煙葉烘烤多元式清潔供熱系統(tǒng)研究與應(yīng)用

郭全偉，張成雙，王玉華，范增博，張勇，曾智勇，李士磊

(1.山東濰坊煙草有限公司，山東 濰坊 261205；2.深圳市愛能森科技有限公司，廣東 深圳 518000)

中國是全球最大的煙草生產(chǎn)國，傳統(tǒng)上煙葉烘烤利用煤炭直接燃燒供熱，不僅能耗高，能源利用效率也僅有30%左右[1]，且燃燒釋放大量的空氣有害物質(zhì)，CO2排放量接近800萬t，煙塵約60萬t，有害氣體3萬～5 萬t，并產(chǎn)生大量的固體塵埃顆粒[2]。煤炭供熱，已不符合時代的發(fā)展[3]。雙碳背景下，改變目前常規(guī)煙葉烘烤領(lǐng)域傳統(tǒng)能源應(yīng)用方式，大力發(fā)展綠色能源，應(yīng)用清潔低碳、安全高效的烘烤技術(shù)，對于實現(xiàn)我國節(jié)能減排政策在煙葉烘烤領(lǐng)域有效落地有重要的社會意義及經(jīng)濟(jì)價值。

近年來，用熱泵取代傳統(tǒng)燃煤烘烤技術(shù)已成為煙葉烘烤領(lǐng)域研究方向之一[4-5]。宮長榮等[5]將熱泵加熱和冷凝除濕原理首次應(yīng)用于煙葉烘烤，實驗證明煙葉烘烤過程中溫濕度環(huán)境和煙葉變化均衡，可有效提高烤后煙葉質(zhì)量。呂君等[6]研究發(fā)現(xiàn)，干煙熱泵烤房較燃煤烤房降低成本0.85 元·kg-1。聶榮邦等[7]研究表明，熱泵烤房烤后質(zhì)量煙葉較傳統(tǒng)燃煤烤房有較大提升，上等煙比例平均高出5.8%。

太陽能是世界上最豐富的綠色永久性能源，作為烤煙的熱源有許多實際的研究。冉茂飛等[8]示范應(yīng)用空氣能熱泵+太陽能輔助烤房示范應(yīng)用，下部、中部、上部葉的上等煙比例分別較對照高4.26%、1.87%、9.71%；能耗綜合成本分別降低0.21、0.30、0.25元。

空氣源熱泵具有低碳環(huán)保的優(yōu)勢，但是空氣能烘干機(jī)組應(yīng)用至今，依然存在低溫烘干時能效低下、換熱器容易結(jié)霜的缺點。常溫烘干時，節(jié)能能力提高受限。如果引入儲能系統(tǒng)可減少熱泵除霜時間，降低系統(tǒng)能耗。因此，為積極探索一種降能耗、減污染、烤好煙的煙葉烘烤模式，從2021年開始，濰坊煙區(qū)研發(fā)應(yīng)用一種集儲能、多能互補(bǔ)、余熱回收、智慧能源的多元式清潔供熱系統(tǒng)，并通過與常規(guī)電熱泵烤房在烘烤成本、煙葉質(zhì)量、設(shè)備運(yùn)行等方面進(jìn)行對比分析，旨在為烤房“煤改電”供熱系統(tǒng)的多元化提供借鑒。

1 多元式清潔供熱系統(tǒng)的技術(shù)原理及建造方法

1.1 技術(shù)原理

以愛能森“儲能+多能互補(bǔ)+智慧能源” 赫愛斯(HSES)清潔供能技術(shù)為核心，自主開發(fā)“儲能+多能互補(bǔ)+余熱回收+智慧能源”的三段式烘烤技術(shù)路線。儲能具體指谷電時段儲熱相變材料進(jìn)行熱量儲存，峰電時段輸出使用，利用峰谷電價差達(dá)到節(jié)能效果。多能互補(bǔ)技術(shù)是指太陽能、空氣能等多種能源相互利用，其中太陽能的利用是通過太陽能板集熱器來實現(xiàn)，空氣能是利用吸收空氣中的能源來實現(xiàn)。熱泵余熱回收技術(shù)是指利用空氣能熱泵將烘烤房內(nèi)部排濕口高溫的濕熱空氣回收再利用。智慧能源系統(tǒng)是指在確定熱量供給的情況下，結(jié)合峰谷時間段，優(yōu)化各個時間段相變儲能系統(tǒng)、烘房內(nèi)部熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)等各個系統(tǒng)的產(chǎn)出，在熱量供給達(dá)標(biāo)的前提下，總電量消耗最低為基本原則。該系統(tǒng)以氟系統(tǒng)為主，水系統(tǒng)為輔，經(jīng)實驗表明，在儲能水箱溫度高達(dá)95 ℃時，可以向高溫55～68 ℃恒溫階段烤房輸送熱量，根據(jù)儲能水箱溫度逐步下降，可向中、低溫36～55 ℃恒溫階段輸送熱量。每噸95 ℃熱水從高至低，放熱時間可達(dá)4～4.5 h，期間恒溫段空氣能熱泵壓縮機(jī)停止運(yùn)行，依靠儲能水箱免費(fèi)的熱量烘烤即可。

