熱泵除濕對(duì)密集烘烤溫度場(chǎng)和品質(zhì)效果的影響

張 燁，王 行，王曉賓，歐文妍，鐘嘉豪，何振峰

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510642；2.廣東煙草韶關(guān)市有限公司，廣東 韶關(guān) 512023；3.中國(guó)煙草總公司廣東省公司，廣東 廣州 510610；4.廣東煙草惠州市有限責(zé)任公司，廣東 惠州 516083）

0 引言

煙葉烘烤是決定煙葉最終產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量的關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)[1]。目前，我國(guó)煙葉烘烤主要以燃煤為主[2-5]，采用大風(fēng)量、外排濕方式進(jìn)行作業(yè)，溫度難控制、易波動(dòng)問(wèn)題嚴(yán)重，且大量濕熱氣體排出烤房造成能源浪費(fèi)，燃煤煙氣外排易造成環(huán)境污染，不符合2020 年全國(guó)煙草工作會(huì)議中對(duì)綠色低碳節(jié)能烘烤要求[6]。許多學(xué)者通過(guò)研究溫度控制算法或通過(guò)CFD 等仿真手段研究和改善燃煤烤房溫度場(chǎng)不均的問(wèn)題[7-10]，亦或采用甲醇或生物質(zhì)顆粒代替燃煤[11-13]，雖能提高溫度控制精度，有效降低煙氣污染排放，但烘烤成本較高，且燃料熱值不能得到穩(wěn)定保證。

熱泵內(nèi)循環(huán)除濕烘烤能有效解決污染排放和高能耗的問(wèn)題，利用蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)水熱分離，除去介質(zhì)水分，再通過(guò)冷凝器升溫達(dá)到烘烤溫度要求[14-16]，減少了外排濕造成的能源浪費(fèi)和香氣揮發(fā)，提高煙葉烤后品質(zhì)，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)煙葉智能化發(fā)展具有重要的社會(huì)意義[17-18]。

因此，本文以粵煙97 為試驗(yàn)樣品，設(shè)計(jì)了熱泵除濕（HP）和傳統(tǒng)燃煤（TC）密集烤房烘烤效能試驗(yàn)，通過(guò)采集系統(tǒng)獲得烤房?jī)?nèi)溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)以及電耗，分析了HP 和TC 2 種方式烤房?jī)?nèi)溫度場(chǎng)均勻性情況；結(jié)合烤后干煙質(zhì)量，為廣東省煙葉烘烤節(jié)能減排、提質(zhì)增效、減工降本提供了技術(shù)和理論創(chuàng)新支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2020 年6 月在廣東省韶關(guān)南雄煙草研究所進(jìn)行，試驗(yàn)品種選取同地塊生長(zhǎng)狀況、成熟度一致的烤煙品種粵煙97 的中部煙葉。

試驗(yàn)烤房為氣流下降式密集烤房2 座，烤房規(guī)格：裝煙室凈空規(guī)格（L×W×H）為8.0 m×2.7 m×3.5 m，總裝煙量約為4 500 kg。

采用煙夾方式，分上中下3 棚掛煙，每個(gè)烤房裝煙310 夾，每夾煙葉質(zhì)量（14.5±0.5）kg，鮮煙葉初始含水率為77.6%，煙夾均勻分布在裝煙室內(nèi)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在氣流下降式密集烤房中進(jìn)行，分別采用熱泵除濕（HP）和傳統(tǒng)燃煤（TC）2 種熱能供給方式進(jìn)行對(duì)比分析，其中，熱泵的最大制熱量為45 kW，最大輸入功率為15 kW?？痉亢?jiǎn)易結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

