不同排濕方式的空氣能熱泵密集烤房烘烤效果對比研究

摘要 為探究湖北襄陽地區(qū)新能源烤房的降本增效烘烤效果，開展3種不同排濕方式空氣能熱泵烤房與生物質(zhì)烤房的烘烤效果對比試驗。試驗共設(shè)4個處理：S 移動式生物質(zhì)顆粒密集烤房為對照（CK）；S2，開放式空氣能熱泵密集烤房；S3，密閉式空氣能熱泵密集烤房；S4，復(fù)合式空氣能熱泵密集烤房。對各處理的負(fù)載烘烤效率、烘烤關(guān)鍵溫度控制、烘烤成本、煙葉常規(guī)化學(xué)成分、烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀進(jìn)行對比分析，驗證烘烤效果。結(jié)果表明：與生物質(zhì)烤房相比，新能源熱泵烤房烘烤效率稍低，但關(guān)鍵烘烤溫度控制更精準(zhǔn)，烘烤成本減少；新能源熱泵烤房的單位干煙平均成本僅為1.20～1.52元/kg，遠(yuǎn)低于生物質(zhì)烤房，下降了0.69～1.01元/kg，降幅高達(dá)31.22％～45.70％，每炕煙能節(jié)省386.7～543.3元；熱泵烤房煙葉內(nèi)在質(zhì)量化學(xué)成分協(xié)調(diào)性提升，以密閉式和復(fù)合式效果更加；密閉式空氣能熱泵密集烤房上等煙比例顯著提升了5.92百分點(diǎn)，煙葉均價顯著增加了2.27元/kg，總產(chǎn)值最佳?？傮w來看，熱泵密集烤房與生物質(zhì)密集烤房相比，省工降本，提質(zhì)增效，具有十分良好的推廣前景。

關(guān)鍵詞 烤煙；排濕方式；空氣能；熱泵烤房；生物質(zhì)密集烤房

中圖分類號 TS 44 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）20-0169-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.20.041

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Comparison of the Baking Effect of an Air EQO932uyfl/1E+zGR01BPnyFphiUOmMpWE2tbD7fUTRk=nergy Heat Pump Intensive Baking Room Using Different Humidity Removal Methods

CHEN Yong-wei， TIAN Hui-wen， CHEN Yong-de et al

（Xiangyang Branch of Hubei Tobacco Corporation， Xiangyang， Hubei 441000）

Abstract In order to explore the cost reduction and efficiency improvement baking effect of new energy baking houses in Xiangyang， Hubei， comparative experiments on the baking effects of three different dehumidification methods of air energy heat pump baking room and biomass baking room were conducted. A total of 4 treatments were set up in the experiment， with S1 （CK） mobile biomass particle dense baking house as the control;S2 open air energy heat pump dense baking room;S3 closed air energy heat pump dense baking room;S4 composite air energy heat pump dense baking room. The load baking efficiency， key baking temperature control， baking cost， conventional chemical composition of tobacco leaves， and economic benefits of cured tobacco leaves for each treatment are compared and analyzed to verify the baking effect. The results show that compared with biomass baking rooms， the baking efficiency of new energy heat pump baking rooms is slightly lower， but the key baking temperature control is more precise， and the baking cost is reduced;the average cost of dry smoke per unit in the new energy heat pump drying room is only 1.20-1.52 yuan/kg， which is much lower than that in the biomass drying room， with a decrease of 0.69-1.01 yuan/kg， a decrease of 31.22%-45.70%， and a savings of 386.7-543.3 yuan per unit of smoke. The chemical composition coordination of the internal quality of tobacco leaves in the heat pump drying room is improved， and the effect is better with closed and composite methods. The proportion of high-quality tobacco in the closed air enerygy heat pump intensive curing room significantly increased by 5.92 percentage point， and the average price of tobacco leaves significantly increased by 2.27 yuan/kg， with the best total output value. Overall， compared with biomass intensive baking houses， heat pump intensive baking houses save labor， reduce costs， improve quality and efficiency， and have a very good promotion prospect.

