熱泵烤房及其供熱能源對煙葉烘烤效益的影響

朱偉，肖文鋒，姚雪梅，李正平，陳立軍，劉京，賀立偉*

(1 湖南省煙草公司邵陽市公司，湖南 邵陽 422000： 2 中國煙草總公司湖南省公司，湖南 長沙 410004； 3 湖南省煙草公司邵陽市公司隆回縣分公司，湖南 隆回 422200)

密集烤房是當(dāng)前我國用于煙葉調(diào)制的主要設(shè)施[1]。我國現(xiàn)階段煙葉烘烤中廣泛采用燃煤為供熱能源[2]。但燃煤供熱方式存在能源利用率低、升溫不平穩(wěn)、穩(wěn)溫效果差等缺點(diǎn)，且其產(chǎn)生的硫化物、粉塵顆粒等有害物質(zhì)排放易引起環(huán)境污染等問題，是制約我國煙葉烘烤效率提升的主要因素[3-4]。近年來，隨著“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”總體發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施及現(xiàn)代煙草產(chǎn)業(yè)的縱深發(fā)展，烤房改進(jìn)和煤炭替代能源的開發(fā)與利用已成為我國煙葉生產(chǎn)中重點(diǎn)關(guān)注的方向[5-6]。熱泵供熱技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用、烤房設(shè)備的更新?lián)Q代以及煙葉烘烤技術(shù)的變革，為以電能為供熱能源的熱泵烘烤技術(shù)的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)[7-13]。電能熱泵烤房加熱室由壓縮機(jī)、電熱絲、風(fēng)機(jī)等主要設(shè)備組成，采取氣流下降方式進(jìn)行熱風(fēng)循環(huán)，可通過加強(qiáng)內(nèi)循環(huán)除濕保溫，減少傳統(tǒng)密集型烤房烘烤過程中的煙葉香氣物質(zhì)損失，從而提高煙葉品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)降本增效[14-15]。此外，熱泵烤房以清潔的電能為熱源，能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煙葉烘烤環(huán)節(jié)的節(jié)能、減排[16-17]。邵陽是湖南省主產(chǎn)煙區(qū)之一，所產(chǎn)煙葉具有焦甜、醇甜香型的典型特點(diǎn)，是浙江中煙、廣西中煙等工業(yè)企業(yè)優(yōu)質(zhì)煙葉原料的重要供應(yīng)基地。該地在煙葉烘烤環(huán)節(jié)以燃煤為主要供能形式，存在燃煤密集烤房煙葉烘烤的普遍性問題。本研究對不同熱泵設(shè)備以及不同供能形式下的煙葉烘烤效益進(jìn)行比較，以為熱泵烘烤設(shè)備的選擇及其推廣應(yīng)用提供支撐，從而推進(jìn)邵陽煙區(qū)煙葉生產(chǎn)中清潔能源的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和供試品種

試驗(yàn)于2020年7—8月在隆回縣灘頭鎮(zhèn)白居村、新寧縣巡田鄉(xiāng)巡江村和臘元村進(jìn)行，供試烤煙品種為云煙87。

JC-5HGK70熱泵，功率為18.5 kW(其中電輔熱6 kW)，由福建邵武市精成機(jī)械制造有限公司提供；ZW79KAE熱泵，功率為26.5 kW(其中電輔熱6 kW)，由湖南田野現(xiàn)代智能裝備有限公司提供；一次性加煤非金屬烤房、生物質(zhì)燃燒爐烤房，均為當(dāng)?shù)責(zé)熑~生產(chǎn)現(xiàn)有烤房設(shè)備。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)I：不同熱泵烤房試驗(yàn)。單因素完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)兩種熱泵烤房，即JC-5HGK70熱泵烤房(隆回縣灘頭鎮(zhèn)白居村)和ZW79KAE熱泵烤房(新寧縣巡田鄉(xiāng)巡江村)，3次重復(fù)。供試鮮煙葉取自同一塊地的同部位煙葉，鮮煙質(zhì)量均勻一致，采用煙夾裝煙，裝煙量為350夾，采用三段式烘烤工藝進(jìn)行烘烤。