烤房總長(zhǎng)8 m，D 面為進(jìn)、回風(fēng)口截面，在烤房?jī)?nèi)距離D 面2、4、6 m 處，分別選取截面A、B 和C面。熱風(fēng)在軸流風(fēng)機(jī)作用下，從D 面上端的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入裝煙室，依次通過(guò)A、B、C 面的上棚、中棚和下棚煙葉，與煙葉進(jìn)行完全熱質(zhì)交換，在提供煙葉烘烤所需熱量的同時(shí)，帶走煙葉表面水分，最終從D 面下端的回風(fēng)口重新進(jìn)入加熱室，完成1 次熱風(fēng)循環(huán)，具體工藝設(shè)定參數(shù)如表1 所示。

表1 工藝曲線表

在密集烤房中分布有22 個(gè)干濕球溫度采集點(diǎn)，采用DS18B20 干濕球溫度傳感器進(jìn)行烤房?jī)?nèi)的干濕球溫度測(cè)定，對(duì)傳感器進(jìn)行溫度標(biāo)定后，如圖1 所示布置于烤房?jī)?nèi)。在進(jìn)、回風(fēng)口處以及A、B、C 截面的上、中、下棚的煙葉層中各分布2 個(gè)溫度采集點(diǎn)。通過(guò)煙葉烘烤流態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每10 min 記錄1 次數(shù)據(jù)，1 h 內(nèi)6 個(gè)溫度數(shù)值求和取平均值，獲得該小時(shí)的溫度數(shù)值，根據(jù)同一層內(nèi)的2 個(gè)溫度采集點(diǎn)數(shù)值取平均值，作為該層的溫度特征數(shù)據(jù)。每個(gè)烤房均安裝有智能電度表，通過(guò)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄烤房的能耗數(shù)據(jù)，形成能耗動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

1.3 評(píng)價(jià)方法

1）烘烤成本。根據(jù)TC 烤房和HP 烤房所用的煤、電消耗量及人力成本，結(jié)合最終烤房的干煙質(zhì)量和干煙單價(jià)，計(jì)算每kg 干煙的烘烤成本。

2）烤后煙葉外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)?？竞鬅熑~經(jīng)回潮平衡水分后，依據(jù)GB2635-1992《烤煙》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括成熟度、油分、顏色、身份、結(jié)構(gòu)、色度、含青度、掛灰等外觀質(zhì)量。

3）烤后煙葉化學(xué)成分分析評(píng)價(jià)。選取烤后煙葉樣品進(jìn)行主要化學(xué)成分化驗(yàn)分析，包括總糖、還原糖、總煙堿、總氮、氯、鉀、還原糖和總糖比、還原糖和煙堿比、氮堿比、鉀氯比等?？偺?、還原糖根據(jù)YC/T 159-2002《煙草及煙草制品 水溶性糖的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)法》標(biāo)準(zhǔn)采用全自動(dòng)連續(xù)流動(dòng)分析儀進(jìn)行檢測(cè)，氯根據(jù)YC/T162-2001《煙草及煙草制品氯的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)法》標(biāo)準(zhǔn)采用全自動(dòng)連續(xù)流動(dòng)分析儀進(jìn)行檢測(cè)，鉀根據(jù)YC/T217-2007《煙草及煙草制品 鉀的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)法》標(biāo)準(zhǔn)采用全自動(dòng)連續(xù)流動(dòng)分析儀進(jìn)行檢測(cè)，總煙堿根據(jù)YC/T34-1996《煙草及煙草制品 總植物堿的測(cè)定 光度法》標(biāo)準(zhǔn)采用分光光度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，總氮根據(jù)NY/T 1121.24-2012《土壤檢測(cè) 第24 部分土壤全氮的測(cè)定自動(dòng)定氮儀法》標(biāo)準(zhǔn)采用全自動(dòng)凱氏定氮儀進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同方式對(duì)密集烤房溫度場(chǎng)均勻性影響