Key words Flue-cured tobacco;Dehumidification method;Air energy;Heat pump baking room;Biomass intensive baking room

煙葉的調(diào)制是把煙葉從農(nóng)業(yè)產(chǎn)品加工成工業(yè)可用產(chǎn)品的一個關(guān)鍵過程，這個烘烤干燥過程需要大量消耗熱能，我國在2005年開始推廣使用臥式密集烤房，多以煙煤為主供能，因此產(chǎn)生了大量燃煤燃燒排放的SO2、CO2、CO及粉塵等，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染［1-3］。近年來，國家對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)越來越重視，探索低能耗、低排放的環(huán)境友好型煙葉烘烤生產(chǎn)方式，已成為各煙區(qū)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)探索節(jié)能減排的主要方向，其中尤以烘烤環(huán)節(jié)最多，涉及電力、煤炭及污染物排放［4-5］。

空氣能熱泵烤房，利用熱泵機(jī)組作為設(shè)備主機(jī)將空氣源熱泵加熱排濕或采用制冷方式除濕，從而達(dá)到干燥要求，是一種更安全、環(huán)保、節(jié)能的烘烤方法［3，6］。根據(jù)干燥機(jī)組不同，排濕結(jié)構(gòu)方式主要分為開放式、密閉式、復(fù)合式。工作原理的區(qū)別主要為：①開式熱泵干燥，以空氣源熱泵加熱空氣，采用熱風(fēng)加熱排濕；②閉式熱泵干燥，采用制冷方式除濕，以冷凝熱進(jìn)行再加熱的冷凝除濕干燥;③復(fù)合式熱泵干燥，可按需求切換成開式或閉式的空氣源熱泵冷凝除濕干燥［7-8］。

目前，空氣熱泵干燥設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品加工、陶瓷烘焙、紡織制品及干燥農(nóng)產(chǎn)品等領(lǐng)域［9-10］。相關(guān)研究表明，熱泵烤房根據(jù)逆卡諾原理，利用空氣能熱泵機(jī)組作為設(shè)備主機(jī)，將空氣源熱泵進(jìn)行加熱排濕，抑或采用制冷方式進(jìn)行除濕，經(jīng)過系統(tǒng)高效集熱整合，達(dá)到煙葉生產(chǎn)所需的干燥要求，該烘烤方法具備清潔高效、可再生優(yōu)勢，所烤煙葉均質(zhì)化程度高，烤后煙葉物理、外觀、化學(xué)成分更佳，易烘烤出更多的上等煙。胡曉東等［4］研究發(fā)現(xiàn)，熱泵烤房的裝煙室溫差控制更加精確，在水平和垂直面溫度差值減少，有利于整炕煙葉都在最佳溫度進(jìn)行調(diào)制，促進(jìn)煙葉質(zhì)量提升，增加中上等煙比例。田效園等［11］研究認(rèn)為，熱泵烤房顯著節(jié)約成本，煙葉等級及評吸質(zhì)量提升明顯。

因此，熱泵密集烤房在推動現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展方面具有良好前景［12-13］。但受各煙區(qū)生態(tài)環(huán)境與主栽品種不同的限制，執(zhí)行的烘烤工藝與烤房性能沒有完全匹配，無法將熱泵烤房性能優(yōu)勢完全發(fā)揮。因此，通過不同排濕方式的空氣能熱泵烤房烘烤效果對比，開展不同排濕方式熱泵烤房的烘烤工藝、能耗與烤后煙葉質(zhì)量研究，旨在進(jìn)一步推進(jìn)煙葉烘烤質(zhì)量提升，為新型能源空氣源熱泵烤房的推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗于 2023 年在湖北省棗陽市吳店鎮(zhèn)玉皇廟村十月九烘烤工廠進(jìn)行。供試烤煙品種為湘煙3號，田間管理按照當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙葉生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范執(zhí)行。供試煙葉為田間鮮煙素質(zhì)一致、正常成熟采收的中部葉（自下而上第8～12片葉），各處理均為同一天采摘、夾煙、入坑和點(diǎn)火。各處理烤房規(guī)格均為 8.00 m×2.70 m×3.50 m，符合國煙辦綜〔2009〕418號標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 試驗設(shè)計 試驗設(shè) 4 個處理，分別為：S 移動式生物質(zhì)顆粒密集烤房（CK）；S2，開放式空氣能熱泵密集烤房；S3，密閉式空氣能熱泵密集烤房；S4，復(fù)合式空氣能熱泵密集烤房（表1）。