1.2 建造方法

多元式清潔供熱系統(tǒng)烤房由常規(guī)密集烤房改造而來，拆卸原燃煤烤房制熱室內(nèi)燃煤鍋爐與內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)，安裝規(guī)格為1 630 mm×1 090 mm×220 mm的空氣能熱泵內(nèi)換熱器、水系統(tǒng)換熱器并做保溫密封處理，熱泵內(nèi)換熱器輔帶18 kW電輔熱系統(tǒng)備用，方便烘烤時檢修及外部環(huán)境溫度太低情況下使用；原內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)拆卸后更換成下降式2.2 kW內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)，耐90 ℃高溫。在4座烤房頂部外平臺對應(yīng)安裝4臺分體式空氣能熱泵，單臺額定制熱功率43 kW，額定輸入功率11 kW，空氣能熱泵與制熱室內(nèi)熱泵內(nèi)換熱器用銅管連接(氟系統(tǒng))傳輸熱量換熱?？痉宽敳總?cè)位安裝銅管鋁板承壓型太陽能集熱器，設(shè)計采光、吸熱面積33.3 m2，吸收率96%±3%；儲能水箱按1 t位設(shè)計，太陽能集熱器與儲能水箱用管道連接(水系統(tǒng))傳輸儲熱熱能，中間配置0.75 kW循環(huán)水泵，設(shè)計一用一備，增加太陽能集熱器與儲能水箱之間的系統(tǒng)水循環(huán)動力。儲能水箱與4支烤房制熱室內(nèi)水系統(tǒng)換熱器管道并聯(lián)連接，中間配置0.75 kW循環(huán)水泵，設(shè)計一用一備，增加水系統(tǒng)循環(huán)動力。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

多元式清潔供熱系統(tǒng)研究始于2021年，2021—2023年在諸城市悅賈煙葉生產(chǎn)專業(yè)合作社烘烤工場開展試驗驗證。供試烤房為多元式清潔供熱系統(tǒng)烤房(A)，采取“一拖四”模式，一套多元式清潔供熱系統(tǒng)同時為四支烤房提供熱量；對照烤房為常規(guī)電熱泵供熱烤房(B)，一支烤房配套一套熱泵。供試煙葉來自于成方連片煙田，栽培和田間管理均按當(dāng)?shù)厣a(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)方案進(jìn)行。

2.2 試驗方法

試驗均采用煙夾裝煙，每夾編煙量、每爐裝煙量基本一致，煙葉品種、部位與成熟度基本相同，每年度分別烘烤下部葉1爐次、中部葉2爐次、上部葉2爐次。采用“八點式”精準(zhǔn)烘烤工藝，烘烤過程中，分別記錄設(shè)備運(yùn)行、用煤用電、耗時等指標(biāo)；烘烤后煙葉分級稱量，記錄橘黃煙比例、上等煙比例及均價；烤后選取中部煙葉3 kg進(jìn)行化驗分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 煙葉烘烤成本分析

試驗中，先后共記載30爐煙葉烘烤數(shù)據(jù)，其中多元式清潔供熱系統(tǒng)烤房(A)15爐次，平均裝煙量3 809 kg，平均烤出干煙506.6 kg；常規(guī)電熱泵供熱烤房(B)烘烤15爐次，平均裝煙量3 728 kg，平均烤出干煙491.2 kg。供試烤房熱量供給來源于電能、太陽能及儲存的能量，對照烤房熱量供給來源電能。試驗結(jié)果表明(表1)，多元式清潔供熱系統(tǒng)烤房(A)1 kg干煙用電量比常規(guī)電熱泵供熱烤房(B)低0.34 kW·h，用電費(fèi)用降低0.19元，節(jié)能降費(fèi)效果達(dá)到15.2%。多元式清潔供熱系統(tǒng)因為儲能系統(tǒng)、太陽能等多能互補(bǔ)系統(tǒng)的加入實現(xiàn)了節(jié)能降費(fèi)的目的。

表1 煙葉烘烤費(fèi)用對比Table 1 Comparison of tobacco leaf baking costs

3.2 烤后煙葉等級質(zhì)量分析

從烤后煙葉等級質(zhì)量對比情況看(表2)，多元式清潔供熱系統(tǒng)烤房(A)橘黃煙比例與常規(guī)電熱泵供熱烤房(B)差別不大，但上等煙比例、均價均高于常規(guī)電熱泵供熱烤房(B)，其中上等煙高出2.03百分點，均價高出0.64元。多元式清潔供熱系統(tǒng)烤房(A)與常規(guī)電熱泵供熱烤房(B)烤煙鮮干比差異不明顯，說明多元式清潔供熱系統(tǒng)設(shè)計合理，運(yùn)行良好，烘烤效果較為理想。

表2 烤后煙葉等級質(zhì)量對比Table 2 Comparison of grade quality of flue-cured tobacco leaves

