天然氣水暖集中供熱密集烤房設備的研究

任杰，孫福山，劉治清，徐世峰，許建設，沈始權

1 中國農業科學院煙草研究所/農業部煙草生物學與加工重點實驗室，青島266101；

2 陜西省煙草公司延安市公司， 延安 716000；

3 福建中煙工業有限責任公司，廈門 361012

密集烤房在減輕勞動強度、提高烤煙烘烤質量、適應烤煙生產規模化發展等方面具有顯著優勢，已成為我國煙葉烘烤設備的發展方向[1]。但燃煤密集烤房溫濕度精確控制難度大，粉塵、碳氧化合物、硫化物污染嚴重[2-4]等問題不容忽視。國內學者已將太陽能[4-5]、空氣源熱泵[6-7]、余熱回收利用[8-9]、氣化爐供能[10]等多種節能技術應用于密集烘烤，并取得了初步成效，但美國、加拿大等發達國家普遍使用的以天然氣為能源的密集烘烤設備[11]國內還未見報道。

與燃煤相比，天然氣能源熱值高、清潔，能明顯減少煙塵、二氧化硫等污染物排放[12]。天然氣的運輸問題可通過將液化天然氣（liquef i ed natural gas,LNG）用低溫槽車進行運輸，到達LNG 氣化站后氣化供應來解決[13]。采用天然氣集中供熱和自動控制系統，密集烘烤過程中升溫靈活，排濕順暢，便于操作，可避免人為過失造成的對烤煙質量的影響，而且可實現連續化作業，勞動強度低、生產效率高，非常適應現代煙草農業生產規模化、產業化發展，能夠較好的配合基地單元化運作[14]。

本研究針對我國煙葉烘烤設備對煤炭依賴度高、環境污染重、烘烤用工量大的問題，利用液化天然氣（LNG）為氣源，集成LNG氣化技術、水暖集中供熱技術，設計建造了天然氣水暖集中供熱密集烤房，并對其烘烤效果進行了研究，旨在探尋一條可實現烘烤用工量少、環境污染小、社會效益好、經濟高效的密集烘烤新途徑。

1 系統組成及設計原理

1.1 系統組成

圖1 天然氣水暖集中供熱密集烤房系統組成

天然氣水暖集中供熱密集烤房由LNG氣化站、集中供熱系統、烤房系統和遠程監控系統四大系統組成。LNG氣化站主要由液化天然氣（LNG）儲罐、儲罐增壓器、調壓計量加臭設備、空溫式氣化器、水浴式加熱器、BOG空溫加熱器、供氣監控設備等設備組成。集中供熱系統主要由鍋爐主機、進口燃燒器、循環水泵、全自動控制柜、分水缸、補水泵、引風機等設備組成。烤房系統主要由烤房基礎部分、鋼鋁復合翅片管式換熱器、電動球閥、百葉排濕窗、循環風機、溫濕度控制儀、冷風進風門等部分組成。遠程監控系統主要由分布在不同站點的密集烤房控制器、監控中心計算機和無線通信鏈路所構建的無線局域網等組成。

1.2 設計原理

液化天然氣（LNG）由低溫槽車運至LNG氣化站，通過卸車臺設置的專用卸車增壓器對槽車增壓，利用壓差將LNG送至LNG儲罐。工作條件下，通過儲罐增壓器將儲罐內的LNG增壓，增壓后的LNG進入空溫式氣化器，LNG吸熱發生相變，轉化為氣態天然氣，當天然氣在空溫式氣化器出口溫度較低時，通過水浴式加熱器升溫，最后經調壓、計量、加臭后供給常壓鍋爐。低溫槽車內LNG 卸完后，尚有高壓低溫天然氣（BOG氣體），為節約資源，降低成本，特設計一路低溫氣體天然氣回收管線。槽車及儲罐排出的BOG氣體為低溫狀態，且流量不穩定，BOG 工藝將其加熱后，同氣化加熱工藝的常溫天然氣一并輸入調壓系統（圖2）。