2.1.1 TC和HP密集烤房干球溫度對(duì)比分析

為了驗(yàn)證TC 和HP 2 種方式對(duì)密集烘烤過(guò)程的溫度分布的影響，分別選取了TC 和HP 的溫度控制點(diǎn)作為試驗(yàn)指標(biāo)，與烘烤工藝設(shè)定曲線進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖2 所示。

從圖2 可以看出，隨著烘烤時(shí)間的推移，TC 和HP 的干球溫度上升趨勢(shì)與設(shè)定工藝基本保持一致，但TC 與設(shè)定工藝干球溫度之間的偏差大于HP 與設(shè)定工藝的偏差，對(duì)偏差進(jìn)行方差分析，如表2 所示。TC 方式最大偏差為4.46℃，偏差平均值為1.855℃，方差為1.723℃2，標(biāo)準(zhǔn)差為1.313℃，而HP 方式最大偏差為2.26℃，偏差平均值為0.754℃，方差為0.291℃2，標(biāo)準(zhǔn)差為0.540℃。從方差分析可看出，對(duì)比燃煤方式，熱泵除濕方式能提供一個(gè)較為穩(wěn)定的溫度場(chǎng)進(jìn)行煙葉烘烤，烘烤環(huán)境溫度偏差波動(dòng)較小，能有效保證煙葉烘烤質(zhì)量。

圖2 TC 和HP 密集烤房控制點(diǎn)干球溫度研究

表2 TC和HP與設(shè)定溫度偏差的方差分析

2.1.2 TC和HP水平方向干球溫度分布

溫度的空間分布對(duì)于煙葉烘烤具有十分重要的作用。試驗(yàn)選取了B 面上棚溫度和C 面上棚溫度作為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行TC 和HP 方式水平方向干球溫度研究，結(jié)果如圖3 所示。由于C 面距離D 面較遠(yuǎn)，且通風(fēng)層內(nèi)有煙葉吸收熱量，故C 面上棚溫度應(yīng)低于B 面上棚溫度，試驗(yàn)結(jié)果符合理論模型。

由圖3 可以看出，TC 的干球溫度均高于HP 的干球溫度，選取B-C 面的干球溫度差作為考察TC和HP 的水平方向干球溫度的指標(biāo)，使用SPSS 進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3 所示。TC 方式的B-C 面干球溫度差，其最大值為3.90℃，平均值為2.43℃，方差為0.638℃2，標(biāo)準(zhǔn)差為0.799℃；HP 方式的B、C面干球溫度差，其最大值為2.20℃，平均值為1.54℃，方差為0.237℃2，標(biāo)準(zhǔn)差為0.487℃。

圖3 TC 和HP 水平方向干球溫度研究

有研究表明，烤房?jī)?nèi)的溫度分布處于均衡狀態(tài)時(shí)，有利于整房煙葉酶促物質(zhì)轉(zhuǎn)化和失水干燥的速度協(xié)調(diào)一致，提高煙葉質(zhì)量。從表3 可看出，TC方式的最大值、平均值、方差和標(biāo)準(zhǔn)差均大于HP方式，從側(cè)面說(shuō)明了傳統(tǒng)燃煤方式存在較大的熱慣性，造成溫度場(chǎng)熱值偏差幅度偏大，以及溫度場(chǎng)均勻性較差；而熱泵除濕方式在烤房?jī)?nèi)溫度場(chǎng)的偏差較小，能有效控制并輸出均勻的溫度場(chǎng)，保證煙葉在穩(wěn)定的溫度場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行烘烤作業(yè)，從而提高煙葉烘烤品質(zhì)。

表3 TC和HP水平方向干球溫度差的方差分析

2.1.3 TC和HP垂直方向干球溫度分布

為了更為直觀的研究密集烤房垂直方向的干球溫度分布，試驗(yàn)選取了B 面上棚和下棚測(cè)試點(diǎn)干球溫度作為研究對(duì)象，試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 TC 和HP 垂直方向干球溫度研究

