基于熱泵技術(shù)的烤煙應(yīng)用研究

修科華，李 嬌，李永田

(天合智慧能源投資發(fā)展(江蘇)有限公司，江蘇 常州 213031)

按照《國(guó)煙運(yùn)[2011]335 號(hào)》文件的總體部署，以及《國(guó)煙辦綜[2012]95號(hào)》文件對(duì)重點(diǎn)煙草行業(yè)能耗單位的具體要求，制訂了《GB/T23331—2012》這一針對(duì)煙草行業(yè)的能源管理體系。企業(yè)應(yīng)根據(jù)自己的實(shí)際情況，研究建立和執(zhí)行企業(yè)能源管理體系，用“系統(tǒng)、科學(xué)、高效”的能源管理制度做好節(jié)能工作[1]。

另外，中國(guó)煙草行業(yè)肩負(fù)企業(yè)資產(chǎn)保值增值的重任，是國(guó)家稅收來(lái)源之一。我國(guó)煙草產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的40%，是世界第二名生產(chǎn)國(guó)美國(guó)的4倍。雖然，我國(guó)一直推崇禁煙，但是，20多年來(lái)，我國(guó)煙草種植面積增加了9倍，烤煙產(chǎn)量增加了37倍。同時(shí)，烤煙過(guò)程中需要消耗大量能源，而烘煙房的綜合熱效率35%～45%。借鑒熱泵與熱管技術(shù)聯(lián)合干燥谷物的技術(shù)路線(xiàn)，選擇以熱泵技術(shù)作為主熱源對(duì)煙葉進(jìn)行干燥的工藝。

1 熱泵技術(shù)介紹

熱泵按其工作原理分類(lèi)：半導(dǎo)體熱泵、化學(xué)熱泵、吸收式熱泵、蒸汽壓縮式熱泵等。其中：蒸汽壓縮式熱泵最適合用在干燥領(lǐng)域，其系統(tǒng)主要由除濕加熱系統(tǒng)、送風(fēng)干燥系統(tǒng)構(gòu)成。除濕加熱系統(tǒng)主要部件：壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥；送風(fēng)干燥系統(tǒng)屬于干燥過(guò)程的輔助部分，包括:干燥室、風(fēng)機(jī)。同時(shí)，為了提高熱泵系統(tǒng)的COP，盡量選擇開(kāi)式熱泵干燥系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。

圖1 開(kāi)式熱泵干燥系統(tǒng)

1)冷媒熱力循環(huán)描述

低溫低壓冷媒吸收蒸發(fā)器的熱量成為中溫低壓蒸汽，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮，成為高溫高壓蒸汽，再經(jīng)冷凝器將熱量傳遞給吸入新風(fēng)成為低溫中壓液體，再經(jīng)節(jié)流閥膨脹降壓成為低溫低壓蒸汽，再次進(jìn)入蒸發(fā)器，如此周而復(fù)始，形成冷媒熱力循環(huán)。

2)干燥介質(zhì)熱力循環(huán)

新風(fēng)空氣在引風(fēng)機(jī)的作用下，進(jìn)入冷凝器，吸收熱量成為干度較高的高溫空氣；進(jìn)入干燥室內(nèi)吸收煙葉物料中的水分，成為高溫高濕度空氣；再進(jìn)入蒸發(fā)器，將自身所蘊(yùn)含的顯熱及部分潛熱通過(guò)蒸發(fā)器傳遞給冷媒，析出冷凝水，周而復(fù)始，形成干燥介質(zhì)的熱力循環(huán)。

熱泵干燥較早被用于木材干燥，并逐步用于谷物、種子、食品、陶瓷、紡織、化工、茶葉、造紙等，甚至被用在污泥處理行業(yè)。其中：木材、種子、食品物料等領(lǐng)域最為成熟，烤煙作為干燥精度略高的領(lǐng)域，也開(kāi)始試探性應(yīng)用。

2 三段式烤煙工藝介紹

依據(jù)煙葉在烘烤中外觀(guān)形態(tài)的變化和失水程度， 將煙葉烘烤過(guò)程分為變黃、定色、干筋三個(gè)階段，稱(chēng)之為三段式烤煙。在其相應(yīng)階段有其相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)、操作原則、操作工藝。針對(duì)通常煙草而言，工藝描述[8]，見(jiàn)圖2。

圖2 三段式烘烤模式簡(jiǎn)圖

關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)：

(1)變黃階段:干球起點(diǎn)溫度為32～35 ℃， 變黃期間溫度36～38 ℃， 變黃完成溫度38～42 ℃， 濕球溫度比干球溫度低1～4 ℃。

煙葉變黃階段可分為二步：首先，煙葉裝滿(mǎn)干燥室，要封嚴(yán)進(jìn)出空氣口，開(kāi)啟熱泵，以升溫1 ℃/h的溫升將干燥室的溫度升到34～38 ℃，并保持濕球溫度比干球溫度低1～2.5 ℃，直到底層煙葉80%變到八成黃(即除葉基部、煙筋和煙筋兩邊為青色外，葉片呈黃色，且葉片開(kāi)始發(fā)軟)。其次，將干燥室溫度升高到40～42 ℃，保持濕球溫度36～37 ℃。要適量打開(kāi)通氣孔進(jìn)行排濕，使煙葉達(dá)到既變黃又變軟(即：黃片青筋微帶青、主脈發(fā)軟)。若未如預(yù)期變黃，還可適當(dāng)向干燥室內(nèi)加水補(bǔ)濕，延緩干燥時(shí)間，使得煙葉變黃。