烘烤工藝采取當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)的中部煙3段10步烘烤曲線。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 負(fù)載烘烤效率。測定各處理烤房的鮮、干煙葉重量，不同烘烤階段用時、總烘烤用時、計算單位干煙烘烤用時。

1.3.2 烘烤關(guān)鍵溫度統(tǒng)計。使用烤房監(jiān)控儀，對每房煙葉10個烘烤工藝關(guān)鍵穩(wěn)溫點(diǎn)進(jìn)行記錄，并與目標(biāo)溫度進(jìn)行對比，分析目標(biāo)溫度與實(shí)際溫度的差異。

1.3.3 烘烤成本對比分析。上烤前隨機(jī)抽取 10 夾煙葉稱重并掛牌標(biāo)記，烤后對干煙稱重，計算鮮干比，以此測算整房干煙重量。在各處理烤房分別安裝獨(dú)立電表，于同一天用同一批鮮煙素質(zhì)一致的煙葉裝炕后，采用統(tǒng)一的中部葉3段10步烘烤工藝，烘烤結(jié)束后，統(tǒng)計各處理燃料用量。記錄每炕煙葉烤前、烤后的電表讀數(shù)，測算每炕煙葉耗電量。

1.3.4 化學(xué)成分分析。采用連續(xù)流動分析儀測定煙葉常規(guī)化學(xué)成分。

1.3.5 烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀。參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 2635—1992《烤煙》對烤后煙葉進(jìn)行分級，確定煙葉等級，并根據(jù)當(dāng)?shù)乜緹熓召弮r格確定均價。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理 采用Microsoft Excel 2016軟件進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)整理及作圖，采用SPSS 24.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理的煙葉烘烤效率 由表2可知，各處理烘烤效率存在顯著差異，以S1處理的烘烤總用時最少，S1與S3處理各時期烘烤用時均存在顯著差異。S1、S2、S3處理烘烤總用時之間存在顯著差異，其中S1較S2、S3、S4處理分別縮短了7、13、10 h?？梢姡瑹岜每痉恳蚣訜嵩捶绞讲煌蜕镔|(zhì)顆?？痉康暮婵拘蚀嬖陲@著差異，可能是在中后期高溫烘烤時，電能供熱受制于功率限制，而生物質(zhì)顆粒燃燒僅需加大火力供熱。S1處理單位時間內(nèi)烘烤干煙量比 S2、S3、S4處理分別增加0.08、0.33、0.17 kg/h?？梢姡镔|(zhì)烤房與熱泵烤房相比，生物質(zhì)顆粒烤房的烘烤效率較高。

2.2 烘烤關(guān)鍵溫度控制 由表3可知，在變黃期（42 ℃ 以前） 各處理溫度均能控制在±0.50 ℃ 范圍內(nèi)。定色期至干筋期燒大火階段，對比 S1處理，熱泵密集烤房溫度仍然基本控制在±0.50 ℃以內(nèi)，溫度控制較為精準(zhǔn)。S3處理各個階段溫差基本控制在±0.30 ℃以內(nèi)，溫度控制效果最佳，說明密閉式熱泵烤房受外界影響較小，溫度控制最為穩(wěn)定，而生物質(zhì)顆?？痉靠赡苁苋斯ぬ砑尤剂系挠绊?，在燒大火階段溫度控制偏差稍大。

2.3 烘烤成本 由表4 可知，S1處理的煙葉鮮干比高于空氣能熱泵處理，而烘烤時長低于空氣能熱泵處理，說明生物質(zhì)顆?？痉康暮婵局芷谳^快，但是對烘烤干物質(zhì)積累有一定影響。烘烤總成本方面，熱泵烤房S2、S3、S4處理均遠(yuǎn)低于移動式生物質(zhì)顆粒密集烤房S1（CK），省工降本效果十分顯著，分別節(jié)省了543.30、386.70、514.30元。干煙平均烘烤成本方面，各處理表現(xiàn)為S1＞S3＞S4＞S2，S2、S3、S4處理比S1處理干煙平均烘烤成本分別下降了45.70%、31.22%、42.99%。說明使用空氣能熱泵密集烤房干煙平均烘烤成本明顯下降，且開放式和復(fù)合式的平均烘烤成本更低。

