熱泵烤房和生物質(zhì)烤房應(yīng)用效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)

段美珍, 農(nóng) 倩, 趙阿娟, 裴曉東, 陳治鋒

(1.湖南省煙草公司 長(zhǎng)沙市公司，湖南 長(zhǎng)沙 410019; 2.中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 前言

目前我國(guó)大多仍使用2009年前后建造的燃煤熱風(fēng)爐密集烤房[1]烘烤煙葉,然而，傳統(tǒng)燃煤熱風(fēng)爐的能耗高、污染重、運(yùn)行負(fù)荷波動(dòng)大、調(diào)節(jié)能力有限、實(shí)際運(yùn)行效率低[2-3]，由于烤煙設(shè)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(dá)25%～30%[4]。因此，如何降低烘烤成本、提高烤房熱效率、改進(jìn)烤房設(shè)備及工藝已經(jīng)成為了煙葉生產(chǎn)中十分重要的問(wèn)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(zhì)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(lái)逐漸應(yīng)用于煙葉烘烤領(lǐng)域中。宮長(zhǎng)榮等[5]、孫曉軍等[6]和董艷華等[7]對(duì)熱泵烤房進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)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(zhì)量較好；Bao Yafeng等[8-10]對(duì)熱泵烤房進(jìn)行仿真，獲得溫濕度場(chǎng)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(duì)生物質(zhì)烤房進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明生物質(zhì)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(yīng)用前景；申甲[14]設(shè)計(jì)了以生物質(zhì)成型燃料為鍋爐燃料，高能量密度的導(dǎo)熱油為供熱介質(zhì)的集中供熱系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能替代煤炭用于煙葉烘烤工藝提供理論指導(dǎo)。現(xiàn)階段各學(xué)者多側(cè)重于熱泵烤房和生物質(zhì)烤房的煙葉烘烤性能測(cè)試或應(yīng)用設(shè)計(jì)分析，而缺乏對(duì)改造成本、烘烤能耗成本及干煙葉質(zhì)量的系統(tǒng)性研究。立足于湖南烤煙區(qū)實(shí)際情況，本文對(duì)熱泵烤房和生物質(zhì)烤房的應(yīng)用效果進(jìn)行對(duì)比研究，為兩種類型烤房的推廣與應(yīng)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(qū)動(dòng)熱泵系統(tǒng)運(yùn)行，如圖1所示，高壓液態(tài)工質(zhì)流經(jīng)節(jié)流閥降壓，隨后在蒸發(fā)器內(nèi)吸收大量空氣熱能而蒸發(fā)，氣態(tài)的工質(zhì)被壓縮機(jī)壓縮成為高溫高壓的氣體，最后進(jìn)入冷凝器放熱烘烤煙葉。

圖1 熱泵烤房工作圖

圖2 生物質(zhì)燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)圖

生物質(zhì)烤房主要由生物質(zhì)燃燒機(jī)(圖2)、混風(fēng)室、熱風(fēng)室和裝煙室等構(gòu)成，生物質(zhì)在燃燒室燃燒后產(chǎn)生高溫?zé)煔猓?jīng)過(guò)沉降煙箱和換熱器將熱量輸入到裝煙室內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)主要控制生物質(zhì)進(jìn)料量、間隔時(shí)間以及鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)控烤房溫度。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

以云煙87為實(shí)驗(yàn)樣，2018年在寧鄉(xiāng)市喻家坳鄉(xiāng)玉山烤煙工場(chǎng)進(jìn)行熱泵烤房及生物質(zhì)烤房對(duì)比試驗(yàn)。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(jìn)行編煙，隨后分別裝于熱泵烤房和生物質(zhì)烤房?jī)?nèi)，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(shè)定的烘烤工藝進(jìn)行烘烤。烘烤結(jié)束后，按照η=E/M計(jì)算單位能耗成本，其中E表示總能耗成本，M表示干煙葉質(zhì)量，同時(shí)對(duì)干煙葉進(jìn)行分級(jí)，選取等級(jí)一致的干煙葉進(jìn)行干煙葉經(jīng)濟(jì)性狀、外觀質(zhì)量及化學(xué)成分分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)器材

