燃煤型密集烤房污染物排放及脱硫除尘研究

陈振国，孙光伟，陈祥，谭本奎，杨杨，乔瑜，王博，黄经春

1 湖北省烟草科学研究院，武汉市硚口区宝丰路6号 430030；

2 中国烟叶公司，北京市西城区广安门外大街9号 100055；

3 湖北省烟草公司宜昌市公司，湖北省宜昌市沿江大道42号 443000；

4 湖北省烟草公司恩施州公司，湖北恩施市施州大道119号 445000；

5 华中科技大学，武汉市洪山区珞喻路1037号 430074

燃煤型密集烤房是我国烤烟生产的主要调制设备，煤燃烧后通过散热设备加热烤房内空气，使烟叶脱水干燥，此过程需要消耗大量的热量，每烤1 kg干烟约需要1.5 kg煤炭[1-2]，我国是世界烤烟生产第一大国，烤烟年产量维持在1.5×106t左右，每年烤烟需消耗煤炭约2.25×106t，由于缺少相应的减排设备及措施，烤房燃煤产生的SO2、烟尘等污染物直接排放到大气中，环境危害较重。随着绿色发展理念的贯彻，实现烘烤环节低碳环保是亟待解决的问题[3]，各地均加大了生物质能、太阳能、热泵等清洁能源烤房的研发，太阳能由于单位面积能量密度低及昼夜交替现象难以作为单一热源满足烘烤需求，多作为辅助能源用于烟叶烘烤[4-5]；以醇基燃料[6-7]、生物质颗粒[8-9]为代表的生物质能烤房，使用成本较低、控温性能较好得到迅速推广，但受醇基燃料运输、存储的安全性，生物质颗粒原料来源等问题制约，短期内还不能完成对燃煤烤房的大面积替代；热泵烤房由于其显著的环保和节能优势具有广泛的应用前景[10-13]，但目前其较高的造价及维护成本、电路改造等问题限制了其进一步推广应用。因此燃煤密集烤房一段时间内仍将是我国主要的烤烟设备，降低燃煤密集烤房污染物排放和煤耗是目前急需解决的问题。烟气湿法脱硫除尘技术[14-15]在大型锅炉供热及火力发电等领域已十分成熟，但在密集烤房上的使用鲜有报道[16]。本文分析了燃煤密集烤房烘烤各阶段污染物排放和热损失规律，探讨了脱硫除尘设备及自动加煤对烘烤减排及能耗的影响，以期为燃煤密集烤房节能减排提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验设计

污染物排放监测及脱硫除尘试验于2017年在福建建宁（A）、贵州平坝（B）、河南禹州（C）、云南泸西（D）、湖北利川（E）等五地开展，选取当地常规燃煤密集烤房10座，其中5座安装脱硫除尘设备，剩余5座为对照烤房进行污染物排放监测，各烤房依据当地加煤习惯人工加煤，每3 h左右加煤1次，每次加煤10 kg左右；自动加煤试验于2018年在湖北利川试点开展，设置三个处理：人工加煤、加煤机加煤、加煤机与脱硫除尘设备连用，各处理分别选取5座烤房进行监测，自动加煤与人工加煤用煤相同，需砸碎控制煤块直径在5 cm左右，自动加煤机购自安徽中科自动化股份有限公司，型号为ZKE5LBZ，试验配置及控制原理：自动加煤装置的漏斗内装煤量确定为60 kg，每当自控仪在控制鼓风机开启时，螺旋推进器往燃烧室内进煤加煤1次，加煤时间设为3 min，每分钟加煤量约1 kg。

