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)

密集烤房是當前我國用于煙葉調制的主要設施[1]。我國現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、穩溫效果差等缺點，且其產生的硫化物、粉塵顆粒等有害物質排放易引起環境污染等問題，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“創新、協調、綠色、開放、共享”總體發展戰略的實施及現代煙草產業的縱深發展，烤房改進和煤炭替代能源的開發與利用已成為我國煙葉生產中重點關注的方向[5-6]。熱泵供熱技術的研發與應用、烤房設備的更新換代以及煙葉烘烤技術的變革，為以電能為供熱能源的熱泵烘烤技術的應用奠定了良好的基礎[7-13]。電能熱泵烤房加熱室由壓縮機、電熱絲、風機等主要設備組成，采取氣流下降方式進行熱風循環，可通過加強內循環除濕保溫，減少傳統密集型烤房烘烤過程中的煙葉香氣物質損失，從而提高煙葉品質，實現降本增效[14-15]。此外，熱泵烤房以清潔的電能為熱源，能進一步實現煙葉烘烤環節的節能、減排[16-17]。邵陽是湖南省主產煙區之一，所產煙葉具有焦甜、醇甜香型的典型特點，是浙江中煙、廣西中煙等工業企業優質煙葉原料的重要供應基地。該地在煙葉烘烤環節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備以及不同供能形式下的煙葉烘烤效益進行比較，以為熱泵烘烤設備的選擇及其推廣應用提供支撐，從而推進邵陽煙區煙葉生產中清潔能源的應用。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和供試品種

試驗于2020年7—8月在隆回縣灘頭鎮白居村、新寧縣巡田鄉巡江村和臘元村進行，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)，由湖南田野現代智能裝備有限公司提供；一次性加煤非金屬烤房、生物質燃燒爐烤房，均為當地煙葉生產現有烤房設備。

1.2 試驗設計

試驗I：不同熱泵烤房試驗。單因素完全隨機試驗設計，設兩種熱泵烤房，即JC-5HGK70熱泵烤房(隆回縣灘頭鎮白居村)和ZW79KAE熱泵烤房(新寧縣巡田鄉巡江村)，3次重復。供試鮮煙葉取自同一塊地的同部位煙葉，鮮煙質量均勻一致，采用煙夾裝煙，裝煙量為350夾，采用三段式烘烤工藝進行烘烤。

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

1.3 觀測項目及方法

(1)烤房干濕溫度動態變化。自點火升溫后，每4 h記錄一次烤房的干球溫度和濕球溫度，直到烘烤結束。

(2)煙葉經濟性狀分析。煙葉裝房前每處理選擇具有代表性的煙葉各12夾，分別稱其鮮質量并掛牌記錄，2次重復。將標識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。烘烤結束煙葉回潮后，將其分級并進行經濟性狀分析。

(3)烘烤能耗成本分析。測定各試驗烤房的用煤量、生物質燃料用量、用電量、烘烤時間，綜合計算單位質量干煙的能耗成本。

1.4 數據處理與統計分析

采用Excel 2017進行數據處理和制圖，采用SPSS 19.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同型號熱泵烤房烘烤工藝執行情況

如表1所示，在全自動控制的烘烤過程中，JC-5HGK70熱泵烤房(H1)和ZW79KAE熱泵烤房(H2)的實際干、濕球溫度曲線與設定的干、濕球溫度曲線基本一致，兩類烤房干、濕球溫度的波動可分別控制在±0.5 ℃和±0.3 ℃以內。說明兩種型號的熱泵烤房對溫度、濕度的控制精度準確，供熱穩定，2個試驗處理在溫濕度調控方面的性能都能滿足煙葉烘烤要求，能夠按照預設烘烤曲線進行溫濕度控制。

2.2 不同型號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勢。

表1 不同類型熱泵烤房干球、濕球溫度執行情況

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，容易出現升溫過高等偏溫現象，而電能熱泵烤房和生物質燃料爐烤房相較于燃煤烤房能更加快速、精準地提升和控制溫度，熱泵烤房和生物質烤房烘烤工藝執行的準確性要優于燃煤烤房。

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(生物質燃料)處理烘烤燃料用量差異較大，但由于燃料單價的差異，其燃料費用差異不大，生物質燃料烘烤耗電量與總電費略高于燃煤型烤房；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%。燃煤烤房和生物質燃料烤房的烘烤能耗成本主要來自燃料費用，受燃料價格的影響較大；熱泵烤房能耗成本為電費，電價相對穩定，且無添加燃料和清除爐灰成本，因此其烘烤綜合成本更低，在煙葉烘烤節本方面具有明顯優勢。

表3 不同能源類型烤房干球、濕球溫度執行情況

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濟性狀

由表5可知，與燃煤(T1)、生物質燃料烤房(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%，均價分別提高了3.80%和2.07%。利用電能熱泵烤房進行煙葉烘烤，烘烤操作更加規范，烘烤工藝落實更加到位，有利于提高烤后煙葉上等煙比例和均價，從而提高煙葉的經濟效益。

表5 不同能源類型烤房烤后煙葉經濟性狀比較

3 討論

隨著社會經濟水平的發展，人們的環保意識日益增強，如何提高煙葉烘烤的熱能利用率，降低成本，減輕污染，并確保煙葉烘烤質量，增加經濟收益，已成為煙葉烘烤的重要課題。隨著烤煙種植總量的減少、產區的優化、生產方式的轉變和勞動力的日趨緊張，煙草高質量發展迫切需要改變傳統煙葉烘烤供能模式。

隨著我國電力基礎設施建設不斷完善，廣大農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在煙葉烘烤中的應用前景越來越好。前人研究[1，18-19]表明，與傳統燃煤烤房相比，空氣能熱泵型烤房性能較好，平面溫差和垂直溫差較小，風速適宜，通風排濕順暢，烤房的能耗及用工較少；其烤后煙葉的外觀質量和評吸質量明顯提高，平衡含水率和填充值適宜、出絲率高，化學成分比例協調，香氣質好，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。本試驗發現，電能熱泵加熱設備在溫濕度調控方面的性能都能夠滿足煙葉烘烤的要求，能夠按照預設烘烤曲線進行溫濕度控制，其中JC-5HGK70熱泵設備能耗更低。電能熱泵烤房無溫室氣體、燃料殘渣的產生，相比燃煤和生物質燃料烤房更加環保。同時，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量等級和烤煙效益。

4 結論

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量。因此，隨著電力基礎設施的不斷完善，在解決了電力增容、線路改造等技術和資金問題，進一步降低建設和改造成本后，電能熱泵密集烤房具有良好的推廣應用前景。