試驗(yàn)II：不同供熱能源試驗(yàn)。單因素完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)3種供熱能源，即燃煤供熱(T1)、生物質(zhì)燃料供熱(T2)、電能供熱(JC-5HGK70熱泵)(T3)，于新寧縣巡田鄉(xiāng)巡江村和臘元村進(jìn)行，3次重復(fù)。供試鮮煙葉取自同一塊地的同部位煙葉，鮮煙質(zhì)量均勻一致，煙夾裝煙，裝煙量為350夾，采用三段式烘烤工藝進(jìn)行烘烤。

1.3 觀測項(xiàng)目及方法

(1)烤房干濕溫度動(dòng)態(tài)變化。自點(diǎn)火升溫后，每4 h記錄一次烤房的干球溫度和濕球溫度，直到烘烤結(jié)束。

(2)煙葉經(jīng)濟(jì)性狀分析。煙葉裝房前每處理選擇具有代表性的煙葉各12夾，分別稱其鮮質(zhì)量并掛牌記錄，2次重復(fù)。將標(biāo)識(shí)煙分別掛置在供試烤房裝煙室4 m的位置，底層、中層、上層中部左右各2夾。烘烤結(jié)束煙葉回潮后，將其分級并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性狀分析。

(3)烘烤能耗成本分析。測定各試驗(yàn)烤房的用煤量、生物質(zhì)燃料用量、用電量、烘烤時(shí)間，綜合計(jì)算單位質(zhì)量干煙的能耗成本。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2017進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖，采用SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同型號(hào)熱泵烤房烘烤工藝執(zhí)行情況

如表1所示，在全自動(dòng)控制的烘烤過程中，JC-5HGK70熱泵烤房(H1)和ZW79KAE熱泵烤房(H2)的實(shí)際干、濕球溫度曲線與設(shè)定的干、濕球溫度曲線基本一致，兩類烤房干、濕球溫度的波動(dòng)可分別控制在±0.5 ℃和±0.3 ℃以內(nèi)。說明兩種型號(hào)的熱泵烤房對溫度、濕度的控制精度準(zhǔn)確，供熱穩(wěn)定，2個(gè)試驗(yàn)處理在溫濕度調(diào)控方面的性能都能滿足煙葉烘烤要求，能夠按照預(yù)設(shè)烘烤曲線進(jìn)行溫濕度控制。

2.2 不同型號(hào)熱泵烤房的煙葉烘烤成本

由表2可知，不同類型熱泵烤房的能耗存在較大差異。ZW79KAE熱泵烤房烘烤總耗電量、每千克干煙耗電量分別為1 958.71、3.05 kW/h，分別是JC-5HGK70熱泵烤房的1.95倍和1.69倍，JC-5HGK70熱泵烤房的耗電量更低，在降低煙葉烘烤成本方面更具優(yōu)勢。

表1 不同類型熱泵烤房干球、濕球溫度執(zhí)行情況

表2 不同熱泵烤房烘烤上部煙葉的能耗情況

2.3 不同能源類型烤房煙葉烘烤工藝執(zhí)行情況

由表3可知，不同能源類型的烤房在煙葉烘烤中的溫濕度調(diào)控均能夠滿足煙葉烘烤的要求，但燃煤烤房在升溫過程中的溫度較難把控，容易出現(xiàn)升溫過高等偏溫現(xiàn)象，而電能熱泵烤房和生物質(zhì)燃料爐烤房相較于燃煤烤房能更加快速、精準(zhǔn)地提升和控制溫度，熱泵烤房和生物質(zhì)烤房烘烤工藝執(zhí)行的準(zhǔn)確性要優(yōu)于燃煤烤房。

