閉式熱風(fēng)循環(huán)密集烤房熱泵烘烤節(jié)能性與經(jīng)濟(jì)性分析研究

李志國，羅會龍*，鄒聰明，陳 頤

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2. 云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，云南 昆明 650021)

【研究意義】煙葉烘烤是指在一定的烘烤工藝條件下，通過烤房內(nèi)供熱設(shè)備提供熱源完成葉片內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化和干燥[1]。烘烤是一個大量耗能的過程，通常烘烤得到1 kg干煙葉需要1.5～2.5 kg標(biāo)煤[2-3]。但采用燃煤的密集烘烤，存在熱能利用率低，燃燒不穩(wěn)定，環(huán)境污染嚴(yán)重等問題[4]。因此，政府提出要提質(zhì)增效，減工降本，鼓勵運(yùn)用環(huán)境友好型清潔能源發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和綠色產(chǎn)業(yè)，煙草行業(yè)對此做出了積極響應(yīng)。熱泵技術(shù)具有有效回收余熱，達(dá)到高效節(jié)能的特有優(yōu)勢，在各國各個行業(yè)均得到了有效發(fā)展[5-7]。采用熱泵技術(shù)對煙葉進(jìn)行烘烤，通過回收烤房內(nèi)排濕廢氣的熱量，提高熱能利用率，降低烘烤能耗；此外，由于通過電能控制熱源，能對烘烤工藝的溫濕度精準(zhǔn)控制，達(dá)到提高煙葉品質(zhì)和均價[8]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】近幾十年來，國內(nèi)外對熱泵干燥技術(shù)做過深入探究。國內(nèi)宮長榮[9]對熱泵烘烤煙葉的研究表明，熱泵烘烤1 kg干煙葉平均耗電量為2 kw·h-1，冷凝除濕效率約為15 %；潘建斌等[10]研究熱泵型煙葉自控密集烤房性能，較普通烤房顯著提高了煙葉的烘烤質(zhì)量；孫曉軍等[11]研究表明熱泵烤房具有環(huán)保，降低烘烤成本，提高烘烤質(zhì)量等優(yōu)勢。國外Meyer等[12]對熱泵干燥技術(shù)在谷物干燥中運(yùn)用的可行性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行的研究表明，熱泵干燥可以縮短干燥時間，比其他干燥系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)；Perera等[13]研究運(yùn)行費(fèi)用和干燥效率等表明，熱泵干燥較傳統(tǒng)的真空干燥和熱風(fēng)干燥更節(jié)能；Bryan等[14]對K326品種進(jìn)行熱泵除濕烤房和常規(guī)燃油烤房對比試驗(yàn)表明，熱泵除濕烤房可明顯提高烤后煙葉質(zhì)量。【本研究切入點(diǎn)】立足于綠色清潔能源，通過對烘烤設(shè)備的改進(jìn)，改變現(xiàn)有生物質(zhì)顆粒和煤炭燃燒烘烤煙葉的現(xiàn)狀，更大程度減少烘烤能耗，降低烘烤成本，提高烘烤質(zhì)量?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過閉式熱風(fēng)循環(huán)密集烤房熱泵烘烤與生物質(zhì)顆?？痉亢腿济嚎痉康膶Ρ妊芯?，探討3種烤房的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益，以期挑選出在滿足烘烤工藝條件下，既能降低烘烤能耗又能產(chǎn)生良好經(jīng)濟(jì)效益的烘烤方式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試烤煙品種為云南大理主栽品種紅花大金元，試驗(yàn)田土壤類型為紅壤土，地勢平坦，土壤質(zhì)地疏松。田間栽培管理按當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)烤煙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行。按照“同一部位，同一時間，成熟度一致”的原則，在煙株長勢均勻、營養(yǎng)均衡的田塊，選取中部葉( 11～12葉位)為供試材料。供試烤房共3類，每爐裝煙量均為460竿。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年8月在云南省大理州彌渡縣(E100°33′，N24°24′)紅花大金元烘烤基地進(jìn)行。設(shè)置閉式熱風(fēng)循環(huán)密集烤房熱泵烘烤(熱泵機(jī)組型號為RC30D-DF，由云南中海路德清潔技術(shù)有限公司生產(chǎn))為試驗(yàn)烤房，生物質(zhì)顆粒烘烤和燃煤烘烤為對照烤房，以下分別簡稱熱泵烤房、生物質(zhì)顆?？痉亢腿济嚎痉?。3類烤房規(guī)格均為8 m×2.7 m×3.5 m(長×寬×高)。裝煙方式均為編竿裝煙。3類烤房烘烤工藝均以三段式烘烤理論[15]為基礎(chǔ)，由云南省煙草科學(xué)研究院推薦，當(dāng)?shù)丶夹g(shù)人員微調(diào)得出。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 燃料消耗量 生物質(zhì)顆?？痉亢腿济嚎痉烤斯な謩蛹尤剂?，從點(diǎn)火至烤煙結(jié)束，記錄一烤次燃料消耗量。

