密集烤房加熱設備材質與結構優化設計研究

陳獻勇，王新旺，劉建陽，巫常標

（1.福建省煙草公司，福州 350003；2.福建省煙草公司南平分公司，福建 南平 353000）

密集烘烤在國外已普遍使用，進入21世紀后，隨著我國烤煙規?；a的發展，密集烤房在全國各煙區也得到了迅速的推廣和應用[1]。近年來，我國密集烤房的研究已取得很大進展，密集烤房的建造、安裝和使用等幾項關鍵技術問題已得到基本解決[3]，但建設成本較高，需要大量的資金投入。因此，如何降低建造成本、延長設備使用年限、完善烘烤工藝，是當前密集烤房急需解決的關鍵問題。

加熱設備是密集烤房的核心設備，為解決目前密集烤房加熱設備易腐蝕、使用年限短等問題，各地都開展了相關研究。一方面利用納米功能材料涂刷烤房內壁、改進換熱器設計、采用余熱共享烤房、改進裝煙方式、設計氣流平移式密集烤房等措施來提高烤房性能、降低能耗[2-5]；另一方面開展換熱器替代材料研究，通過采用陶火管、耐火材料等材料替代目前常用的鋼質材料制作烤房供熱設備，取得了一定的效果，但同時發現由這些材料制作的換熱器存在清灰不便或加工質量較難控制等問題[6-7]。

本研究采用鑄鐵和碳化硅陶瓷材料制作密集烤房換熱器，并在結構上進行優化設計以提升性能。通過與鋼制材質換熱器進行烘烤對比試驗，比較兩種替代材料換熱器在烤煙過程中的溫差、耗煤量和熱能利用效率等參數，研究耐腐蝕替代材料制作烤房換熱器的可行性。

1 材料與方法

1.1 密集烤房及加熱設備結構優化設計

1.1.1 密集烤房 烤房裝煙室規格為長8 m×寬2.7 m×高3.5 m，掛煙架3棚，棚距0.8 m。試驗設3個處理，即T1：耐硫酸露點腐蝕鋼換熱器（對照）；T2：碳化硅陶瓷換熱器；T3：鑄鐵換熱器。

1.1.2 加熱設備結構優化設計 密集烤房加熱室設計成寬1.7 m×深1.5 m×高2.9 m，進風道呈喇叭狀，進風口高0.4 m，回風道高0.5 m×1.1 m。

加熱設備包括爐膛、換熱器和煙囪等。爐膛設計成隧道式，長2.1 m×寬0.5 m×高0.7 m。鑄鐵爐蓋厚12 mm，上火口位于中間爐蓋頂，由上火管與換熱器一端的火箱箱體相連接。換熱器由3層圓形換熱管構成，材質為碳化硅材料或鑄鐵。換熱管長1.8 m，其中底層管2根外徑為0.165 m，中層和上層各3根外徑為0.133 m。上火管為鑄鐵（外徑200 mm）。換熱管兩端與火箱相連接，火箱箱體采用耐火材料一次壓模成型，壁厚50 mm，箱體整體厚度0.3 m，安裝時嵌于密集烤房加熱室側墻上?；鹣渫鈧仍O計保溫門。爐膛、上火管、換熱管、火箱和煙囪構成燃料煙氣通道（圖1）。

圖1 加熱設備結構設計Fig.1 The construction of heating equipment

1.2 供試烤煙品種和烤后煙葉處理

供試煙葉為K326品種。按照三段式烘烤工藝進行煙葉烘烤。按國家標準GB2635—92進行分級，取X2F、C3F和B2F測定煙葉樣品水分和主要化學成分?？竞鬅熑~重量統一換算成含水量為12%時煙葉重量。

1.3 溫度測定

烘烤過程中使用溫濕度無紙記錄儀和紅外測溫儀分別觀測各試驗烤房的裝煙室內溫度和煙囪煙氣尾氣溫度。

1.3.1 裝煙室溫度測定 分別在每棚左、中、右三行，各行前、中、后位置掛置溫濕度傳感器，每棚9支，共27支。當中棚中間位置干球溫度讀數穩定為 38、42、46、50、55、60、68 ℃時讀取其他各點溫度值。溫濕度計放置于各棚煙葉距葉尖1/3處。取各試驗烤房各烤次平面溫差和垂直溫差的平均值。

平面溫差計算：各棚平均溫差 t平＝（t1+t2+ ……+t9）×1/9；各棚的平面溫差△t=（∣t1-t平∣+∣t2-t平∣+……+∣t9-t平∣）×1/9。其中 t1-t9為各棚各點溫濕度計的溫度讀數。垂直溫差為各棚平均溫度之差。

