閉式熱風循環密集烤房熱泵烘烤節能性與經濟性分析研究

李志國，羅會龍*，鄒聰明，陳 頤

(1.昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 650500；2. 云南省煙草農業科學研究院，云南 昆明 650021)

【研究意義】煙葉烘烤是指在一定的烘烤工藝條件下，通過烤房內供熱設備提供熱源完成葉片內物質轉化和干燥[1]。烘烤是一個大量耗能的過程，通常烘烤得到1 kg干煙葉需要1.5～2.5 kg標煤[2-3]。但采用燃煤的密集烘烤，存在熱能利用率低，燃燒不穩定，環境污染嚴重等問題[4]。因此，政府提出要提質增效，減工降本，鼓勵運用環境友好型清潔能源發展低碳經濟和綠色產業，煙草行業對此做出了積極響應。熱泵技術具有有效回收余熱，達到高效節能的特有優勢，在各國各個行業均得到了有效發展[5-7]。采用熱泵技術對煙葉進行烘烤，通過回收烤房內排濕廢氣的熱量，提高熱能利用率，降低烘烤能耗；此外，由于通過電能控制熱源，能對烘烤工藝的溫濕度精準控制，達到提高煙葉品質和均價[8]。【前人研究進展】近幾十年來，國內外對熱泵干燥技術做過深入探究。國內宮長榮[9]對熱泵烘烤煙葉的研究表明，熱泵烘烤1 kg干煙葉平均耗電量為2 kw·h-1，冷凝除濕效率約為15 %；潘建斌等[10]研究熱泵型煙葉自控密集烤房性能，較普通烤房顯著提高了煙葉的烘烤質量；孫曉軍等[11]研究表明熱泵烤房具有環保，降低烘烤成本，提高烘烤質量等優勢。國外Meyer等[12]對熱泵干燥技術在谷物干燥中運用的可行性和經濟性進行的研究表明，熱泵干燥可以縮短干燥時間，比其他干燥系統更經濟；Perera等[13]研究運行費用和干燥效率等表明，熱泵干燥較傳統的真空干燥和熱風干燥更節能；Bryan等[14]對K326品種進行熱泵除濕烤房和常規燃油烤房對比試驗表明，熱泵除濕烤房可明顯提高烤后煙葉質量。【本研究切入點】立足于綠色清潔能源，通過對烘烤設備的改進，改變現有生物質顆粒和煤炭燃燒烘烤煙葉的現狀，更大程度減少烘烤能耗，降低烘烤成本，提高烘烤質量。【擬解決的關鍵問題】通過閉式熱風循環密集烤房熱泵烘烤與生物質顆粒烤房和燃煤烤房的對比研究，探討3種烤房的節能效果和經濟效益，以期挑選出在滿足烘烤工藝條件下，既能降低烘烤能耗又能產生良好經濟效益的烘烤方式。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試烤煙品種為云南大理主栽品種紅花大金元，試驗田土壤類型為紅壤土，地勢平坦，土壤質地疏松。田間栽培管理按當地優質烤煙技術標準規范進行。按照“同一部位，同一時間，成熟度一致”的原則，在煙株長勢均勻、營養均衡的田塊，選取中部葉( 11～12葉位)為供試材料。供試烤房共3類，每爐裝煙量均為460竿。

1.2 試驗設計

試驗于2019年8月在云南省大理州彌渡縣(E100°33′，N24°24′)紅花大金元烘烤基地進行。設置閉式熱風循環密集烤房熱泵烘烤(熱泵機組型號為RC30D-DF，由云南中海路德清潔技術有限公司生產)為試驗烤房，生物質顆粒烘烤和燃煤烘烤為對照烤房，以下分別簡稱熱泵烤房、生物質顆粒烤房和燃煤烤房。3類烤房規格均為8 m×2.7 m×3.5 m(長×寬×高)。裝煙方式均為編竿裝煙。3類烤房烘烤工藝均以三段式烘烤理論[15]為基礎，由云南省煙草科學研究院推薦，當地技術人員微調得出。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 燃料消耗量 生物質顆粒烤房和燃煤烤房均人工手動加燃料，從點火至烤煙結束，記錄一烤次燃料消耗量。