1.3.2 耗電量 記錄3類烤房開始烘烤時和結(jié)束烘烤時電表讀數(shù)，差值記為一烤次用電量。

1.3.3 煙葉干鮮重 入爐前分別對3個烤房隨機(jī)挑選20竿編煙掛牌，分別記錄鮮煙、干煙重，從而計(jì)算整爐鮮煙、干煙重和鮮干比。

1.3.4 污染物減排量 一次能源的燃燒會產(chǎn)生CO2、SO2、NOX、粉塵等大氣污染物，而閉式熱風(fēng)循環(huán)密集烤房熱泵烘烤以空氣為熱源，消耗電能將空氣中的熱量轉(zhuǎn)移到裝煙室中實(shí)現(xiàn)干燥的目的，避免污染物的排放，綠色環(huán)保。

以CO2、SO2、粉塵減排量對密閉式熱泵烤房進(jìn)行環(huán)保效益分析。

CO2減排量的計(jì)算公式：

MCO2=2.493Mbm

(1)

式中：MCO2——CO2減排量；2.493——標(biāo)煤CO2排放系數(shù)；Mbm——標(biāo)媒節(jié)約量。

SO2減排量的計(jì)算公式：

MSO2=0.022Mbm

(2)

式中：MSO2——SO2減排量；0.022——標(biāo)煤SO2排放系數(shù)；Mbm——標(biāo)媒節(jié)約量。

粉塵減排量的計(jì)算公式：

Mfc=0.01Mbm

(3)

式中：Mfc——粉塵減排量；0.01——標(biāo)煤粉塵排放系數(shù)；Mbm——標(biāo)媒節(jié)約量。

1.3.5 干煙成本 烤煙過程經(jīng)濟(jì)性的一個重要評價指標(biāo)是烘烤得到1 kg干煙的成本，定義如下：

(4)

式中：C——烘烤1 kg干煙的成本；Cr——燃料單價；Cd——電價；Cy——用工成本；Mr——燃料質(zhì)量；Md——耗電量；M——干煙質(zhì)量。

1.3.6 烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀 烤后煙葉參照GB2635-1992(烤煙)[16]進(jìn)行分級，統(tǒng)計(jì)3種烤房烤后煙葉的上等、中等、下等及低等煙比例，計(jì)算煙葉均價。

2 結(jié)果與分析

2.1 節(jié)能性分析

從節(jié)能角度考慮，著重研究烘烤過程的能耗量和污染物排放量，以及熱泵系統(tǒng)的性能狀況。圖1給出了國外大多數(shù)文獻(xiàn)中所采用的熱泵干燥系統(tǒng)性能評價方法的分布情況[17]，其中采用火用分析和經(jīng)濟(jì)成本分析的占比約為14.4 %；采用制熱系數(shù)分析和能源分析的占比約為39.8 %；采用全面表征熱泵干燥系統(tǒng)整體性能的指標(biāo)單位能耗脫水量或單位脫水量能耗占比最多，約為45.8 %，故本文通過試驗(yàn)分析熱泵系統(tǒng)性能優(yōu)劣的主要參考指標(biāo)單位能耗除濕量(SMER)。