1.3.2 煙囪尾氣溫度測定 當中棚中間位置干球溫度讀數分別為38、42、46、50、55、60、68 ℃時觀測煙囪尾氣溫度。

1.4 耗煤量和熱能利用效率

記錄試驗烤房各烤次用煤量，根據煤樣熱值化驗結果，將各烤次耗煤量折算成標準耗煤量，測算單位重量煙葉的標準耗煤量。

1.5 耗電量的測定

對試驗烤房分別安裝電度表，記錄煙葉開始烘烤前后電度表讀數，記錄每烤次用電量。

2 結 果

2.1 不同材質換熱器能耗成本和能效對比

由表1結果看出，鑄鐵換熱器（T3）和耐硫酸露點腐蝕鋼換熱器（對照）能耗相當，每千克干煙耗標準煤分別為1.10 kg和1.06 kg，碳化硅陶瓷換熱器（T2）的能耗最高，每千克干煙耗標準煤為1.22 kg。從能效方面看（表 2），鑄鐵換熱器（T3）為56.85%，優于另外兩種材質換熱器，對照略高于碳化硅陶瓷換熱器（T2），分別為51.89%和51.01%。由此可見，鑄鐵換熱器烤房的換熱性能優于耐硫酸露點腐蝕鋼和碳化硅換熱器烤房，從煙葉烘烤過程中煙囪尾氣溫度的差異也可以說明這一點（表3）。

2.2 裝煙室溫度差異和烤后煙葉質量分析

從表4、5可以看出，在烤煙過程中，3種處理烤房裝煙室各棚平面溫度和垂直溫差基本相似，差異較小。從煙葉烘烤等級質量（表 6）和煙葉化學成分分析（表 7）來看，3種處理的煙葉等級質量和主要化學成分也無明顯差異，煙葉等級結構也基本相當（即上等煙、中等煙和下低等煙的比例約為5∶5∶1）。因此，碳化硅陶瓷換熱器（T2）和鑄鐵換熱器（T3）烤房性能均能滿足煙葉烘烤要求。

表1 不同換熱器處理能耗Table1 Comparison of energy consumption using different heat dispersion systems

表2 不同換熱器處理能效Table2 Comparison of energy efficiency using different heat dispersion systems

表3 烤房煙囪尾氣溫度差異 ℃Table3 Temperatures of exhaust gas using different heat dispersion systems

表4 烘烤過程中各棚平均溫度 ℃Table4 Average temperatures of curing process in different layers

表5 烘烤過程中各棚間垂直溫差 ℃Table5 Differences of temperature between adjacent layers during curing process

表6 不同處理煙葉等級質量 %Table6 Comparison of grade quality of tobacco leaves using different treatments

2.3 煙葉烘烤操作

優化設計后加熱設備在清灰性能方面有了明顯改進，清灰耗時為5～8 min/次，而生產上常規遂道式爐膛烤房清灰耗時約30～45 min/次，單爐膛烤房耗時約30 min/次。此外，試驗烤房平均加煤次數為8次/烤，比生產上常規遂道式爐膛烤房多3次，比單爐膛烤房少 22次。因此加熱設備經優化設計的試驗烤房，加煤頻次適中，換熱器清灰更為快捷，大大降低煙葉烘烤勞動強度。

表7 不同處理煙葉主要化學成分含量 %Table7 Main chemical components of tobacco leaves using different treatments

3 小 結

與目前生產上使用的常規密集烤房換熱器相比，本試驗采用鑄鐵、碳化硅陶瓷等耐氧化腐蝕材料制作烤房換熱器，每千克干煙能耗較低，烤房溫濕度均衡，煙葉烘烤質量相當。烘烤中加煤次數和加煤勞動強度適中，型煤燃燒穩定持續，能根據煙葉烘烤工藝要求穩定、精準地控制溫濕度變化，烤房性能完全滿足烘烤工藝和技術要求。另外，鑄鐵、碳化硅陶瓷等材料具有良好的導熱和穩定性，抗腐蝕性也強，用其制作成的密集烤房換熱器，具有抗腐蝕、提高能效（鑄鐵換熱器）、安裝方便、易維修保養等優點，可有效解決金屬材質換熱器易腐蝕、使用年限短的問題，起到了降低密集烤房的建設、維護成本的作用，具有較好的推廣應用前景。

[1]宮長榮，潘建斌，宋朝鵬.我國煙葉烘烤設備的演變和研究進展[J].煙草科技，2005（11）：34-36.

[2]簡宇華.煙草烘烤房冷凝換熱器的設計與評價[J].節能，2006（3）：46-48.

[3]宗樹林，侯躍亮，杜傳印，等.余熱共享密集烤房的開發[J].中國煙草科學，2010，31（4）：56-58.

[4]謝已書，鄒焱，李國彬，等.密集烤房不同裝煙方式的烘烤效果[J].中國煙草科學，2010，31（3）：67-69.

[5]江凱，王永，宋朝鵬.烤煙氣流平移式密集烤房研究初報[J].中國煙草科學，2010，31（2）：67-69，75.

[6]劉添翼，黃一蘭，陳獻勇，等.密集烤房陶火管散熱系統研究[J].中國煙草科學，2007，28（5）：23-25.

[7]童旭華，姜林燦，賴碧添，等.密集式烤房導熱耐火材料散熱器在烘烤上的應用[J].中國煙草科學，2008，29（3）：32-34.