1.3.2 耗電量 記錄3類烤房開始烘烤時和結束烘烤時電表讀數，差值記為一烤次用電量。

1.3.3 煙葉干鮮重 入爐前分別對3個烤房隨機挑選20竿編煙掛牌，分別記錄鮮煙、干煙重，從而計算整爐鮮煙、干煙重和鮮干比。

1.3.4 污染物減排量 一次能源的燃燒會產生CO2、SO2、NOX、粉塵等大氣污染物，而閉式熱風循環密集烤房熱泵烘烤以空氣為熱源，消耗電能將空氣中的熱量轉移到裝煙室中實現干燥的目的，避免污染物的排放，綠色環保。

以CO2、SO2、粉塵減排量對密閉式熱泵烤房進行環保效益分析。

CO2減排量的計算公式：

MCO2=2.493Mbm

(1)

式中：MCO2——CO2減排量；2.493——標煤CO2排放系數；Mbm——標媒節約量。

SO2減排量的計算公式：

MSO2=0.022Mbm

(2)

式中：MSO2——SO2減排量；0.022——標煤SO2排放系數；Mbm——標媒節約量。

粉塵減排量的計算公式：

Mfc=0.01Mbm

(3)

式中：Mfc——粉塵減排量；0.01——標煤粉塵排放系數；Mbm——標媒節約量。

1.3.5 干煙成本 烤煙過程經濟性的一個重要評價指標是烘烤得到1 kg干煙的成本，定義如下：

(4)

式中：C——烘烤1 kg干煙的成本；Cr——燃料單價；Cd——電價；Cy——用工成本；Mr——燃料質量；Md——耗電量；M——干煙質量。

1.3.6 烤后煙葉經濟性狀 烤后煙葉參照GB2635-1992(烤煙)[16]進行分級，統計3種烤房烤后煙葉的上等、中等、下等及低等煙比例，計算煙葉均價。

2 結果與分析

2.1 節能性分析

從節能角度考慮，著重研究烘烤過程的能耗量和污染物排放量，以及熱泵系統的性能狀況。圖1給出了國外大多數文獻中所采用的熱泵干燥系統性能評價方法的分布情況[17]，其中采用火用分析和經濟成本分析的占比約為14.4 %；采用制熱系數分析和能源分析的占比約為39.8 %；采用全面表征熱泵干燥系統整體性能的指標單位能耗脫水量或單位脫水量能耗占比最多，約為45.8 %，故本文通過試驗分析熱泵系統性能優劣的主要參考指標單位能耗除濕量(SMER)。

2.1.1 烘烤能耗分析 從表1可見，根據《綜合能耗計算通則》(GB/T 2589-2008)，將燃料及電力消耗量折算為標準煤消耗量。熱泵烤房的標煤耗量為568.43 kg，比生物質顆粒烤房少24.46 %，比燃煤烤房少42.19 %，節能優勢明顯。

2.1.2 污染物減排分析 根據公式(1)～(3)，以每座烤房每年烘烤7爐計算，采用熱泵烤房，與生物質顆粒烤房相比，每座每年可減排CO23211.88 kg，減排SO228.35 kg，減排粉塵12.88 kg；與燃煤烤房相比，每座每年可減排CO27240.59 kg，減排SO263.91 kg，減排粉塵29.05 kg。可見熱泵烤房污染物減排效果明顯，采用熱泵烤房替代傳統能源烤房可減排大量的能源燃燒污染物(表2)。

2.1.3 單位能耗除濕量分析 由表1可知，試驗烤房和對照烤房的煙葉失水量以及耗能量。根據《綜合能耗計算通則》(GB/T 2589-2008)將燃料消耗量轉化為電量，計算出3類烤房的單位能耗除濕量。結果見表3，熱泵烤房的單位能耗除濕量遠高于生物質顆粒烤房和燃煤烤房，其值是生物質顆粒烤房的1.53倍，是燃煤烤房的1.90倍。可見熱泵烤房明顯提高了煙葉烘烤的平均單位能耗除濕量，干燥節能優勢明顯。

表1 不同烤房能耗對比

表2 污染物減排量對比

表3 不同烤房單位能耗除濕量對比

表4 不同烤房烘烤成本對比

表5 不同烤房烤后煙經濟性狀對比

2.2 經濟性分析

2.2.1 干煙烘烤成本分析 由式(4)得到紅花大金元中部葉烘烤成本見表4，每千克干煙的用工成本和能耗成本，熱泵烤房明顯低于生物質顆粒烤房和燃煤烤房。每千克干煙成本，熱泵烤房分別比生物質顆粒烤房和燃煤烤房少59.60 %和55.52 %。熱泵烤房自控性能強于對照烤房，節省了用工成本。熱泵烤房烘烤減工降本具有明顯優勢。