2.1.1 烘烤能耗分析 從表1可見，根據(jù)《綜合能耗計(jì)算通則》(GB/T 2589-2008)，將燃料及電力消耗量折算為標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量。熱泵烤房的標(biāo)煤耗量為568.43 kg，比生物質(zhì)顆粒烤房少24.46 %，比燃煤烤房少42.19 %，節(jié)能優(yōu)勢明顯。

2.1.2 污染物減排分析 根據(jù)公式(1)～(3)，以每座烤房每年烘烤7爐計(jì)算，采用熱泵烤房，與生物質(zhì)顆?？痉肯啾龋孔磕昕蓽p排CO23211.88 kg，減排SO228.35 kg，減排粉塵12.88 kg；與燃煤烤房相比，每座每年可減排CO27240.59 kg，減排SO263.91 kg，減排粉塵29.05 kg。可見熱泵烤房污染物減排效果明顯，采用熱泵烤房替代傳統(tǒng)能源烤房可減排大量的能源燃燒污染物(表2)。

2.1.3 單位能耗除濕量分析 由表1可知，試驗(yàn)烤房和對照烤房的煙葉失水量以及耗能量。根據(jù)《綜合能耗計(jì)算通則》(GB/T 2589-2008)將燃料消耗量轉(zhuǎn)化為電量，計(jì)算出3類烤房的單位能耗除濕量。結(jié)果見表3，熱泵烤房的單位能耗除濕量遠(yuǎn)高于生物質(zhì)顆粒烤房和燃煤烤房，其值是生物質(zhì)顆?？痉康?.53倍，是燃煤烤房的1.90倍?？梢姛岜每痉棵黠@提高了煙葉烘烤的平均單位能耗除濕量，干燥節(jié)能優(yōu)勢明顯。

表1 不同烤房能耗對比

表2 污染物減排量對比

表3 不同烤房單位能耗除濕量對比

表4 不同烤房烘烤成本對比

表5 不同烤房烤后煙經(jīng)濟(jì)性狀對比

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

2.2.1 干煙烘烤成本分析 由式(4)得到紅花大金元中部葉烘烤成本見表4，每千克干煙的用工成本和能耗成本，熱泵烤房明顯低于生物質(zhì)顆?？痉亢腿济嚎痉俊Ｃ壳Э烁蔁煶杀?，熱泵烤房分別比生物質(zhì)顆?？痉亢腿济嚎痉可?9.60 %和55.52 %。熱泵烤房自控性能強(qiáng)于對照烤房，節(jié)省了用工成本。熱泵烤房烘烤減工降本具有明顯優(yōu)勢。

2.2.2 烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀分析 中國依據(jù)烘烤后煙葉的油分、色度、成熟度、厚度、葉片結(jié)構(gòu)、煙葉香氣、化學(xué)成分等多種因素將烤后煙葉劃分為上等煙、中等煙、下等煙、低等煙4個等級。烘烤方式和烘烤工藝直接影響煙葉等級，煙葉等級決定煙葉生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

由表5可見，熱泵烤房烤后煙葉均價為30.38元·kg-1，生物質(zhì)顆?？痉繛?9.22元·kg-1，燃煤烤房為28.16元·kg-1，差異明顯，每千克干煙均價，熱泵烤房分別比生物質(zhì)顆粒烤房和燃煤烤房多出3.97 %和7.88 %。熱泵烤房烤后煙葉上中等煙率較生物質(zhì)顆?？痉亢腿济嚎痉糠謩e提升3.41和5.83個百分點(diǎn)。綜合可得出采用熱泵烤房烘烤烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀最優(yōu)。

