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王政1，韋建玉1，沈燕金2，黃崇峻1，敖金成3，孔萬軍4，陳計華4
（1.廣西中煙工業有限責任公司，南寧530001；2.云南省煙草公司文山州公司，云南文山663000；3.云南瑞升煙草技術（集團）有限公司，昆明650106；4.昆明雙維科技有限公司，昆明650299）
摘要：為解決密集烤房生物質能配套設備換熱器存在換熱效率低、易回火、易腐蝕和結渣、積灰嚴重及使用壽命短等問題，基于前期應用及國內外換熱器的對比，設計了便于基建的新型煙葉調制的生物質能換熱器，其目的就是為了滿足煙葉調制的換熱要求。該換熱器主要由過火方管、輸熱筒、散熱箱、散熱管、貯灰管等構成。主要通過增加輸熱筒、散熱箱、散熱管上的散熱片和散熱管孔徑以提高換熱效率，通過優化清灰裝置以實現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渣，具有結構簡單、可靠耐用的特點。
長期以來，中國煙葉調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1.0kg干煙葉需耗煤1.5~2.0kg，熱能利用僅30%[1]，能耗和用工遠高于國外[2]。據測算，一個20座規模的密集烤房群，整個烘烤季排放煙塵4.0~5.0t，CO2 160~220t[3]，產生的SO2 3.4~5.6t，NOx 1.6~2.8t[4]。而近年來，隨著煙葉烤場及調制時間的進一步集中，區域環境污染問題已引起廣泛關注。由于生物質成型燃料燃燒時CO2排放量基本為0，NOx排放量僅為燃煤的1/5，SO2排放量僅為燃煤的1/10[5]。因而生物質成型燃料作為一種環境友好型清潔能源受到廣泛關注。
研究表明，使用生物質顆粒燃料替代燃煤可實現減工降本、提質增效目的[6，7]，生物質顆粒密集烤房更具有推廣價值[8]。探討烤煙低碳烘烤技術，發展綠色生態烘烤[9]，充分利用生物質能源[10]，對促進中國現代煙草農業的健康可持續發展具有重要意義。
然而，生物質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，爐膛內的溫度很容易達到灰分的熔點，使灰分軟化，黏附在爐膛內壁和換熱管上形成積灰和結渣，造成換熱管堿金屬及氯腐蝕嚴重[11，12]，因此對設備要求較高[13]。因此，進一步開展換熱效率高、耐腐蝕的換熱器對提高中國作物秸稈類生物質能源利用效率具有重要意義。目前，為解決生物質成型燃料燃燒結渣、換熱效率低等難題，許多學者從-料預處理[14，15]、添加劑[16-18]、優化燃燒設備[19，20]等方面開展了大量研究，但關于密集烤房用的生物質能換熱器的設計與研究鮮見報道。鑒于此，本研究設計了主要用于密集烤房煙葉烘烤的生物質能換熱器，對提高中國作物秸稈類生物質能源利用具有重要意義。
1總體結構
生物質能換熱器如圖1所示，主要由支架、換熱系統、積灰和結渣清除系統及廢氣排放系統構成。換熱器箱體長、寬、高分別為1493、860、1493mm。換熱器置于換熱室，換熱室墻體為水泥砌的實心磚，換熱器的方形過火管與墻體澆筑為一體，與烤房外的燃燒機相連。
1.1換熱器系統構件與尺寸
輸熱筒包括短方形過火管、貯灰管、輸熱筒端蓋、圓管、圓管散熱片，其長、高分別為1291、630mm。為提高基建便利和密封性，短方形過火管采用耐酸鋼，內框邊長234mm，外框邊長277mm。貯灰管長、寬、高分別為1287、200、150mm，清灰門同過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500mm，其中圓管長為1004mm。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、寬、高分別為800、208、718mm。右散熱箱下部一側與輸熱筒焊接相連，頂端通過連接框、插框與散熱器焊接相連。為提高其散熱效率和使用壽命，分別在外側焊接散熱片和內部裝填耐火磚。
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，直徑和長度分別為76、850mm。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、寬、高分別為800、150、737mm。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、寬、高分別為800、150、740mm，如圖2所示。
1.2換熱系統的工作原理
在引風機的作用下，生物質燃料燃燒機將火焰由短方形過火管，以高溫煙氣形式進入輸熱筒，經右散熱箱下部進入散熱器，利用“U”形回路完成換熱過程。高溫煙氣在緩慢流動過程中，攜帶著的灰塵顆粒自動沉降到貯灰管和散熱管，剩余少量部分通過出煙管排放到大氣中。貯灰管和散熱管中的灰塵顆粒和結渣定期手動從清灰門清除。高溫煙氣在經過輸熱筒、右散熱箱下部、右散熱箱上部、散熱管、左散熱箱時逐漸將熱量釋放到換熱室。與此同時，換熱室內的熱空氣，經引風機泵入煙葉調制室，泵入速率依據煙葉烘烤工藝進行調控。
2提高散熱效率系統的設計
2.1散熱系統的結構
該熱交換器散熱系統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φ76mm散熱鋼管、左散熱箱構成。
2.2散熱系統的工作原理
生物質燃料在燃燒機中燃燒，在供氣裝置作用下，形成沸騰燃燒火焰，隨氣流由過火管進入換熱器，換熱器將生物質能轉變成空氣熱能，空氣熱能在風機的作用下，被送入煙葉調制室進行煙葉烘烤。
3積灰和結渣清除系統的設計
3.1積灰和結渣清除系統的結構
生物質顆粒燃料在燃燒時產生的高溫煙氣進入熱交換器后，很容易在輸熱筒、散熱箱及散熱管上產生積灰和結渣。積灰和結渣如果不及時清除，不僅導致換熱效率的降低，同時會造成換熱器構件的腐蝕，從而降低換熱器的使用壽命。
3.2積灰和結渣清除系統的工作原理
該換熱器由5個主要散熱單元構成，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生的積灰或結渣通過左散熱箱體上的清灰門進行人工手動清除（圖3）。左散熱箱體上的清灰門進行人工手動清除。
4密封方案的設計
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生高溫煙氣泄露，設計了密封方案。輸入同前端焊接方形過火管，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，無虛焊，焊后修磨焊疤并進行倒鈍處理。
5結論
1）該密集烤房用生物質能換熱器結構簡單、便于安裝搬運、可靠性高，可以滿足以生物質成型燃料為熱能的換熱要求。通過在輸熱筒、散熱箱上焊接大量散熱片，加上回路設計以及增加散熱管孔徑從而大大提高換熱器的換熱效率。
2）該換熱器可以實現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，有效提高設備的使用壽命。
3）該設備的推廣應用有助于提高農林廢棄資源的綜合利用和烤煙清潔生產水平。
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