熱泵烤房和生物質烤房應用效果對比實驗

段美珍, 農(nóng) 倩, 趙阿娟, 裴曉東, 陳治鋒

(1.湖南省煙草公司 長沙市公司，湖南 長沙 410019; 2.中南大學 能源科學與工程學院，湖南 長沙 410083)

0 前言

目前我國大多仍使用2009年前后建造的燃煤熱風爐密集烤房[1]烘烤煙葉,然而，傳統(tǒng)燃煤熱風爐的能耗高、污染重、運行負荷波動大、調節(jié)能力有限、實際運行效率低[2-3]，由于烤煙設備落后以及加工工藝不能得到保證而造成的烤煙損失高達25%～30%[4]。因此，如何降低烘烤成本、提高烤房熱效率、改進烤房設備及工藝已經(jīng)成為了煙葉生產(chǎn)中十分重要的問題，新型節(jié)能烤房的研究具有重要意義。

空氣能高效節(jié)能、清潔環(huán)保、使用安全，生物質能硫含量低、資源豐富、分布廣泛，它們作為可再生清潔能源，近年來逐漸應用于煙葉烘烤領域中。宮長榮等[5]、孫曉軍等[6]和董艷華等[7]對熱泵烤房進行試驗，結果表明熱泵烤房的熱能利用率高，烘烤及人工成本低，烘烤后的煙葉質量較好；Bao Yafeng等[8-10]對熱泵烤房進行仿真，獲得溫濕度場分布以及影響熱泵性能參數(shù)；杜傳印等[11]、肖志新等[12]和王承偉等[13]對生物質烤房進行試驗，結果表明生物質烤煙的降本、降能耗、增效和環(huán)保效果明顯，具有較好的推廣應用前景；申甲[14]設計了以生物質成型燃料為鍋爐燃料，高能量密度的導熱油為供熱介質的集中供熱系統(tǒng)，為實現(xiàn)生物質能替代煤炭用于煙葉烘烤工藝提供理論指導?，F(xiàn)階段各學者多側重于熱泵烤房和生物質烤房的煙葉烘烤性能測試或應用設計分析，而缺乏對改造成本、烘烤能耗成本及干煙葉質量的系統(tǒng)性研究。立足于湖南烤煙區(qū)實際情況，本文對熱泵烤房和生物質烤房的應用效果進行對比研究，為兩種類型烤房的推廣與應用提供數(shù)據(jù)參考。

1 原理

熱泵烤房基于卡諾循環(huán)原理，只需消耗部分的電能驅動熱泵系統(tǒng)運行，如圖1所示，高壓液態(tài)工質流經(jīng)節(jié)流閥降壓，隨后在蒸發(fā)器內吸收大量空氣熱能而蒸發(fā)，氣態(tài)的工質被壓縮機壓縮成為高溫高壓的氣體，最后進入冷凝器放熱烘烤煙葉。

圖1 熱泵烤房工作圖

圖2 生物質燃燒機結構圖

生物質烤房主要由生物質燃燒機(圖2)、混風室、熱風室和裝煙室等構成，生物質在燃燒室燃燒后產(chǎn)生高溫煙氣，經(jīng)過沉降煙箱和換熱器將熱量輸入到裝煙室內?？刂葡到y(tǒng)主要控制生物質進料量、間隔時間以及鼓風機的轉速來調控烤房溫度。

2 實驗設計

2.1 實驗方案

以云煙87為實驗樣，2018年在寧鄉(xiāng)市喻家坳鄉(xiāng)玉山烤煙工場進行熱泵烤房及生物質烤房對比試驗。首先，選取顏色、部位及成熟度基本一致的上部葉(部位B)和中部葉(部位C)，以每桿150～160片鮮煙葉進行編煙，隨后分別裝于熱泵烤房和生物質烤房內，每次烘烤保證裝煙桿數(shù)相同，裝煙密度均勻一致。裝煙完成后，按照農(nóng)藝師設定的烘烤工藝進行烘烤。烘烤結束后，按照η=E/M計算單位能耗成本，其中E表示總能耗成本，M表示干煙葉質量，同時對干煙葉進行分級，選取等級一致的干煙葉進行干煙葉經(jīng)濟性狀、外觀質量及化學成分分析。

2.2 實驗器材

煙葉烘烤試驗儀器儀表見表1。

表1 煙葉烘烤試驗儀器儀表

3 結果分析

3.1 熱泵烤房與生物質烤房的能耗及成本

3.1.1 改造成本

烤房的總改造費用包括供熱設備及換熱器費用、自控設備費用和土改費用。如表2所示：熱泵烤房的改造成本約為56 465元/座，熱泵供熱設備一般配有自控設備所以無需另外增加，供熱設備及換熱器費用高，由于原傳統(tǒng)燃煤烤房的構建情況不同，土改費用較高且有一定差別；而生物質烤房的改造成本約為8 345元/座，僅為熱泵烤房改造成本的約1/7，需自行配備約1 900元/座的自控設備，供熱設備及換熱器費用和土改費用較低。熱泵烤房的改造費用較高，可能會影響其推廣應用的效果。

