基于熱泵技術的烤煙應用研究

修科華，李 嬌，李永田

(天合智慧能源投資發(fā)展(江蘇)有限公司，江蘇 常州 213031)

按照《國煙運[2011]335 號》文件的總體部署，以及《國煙辦綜[2012]95號》文件對重點煙草行業(yè)能耗單位的具體要求，制訂了《GB/T23331—2012》這一針對煙草行業(yè)的能源管理體系。企業(yè)應根據(jù)自己的實際情況，研究建立和執(zhí)行企業(yè)能源管理體系，用“系統(tǒng)、科學、高效”的能源管理制度做好節(jié)能工作[1]。

另外，中國煙草行業(yè)肩負企業(yè)資產保值增值的重任，是國家稅收來源之一。我國煙草產量占世界總產量的40%，是世界第二名生產國美國的4倍。雖然，我國一直推崇禁煙，但是，20多年來，我國煙草種植面積增加了9倍，烤煙產量增加了37倍。同時，烤煙過程中需要消耗大量能源，而烘煙房的綜合熱效率35%～45%。借鑒熱泵與熱管技術聯(lián)合干燥谷物的技術路線，選擇以熱泵技術作為主熱源對煙葉進行干燥的工藝。

1 熱泵技術介紹

熱泵按其工作原理分類：半導體熱泵、化學熱泵、吸收式熱泵、蒸汽壓縮式熱泵等。其中：蒸汽壓縮式熱泵最適合用在干燥領域，其系統(tǒng)主要由除濕加熱系統(tǒng)、送風干燥系統(tǒng)構成。除濕加熱系統(tǒng)主要部件：壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、節(jié)流閥；送風干燥系統(tǒng)屬于干燥過程的輔助部分，包括:干燥室、風機。同時，為了提高熱泵系統(tǒng)的COP，盡量選擇開式熱泵干燥系統(tǒng)，見圖1。

圖1 開式熱泵干燥系統(tǒng)

1)冷媒熱力循環(huán)描述

低溫低壓冷媒吸收蒸發(fā)器的熱量成為中溫低壓蒸汽，經壓縮機壓縮，成為高溫高壓蒸汽，再經冷凝器將熱量傳遞給吸入新風成為低溫中壓液體，再經節(jié)流閥膨脹降壓成為低溫低壓蒸汽，再次進入蒸發(fā)器，如此周而復始，形成冷媒熱力循環(huán)。

2)干燥介質熱力循環(huán)

新風空氣在引風機的作用下，進入冷凝器，吸收熱量成為干度較高的高溫空氣；進入干燥室內吸收煙葉物料中的水分，成為高溫高濕度空氣；再進入蒸發(fā)器，將自身所蘊含的顯熱及部分潛熱通過蒸發(fā)器傳遞給冷媒，析出冷凝水，周而復始，形成干燥介質的熱力循環(huán)。

熱泵干燥較早被用于木材干燥，并逐步用于谷物、種子、食品、陶瓷、紡織、化工、茶葉、造紙等，甚至被用在污泥處理行業(yè)。其中：木材、種子、食品物料等領域最為成熟，烤煙作為干燥精度略高的領域，也開始試探性應用。

2 三段式烤煙工藝介紹

依據(jù)煙葉在烘烤中外觀形態(tài)的變化和失水程度， 將煙葉烘烤過程分為變黃、定色、干筋三個階段，稱之為三段式烤煙。在其相應階段有其相應的技術指標、操作原則、操作工藝。針對通常煙草而言，工藝描述[8]，見圖2。

圖2 三段式烘烤模式簡圖

關鍵控制節(jié)點：

(1)變黃階段:干球起點溫度為32～35 ℃， 變黃期間溫度36～38 ℃， 變黃完成溫度38～42 ℃， 濕球溫度比干球溫度低1～4 ℃。

煙葉變黃階段可分為二步：首先，煙葉裝滿干燥室，要封嚴進出空氣口，開啟熱泵，以升溫1 ℃/h的溫升將干燥室的溫度升到34～38 ℃，并保持濕球溫度比干球溫度低1～2.5 ℃，直到底層煙葉80%變到八成黃(即除葉基部、煙筋和煙筋兩邊為青色外，葉片呈黃色，且葉片開始發(fā)軟)。其次，將干燥室溫度升高到40～42 ℃，保持濕球溫度36～37 ℃。要適量打開通氣孔進行排濕，使煙葉達到既變黃又變軟(即：黃片青筋微帶青、主脈發(fā)軟)。若未如預期變黃，還可適當向干燥室內加水補濕，延緩干燥時間，使得煙葉變黃。