各试点烤房均采用三段五步式烘烤工艺。各试验点用煤均为当地煤炭，参考GB/T 213煤的发热量测定方法[17]对各试验点煤样进行基础分析，结果见表1。

表1 各试验点煤样基础分析Tab. 1 Basic analysis of coal samples at each test site

脱硫除尘处理：各试点常规燃煤密集烤房为对照，处理烤房加装脱硫除尘设备，五连体烤房共用一套空压机、蠕动泵、浆液池，具体结构见图1。其原理是石灰石-石膏湿法脱硫[18]，在密集型烤房的烟囱出口处加装一个雾化喷嘴，利用烟道作为反应器，通过向烟囱管道中喷Ca(OH)2浆液（浓度质量分数10%）来实现脱硫除尘，烟气中的SO2与雾状Ca(OH)2液滴发生化学反应从而被吸收掉，烟尘则通过与雾状水滴的惯性碰撞、拦截捕获、核凝等机理除去[19-20]。

图1 烤房脱硫除尘设备原理Fig.1 Principle of desulfurization and dust removal equipment

1.2 测定项目及方法

烟气成分（CO、SO2）和流场参数（烟气流速、烟气温度）测试采用手持式烟气分析仪（OPTIMA 7，德国MRU烟气分析仪）进行连续在线监测，烟气成分和流场参数的测量按照HJ/T 75—2001《火电厂烟气排放连续监测技术规范》等规范与标准对烟气进行直接抽取式连续监测，监测位置位于换热器或尾部烟道出口处，烟气分析仪10 s记录1次烟气成分，测量时间2 min，烟气成分和流场参数取2 min内的平均值。烟尘浓度采用武汉市天虹仪表有限责任公司生产的TH-880F微电脑烟尘平行采样仪进行采样，采样位置位于尾部烟道出口处，每组采样时间为10 min，抽气流量为30～60 L/min，烟尘浓度为该段时间内的平均浓度。测定时间为工艺各转火点稳温末期，取连续测量三次的平均值为该阶段的排放量。

污染物排放浓度计算以《工业炉窑大气污染物排放标准》[21]为参考，实测的污染物排放浓度按照以下公式折算为基准氧含量排放浓度，基准含氧量为9%。

其中：

C——污染物基准氧含量排放浓度，mg/m3；

C`——实测的污染物排放浓度，mg/m3；

O2——基准氧含量，%；

O2`——实测的氧含量，%。

烤房热效率通过反平衡法计算得出（由于本研究主要关注炉膛及烟道部分的热损失，排湿损失和烤房散热损失未进行测试，因此该热效率为估算值），其计算公式如下[7]。计算中烤房排湿损失q排取30%，烤房散热损失q散取12.5%，其他损失（如房体、烟叶升温以及炉门向外辐射散发的热量）q7¬¬取5%[22-23]，以上均为参考值。

q2—排烟热损失百分比，%；

q3—化学不完全燃烧热损失百分比，%；

q4—机械不完全燃烧热损失百分比，%；

q5—炉门漏风散热损失百分比，%；

q散—烤房散热损失百分比（取12.5%），%；

q排—烤房排湿损失百分比（取30%），%；

q6—灰渣物理热损失百分比，%；

q7¬¬—其他损失（取5%），%。

1.3 数据处理

试验数据使用Excel 2016分析、处理。

2 结果与分析

2.1 各试验点燃煤烤房排放现状

图2为各试验点烤房随烘烤工艺进程烟囱SO2、烟尘和CO排放浓度情况。福建建宁试验点、云南泸西试验点、湖北利川三个试验点用煤属于低硫煤，煤中硫含量分别为0.32%、0.25%、0.35%，SO2平均排放浓度分别为114.00 mg/m3、188.40 mg/m3、135.20 mg/m3。贵州平坝、河南禹州试验点煤中硫含量较高，分别为3.49%、2.84%，贵州平坝试验点SO2平均排放浓度为2404.40 mg/m3，而河南禹州试验点SO2平均排放浓度为252.80 mg/m3，贵州平坝单次加煤约为15 kg是河南禹州的3倍，导致炉内煤层堆积较厚，相同时间内释放的SO2浓度较大，可见除燃煤含硫量外，加煤习惯对SO2排放浓度有较大影响。不同烘烤阶段SO2排放浓度不同，除贵州平坝试验点外，各地随烤房温度的升高，SO2排放浓度升高。