圖2 液化天然氣（LNG）氣化站工藝流程

以LNG氣化站輸出的天然氣為燃料加熱鍋爐水，來自鍋爐（額定出力1.4 mw，本體水容積3.1 m3，可為25座烤房供熱）的高溫水經循環水泵加壓后通過供水管網送至各個烤房。進入烤房的水流量是根據烤房烘烤進程熱量需求由控制儀調節電動球閥，達到穩定加熱的目的。高溫水在換熱器內與循環風進行熱交換，將循環風加熱，而經熱交換的熱水由回水管網除污后重新返回鍋爐加熱，從而完成水系統的加熱、冷卻、再加熱的封閉循環。運行過程中，由于排污及泄露而損失的水量，由自動控制的補水泵將水處理器處理后的軟水補進膨脹水箱再供入循環系統。烘烤過程中的實時數據通過無線通信鏈路傳送到監控中心計算機。監控中心計算機收集各個烤房的烘烤過程數據并建立數據庫，以多種人機界面（圖表、曲線等方式）監視群內各個烤房的烘烤過程并及時進行參數調整和反饋，以達到集中監視、分別控制的目的（圖3）。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗于2012年8-9月在陜西省延安市南泥灣現代煙草農業示范園進行。供試烤煙品種為秦煙96上部煙葉，按優質煙栽培技術種植。

供試烤房為天然氣水暖集中供熱密集烤房（處理）和燃煤密集烤房（對照），兩種不同配置烤房土建規格統一為裝煙室長8000mm、寬2700mm、高3500mm，氣流方向均為下降式。

圖3 水暖集中供熱及遠程監控系統設計原理

2.2 試驗設計

采收秦煙96成熟上部煙葉，處理與對照采用同質鮮煙，按照“同田塊、同熟相、同時采、同時編、同時開烤操作”。用煙夾夾持分別裝入天然氣水暖集中供熱密集烤房（5爐）和燃煤密集烤房；另外從所采煙葉中挑選鮮煙素質基本一致的煙葉4夾，燃氣供熱烤房和燃煤烤房各放2夾，分別放在兩類烤房的二棚中間位置。

2.3 測定項目和方法

（1）記錄空載及負載條件下兩類烤房升溫過程中的溫度變化。（2）對每類烤房標記的2夾烤后煙葉進行煙葉外觀質量評價，依據國家標準GB2635-92對烤后煙葉進行分級，計算上、中、下等煙比例、桔黃煙比例、青雜煙比例。（3）測定各處理裝鮮煙的重量、烘烤各環節用工量、烘烤后干煙重量、耗氣量、耗煤量、耗電量。（4）按照環保部燃料燃燒排放大氣污染物物料衡算辦法，根據耗煤量和耗氣量計算SO2、煙塵和CO排放量。

3 結果與分析

3.1 空載及負載條件下烤房升溫性能

將電動球閥開至最大，對處理烤房進行了空載條件下的升溫測試，從表1中可以看出，處理烤房升溫靈敏，點火時外界溫度19.5℃，25 min即升至36℃，30 min升至45℃，1 h即升至60℃，1.5 h升至68℃，此后升溫速度逐漸減緩，經4 h最高溫度可達到76℃。此外，在爐溫升到45℃時，選取二棚5點進行溫度測試，5測點溫度分別為44℃、43.9℃、45℃、45.5℃、45.2℃，平面溫差在1.5℃之內，說明處理烤房運行平穩，性能良好。

表1 天然氣水暖集中供熱密集烤房空載升溫情況

從圖4中可以看出，在負載情況下，處理烤房較對照烤房升溫靈敏，實時干濕球溫度與目標干濕球溫度基本吻合。在煙葉烘烤過程的變黃期、定色期以及干筋期均能達到設定的目標溫濕度，且在穩溫階段溫濕度波動較小（±0.5℃），升溫、控溫準，保溫、保濕穩，均能滿足烘烤對溫濕度的要求。

圖4 處理烤房（a）和對照烤房（b）實時干濕球溫度

3.2 烤后煙葉等級結構

表2 兩類烤房烤后煙葉等級結構

從表2中可以看出，處理烤房烤后煙葉上等煙比例較對照烤房提高2.7個百分點，桔黃煙比例提高13.4個百分點，而下等煙比例和青雜煙比例均下降了0.8個百分點。綜合來看，處理烤房烤后煙葉等級結構優于對照烤房。

3.3 烤后煙葉外觀質量

表3 兩類烤房烤后煙葉外觀質量

對處理烤房與對照烤房烤后煙葉外觀質量進行了鑒定，鑒定結果見表3，從鑒定結果可以看出，處理烤房烤后煙葉外觀質量較對照烤房有所改善，表現為煙葉顏色有所加深，桔黃煙比例增加，油分增多，色度增強。