從圖4 可以看出，隨著烘烤的進(jìn)行，B 面垂直方向上棚和下棚的干球溫度逐步上升，且與烘烤過(guò)程溫度設(shè)定較為一致。TC 的上下棚溫度差較大，特別在變黃后期至定色中期階段，隨著時(shí)間的推移呈逐漸增大趨勢(shì)，其最大溫差高達(dá)5.91℃。造成這一現(xiàn)象的原因可能在于，該階段煙葉處于快速去水狀態(tài)，而TC 密集烤房一般采用水分外排方式，將高濕介質(zhì)通過(guò)烤房底部排濕窗排出密集烤房，實(shí)現(xiàn)煙葉除濕。下棚煙葉檢測(cè)點(diǎn)與排濕窗上沿基本處于同一水平面，且燃煤供熱不均勻性較高，造成下棚干球溫度偏低，則上下棚溫差較大。通過(guò)SPSS 進(jìn)行方差分析可知，TC 上下棚平均溫差為4.19℃，方差為1.074℃2，標(biāo)準(zhǔn)差為1.036；而HP 的上下棚溫度偏差較小，其最大溫差為1.52℃，平均溫差為1.21℃，方差為0.025℃2，標(biāo)準(zhǔn)差為0.160℃。結(jié)果說(shuō)明，熱泵除濕方式上下棚溫差較小，有利于形成穩(wěn)定的烤房?jī)?nèi)溫度流場(chǎng)，促進(jìn)整個(gè)烤房的煙葉酶促物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化和干燥去水，提高烘烤品質(zhì)。

表4 TC和HP垂直方向干球溫度差的方差分析

2.2 不同方式密集烤房烘烤成本分析

通過(guò)記錄TC 和HP 烤房在整個(gè)烘烤過(guò)程中，所消耗的煤量、電量以及人員用工成本，計(jì)算結(jié)果列于表5。由表5 可知，TC 烤房一烤煙的干煙質(zhì)量為621 kg，燃煤耗煤量為1.1 t，燃煤成本為1 265 元，風(fēng)機(jī)、新風(fēng)門(mén)等設(shè)備耗電量為338 kW·h，電耗成本為185.9 元，總能耗成本為1 450.9 元，人員用工時(shí)長(zhǎng)約為1.5 工日，人員用工成本約為270 元。故TC烤房一烤煙的總成本為1 720.9 元，單位干煙成本為2.77 元/kg。HP 烤房一烤煙的干煙質(zhì)量為684 kg，熱泵除濕、風(fēng)機(jī)、新風(fēng)門(mén)等設(shè)備耗電量約為1 350 kW·h，總能耗成本為742.5 元，人員用工時(shí)長(zhǎng)約為0.3 工日，人員用工成本約為54 元。故HP 烤房一烤煙的總成本為796.5 元，單位干煙成本為1.16 元/kg。

表5 密集烤房烘烤成本統(tǒng)計(jì)

綜合對(duì)比TC 和HP 2 種烘烤方式，在干煙質(zhì)量相當(dāng)?shù)那闆r下，HP 的總能耗成本為T(mén)C 烤房的51.18%，節(jié)能效果顯著；HP 的人員用工成本僅為T(mén)C 的20%，原因在于，TC 方式需要人員不定時(shí)的去加煤加料（加煤次數(shù)超過(guò)30 次），而HP 方式僅需要設(shè)定好干濕球曲線，定期觀看煙葉烘烤變化進(jìn)行微調(diào)即可，HP 方式能有效減少人員使用成本。最終計(jì)算可得，熱泵除濕烘烤的總成本為傳統(tǒng)燃煤烘烤的46.28%，單位干煙葉成本為傳統(tǒng)燃煤烘烤的41.88%。

2.3 密集烤房烤后煙葉外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)