(2)定色階段:干球溫度43～54 ℃， 濕球溫度37～40 ℃。

定色階段的目的是葉片干燥，黃色固定下來(lái)并防止出現(xiàn)褐色出現(xiàn)。要逐漸熱泵輸出功率較高，并增加輔助熱源，加大排濕量。干燥室內(nèi)溫升較快，0.3～0.5 ℃/h的升溫速率至54～55 ℃，濕球溫度緩慢升高并保持在37～40 ℃。在此工況下需要足夠的時(shí)間，不僅要使煙葉達(dá)到大卷筒，也要注意使葉背面灰白色變?yōu)辄S色。同時(shí)，濕球溫度過(guò)高將導(dǎo)致煙葉烤壞，濕球溫度過(guò)低既不利于煙葉質(zhì)量，并會(huì)造成燃料浪費(fèi)。

(3)干筋階段:干球溫度65～68 ℃， 濕球溫度40～43 ℃。

干筋階段是關(guān)鍵階段，以1 ℃/h的速度升溫，使烘干室溫度提高到67～69 ℃，其間要逐漸關(guān)通風(fēng)口，并先關(guān)進(jìn)風(fēng)口，通風(fēng)口開(kāi)度以保持濕球溫度41～42 ℃為準(zhǔn)。濕球溫度過(guò)低將不利于煙葉色度，也造成燃料浪費(fèi)；濕球過(guò)高又會(huì)形成烤紅煙。

三段式烤煙工藝所要求的溫度、濕度、升溫速度，熱泵技術(shù)均可滿(mǎn)足，使用熱泵技術(shù)烘干煙葉理論上可行。

3 熱力模型

為準(zhǔn)確獲取系統(tǒng)的能源情況，建立煙草干燥系統(tǒng)模型與熱泵系統(tǒng)模型。

1)熱平衡方程

(1)

2)質(zhì)量平衡方程

(2)

3)濕度平衡方程

RHa=RHe

(3)

4)干燥速率方程

(4)

式中：Lvap為水的蒸發(fā)潛熱，J/kg；M為煙葉含濕量，g/g；Cg、Cw、Cv分別為煙葉、水、水蒸氣的比熱容，kJ/(kg·K-1)；ma為空氣質(zhì)量流量，kg/s；H為空氣的含濕量，g/g；RHa、RHg為空氣、煙葉的相對(duì)濕度；ρg為煙葉堆密度，kg/m3；MR為干燥速率；M0、Mg為煙葉初始、結(jié)束含濕量，g/g；K為干燥常數(shù)；t為干燥時(shí)間，S；Ta、Tg為空氣、煙葉的溫度，℃。

3.1 熱泵系統(tǒng)模型

蒸發(fā)器模型與冷凝器模型一致，以蒸發(fā)器模型給予表示：

1)換熱量

(5)

2)能效系數(shù)

ε=f(NTU)

(6)

3)換熱單元

(7)

3.2 前提假設(shè)

(1)標(biāo)定熱泵的參數(shù)指標(biāo)；

(2)標(biāo)定風(fēng)機(jī)的工況；

(3)標(biāo)定天平的精度，并準(zhǔn)確稱(chēng)重；

(4)標(biāo)定溫度計(jì)、濕度計(jì)、流量計(jì)；

(5)將系統(tǒng)按要求裝完畢，試驗(yàn)3～5室煙葉，確保烘干室密閉且保溫穩(wěn)定可靠；

(6)對(duì)參數(shù)試驗(yàn)人員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前安全、操作規(guī)程培訓(xùn)；

(7)測(cè)量時(shí)間內(nèi)的大氣壓及相對(duì)濕度是否適合試驗(yàn)，不選擇5級(jí)以上大風(fēng)及陰雨天。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

(1)煙葉質(zhì)量：m0=1 200 kg左右；

(2)環(huán)境溫度：25 ℃；

(3)天氣晴朗，風(fēng)速可忽略；

(4)煙葉相對(duì)濕度預(yù)判：M0=0.85 g/g；Mg=0.13～0.16 g/g ；

(5)測(cè)試環(huán)境相對(duì)濕度：RHa=64.2%；

(6)煙葉堆密度：627 kg/m3；

(7)烘烤時(shí)間：110～120 min。

4.2 計(jì)算數(shù)值

經(jīng)多次測(cè)量求其均值，在110 min內(nèi)完成1 216 kg的原煙葉干燥，消耗電量425 kW·h，當(dāng)?shù)仉妰r(jià)為0.67元/(kW·h-1)，1kW·h電能可使得煙葉脫水2.5 kg。記錄見(jiàn)表1。

表1 熱泵干燥煙葉結(jié)果

4.3 經(jīng)濟(jì)性

資料顯示，傳統(tǒng)以煤作為燃料的能源成本為2.97元/kg(干煙)，煤價(jià)按880元/t，低位發(fā)熱量按5 500 kcal/kg考慮[9]。目前煤價(jià)降低，約700元/t，折合用煤的能源成本是2.36元/kg(干煙)?？梢缘贸雒扛稍锍? kg煙葉，節(jié)約資金為0.52元。

5 結(jié)論與建議

(1)利用熱泵技術(shù)干燥煙葉，經(jīng)濟(jì)上較為合理，每出1 kg煙葉比直接采用電烘干節(jié)約0.52元。

(2)熱泵技術(shù)較為成熟，可在煙葉烘干領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，也可以推廣至糧食、中藥材集中推廣。

(3)建議利用分體式熱管技術(shù)與熱泵串聯(lián)。干燥后濕熱空氣先進(jìn)入分體式熱管的蒸發(fā)器，再進(jìn)入熱泵的蒸發(fā)器，通過(guò)分體式熱管設(shè)備將進(jìn)行系統(tǒng)的新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱后，再進(jìn)行熱泵的冷凝器，節(jié)能效果會(huì)更明顯。