3.4 密集烘烤成本

表4 兩類烤房每千克干煙烘烤用工成本

從表4可以看出，兩類烤房鮮煙裝煙量相同，但處理烤房單爐烤后煙干重高于對照烤房。處理烤房和對照烤房在煙葉烘烤的采收、編煙裝煙及烤后煙葉出爐分級環節單爐用工成本相同，但由于處理烤房單爐烤后煙干重高于對照烤房，所以處理烤房在采收、編裝煙、解煙分級環節千克干煙用工成本低于對照烤房。此外，天然氣集中供熱密集烘烤采用集中供熱和遠程監控系統，烘烤操作用工大大下降，1人即可實現25座烤房的烘烤管理，而燃煤密集烤房一般10座烤房即需要2人晝夜輪換進行烘烤操作。綜合烘烤各環節用工，處理烤房較對照烤房千克干煙烘烤用工成本下降0.86元。

表5 兩類烤房每千克干煙烘烤能耗成本

從表5可以看出，兩類烤房在能耗方面差別較大，對照烤房每千克干煙烘烤需用煤約1.39 kg，處理烤房每千克干煙烘烤需用氣1.08 m3，但由于天然氣價格遠高于煤炭價格，所以導致用氣成本要高于用煤成本。由于處理烤房需要有循環水泵來持續進行熱水循環，所以用電成本也要高于對照烤房，但若將循環水泵電耗分攤至25爐，則處理烤房每千克干煙電耗成本由0.86元降至0.53元，和對照烤房基本相當此外，處理烤房每千克干煙所需熱量低于對照烤房，這說明處理烤房熱能利用率高于對照烤房。

綜合烘烤用工及能耗成本，處理烤房較對照烤房高2.36元/每千克干煙。但本研究只利用了25座烤房中的5座，熱水循環仍在25座烤房進行，從而損耗了部分熱量，此外，循環水泵的電耗只能由5座烤房分攤，如25座烤房全部利用，則氣耗和電耗成本會相應降低。

3.5 大氣污染物排放量

表6 兩類烤房大氣污染物排放量

從表6可以看出，兩類烤房烘烤過程中大氣污染物排放量差異較大，處理烤房SO2排放量約為對照烤房的1/15，CO排放量約為對照烤房的1/3，此外，在烘烤過程中處理烤房無煙塵排放。

4 討論

目前全國大面積推廣的密集烤房，存在對煤的依賴性問題，每烤1 kg 干煙需要1.5～ 2.0 kg 煤炭，能耗較高，污染較大，致使烘烤成為煙草農業生產主要的污染來源[15]。減少烘烤過程中燃煤污染已成為現代煙草農業推進過程中急需解決的問題。而天然氣作為一種公認的清潔能源，能夠減少因烘烤造成的環境污染[12]。對一個100連建的密集烤房群來說，使用天然氣集中供熱烘烤每次烘烤約減少SO2排放1100 kg，減少CO排放2700 kg，減少煙塵排放1550 kg，大氣污染物排放量大大降低，環保效應巨大。

本研究表明天然氣水暖集中供熱密集烤房升溫靈敏，控溫精確，能夠滿足煙葉烘烤對溫濕度的要求。正常情況下，天然氣水暖集中供熱密集烤房燒火及系統運行每班僅需1人操作和控制，能夠大幅降低操作人員的勞動強度，節省勞動用工，與燃煤密集烤房相比，操作更為安全、方便、快捷。烤后煙葉上等煙比例和桔黃煙比例較燃煤密集烤房大幅提高，在顏色、油分、色度等方面明顯改善。這可能與天然氣水暖集中供熱密集烤房溫濕度控制精度高有關。天然氣水暖集中供熱密集烤房溫濕度上下波動一般不超過0.5 ℃，只要烘烤工藝設置合理，能夠保證煙葉在相對穩定且適宜的溫濕度環境下發生一系列有利于改善煙葉品質的生理生化變化。而燃煤密集烤房溫度波動大，操作不當容易造成溫濕度猛升驟降，溫度波動越大，干物質損失越大，烤后煙葉質量越差[16]。

雖然天然氣水暖集中供熱密集烤房較燃煤密集烤房表現出烘烤操作技術簡便、節省用工、能保證煙葉烘烤質量等優勢，但一次性投資成本較高，且由于目前天然氣價格遠高于煤炭價格，致使天然氣水暖集中供熱密集烘烤能耗成本偏高，現階段進行大面積推廣有一定難度，但是隨著國家對環保要求的提高，天然氣水暖集中供熱密集烤房可以作為一種改善烘烤作業環境，降低烘烤操作技術難度，確保有較好的生態效益、社會效益和經濟效益，做到可持續發展的技術儲備。

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