半高山煙區熱泵烤房的篩選與應用

王玉乾,張華安,朱友軍,譚本奎,鄭華軍,鄭 偉,樊啟富

(宜昌市煙草公司秭歸營銷部,湖北宜昌 443600)

我國密集烤房煙葉烘烤以煤炭燃燒供熱為主,其熱能利用率低、污染大的弊端日益成為制約煙草行業高質量發展的重要因素[1]。煤炭價格的升高[2]、區域內煤炭資源缺乏、山區運輸成本附加提升了半高山煙區的烘烤成本。隨著科技的進步發展以及行業的政策支持,清潔、高效、環保的新能源成為煤炭的最佳替代方案[3]。國內眾多專家與科技工作者在提高熱能利用效率和探索開發新能源資源方面做了大量工作,目前生物質燃料、空氣能電熱泵、天然氣、太陽能、電磁能等已經在煙葉烘烤上得到試驗與應用[4-7]。

云南省楚雄州煙草公司研究發現,與傳統密集烤房相比,密閉式熱泵烤房烤后煙葉淀粉含量降低35. 09%,且烤后煙葉總致香物質含量增加,內在化學成分協調性、香氣質量、雜氣、煙氣濃度、刺激性和余味均得到明顯改善[8]。貴州省煙草公司利用空氣源熱泵烤房將煙葉上等煙率提高至81%,烤后橘黃煙率達到95.05%,同時生物質新能源烤房的用工成本、能耗成本較常規燃煤烤房均降低40%以上,綜合效益提高13%以上[9]。熱泵烤房烘烤的煙葉成熟度好、顏色鮮亮、組織結構疏松、油分足,煙葉平均上中等煙率較燃煤烤房提高6.39%,平均產值較燃煤烤房提高3 218.5元/hm2[10]。2020年4月,河南省污染防治攻堅辦印發《河南省煙葉烤房電代煤工作三年行動計劃》,計劃用3年時間完成全省27 903座煙葉連片燃煤烤房“電代煤”改造[11]。為了推動長江生態環境保護與長江經濟帶綠色發展,也為煙葉生產減工降本、提質增效。湖北省秭歸縣在磨坪鄉烤煙種植區域引進清潔能源電熱泵烤房進行探索研究,旨在篩選適宜半高山煙區推廣應用的熱泵烤房。

1 材料與方法

1.1 材料試驗于2021年在宜昌市秭歸縣磨坪鄉磨坪煙葉工作站烘烤工場(海拔1 037 m)開展。供試品種為云煙87,試驗所用烤房均為氣流上升式密集烤房,裝煙室建造規格為8.0 m×2.7 m×3.5 m,為2路3層式設計。熱泵密集烤房采用空氣源熱泵壓縮機和輔助加熱系統供熱。

1.2 試驗方法試驗設置3種烤房處理:“改造式”熱泵密集烤房(T1)和“新建式”熱泵密集烤房(T2)以及燃煤密集烤房(CK)。其中,“改造式”熱泵密集烤房保留普通密集烤房裝煙室,僅改造加熱室;“新建式”熱泵密集烤房主體由隔熱板材搭建(含裝煙室)。煙葉采用編竿式裝煙烘烤,單竿編煙50扣,共100～120片。3種烤房煙葉烘烤參照《2018年秭歸縣標準化煙葉烘烤技術方案》執行,采用3段8點式烘烤工藝。每次均采集相同海拔煙田同一部位成熟鮮煙葉。在熱泵密集烤房距裝煙室門2 m處上下層加裝溫濕度傳感器,記錄烘烤過程中溫濕度的變化。設置熱泵烤房溫濕度自動記錄時間間隔為10 min,同時對每個烘烤工藝時間段用電量進行記錄。

烘烤前后每炕選取30竿煙葉稱重,烤后根據初烤煙葉成熟度、顏色、葉片結構、部位、身份、油分、色度(包括飽滿程度、均勻性和光澤強度)等指標進行綜合評價,計算上中等煙率,并依據當季收購價格計算均價。評分標準參考國家標準《烤煙》(GB 2635—1992)。

2 結果與分析

2.1 不同烤房裝煙情況熱泵烤房裝煙室規格與燃煤烤房一致。通過實際烘烤對比(表1)發現,熱泵密集烤房的裝煙能力與燃煤烤房(CK)相當。同一炕次熱泵密集烤房(T1、T2)烘烤煙葉的鮮干比均小于燃煤烤房,表明其烘烤過程中能量損耗(總養分損失)小于燃煤烤房。

表1 不同烤房裝煙情況Table 1 The tobacco-loading situations in different types of curing barns

2.2 熱泵烤房烘烤過程中升溫穩溫情況如圖1所示,根據曲線記錄,熱泵烤房T1、T2實際干球溫度與目標干球溫度誤差在2.0 ℃以內,實際濕球溫度與目標濕球溫度誤差控制在1.0 ℃以內,能夠滿足烘烤過程中溫濕度的精準調控。“新建式”熱泵烤房烘烤54 ℃穩溫階段(7 970 min)由于意外停電,短暫降溫也被如實記錄,方便烤后分析工藝曲線以及查找烘烤過程中出現的問題。

圖1 熱泵烤房烘烤過程中升溫穩溫情況Fig.1 Temperature-heating and temperature-stabilization in the curing process of heat pump barns