表2 熱泵烤房和生物質烤房改造成本單位：元

3.1.2 使用能耗及成本

按照電費0.72元/kWh、生物質燃料1.1元/kg計算能耗成本，如表3所示，熱泵烤房烘烤上部葉和中部葉的單位使用成本分別為2.21元/kg和2.46元/kg，生物質烤房烘烤上部葉和中部葉的單位使用成本分別為1.94元/kg和2.66元/kg，單位燃料生物質消耗量分別為1.5kg/kg和2.1kg/kg。由于上部葉含水量低于中部葉，故上部葉能耗成本低于中部葉，而對比分析兩座烤房可知，熱泵烤房烘烤上部葉的能耗成本高于生物質烤房，生物質烤房烘烤上部葉更能降工降能耗，生物質烤房烘烤中部葉的能耗成本高于熱泵烤房，熱泵烤房烘烤中部葉減工降本效果顯著。

表3 熱泵烤房和生物質烤房能耗成本

3.2 熱泵烤房與生物質烤房的煙葉烘烤質量

3.2.1 干煙葉經(jīng)濟性狀

根據(jù)烤煙質量將干煙葉分為上等煙和中等煙，并以上、中等煙的比例及其價格加權計算出上、中等煙的均價。由表4可得，熱泵烤房和生物質烤煙房烘烤后的上部葉的上、中等煙平均比例及單位均價基本一致，分別約為58%、41%、24.1元/kg。熱泵烤房烘烤后的中部葉上等煙平均比例和單位均價分別約為65.9%和28.06元/kg，其上等煙平均比例和單位均價比上部葉高了約8個百分點和4元/kg，生物質烤房烘烤的中部葉上等煙平均比例和單位均價高達約74.7%和28.9元/kg，其上等煙平均比例和單位均價比上部葉高了約16個百分點和4.7元/kg，比熱泵烤房高了約9個百分點和約0.8元/kg。由此可見，烘烤中部葉所獲得的經(jīng)濟收益大于烘烤上部葉的經(jīng)濟收益，尤其是用生物質烤房烘烤中部葉能明顯提高經(jīng)濟效益。

表4 熱泵烤房和生物質烤房干煙葉經(jīng)濟狀況

3.2.2 外觀質量

對干煙葉外觀質量進行打分，以成熟度占20%，發(fā)育狀況、組織結構、身份和油分各占15%，色澤占10%，均勻度和光滑微帶青各占5%的比重評定，結果如表5所示?？梢钥闯?，生物質烤房烤后的上、中部干煙葉外觀質量綜合評分均高于熱泵烤房，生物質烤房明顯提高上部葉外觀質量。與熱泵烤房相比，生物質烤房在一定程度上改善了上、中部葉的成熟度、組織結構以及顏色。

表5 熱泵烤房和生物質烤房干煙葉外觀質量評定

3.2.3 化學成分

干煙葉化學成分由農(nóng)業(yè)部煙草產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗測試中心測定得出。熱泵烤房烘烤后的上、中部葉及生物質烤房烘烤后的上部葉鉀含量偏低(>2%)、兩種烤房烘烤后的上、中部葉的氯含量偏高(0.3%～0.6%)，其他各化學成分均處于適宜指標范圍內(表6)，總糖/煙堿及總氮/煙堿的比例協(xié)調性較好。與熱泵烤房相比，生物質烤房烘烤的上、中部葉鉀、氯含量更接近指標范圍。由于生物質烤房的供熱性能更穩(wěn)定，使得鮮煙葉各物質化學反應速率與失水率協(xié)調一致，烘烤后的干煙葉化學成分含量更適宜，其成分間的協(xié)調性更好。

表6 熱泵烤房和生物質烤房干煙葉化學成分

4 結論

(1)熱泵烤房和生物質烤房烘烤上部葉的單位使用成本分別為2.21元/kg和1.94元/kg，烘烤中部葉的單位使用成本分別為2.46元/kg和2.66元/kg。用生物質烤房烘烤上部葉和用熱泵烤房烘烤中部葉更能達到降工降能耗的效果。

(2)與熱泵烤房相比，用生物質烤煙房烘烤后的上等煙比例和均價更高，尤其是中部葉上等煙比例提高了約9個百分點，均價提高了約0.8元/kg，其干煙葉成熟度好、組織結構疏松、顏色均勻純正、化學成分含量更適宜、成分間的協(xié)調性更好。

(3)生物質烤房的改造及使用成本低、能耗小、干煙葉內外質量佳，減工降本效果顯著，具有廣闊的推廣應用前景。