2.4 不同能源類型烤房煙葉烘烤能耗情況

由表4可知，雖然T1(燃煤)與T2(生物質(zhì)燃料)處理烘烤燃料用量差異較大，但由于燃料單價(jià)的差異，其燃料費(fèi)用差異不大，生物質(zhì)燃料烘烤耗電量與總電費(fèi)略高于燃煤型烤房；T3(電能熱泵烤房)處理每千克干煙的能耗成本為1.36元，較T1與T2處理分別降低了33.98%和32.00%。燃煤烤房和生物質(zhì)燃料烤房的烘烤能耗成本主要來自燃料費(fèi)用，受燃料價(jià)格的影響較大；熱泵烤房能耗成本為電費(fèi)，電價(jià)相對穩(wěn)定，且無添加燃料和清除爐灰成本，因此其烘烤綜合成本更低，在煙葉烘烤節(jié)本方面具有明顯優(yōu)勢。

表3 不同能源類型烤房干球、濕球溫度執(zhí)行情況

表4 不同能源類型烤房的煙葉烘烤能耗情況

2.5 不同能源類型烤房烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀

由表5可知，與燃煤(T1)、生物質(zhì)燃料烤房(T2)相比，電能熱泵烤房(T3)烘烤的中部煙葉上等煙比例分別提高26.90%和13.84%，煙葉均價(jià)分別提高了8.55%和5.27%；上部煙葉上等煙比例分別提高了6.76%和1.28%，均價(jià)分別提高了3.80%和2.07%。利用電能熱泵烤房進(jìn)行煙葉烘烤，烘烤操作更加規(guī)范，烘烤工藝落實(shí)更加到位，有利于提高烤后煙葉上等煙比例和均價(jià)，從而提高煙葉的經(jīng)濟(jì)效益。

表5 不同能源類型烤房烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀比較

3 討論

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，人們的環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)，如何提高煙葉烘烤的熱能利用率，降低成本，減輕污染，并確保煙葉烘烤質(zhì)量，增加經(jīng)濟(jì)收益，已成為煙葉烘烤的重要課題。隨著烤煙種植總量的減少、產(chǎn)區(qū)的優(yōu)化、生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變和勞動(dòng)力的日趨緊張，煙草高質(zhì)量發(fā)展迫切需要改變傳統(tǒng)煙葉烘烤供能模式。

隨著我國電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷完善，廣大農(nóng)村使用電力的成本逐漸降低，用電也更加便捷，因此空氣源熱泵供熱技術(shù)在煙葉烘烤中的應(yīng)用前景越來越好。前人研究[1，18-19]表明，與傳統(tǒng)燃煤烤房相比，空氣能熱泵型烤房性能較好，平面溫差和垂直溫差較小，風(fēng)速適宜，通風(fēng)排濕順暢，烤房的能耗及用工較少；其烤后煙葉的外觀質(zhì)量和評吸質(zhì)量明顯提高，平衡含水率和填充值適宜、出絲率高，化學(xué)成分比例協(xié)調(diào)，香氣質(zhì)好，香氣量足。因此，空氣能熱泵烤房完全可以替代煤炭、生物燃料等供能烤房。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電能熱泵加熱設(shè)備在溫濕度調(diào)控方面的性能都能夠滿足煙葉烘烤的要求，能夠按照預(yù)設(shè)烘烤曲線進(jìn)行溫濕度控制，其中JC-5HGK70熱泵設(shè)備能耗更低。電能熱泵烤房無溫室氣體、燃料殘?jiān)漠a(chǎn)生，相比燃煤和生物質(zhì)燃料烤房更加環(huán)保。同時(shí)，電能熱泵烤房減少了烘烤燃料的使用，減少了清除爐灰用工成本，其烘烤綜合成本降幅較大，且有利于提高烤后煙葉的上等煙比例，能夠提升烤后煙葉質(zhì)量等級和烤煙效益。

4 結(jié)論

綜合分析，采用電能熱泵烤房烘烤煙葉能夠減少耗能，綜合成本低，且有利于提高烤后煙葉質(zhì)量。因此，隨著電力基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，在解決了電力增容、線路改造等技術(shù)和資金問題，進(jìn)一步降低建設(shè)和改造成本后，電能熱泵密集烤房具有良好的推廣應(yīng)用前景。