图2 各试验点烘烤各阶段污染物平均排放浓度Fig.2 The average emission concentration of pollutants at each stage of curing at each test site

各试点每烤次烟尘排放浓度平均为65.52 mg/m3，湖北利川试点排放浓度较高，平均为139.80 mg/m3，与该试点用煤挥发分含量较高有关。不同烘烤阶段烟尘浓度也存在一定差异，在中火期和大火期烟尘浓度明显大于小火期，这主要是由于中火期、大火期助燃风机运行时间长，加速煤块燃烧，需提高加煤频次或单次加煤量以保证烤房内热量供应，导致烟尘释放浓度提高。CO污染物的产生主要是燃烧不充分导致的，整个烘烤过程排放浓度平均为3243.12 mg/m3，烤房温度处于38℃～42℃小火期时CO排放浓度为整个周期最高值，当烤房温度达到48℃烟叶进入大火期后，助燃风机运行时间加长，CO充分燃烧转化为CO2。

2.2 各试点脱硫除尘设备运行效果分析

表2为各试点烤房脱硫除尘设备运行效果，从表中可以看出与对照烤房相比，安装脱硫除尘设备烤房SO2、烟尘排放浓度大幅度降低，脱硫效率为72%～92%，除尘效率为75%～92%。福建建宁、河南禹州、云南泸西、湖北利川等试点设备运行变黄期、定色期、干筋期各阶段石灰水喷施流量分别设置为50、100、150 mL/min，贵州平坝试点由于煤中硫含量较高，SO2排放浓度较大，石灰水喷施量各阶段为其他试验点的两倍。

表2 脱硫除尘设备运行效果分析Tab. 2 Operation effect analysis of desulfurization and dust removal equipment

2.3 自动加煤机对烤房污染物排放及热效率的影响

图3为湖北利川试点人工加煤和自动加煤机单次加煤后1 h内污染物浓度变化情况，从图中可以看出人工加煤污染物浓度成单峰分布，且峰值较大，加煤后20 min内污染物排放达到最高值，SO2浓度为280 mg/m3，烟尘浓度为160 mg/m3，CO浓度为3300 mg/m3；加煤机自动进煤方式污染物排放较为稳定，SO2、烟尘、CO排放浓度分别在90～110 mg/m3、40～60 mg/m3、500～1000 mg/m3范围内波动，与人工加煤相比，SO2、烟尘、CO平均排放浓度分别降低了43.05%、41.90%、63.38%，采用加煤机自动进煤方式可有效降低污染物排放波动，同时煤燃烧更加充分。

图3 湖北利川试点人工加煤和自动加煤机单次加煤后污染物浓度变化趋势Fig.3 Change trend of pollutant concentration after single feeding of manual and automatic stoker at Lichuan test site of Hubei

表3为湖北利川试验点加煤机与人工加煤各项热损失和热效率对比，从表中可以看出，采用自动加煤机加煤变黄期、干筋期q2排烟热损失明显降低，同时煤的燃尽率提高，降低了各阶段q3、q4不完全燃烧热损失；自动加煤机与人工加煤相比整个烘烤过程平均热效率提高了24.92%。

表3 湖北利川试验点不同加煤方式烤房热损失对比Tab. 3 Comparison of heat loss at curing barn under coal feeing modes at Lichuan test site of Hubei

2.4 燃煤烤房不同减排措施污染物排放对比

图4为湖北利川试点不同减排措施烤房整个烘烤过程中污染物排放浓度变化的箱线对比图，可以看出与人工加煤相比，加煤机自动进煤SO2排放浓度控制在132 mg/m3以内，平均降低36.09%，加煤机和脱硫除尘设备共同使用可使SO2排放浓度控制在30 mg/m3以内，平均降低84.08%；加煤机自动进煤烟尘排放控制在87 mg/m3以内，平均降低63.90%，加煤机和脱硫除尘设备共同使用可使烟尘排放浓度控制在15 mg/m3以内，平均降低94.37%。