如表2所示,通過對烤房烘烤過程中前后、上下溫差監測發現,2種熱泵烤房前后溫差較小,均在2.0 ℃以內。“改造式”熱泵烤房烘烤過程中上下溫差較大,尤其是變黃后期(42 ℃)最大溫差達4.1 ℃。3～4 ℃的溫差造成上下棚煙葉變黃程度差異較大,需要在加熱室結構上做適當調整,并在一般工藝曲線的基礎上進行優化。定色后期開始,隨著煙葉失水皺縮,上下溫差逐漸縮小,可以按照正常烘烤工藝根據煙葉變化制定干濕球溫度。“新建式熱泵烤房”在上下溫差控制方面更加協調,整個烘烤工藝期上下溫差未超過3.0 ℃。

表2 熱泵烤房不同溫度階段干球溫差Table 2 Dry bulb temperature difference in different temperature stages of heat pump curing barns ℃

2.3 不同烤房烘烤成本對比通過對比不同類型熱泵烤房用電情況(表3)可知,隨著煙葉烘烤炕次的提升,烘烤時間有所增加,用電量也有所增加。“新建式”熱泵烤房平均單炕電費為634.03元/炕,明顯低于“改造式”熱泵密集烤房(699.18元/炕),節能效果顯著。

表3 不同熱泵烤房用電情況Table 3 Power consumption of different heat pump curing barns

以“改造式”熱泵烤房第3炕用電為例,分析不同階段用電量。由表4可知,不同烘烤階段用電量明顯不同。變黃期排濕量較少,烤房以熱空氣內循環為主,此階段用電量最低;從變黃期開始,單位耗電量呈增長趨勢,表明壓縮機運行功率逐步增大。定色期耗時最長、用電量最大。由于42、44 ℃階段烤房排濕頻率較高,烤房內外空氣循環較多,導致單位耗電量明顯增加,44 ℃階段單位耗電量[8.16( kW·h)/h]接近68 ℃階段單位耗電量。干筋期為維持烤房內較高溫度,熱泵壓縮機運行功率較大,單位耗電量明顯增加。

由表5可知,“改造式”和“新建式”熱泵烤房單炕烘烤綜合成本較燃煤烤房分別減少736.71和801.85元,分別減少47.97%和52.21%。人工成本計算依據當地實際情況,烘烤師傅單人可負責燃煤烤房5座、熱泵烤房15座,烘烤師傅薪資6 000元/月。由此可見,熱泵烤房烘烤不僅節省燃料,而且由于減少了燃料添加環節,人工成本也顯著降低。“改造式”和“新建式”熱泵烤房單位干煙烘烤成本與燃煤烤房相比分別減少1.58和1.63元/kg,降幅分別為46.06%和47.52%。用熱泵烤房替代燃煤烤房,每年烘烤期每個烤房按照8炕煙葉計算,“改造式”和“新建式”熱泵烤房每年可節省5 893.68和6 414.80元。熱泵烤房烘烤沒有燃料燃燒產生的空氣污染,具有一定的生態效益。熱泵烤房能夠明顯降低烘烤成本,在減工降本方面具有明顯優勢。

表4 “改造式”第3炕用電情況Table 4 The power consumption of the third kang of “modified type” curing barn

表5 不同烤房單炕烘烤成本Table 5 The curing cost per kang of different types of curing barns

2.4 不同烤房烤后煙葉質量對比由表6可知,“改造式”(T1)和“新建式”(T2)熱泵烤房烤后煙葉上等煙率和均價均高于燃煤烤房(CK),中部葉上等煙率較燃煤烤房分別提高5和4百分點,上部葉上等煙率分別提高3和1百分點。通過對上部葉分析對比發現,“改造式”和“新建式”熱泵烤房上中等煙率較燃煤烤房分別提高0.7和3.1百分點。綜合分析可知,熱泵烤房烘烤能夠提升中、上部葉烤后煙葉上等煙率,提高均價,增加煙農的收益。

3 結論與討論

表6 不同烤房烤后煙葉質量評價Table 6 Quality evaluation of flue-cured tobacco leaves of different types of curing barns

2種熱泵烤房煙葉裝烤能力與燃煤烤房相當,溫濕度控制精準,烘烤成本與燃煤烤房相比明顯降低,中、上部葉烤后上等煙率均得到提升。“新建式”熱泵烤房在烘烤過程中上下溫差控制較“改造式”更加優異,且烘烤能耗更低。綜合分析,“新建式”熱泵烤房更具推廣價值,但“新建式”熱泵烤房的建造成本較“改造式”熱泵烤房高,因此“改造式”熱泵烤房更具性價比。

與燃煤烤房相比,熱泵烤房具有明顯的優勢。升溫控制精準、溫濕度調節靈敏度高,且利用電能這一清潔能源,烘烤過程不產生空氣污染,可滿足環境友好型發展需求。熱泵烤房減少了烘烤過程中的加料環節工作,烘烤勞動強度和總成本降低,經濟效益、煙葉等級結構和上中等煙率提升,增加了煙農收入,有利于提高煙農種植煙葉的積極性,促進煙葉生產的可持續發展。全面應用熱泵烤房有利于統一烘烤熱源方式,使烤煙工藝與方法更加標準化,對煙葉生產集約化管理和規模化生產具有促進作用。當前制約熱泵烤房大規模替換燃煤烤房的因素主要有3個:一是前期設備投入成本大。二是熱泵烤房用電依賴度高,需要配套供電系統,并且要獲得電力公司的支持,確保烘烤期間穩定供電。為應對烘烤過程中突發停電情況,需要配備大功率發電機。三是后期設備維護需要專業人員。熱泵烤房具有節能環保、省工降本、提質增效顯著等優點,是未來烤房發展的重要趨勢,但大規模推廣熱泵烤房替代燃煤烤房仍然有制約因素。