作通道进入炉腹内腔炉条之上，蜂窝煤球从炉外递入。在炉腹内腔堆置蜂窝煤球时孔与孔对齐，煤球与煤球之间的大空隙以碎煤块塞满。堆至最高层时空出操作口边缘1～2个煤球，将正燃烧的1～2块烟煤从最高层空缺处放入最高层顶面中心。操作工退出操作通道后，将外炉门塞进操作通道右端口，密封操作通道右端口并压紧固定外炉门。设置温控器温湿度相关参数并启动运行，启动与静压区联通的并由温控器控制的风机，风机将空气送入静压区，空气在煤床中呈活塞状全部向上流动，燃烧面缓慢地从炉腹顶部移动到炉条顶面，长时间明火反烧稳定供热，热风温度紧贴烘烤工艺曲线升温至68℃，直至烘烤结束，安全稳定运行6～7 d，完成变黄期、定色期和干茎期燃烧供热任务。整个烘烤过程外炉门紧闭，无高温辐射热损失问题。
特殊情况装煤不够需在干茎期添加少量煤球时，在灰渣层上方直接添加煤球，从辅助通风口通入空气，炉腹内腔进行短时间暗火正烧生成热风。使用反烧热风炉时，装烟室、热风室、温控器、控制线路、助燃风机和循环风机规格均不变，更换热风炉及换热器即可。
5 洁净煤反烧热风炉优势
5.1 结构优势
立式炉按多次加煤原则设计。隧道热风炉虽理论上能满足一次性装煤需要，但实际上由于隧道炉运行过程中出现的炉体蓄热多、炉门辐射散热损失大、烟气CO排放多、耗煤量大等原因，难以实现一次性装煤目标，中途需添加燃料。反烧热风炉内腔结构高大，能一次性舒适装煤，减轻操作工劳动强度。
立式炉有专用的加煤通道和清灰通道，用金属板隔开，通道长度和宽度尺寸小，加煤清灰舒适性差。隧道炉堆煤区、集灰区、装煤通道内腔、清灰通道内腔合为一体，无炉条，炉门高度为560 mm，装煤舒适性差，难于满足孔对孔及同排两邻煤球之间无缝隙等要求。反烧热风炉直立式炉膛，堆煤区在集灰区之上，装煤通道和清灰通道合并成操作通道，操作通道内腔高度和外炉门高度达1.2～1.5 m，装煤舒适性高，易满足堆煤要求。
立式散煤炉和隧道炉无内炉门。反烧热风炉内炉门高度仅200～350mm，内炉门和炉腹侧壁一起，构成封闭性良好的静压区，可有效防止空气旁通流至操作通道。用普通红砖或粘土砖来替代内炉门即可，可降低成本，便捷操作，且炉温调控性能及静压区封闭性能良好。反烧热风炉一次性装煤，易于操作，能满足当今农村劳动力市场需要。结构特征是炉内流动传热燃烧过程科学合理的前提条件。
5.2 技术优势
隧道炉基于“暗火正烧”原理燃烧供热，如图7所示。隧道炉从煤床下游点火引燃，风机驱动空气向煤床斜上方流动，燃烧面向煤床斜上方方向移动，处于燃烧面斜上方的煤床受到高温烘烤，挥发分连同被还原的CO气体一起，向煤床上游方向流动离开煤床，最终经排烟口散失，降低了热效率。更為重要的是，排出的CO气流具有内热能，燃烧放热量减少，燃烧放热量达不到最大，烟气CO含量不稳定直接导致燃烧放热量和参与燃烧反应的空气流量不成正比，加大了用空气流量自动调控炉温过程的难度。
立式炉燃料燃烧方法属于薄煤层暗火正烧方法。由于周期性加煤，导致供需的不平衡及燃烧过程的周期性变化，使热风炉经济性降低，烟尘浓度和烟气黑度大大超过国家规定的排放标准。如图8所示，在暗火正烧的整个燃烧过程中，煤层自下而上分为灰渣层、氧化层、还原层、干馏层和加热干燥层。当空气穿过炉排接触到灰渣层的几排灼热煤粒时，就会形成CO，即：2C+O2→2CO，CO气体在燃烧层间隙中又与过剩的O2混合燃烧成CO2，即：2CO+O2→2CO2，之后高温CO2与上层煤粒反应生成CO，在不满足燃烧条件的情况下进行部份燃烧，发生一系列化学反应生成碳黑。因此，此燃烧方法存在着烟囱冒黑烟，能源浪费大的缺点。
洁净煤反烧热风炉燃烧方式为明火反烧，反烧热风炉由风机驱动的空气进入静压区，空气全部穿过炉条自下向上在煤床中均匀流动，以活塞流方式流过煤床，从顶面中心开始点火引燃，燃烧面自上而下缓慢移动，移动方向与空气流动方向相反，实现明火反烧过程。在高温燃烧面向下流动过程中不断地预热与之接触的底层煤球和空气，煤球预热时形成的干馏气进入燃烧面发生完全燃烧反应，离开燃烧面的高温CO2气体向上流动时接触高温焦炭，生成还原性气体CO，二次旋风燃烧技术使CO进一步燃烧，从而提高了热效率，降低了烟气污染物排放浓度。原理图如图9所示，二次旋风装置图如图10所示。