2.2.2 烤后煙葉經濟性狀分析 中國依據烘烤后煙葉的油分、色度、成熟度、厚度、葉片結構、煙葉香氣、化學成分等多種因素將烤后煙葉劃分為上等煙、中等煙、下等煙、低等煙4個等級。烘烤方式和烘烤工藝直接影響煙葉等級，煙葉等級決定煙葉生產的經濟效益。

由表5可見，熱泵烤房烤后煙葉均價為30.38元·kg-1，生物質顆粒烤房為29.22元·kg-1，燃煤烤房為28.16元·kg-1，差異明顯，每千克干煙均價，熱泵烤房分別比生物質顆粒烤房和燃煤烤房多出3.97 %和7.88 %。熱泵烤房烤后煙葉上中等煙率較生物質顆粒烤房和燃煤烤房分別提升3.41和5.83個百分點。綜合可得出采用熱泵烤房烘烤烤后煙葉經濟性狀最優。

若以每公頃煙田平均年產2250 kg干煙計算，采用閉式熱風循環密集烤房熱泵烘烤，相比生物質顆粒烘烤可節約烘烤成本4680.00元· hm-2，增加煙葉產值2610.00元·hm-2，綜合經濟效益提高7290.00元·hm-2；相比燃煤烘烤節約烘烤成本3960.00元·hm-2，增加煙葉產值4815.00元·hm-2，綜合經濟效益提高8775.00元·hm-2。這對于提高煙農收入，保證煙草行業發展具有重要意義。

3 討 論

2010年，國家煙草專賣局提出“節能降本、減工增效”的方針后，煙草行業在煙葉生產各個環節均進行了深入研究。在煙葉烘烤環節，圍繞熱泵烤房、電磁烤房、醇基烤房、太陽能輔助烤房等利用清潔能源進行了烘烤研究[18-20]，力求節能環保，減工降本。顯然，隨著社會經濟和科學技術的發展，以燃煤為主的密集烤房有諸多不足，并制約了烤煙生產的發展。熱泵烘烤利用電能為消耗能源，與傳統燃煤和生物質顆粒烘烤相比具有的節能性好、經濟性高等特點。

通過研究，閉式熱風循環密集烤房熱泵烘烤耗能大幅度降低，并減少大氣污染物如CO2、SO2、粉塵的排放[21]。在系統性能方面，閉式熱風循環密集烤房熱泵烘烤的單位能耗除濕量高于生物質顆粒烘烤和燃煤烘烤，這主要是因為熱泵烘烤利用電能供熱，以蒸發器冷凝除濕[9]，有回收煙氣余熱功能，熱能利用效率高，顯著提升單位能耗除濕量，具有良好的節能效果。

使用閉式熱風循環密集烤房熱泵烘烤煙葉，烘烤得到1 kg干煙葉的成本為1.41元，且烤后煙葉中上等煙率高，均價提高。這是因為熱泵烘烤采用微電腦控制，自動化程度較高，無需人工添加燃料，降低勞動強度，減少烘烤用工數量，且在政策的扶持下，電價相對較低，節約大量能耗成本。熱泵烤房升溫和穩溫控制精準，利于烘烤煙葉外觀質量的形成及內部化學物質的轉化[8]。采用閉式熱風循環密集烤房熱泵烘烤在降低烘烤成本的同時增加烤后煙葉的產值，具有良好的經濟效益。聶榮邦等[22]和段美珍等[23]的研究也有類似結果。

本次試驗，利用3類密集烤房，上千千克鮮煙葉，試驗周期長，成本高。在今后的研究工作中，可以嘗試利用煙葉烘烤模擬機進行煙葉烘烤試驗[24]，降低試驗成本。同時還應加強熱泵煙葉烘烤系統運行特性方面的研究，在保證烤后煙葉質量的前提下，通過設備改造完善，工藝配套調整等進一步提高熱泵烤煙的可行性，更好地體現熱泵烘烤的優勢。

4 結 論

使用閉式熱風循環密集烤房熱泵烘烤，具有降低烘烤能耗、環保、單位能耗除濕量大等優點，并能保證煙葉質量，降低烘烤成本，提高烤后上中等煙葉率，明顯提升均價。較生物質顆粒烘烤和燃煤烘烤在節能減排、減工降本、提質增效方面具有明顯優勢，具有良好的節能性和經濟性。在熱泵技術的發展中，閉式熱風循環密集烤房熱泵烘烤具有寬廣的應用前景。