若以每公頃煙田平均年產(chǎn)2250 kg干煙計(jì)算，采用閉式熱風(fēng)循環(huán)密集烤房熱泵烘烤，相比生物質(zhì)顆粒烘烤可節(jié)約烘烤成本4680.00元· hm-2，增加煙葉產(chǎn)值2610.00元·hm-2，綜合經(jīng)濟(jì)效益提高7290.00元·hm-2；相比燃煤烘烤節(jié)約烘烤成本3960.00元·hm-2，增加煙葉產(chǎn)值4815.00元·hm-2，綜合經(jīng)濟(jì)效益提高8775.00元·hm-2。這對于提高煙農(nóng)收入，保證煙草行業(yè)發(fā)展具有重要意義。

3 討 論

2010年，國家煙草專賣局提出“節(jié)能降本、減工增效”的方針后，煙草行業(yè)在煙葉生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)均進(jìn)行了深入研究。在煙葉烘烤環(huán)節(jié)，圍繞熱泵烤房、電磁烤房、醇基烤房、太陽能輔助烤房等利用清潔能源進(jìn)行了烘烤研究[18-20]，力求節(jié)能環(huán)保，減工降本。顯然，隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以燃煤為主的密集烤房有諸多不足，并制約了烤煙生產(chǎn)的發(fā)展。熱泵烘烤利用電能為消耗能源，與傳統(tǒng)燃煤和生物質(zhì)顆粒烘烤相比具有的節(jié)能性好、經(jīng)濟(jì)性高等特點(diǎn)。

通過研究，閉式熱風(fēng)循環(huán)密集烤房熱泵烘烤耗能大幅度降低，并減少大氣污染物如CO2、SO2、粉塵的排放[21]。在系統(tǒng)性能方面，閉式熱風(fēng)循環(huán)密集烤房熱泵烘烤的單位能耗除濕量高于生物質(zhì)顆粒烘烤和燃煤烘烤，這主要是因?yàn)闊岜煤婵纠秒娔芄?，以蒸發(fā)器冷凝除濕[9]，有回收煙氣余熱功能，熱能利用效率高，顯著提升單位能耗除濕量，具有良好的節(jié)能效果。

使用閉式熱風(fēng)循環(huán)密集烤房熱泵烘烤煙葉，烘烤得到1 kg干煙葉的成本為1.41元，且烤后煙葉中上等煙率高，均價提高。這是因?yàn)闊岜煤婵静捎梦㈦娔X控制，自動化程度較高，無需人工添加燃料，降低勞動強(qiáng)度，減少烘烤用工數(shù)量，且在政策的扶持下，電價相對較低，節(jié)約大量能耗成本。熱泵烤房升溫和穩(wěn)溫控制精準(zhǔn)，利于烘烤煙葉外觀質(zhì)量的形成及內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化[8]。采用閉式熱風(fēng)循環(huán)密集烤房熱泵烘烤在降低烘烤成本的同時增加烤后煙葉的產(chǎn)值，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。聶榮邦等[22]和段美珍等[23]的研究也有類似結(jié)果。

本次試驗(yàn)，利用3類密集烤房，上千千克鮮煙葉，試驗(yàn)周期長，成本高。在今后的研究工作中，可以嘗試?yán)脽熑~烘烤模擬機(jī)進(jìn)行煙葉烘烤試驗(yàn)[24]，降低試驗(yàn)成本。同時還應(yīng)加強(qiáng)熱泵煙葉烘烤系統(tǒng)運(yùn)行特性方面的研究，在保證烤后煙葉質(zhì)量的前提下，通過設(shè)備改造完善，工藝配套調(diào)整等進(jìn)一步提高熱泵烤煙的可行性，更好地體現(xiàn)熱泵烘烤的優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

使用閉式熱風(fēng)循環(huán)密集烤房熱泵烘烤，具有降低烘烤能耗、環(huán)保、單位能耗除濕量大等優(yōu)點(diǎn)，并能保證煙葉質(zhì)量，降低烘烤成本，提高烤后上中等煙葉率，明顯提升均價。較生物質(zhì)顆粒烘烤和燃煤烘烤在節(jié)能減排、減工降本、提質(zhì)增效方面具有明顯優(yōu)勢，具有良好的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。在熱泵技術(shù)的發(fā)展中，閉式熱風(fēng)循環(huán)密集烤房熱泵烘烤具有寬廣的應(yīng)用前景。