密集烤房烤后煙葉外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果如表6 所示，從表6 中可以看出，TC 和HP 方式烤后煙葉的外觀質(zhì)量有一定區(qū)別，主要體現(xiàn)在顏色、結(jié)構(gòu)、含青度和掛灰等指標(biāo)上，而其他如成熟度、油分、身份、色度指標(biāo)差異不明顯。TC 方式的烤后煙葉外觀表現(xiàn)為成熟，油分多，顏色偏橘-檸色，身份中等，結(jié)構(gòu)較為緊密，色度強(qiáng)，有一定含青，有掛灰；而HP 方式的烤后煙葉外觀表現(xiàn)為成熟，油分多，顏色多為橘黃，身份中等，結(jié)構(gòu)疏松，色度強(qiáng)，有微少含青，稍有掛灰。熱泵除濕的烤后煙葉在顏色、結(jié)構(gòu)、含青度和掛灰4 個(gè)指標(biāo)上表現(xiàn)稍好于傳統(tǒng)燃煤方式的烤后煙葉。

2.4 密集烤房烤后煙葉化學(xué)成分評(píng)價(jià)

TC 和HP 方式烤后煙葉的化學(xué)成分如表7 所示。一般而言，優(yōu)質(zhì)煙的還原糖/總糖應(yīng)≥0.9 為宜，還原糖/煙堿以8～12 為宜，總氮/煙堿以1 或略小于1 為宜，鉀氯比以＞4 為宜[19]。從表7 可知，TC 與HP 2 種烤煙方式的2 糖比均大于0.9，鉀氯比均在4 以上，但HP 方式的還原糖/煙堿和氮堿比均優(yōu)于TC 方式，說(shuō)明熱泵除濕方式的主要化學(xué)成分協(xié)調(diào)性較好。

表7 烤后煙葉化學(xué)成分評(píng)價(jià)

3 結(jié)論與討論

1）在相同烘烤工藝條件下，傳統(tǒng)燃煤密集烤房排濕方式采用冷空氣接入排濕，易造成烤房?jī)?nèi)溫度波動(dòng)，溫度最大偏差為4.46℃，偏差平均值為1.855℃，方差為1.723℃2，標(biāo)準(zhǔn)差為1.313℃，而熱泵除濕密集烤房采取密閉環(huán)境下水熱分離技術(shù)，烤房?jī)?nèi)部始終是一個(gè)穩(wěn)定溫度氣場(chǎng)，溫度最大偏差為2.26℃，偏差平均值為0.754℃，方差為0.291℃2，標(biāo)準(zhǔn)差為0.540℃，說(shuō)明熱泵除濕方式烘烤環(huán)境溫度偏差波動(dòng)較小，能夠保證煙葉烘烤質(zhì)量。

2）從水平方向和垂直方向的溫度場(chǎng)分析可得，熱泵在烤房?jī)?nèi)水平溫度場(chǎng)和垂直溫度場(chǎng)的偏差均較小，能有效控制并形成穩(wěn)定的烤房?jī)?nèi)溫度流場(chǎng)，有利于促進(jìn)整個(gè)烤房的煙葉酶促物質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化和干燥去水，提高煙葉烘烤品質(zhì)。

3）在成本評(píng)價(jià)方面，在干煙質(zhì)量相當(dāng)?shù)那闆r下，熱泵除濕烘烤的總成本為傳統(tǒng)燃煤烘烤的46.28%，單位干煙葉成本為傳統(tǒng)燃煤烘烤的41.88%，起到了節(jié)能減排效果。

4）在烤后煙葉外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)方面，熱泵除濕的烤后煙葉在顏色、結(jié)構(gòu)、含青度和掛灰4 個(gè)指標(biāo)上表現(xiàn)稍好于傳統(tǒng)燃煤方式的烤后煙葉；烤后煙葉的還原糖/煙堿和氮堿比均優(yōu)于傳統(tǒng)燃煤方式，主要化學(xué)成分協(xié)調(diào)性較好，提高了煙葉烘烤質(zhì)量。