2.4 化學(xué)成分 煙葉主要化學(xué)成分含量的高低及其比例是否協(xié)調(diào)是決定煙葉內(nèi)在品質(zhì)的關(guān)鍵因素。目前普遍認(rèn)為，優(yōu)質(zhì)烤煙化學(xué)成分為總糖15.0%～20.0%，還原糖14.0%～18.0%，煙堿1.50%～2.50%，總氮1.70%～1.90%，蛋白質(zhì)7.0%～9.0%；一般認(rèn)為，優(yōu)質(zhì)煙的糖堿比以8.00～12.00為宜，鉀氯比以大于4.00為宜，氮堿比以1.00或略小于1.00為宜［16］。由表5可知，與S1處理相比，S2、S3、S4處理烤后煙葉總糖和還原糖、鉀含量均顯著下降；煙堿、總氮含量則在一定程度上有所增加，S1與S4相比差異顯著；S1處理與S3、S4處理鉀含量存在顯著差異；各處理化學(xué)成分含量均在較適宜范圍內(nèi)，主要化學(xué)成分比例糖堿比以S2、S3、S4處理協(xié)調(diào)性較好，各處理鉀氯比協(xié)調(diào)性均較好，氮堿比以S1、S3、S4較好。綜合來看，S3、S4處理對煙葉的化學(xué)品質(zhì)協(xié)調(diào)性最有益。這可能與密閉式和復(fù)合式熱泵烤房對溫度、濕度、時間以及通風(fēng)的控制更加精確有關(guān)，保證了烘烤過程中煙葉生理生化的變化在較合理的范圍。

2.5 烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀分析 由表6可知，S1處理烤后煙葉上、中、下等煙比例與 S2、S3、S4處理差異達(dá)顯著水平，上等煙比例S2、S3、S4處理較S1處理分別提高2.96、5.92、3.38百分點(diǎn)，下等煙比例S2、S3、S4處理較S1處理分別減少0.38、1.28、1.11百分點(diǎn)，中等煙比例S2、S3、S4處理較S1處理分別降低2.58、4.64、2.27百分點(diǎn)；各處理煙葉總產(chǎn)值高低排序為S3＞S4＞S2＞S 且處理間差異顯著。各處理煙葉均價S3顯著高于S1、S2、S4處理，分別提高了2.27、2.15、1.34元/kg。總之，新能源熱泵烤房由于溫差更為精確，減少了溫度波動，能走準(zhǔn)目標(biāo)工藝曲線，有利于上等煙比例增加，下等煙比例減少，避免雜色煙。相反，生物質(zhì)顆?？痉渴苌镔|(zhì)顆粒燃燒供熱的滯后性影響，在烘烤中對溫度控制難度較大，無法精準(zhǔn)走出目標(biāo)工藝曲線，因此會出現(xiàn)少量下等煙。綜合來看，使用密閉式新能源熱泵烤房烘烤中部煙葉的經(jīng)濟(jì)性狀最佳，復(fù)合式新能源熱泵烤房次之。

3 結(jié)論與討論

現(xiàn)階段，我國絕大部分密集烤房采用煤炭作為燃料，但由于煤炭的燃燒特性，烘烤過程中離不開人為控制，需要的勞動量多，勞動強(qiáng)度大，同時人員操作還需要具備較高的技術(shù)［1］。而現(xiàn)階段，新能源烤房已比較成熟，為進(jìn)一步探索新能源烤房的設(shè)備與工藝的配伍性，充分發(fā)揮空氣能熱泵烤房的性能，研究熱泵烤房不同排濕方式的烘烤特性至關(guān)重要，同樣的熱泵加熱，匹配不一樣的排濕方式，結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境特點(diǎn)，需要匹配最佳的烘烤工藝，才能發(fā)揮最大的優(yōu)勢［13-14］。

