半高山煙區(qū)熱泵烤房的篩選與應(yīng)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(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要因素[1]。煤炭價格的升高[2]、區(qū)域內(nèi)煤炭資源缺乏、山區(qū)運輸成本附加提升了半高山煙區(qū)的烘烤成本。隨著科技的進步發(fā)展以及行業(yè)的政策支持,清潔、高效、環(huán)保的新能源成為煤炭的最佳替代方案[3]。國內(nèi)眾多專家與科技工作者在提高熱能利用效率和探索開發(fā)新能源資源方面做了大量工作,目前生物質(zhì)燃料、空氣能電熱泵、天然氣、太陽能、電磁能等已經(jīng)在煙葉烘烤上得到試驗與應(yīng)用[4-7]。

云南省楚雄州煙草公司研究發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)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(zhì)含量增加,內(nèi)在化學(xué)成分協(xié)調(diào)性、香氣質(zhì)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(zhì)新能源烤房的用工成本、能耗成本較常規(guī)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(fā)《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(tài)環(huán)境保護與長江經(jīng)濟帶綠色發(fā)展,也為煙葉生產(chǎn)減工降本、提質(zhì)增效。湖北省秭歸縣在磨坪鄉(xiāng)烤煙種植區(qū)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(qū)推廣應(yīng)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(xiāng)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(guī)格為8.0 m×2.7 m×3.5 m,為2路3層式設(shè)計。熱泵密集烤房采用空氣源熱泵壓縮機和輔助加熱系統(tǒng)供熱。

1.2 試驗方法試驗設(shè)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(shù)方案》執(zhí)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(shè)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(jù)初烤煙葉成熟度、顏色、葉片結(jié)構(gòu)、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(jù)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(jié)果與分析

2.1 不同烤房裝煙情況熱泵烤房裝煙室規(guī)格與燃煤烤房一致。通過實際烘烤對比(表1)發(fā)現(xiàn),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(yǎng)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(wěn)溫情況如圖1所示,根據(jù)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(nèi),實際濕球溫度與目標濕球溫度誤差控制在1.0 ℃以內(nèi),能夠滿足烘烤過程中溫濕度的精準調(diào)控。“新建式”熱泵烤房烘烤54 ℃穩(wěn)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(xiàn)的問題。

圖1 熱泵烤房烘烤過程中升溫穩(wěn)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(jiān)測發(fā)現(xiàn),2種熱泵烤房前后溫差較小,均在2.0 ℃以內(nèi)。“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(jié)構(gòu)上做適當調(diào)整,并在一般工藝曲線的基礎(chǔ)上進行優(yōu)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(jù)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(xié)調(diào),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(jié)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(nèi)循環(huán)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(nèi)外空氣循環(huán)較多,導(dǎo)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(nèi)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(jù)當?shù)貙嶋H情況,烘烤師傅單人可負責(zé)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(jié)省燃料,而且由于減少了燃料添加環(huán)節(jié),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(jié)省5 893.68和6 414.80元。熱泵烤房烘烤沒有燃料燃燒產(chǎn)生的空氣污染,具有一定的生態(tài)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(yōu)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(zhì)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(fā)現(xiàn),“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(nóng)的收益。

3 結(jié)論與討論

表6 不同烤房烤后煙葉質(zhì)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(yōu)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(yōu)勢。升溫控制精準、溫濕度調(diào)節(jié)靈敏度高,且利用電能這一清潔能源,烘烤過程不產(chǎn)生空氣污染,可滿足環(huán)境友好型發(fā)展需求。熱泵烤房減少了烘烤過程中的加料環(huán)節(jié)工作,烘烤勞動強度和總成本降低,經(jīng)濟效益、煙葉等級結(jié)構(gòu)和上中等煙率提升,增加了煙農(nóng)收入,有利于提高煙農(nóng)種植煙葉的積極性,促進煙葉生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。全面應(yīng)用熱泵烤房有利于統(tǒng)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(chǎn)集約化管理和規(guī)模化生產(chǎn)具有促進作用。當前制約熱泵烤房大規(guī)模替換燃煤烤房的因素主要有3個:一是前期設(shè)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(tǒng),并且要獲得電力公司的支持,確保烘烤期間穩(wěn)定供電。為應(yīng)對烘烤過程中突發(fā)停電情況,需要配備大功率發(fā)電機。三是后期設(shè)備維護需要專業(yè)人員。熱泵烤房具有節(jié)能環(huán)保、省工降本、提質(zhì)增效顯著等優(yōu)點,是未來烤房發(fā)展的重要趨勢,但大規(guī)模推廣熱泵烤房替代燃煤烤房仍然有制約因素。