密集烤房配套生物质能换热器的设计

王政¹，韦建玉¹，沈燕金²，黄崇峻¹，敖金成³，孔万军⁴，陈计华⁴

（1.广西中烟工业有限责任公司，南宁530001；2.云南省烟草公司文山州公司，云南文山663000；3.云南瑞升烟草技术（集团）有限公司，昆明650106；4.昆明双维科技有限公司，昆明650299）

　　摘要：为解决密集烤房生物质能配套设备换热器存在换热效率低、易回火、易腐蚀和结渣、积灰严重及使用寿命短等问题，基于前期应用及国内外换热器的对比，设计了便于基建的新型烟叶调制的生物质能换热器，其目的就是为了满足烟叶调制的换热要求。该换热器主要由过火方管、输热筒、散热箱、散热管、贮灰管等构成。主要通过增加输热筒、散热箱、散热管上的散热片和散热管孔径以提高换热效率，通过优化清灰装置以实现换热器在不停止工作的情况下清除输热筒及散热管中的积灰和结渣，具有结构简单、可靠耐用的特点。

　　长期以来，中国烟叶调制的密集烤房一直利用煤炭作为主流燃料。有研究表明，每烘烤1.0kg干烟叶需耗煤1.5~2.0kg，热能利用仅30%[1]，能耗和用工远高于国外[2]。据测算，一个20座规模的密集烤房群，整个烘烤季排放烟尘4.0~5.0t，CO₂ 160~220t[3]，产生的SO₂ 3.4~5.6t，NO_x 1.6~2.8t[4]。而近年来，随着烟叶烤场及调制时间的进一步集中，区域环境污染问题已引起广泛关注。由于生物质成型燃料燃烧时CO₂排放量基本为0，NO_x排放量仅为燃煤的1/5，SO₂排放量仅为燃煤的1/10[5]。因而生物质成型燃料作为一种环境友好型清洁能源受到广泛关注。

　　研究表明，使用生物质颗粒燃料替代燃煤可实现减工降本、提质增效目的[6，7]，生物质颗粒密集烤房更具有推广价值[8]。探讨烤烟低碳烘烤技术，发展绿色生态烘烤[9]，充分利用生物质能源[10]，对促进中国现代烟草农业的健康可持续发展具有重要意义。

　　然而，生物质成型燃料中含有碱金属元素，尤其是秸秆类成型燃料中碱金属元素含量较高，炉膛内的温度很容易达到灰分的熔点，使灰分软化，黏附在炉膛内壁和换热管上形成积灰和结渣，造成换热管碱金属及氯腐蚀严重[11，12]，因此对设备要求较高[13]。因此，进一步开展换热效率高、耐腐蚀的换热器对提高中国作物秸秆类生物质能源利用效率具有重要意义。目前，为解决生物质成型燃料燃烧结渣、换热效率低等难题，许多学者从-料预处理[14，15]、添加剂[16-18]、优化燃烧设备[19，20]等方面开展了大量研究，但关于密集烤房用的生物质能换热器的设计与研究鲜见报道。鉴于此，本研究设计了主要用于密集烤房烟叶烘烤的生物质能换热器，对提高中国作物秸秆类生物质能源利用具有重要意义。

　　1总体结构

　　生物质能换热器如图1所示，主要由支架、换热系统、积灰和结渣清除系统及废气排放系统构成。换热器箱体长、宽、高分别为1493、860、1493mm。换热器置于换热室，换热室墙体为水泥砌的实心砖，换热器的方形过火管与墙体浇筑为一体，与烤房外的燃烧机相连。

　　1.1换热器系统构件与尺寸

　　输热筒包括短方形过火管、贮灰管、输热筒端盖、圆管、圆管散热片，其长、高分别为1291、630mm。为提高基建便利和密封性，短方形过火管采用耐酸钢，内框边长234mm，外框边长277mm。贮灰管长、宽、高分别为1287、200、150mm，清灰门同过火管基建于换热室外。输热筒端盖直径与输热管圆管一致，均为500mm，其中圆管长为1004mm。为提高散热效率，圆管上焊接散热片，散热片由23根钢片组成。

　　右散热箱下部包括右散热板下部、散热箱下外板、散热片、散热箱连接管、插框。箱体长、宽、高分别为800、208、718mm。右散热箱下部一侧与输热筒焊接相连，顶端通过连接框、插框与散热器焊接相连。为提高其散热效率和使用寿命，分别在外侧焊接散热片和内部装填耐火砖。

　　散热器箱体包括散热管、左散热箱、右散热箱。为提高散热效率和使用寿命，散热管由21根不锈钢管（304/1.5）均匀3组排列，连接左右散热箱，直径和长度分别为76、850mm。左散热箱包括左散热板、出烟管、散热箱外板、右隔板、压紧螺栓M12×200-C、清灰门，箱体长、宽、高分别为800、150、737mm。右散热箱包括右散热箱板上部、右散热箱外板、右隔板和散热箱连接管，箱体长、宽、高分别为800、150、740mm，如图2所示。

　　1.2换热系统的工作原理

　　在引风机的作用下，生物质燃料燃烧机将火焰由短方形过火管，以高温烟气形式进入输热筒，经右散热箱下部进入散热器，利用“U”形回路完成换热过程。高温烟气在缓慢流动过程中，携带着的灰尘颗粒自动沉降到贮灰管和散热管，剩余少量部分通过出烟管排放到大气中。贮灰管和散热管中的灰尘颗粒和结渣定期手动从清灰门清除。高温烟气在经过输热筒、右散热箱下部、右散热箱上部、散热管、左散热箱时逐渐将热量释放到换热室。与此同时，换热室内的热空气，经引风机泵入烟叶调制室，泵入速率依据烟叶烘烤工艺进行调控。

　　2提高散热效率系统的设计

　　2.1散热系统的结构

　　该热交换器散热系统包括输热筒及其散热片、右散热箱下部及其散热片、右散热箱上部集成及其散热片、21根3层排列的φ76mm散热钢管、左散热箱构成。

　　2.2散热系统的工作原理

　　生物质燃料在燃烧机中燃烧，在供气装置作用下，形成沸腾燃烧火焰，随气流由过火管进入换热器，换热器将生物质能转变成空气热能，空气热能在风机的作用下，被送入烟叶调制室进行烟叶烘烤。

　　3积灰和结渣清除系统的设计

　　3.1积灰和结渣清除系统的结构

　　生物质颗粒燃料在燃烧时产生的高温烟气进入热交换器后，很容易在输热筒、散热箱及散热管上产生积灰和结渣。积灰和结渣如果不及时清除，不仅导致换热效率的降低，同时会造成换热器构件的腐蚀，从而降低换热器的使用寿命。

　　3.2积灰和结渣清除系统的工作原理

　　该换热器由5个主要散热单元构成，其中输热筒、散热箱右下部和散热箱右上部中的积灰或结渣在重力沉降作用下落入贮灰管，并从贮灰管清灰门人工清除，而3组平行排列及左散热箱体中产生的积灰或结渣通过左散热箱体上的清灰门进行人工手动清除（图3）。左散热箱体上的清灰门进行人工手动清除。