图4 利川试点不同减排措施烤房污染物排放浓度对比Fig.4 Comparison of pollutant emission under different emission reduction measures at Lichuan test site of Hubei

2.5 燃煤烤房不同减排措施成本分析

表4为不同减排措施烤房成本分析，投入设备以使用年限5年，每年每烤房烘烤5次烟叶计算，可以看出脱硫除尘设备每烤次增加成本81.55元；安装自动加煤机后，与普通燃煤烤房相比，每烤次设备成本增加120元，煤耗成本降低16.75%，用工成本降低83.33%，总成本降低28.85%；加煤机和脱硫除尘设备联合使用成本为1000.75元，与普通燃煤烤房相比降低22.54%。

表4 不同减排措施烘烤成本分析Tab. 4 Analysis of curing cost under different emission reduction measures

3 讨论

煤炭是我国的第一大能源，也是我国烟叶烘干的主要燃料，未来几年仍将占主体地位。通过分析福建建宁、贵州平坝、河南禹州、云南泸西、湖北利川等五地密集烤房污染物排放情况，结果显示燃煤密集烤房SO2平均排放浓度为658.96 mg/m3、烟尘平均排放浓度为65.52 mg/m3、CO平均排放浓度为3243.12 mg/m3，不同试点污染物排放存在较大差异，煤中硫、挥发分含量高是导致SO2、烟尘浓度增大的根本原因，同时污染排放受用户加煤习惯的影响较大，单次加煤量过大，煤层较厚许多挥发的有机物不能充分燃烧会增大烟尘和CO含量，导致污染物排放浓度波动幅度较大。安装自动加煤机可控制进料速度[24]，避免了煤层过厚，可有效降低污染物的排放浓度，同时通过自控仪控制加煤与烤房温度需求的适配度，提高了煤的燃烧率，烤房热效率提高；污染物排放波动性较低，有利于提高脱硫除尘设备运行效率。

石灰石-石膏湿法烟气脱硫是目前最有效的脱硫技术[25]，具有吸收剂来源广、成本低、脱硫效率高等优点，燃煤烟气在喷淋浆液的洗涤作用下不仅能高效脱除SO2而且可以协同去除细颗粒物[26]。本试验使用高品位石灰石溶于水制成10% Ca(OH)2浆液，根据烘烤工艺变黄期、定色期、干筋期划分各阶段浆液喷施流量为50、100、150 mL/min，下一步研究利用低品位石灰石的湿法烟气脱硫系统建模[27]，同时强化学习烟气脱硫除尘预测调度[28]，进一步提高脱硫除尘效率，降低使用成本。

“十四五”发展规划对非重点行业炉窑减排提出了新目标，建立了淘汰小型燃煤炉窑、清洁能源替代、提高末端治理设施去除率等减排方案[29]，烟草行业实施燃煤烤房升级改造是推动行业高质量发展、推进供给侧结构性改革的重要抓手。采用湿法脱硫除尘配合自动加煤技术可大幅降低污染物排放，但仍无法完全杜绝燃煤污染，开展清洁能源替代燃煤研究是今后的重点方向。

4 结论

普通燃煤密集烤房燃煤类型及加煤方式对污染物排放影响较大，在当前密集烤房燃烧设备技术条件下，选择低硫、低挥发分煤，安装自动加煤装置可有效降低污染物排放。但还不能完全杜绝SO2排放，适应绿色发展需要，加强密集烤房燃煤替代与应用研究对烟叶烘烤发展具有重要意义。

普通燃煤密集烤房采用湿法脱硫除尘技术脱硫效率可达到72%～92%，除尘效率可达到75%～92%，配合加煤机自动进煤脱硫效率稳定在85%左右，除尘效率稳定在95%左右，SO2排放浓度低于30 mg/m3，烟尘排放浓度低于15 mg/m3，普通燃煤密集烤房可采用湿法脱硫除尘技术配合加煤机自动进煤实现高效脱硫除尘，减少污染物排放。