煙葉烘烤試驗(yàn)儀器儀表見(jiàn)表1。

表1 煙葉烘烤試驗(yàn)儀器儀表

3 結(jié)果分析

3.1 熱泵烤房與生物質(zhì)烤房的能耗及成本

3.1.1 改造成本

烤房的總改造費(fèi)用包括供熱設(shè)備及換熱器費(fèi)用、自控設(shè)備費(fèi)用和土改費(fèi)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(shè)備一般配有自控設(shè)備所以無(wú)需另外增加，供熱設(shè)備及換熱器費(fèi)用高，由于原傳統(tǒng)燃煤烤房的構(gòu)建情況不同，土改費(fèi)用較高且有一定差別；而生物質(zhì)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(shè)備，供熱設(shè)備及換熱器費(fèi)用和土改費(fèi)用較低。熱泵烤房的改造費(fèi)用較高，可能會(huì)影響其推廣應(yīng)用的效果。

表2 熱泵烤房和生物質(zhì)烤房改造成本單位：元

3.1.2 使用能耗及成本

按照電費(fèi)0.72元/kWh、生物質(zhì)燃料1.1元/kg計(jì)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(zhì)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(zhì)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(duì)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(zhì)烤房，生物質(zhì)烤房烘烤上部葉更能降工降能耗，生物質(zhì)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(zhì)烤房能耗成本

3.2 熱泵烤房與生物質(zhì)烤房的煙葉烘烤質(zhì)量

3.2.1 干煙葉經(jīng)濟(jì)性狀

根據(jù)烤煙質(zhì)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(jià)格加權(quán)計(jì)算出上、中等煙的均價(jià)。由表4可得，熱泵烤房和生物質(zhì)烤煙房烘烤后的上部葉的上、中等煙平均比例及單位均價(jià)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(jià)分別約為65.9%和28.06元/kg，其上等煙平均比例和單位均價(jià)比上部葉高了約8個(gè)百分點(diǎn)和4元/kg，生物質(zhì)烤房烘烤的中部葉上等煙平均比例和單位均價(jià)高達(dá)約74.7%和28.9元/kg，其上等煙平均比例和單位均價(jià)比上部葉高了約16個(gè)百分點(diǎn)和4.7元/kg，比熱泵烤房高了約9個(gè)百分點(diǎn)和約0.8元/kg。由此可見(jiàn)，烘烤中部葉所獲得的經(jīng)濟(jì)收益大于烘烤上部葉的經(jīng)濟(jì)收益，尤其是用生物質(zhì)烤房烘烤中部葉能明顯提高經(jīng)濟(jì)效益。

表4 熱泵烤房和生物質(zhì)烤房干煙葉經(jīng)濟(jì)狀況

3.2.2 外觀質(zhì)量

對(duì)干煙葉外觀質(zhì)量進(jìn)行打分，以成熟度占20%，發(fā)育狀況、組織結(jié)構(gòu)、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(píng)定，結(jié)果如表5所示?？梢钥闯?，生物質(zhì)烤房烤后的上、中部干煙葉外觀質(zhì)量綜合評(píng)分均高于熱泵烤房，生物質(zhì)烤房明顯提高上部葉外觀質(zhì)量。與熱泵烤房相比，生物質(zhì)烤房在一定程度上改善了上、中部葉的成熟度、組織結(jié)構(gòu)以及顏色。

表5 熱泵烤房和生物質(zhì)烤房干煙葉外觀質(zhì)量評(píng)定

3.2.3 化學(xué)成分

干煙葉化學(xué)成分由農(nóng)業(yè)部煙草產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心測(cè)定得出。熱泵烤房烘烤后的上、中部葉及生物質(zhì)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(xué)成分均處于適宜指標(biāo)范圍內(nèi)(表6)，總糖/煙堿及總氮/煙堿的比例協(xié)調(diào)性較好。與熱泵烤房相比，生物質(zhì)烤房烘烤的上、中部葉鉀、氯含量更接近指標(biāo)范圍。由于生物質(zhì)烤房的供熱性能更穩(wěn)定，使得鮮煙葉各物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)速率與失水率協(xié)調(diào)一致，烘烤后的干煙葉化學(xué)成分含量更適宜，其成分間的協(xié)調(diào)性更好。

表6 熱泵烤房和生物質(zhì)烤房干煙葉化學(xué)成分

4 結(jié)論

(1)熱泵烤房和生物質(zhì)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(zhì)烤房烘烤上部葉和用熱泵烤房烘烤中部葉更能達(dá)到降工降能耗的效果。

(2)與熱泵烤房相比，用生物質(zhì)烤煙房烘烤后的上等煙比例和均價(jià)更高，尤其是中部葉上等煙比例提高了約9個(gè)百分點(diǎn)，均價(jià)提高了約0.8元/kg，其干煙葉成熟度好、組織結(jié)構(gòu)疏松、顏色均勻純正、化學(xué)成分含量更適宜、成分間的協(xié)調(diào)性更好。

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