筆者以3種不同排濕方式的熱泵密集烤房對比生物質(zhì)顆粒密集烤房開展烘烤效果研究，去驗證分析不同排濕方式熱泵烤房的烘烤效果差異，明確不同排濕方式熱泵烤房的性能差異、烤后煙葉品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)性狀。結(jié)果表明，不同排濕方式熱泵烤房均能夠進(jìn)一步降低用工量和勞動強(qiáng)度，使用電能的空氣能熱泵供熱，進(jìn)一步省去了生物質(zhì)顆?？痉康募恿先斯べM(fèi)用，沒有清灰等勞動強(qiáng)度大的作業(yè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了成本的顯著降低。在增效方面，智能溫度控制儀不僅可以更加精準(zhǔn)控制溫差，還可以遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控、管理。后續(xù)烘烤管理因無需人工上料，以電能為主的供能方式，只需要相應(yīng)電力配套，烘烤師能直接管理多座智能化熱泵烤房進(jìn)行集中專業(yè)化烘烤，有利于減免較多的人工成本。另一方面，現(xiàn)階段生物質(zhì)顆粒來源不穩(wěn)定，避免了價格偏高（約900元/t）、波動較大、烘烤能耗成本較高等問題［15-16］。在烤后煙葉質(zhì)量方面，空氣能熱泵密集烤房好于生物質(zhì)密集烤房。這主要是因為煙葉烘烤過程中，生物質(zhì)顆粒燃燒有一定滯后性，當(dāng)烤房需要升溫時，新添加的生物質(zhì)燃料不能在短時間內(nèi)快速釋放熱能，導(dǎo)致升溫稍慢；其次是穩(wěn)溫時，生物質(zhì)顆粒燃料燃燒釋放的熱量難以精準(zhǔn)迅速控制，導(dǎo)致控溫難度稍大。而空氣能熱泵密集烤房僅需通過調(diào)節(jié)功率，加熱空氣，溫度較易控制且精度高，升溫平穩(wěn)，有利于提升烤后煙葉質(zhì)量，降低烤壞煙數(shù)量。該研究結(jié)果表明，新能源熱泵烤房能在一定程度上提高烘烤效率，但仍以生物質(zhì)顆粒密集烤房的烘烤效率更佳。新能源熱泵烤房升溫靈敏、控溫穩(wěn)定、關(guān)鍵點(diǎn)溫度控制精準(zhǔn)、智能化程度高，能做到線性的階段性溫度調(diào)控，便于各種烘烤工藝曲線的執(zhí)行，能有效減少用工費(fèi)用，這與韋忠等［17-18］研究結(jié)果一致。該研究結(jié)果表明，3種不同排濕方式的新能源熱泵烤房的單位干煙平均成本僅為1.20～1.52元/kg，遠(yuǎn)低于生物質(zhì)顆?？痉?，下降了0.69～1.01元/kg，降幅高達(dá)31.22％～45.70％，每炕煙能節(jié)省386.7～543.3元。分析烤后煙葉質(zhì)量主要化學(xué)成分可以看出，熱泵烤房烤后煙葉的主要化學(xué)成分含量

比生物質(zhì)顆?？痉扛舆m宜，糖堿比、鉀氯比、氮堿比等更為協(xié)調(diào)，其中密閉式和復(fù)合式對煙葉內(nèi)在質(zhì)量提升效果更佳。對比各處理烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀可以看出，密閉式熱泵密集烤房顯著提高了上等煙比例和煙葉均價，對比生物質(zhì)顆粒密集烤房，密閉式熱泵密集烤房的上等煙比例顯著提升了5.92百分點(diǎn)，煙葉均價顯著增加了2.27元/kg，總產(chǎn)值最佳。

在該地區(qū)烘烤實(shí)踐中，

對比生物質(zhì)顆粒密集烤房，

3種不同排濕方式的熱泵密集烤房供熱均能夠滿足煙葉烘烤工藝需求，能精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)溫濕度控制。密閉式熱泵密集烤房在關(guān)鍵點(diǎn)溫度控制、勞動用工成本及煙葉質(zhì)量水平等方面效果提升明顯，可充分發(fā)揮降本增效優(yōu)勢，但不足之處是烘烤效率略低于生物質(zhì)顆粒密集烤房，后續(xù)仍需調(diào)試匹配機(jī)組設(shè)備，優(yōu)化烘烤工藝，充分發(fā)揮熱泵機(jī)組的全部性能，改善不足。綜上所述，新能源熱泵密集烤房既能大幅降低烘烤成本，還可以精準(zhǔn)控溫，提升煙葉烘烤效果，有利于烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀的改善，具有良好的推廣前景。

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