3.3 烤后煙葉化學(xué)成分及評吸結(jié)果

煙葉化學(xué)成分檢測結(jié)果表明(表3)，多元式清潔供熱系統(tǒng)烤房(A)與常規(guī)電熱泵供熱烤房(B)烤后煙葉總糖、還原糖含量均在適宜的范圍內(nèi)，各化學(xué)成分比較協(xié)調(diào)，處理之間部分指標(biāo)有差異但不明顯，說明多元式清潔供熱系統(tǒng)對烤后煙葉化學(xué)成分無影響。感官評吸質(zhì)量方面，多元式清潔供熱系統(tǒng)烤房(A)得分高于常規(guī)電熱泵供熱烤房(B)，但質(zhì)量評價總體上差異不大(表4)。

表3 烤后煙葉化學(xué)成分對比Table 3 Comparison of chemical components of flue-cured tobacco leaves

表4 煙葉感官評吸結(jié)果Table 4 Sensory evaluation results of tobacco leaves

3.4 設(shè)備運(yùn)行和操控性能分析

由表5可看出，多元式清潔供熱系統(tǒng)烤房(A)與常規(guī)電熱泵供熱烤房(B)在烘烤過程中均無故障發(fā)生，因多元式清潔供熱系統(tǒng)里加入了智慧能源系統(tǒng)，使用觸摸屏界面，與傳統(tǒng)自控儀實體鍵的設(shè)置有一定的區(qū)別，較易操控爐內(nèi)溫濕度。穩(wěn)溫性能方面，主要收集變黃階段和定色前期的干球溫度，結(jié)果顯示，多元式清潔供熱系統(tǒng)烤房(A)可控制在±0.4 ℃范圍之內(nèi)，常規(guī)電熱泵供熱烤房(B)可控制在±0.5 ℃范圍之內(nèi)；在自控設(shè)備性能方面，兩者無明顯差異。綜上所述，多元式清潔供熱系統(tǒng)烤房(A)操作性能更佳。

表5 設(shè)備運(yùn)行和操控性能對比Table 5 Comparison of equipment operation and handling performance

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

空氣源熱泵+太陽能輔助加熱新能源密集烤房對提升煙葉外觀品質(zhì)和柔軟性具有重要意義，但其受天氣和時間因素影響較大，導(dǎo)致升溫穩(wěn)溫和排濕具有一定的滯后性[9]。多元式清潔供熱系統(tǒng)采用“儲能+多能互補(bǔ)+余熱回收+智慧能源”清潔供熱技術(shù)，通過谷電/綠電儲能，用電高峰時釋放能量，可實現(xiàn)系統(tǒng)用電費(fèi)用最小化；烘烤過程中將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，在一定程度上降低了能耗；儲能系統(tǒng)在極端天氣下，太陽能及空氣能熱泵出力嚴(yán)重不足情況下，仍可實現(xiàn)穩(wěn)定供熱，較好解決了空氣源熱泵+太陽能輔助加熱新能源烤房受天氣影響、陰雨天氣或晚上無法獲取充足的熱能等問題。系統(tǒng)采用谷電、棄電、空氣能、太陽能、余熱等多樣化能源，可大幅降低我國煙葉烘烤領(lǐng)域的污染物排放量，同時提升煙葉烘烤的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，符合國家的“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。

從實際應(yīng)用看，多元式清潔供熱系統(tǒng)烤房(A)與常規(guī)電熱泵供熱烤房(B)均采用空氣源熱泵供熱，因為供熱時電負(fù)荷較大，原有用電線路及變壓器需要進(jìn)行升級改造。受地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和改造應(yīng)用數(shù)量影響，每座空氣源熱泵造價和電源線路改造價格也存在差異。對于在煙葉烘烤季節(jié)供電不正常的煙區(qū)，還需另配發(fā)電機(jī)。相信隨著國家“雙碳”目標(biāo)的實施，通過爭取地方政府、電力等企業(yè)的支持，整合各方面資源，降低電熱泵烤房設(shè)施設(shè)備的成本，以電熱泵為主導(dǎo)的新型能源烤房今后具有很好的推廣前景。

4.2 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，采用多元式清潔供熱系統(tǒng)烤房，1 kg干煙用電量比常規(guī)電熱泵供熱烤房(B)降低0.34 kW·h，用電費(fèi)用減少0.19元，節(jié)能降費(fèi)效果達(dá)到15.2%；上等煙比例高出常規(guī)電熱泵供熱烤房(B)2.03百分點，均價高出0.64元；烤后煙葉各化學(xué)成分比較協(xié)調(diào)，評吸質(zhì)量稍優(yōu)于對照烤房?？傊嘣角鍧嵐嵯到y(tǒng)是空氣源熱泵+太陽能輔助加熱的升級版，因為儲能系統(tǒng)、太陽能、余熱回收等多能互補(bǔ)系統(tǒng)的加入，實現(xiàn)了節(jié)能降費(fèi)，是未來新能源供熱烤煙的重要選擇。