(2)定色階段:干球溫度43～54 ℃， 濕球溫度37～40 ℃。

定色階段的目的是葉片干燥，黃色固定下來并防止出現(xiàn)褐色出現(xiàn)。要逐漸熱泵輸出功率較高，并增加輔助熱源，加大排濕量。干燥室內溫升較快，0.3～0.5 ℃/h的升溫速率至54～55 ℃，濕球溫度緩慢升高并保持在37～40 ℃。在此工況下需要足夠的時間，不僅要使煙葉達到大卷筒，也要注意使葉背面灰白色變?yōu)辄S色。同時，濕球溫度過高將導致煙葉烤壞，濕球溫度過低既不利于煙葉質量，并會造成燃料浪費。

(3)干筋階段:干球溫度65～68 ℃， 濕球溫度40～43 ℃。

干筋階段是關鍵階段，以1 ℃/h的速度升溫，使烘干室溫度提高到67～69 ℃，其間要逐漸關通風口，并先關進風口，通風口開度以保持濕球溫度41～42 ℃為準。濕球溫度過低將不利于煙葉色度，也造成燃料浪費；濕球過高又會形成烤紅煙。

三段式烤煙工藝所要求的溫度、濕度、升溫速度，熱泵技術均可滿足，使用熱泵技術烘干煙葉理論上可行。

3 熱力模型

為準確獲取系統(tǒng)的能源情況，建立煙草干燥系統(tǒng)模型與熱泵系統(tǒng)模型。

1)熱平衡方程

(1)

2)質量平衡方程

(2)

3)濕度平衡方程

RHa=RHe

(3)

4)干燥速率方程

(4)

式中：Lvap為水的蒸發(fā)潛熱，J/kg；M為煙葉含濕量，g/g；Cg、Cw、Cv分別為煙葉、水、水蒸氣的比熱容，kJ/(kg·K-1)；ma為空氣質量流量，kg/s；H為空氣的含濕量，g/g；RHa、RHg為空氣、煙葉的相對濕度；ρg為煙葉堆密度，kg/m3；MR為干燥速率；M0、Mg為煙葉初始、結束含濕量，g/g；K為干燥常數(shù)；t為干燥時間，S；Ta、Tg為空氣、煙葉的溫度，℃。

3.1 熱泵系統(tǒng)模型

蒸發(fā)器模型與冷凝器模型一致，以蒸發(fā)器模型給予表示：

1)換熱量

(5)

2)能效系數(shù)

ε=f(NTU)

(6)

3)換熱單元

(7)

3.2 前提假設

(1)標定熱泵的參數(shù)指標；

(2)標定風機的工況；

(3)標定天平的精度，并準確稱重；

(4)標定溫度計、濕度計、流量計；

(5)將系統(tǒng)按要求裝完畢，試驗3～5室煙葉，確保烘干室密閉且保溫穩(wěn)定可靠；

(6)對參數(shù)試驗人員進行實驗前安全、操作規(guī)程培訓；

(7)測量時間內的大氣壓及相對濕度是否適合試驗，不選擇5級以上大風及陰雨天。

4 試驗結果

4.1 基礎數(shù)據(jù)

(1)煙葉質量：m0=1 200 kg左右；

(2)環(huán)境溫度：25 ℃；

(3)天氣晴朗，風速可忽略；

(4)煙葉相對濕度預判：M0=0.85 g/g；Mg=0.13～0.16 g/g ；

(5)測試環(huán)境相對濕度：RHa=64.2%；

(6)煙葉堆密度：627 kg/m3；

(7)烘烤時間：110～120 min。

4.2 計算數(shù)值

經多次測量求其均值，在110 min內完成1 216 kg的原煙葉干燥，消耗電量425 kW·h，當?shù)仉妰r為0.67元/(kW·h-1)，1kW·h電能可使得煙葉脫水2.5 kg。記錄見表1。

表1 熱泵干燥煙葉結果

4.3 經濟性

資料顯示，傳統(tǒng)以煤作為燃料的能源成本為2.97元/kg(干煙)，煤價按880元/t，低位發(fā)熱量按5 500 kcal/kg考慮[9]。目前煤價降低，約700元/t，折合用煤的能源成本是2.36元/kg(干煙)?？梢缘贸雒扛稍锍? kg煙葉，節(jié)約資金為0.52元。

5 結論與建議

(1)利用熱泵技術干燥煙葉，經濟上較為合理，每出1 kg煙葉比直接采用電烘干節(jié)約0.52元。

(2)熱泵技術較為成熟，可在煙葉烘干領域廣泛應用，也可以推廣至糧食、中藥材集中推廣。

(3)建議利用分體式熱管技術與熱泵串聯(lián)。干燥后濕熱空氣先進入分體式熱管的蒸發(fā)器，再進入熱泵的蒸發(fā)器，通過分體式熱管設備將進行系統(tǒng)的新風進行預熱后，再進行熱泵的冷凝器，節(jié)能效果會更明顯。