5.3 效果优势
立式炉存在炉门热辐射损失大，操作繁琐，安全卫生条件差等问题；隧道炉存在易烧毁风机、温度不满足烘烤工艺需求、装煤操作舒适性差等缺点，反烧热风炉立式具有一次性舒适装煤及清灰、节能、烟气低CO排放、热风温度可调可控、紧贴烘烤工艺曲线供热、不超温掉温、不烧风机等效果优势。二次燃烧使排烟CO2含量高、CO含量低，热效率提高到75%左右，实现了燃烧供热过程节能低污染物排放，避免了游离碳的析出，不产生黑烟；排烟无内热能损失，提高了热风炉的燃烧效率；燃烧放热量达到最大，且与空气流量成正比，为用空气流量自动调控炉温创造了有利条件。
艾元方，等：密集烤房洁净煤反烧热风炉
能源及节能
6 结论
湖南省长沙市宁乡县金醇烟叶合作社2016年6～7月下部、中部及上部煙叶烘烤实践显示密集烤房洁净煤反烧热风炉具有如下优势：一次性装煤清灰、装煤舒适，简便；点火引燃简易；排烟温度<80℃，烟气CO排放降低75%，燃煤热值节约25%；风机开停对热风温度调控性能良好，能满足烘烤工艺曲线要求，无超温和掉温现象发生；无高温炉气外泄，风机高温烧损故障；降低了成本；干烟叶品质好，无内质损耗，能燃用高灰分、低热值当地无烟煤蜂窝煤，燃用灰分10%～12%、挥发分4%～8%、热值5500～7000kCal/kg的精选无烟蜂窝煤，蜂窝煤成型不用粘土等无机类粘接剂时，节能减排安全舒适性能更加突出。
参考文献：
[1]
宫长荣， 陈江华， 吴洪田，等. 密集烤房 [M].北京： 科学出版社， 2010.
[2]胡云見. 立式炉热风室节能烤房研究与应用[J]. 山地农业生物学报， 2003， 22（3）：200～203.
[3]曾祖荫， 李碧宽. 立式炉灶气流下降式烤房（L-QX）技术的机理初探[J]. 贵州农业科学， 2003（6）：58～59.
[4]宋朝鹏， 陈江华， 许自成，等. 生物质能在烟叶烘烤中应用前景[J]. 河北农业科学， 2008， 12（12）：83～86.
[5]张国显， 袁志勇， 谢德平，等. 烤烟热风循环烘烤技术研究[J]. 烟草科技， 1998（3）：35～36.
[6]黄化刚， 代昌明， 李德仑，等. 双层对向正反燃烧单体供热技术在烤烟烘烤中的应用研究[J]. 中国农学通报， 2014， 30（17）：161～166.
[7]周 昕， 宗树林， 孙培和，等. 无尘环保逆流循环高效换热烤烟设备开发应用研究[J]. 农业与技术， 2014（11）： 59，97.
[8]Shemwell Brooke， Atal Ajay， Levendis Yiannis A. Laboratary investigation on combined in-furnace sorbent injection and hot flue-gas filtration to simultaneously capture SO2，NOx，HCl and particulate emission [J].Environmental Science and Technology，2000，34（22）：4855～4866.
[9]Spear D A，Rippon J H，Cavender P F. Geological controls on the sulphur distribution in the british carboniferous coals ： a review and reappraisal[J]，Int.J.Coal Geol，1999（40）：59～81.
[10]Roberson， Roy. Solar power adding precision to tobacco curing process[J]. Southeast Farm Press， 2012， 39（23）：18～19.
[11]铁 燕，和智君，罗會龙.烟叶烘烤密集烤房应用现状及展望[J].中国农学通报， 2009， 25（13）： 260～262.