天然气水暖集中供热密集烤房设备的研究

任杰，孙福山，刘治清，徐世峰，许建设，沈始权

1 中国农业科学院烟草研究所/农业部烟草生物学与加工重点实验室，青岛266101；

2 陕西省烟草公司延安市公司， 延安 716000；

3 福建中烟工业有限责任公司，厦门 361012

密集烤房在减轻劳动强度、提高烤烟烘烤质量、适应烤烟生产规模化发展等方面具有显著优势，已成为我国烟叶烘烤设备的发展方向[1]。但燃煤密集烤房温湿度精确控制难度大，粉尘、碳氧化合物、硫化物污染严重[2-4]等问题不容忽视。国内学者已将太阳能[4-5]、空气源热泵[6-7]、余热回收利用[8-9]、气化炉供能[10]等多种节能技术应用于密集烘烤，并取得了初步成效，但美国、加拿大等发达国家普遍使用的以天然气为能源的密集烘烤设备[11]国内还未见报道。

与燃煤相比，天然气能源热值高、清洁，能明显减少烟尘、二氧化硫等污染物排放[12]。天然气的运输问题可通过将液化天然气（liquef i ed natural gas,LNG）用低温槽车进行运输，到达LNG 气化站后气化供应来解决[13]。采用天然气集中供热和自动控制系统，密集烘烤过程中升温灵活，排湿顺畅，便于操作，可避免人为过失造成的对烤烟质量的影响，而且可实现连续化作业，劳动强度低、生产效率高，非常适应现代烟草农业生产规模化、产业化发展，能够较好的配合基地单元化运作[14]。

本研究针对我国烟叶烘烤设备对煤炭依赖度高、环境污染重、烘烤用工量大的问题，利用液化天然气（LNG）为气源，集成LNG气化技术、水暖集中供热技术，设计建造了天然气水暖集中供热密集烤房，并对其烘烤效果进行了研究，旨在探寻一条可实现烘烤用工量少、环境污染小、社会效益好、经济高效的密集烘烤新途径。

1 系统组成及设计原理

1.1 系统组成

图1 天然气水暖集中供热密集烤房系统组成

天然气水暖集中供热密集烤房由LNG气化站、集中供热系统、烤房系统和远程监控系统四大系统组成。LNG气化站主要由液化天然气（LNG）储罐、储罐增压器、调压计量加臭设备、空温式气化器、水浴式加热器、BOG空温加热器、供气监控设备等设备组成。集中供热系统主要由锅炉主机、进口燃烧器、循环水泵、全自动控制柜、分水缸、补水泵、引风机等设备组成。烤房系统主要由烤房基础部分、钢铝复合翅片管式换热器、电动球阀、百叶排湿窗、循环风机、温湿度控制仪、冷风进风门等部分组成。远程监控系统主要由分布在不同站点的密集烤房控制器、监控中心计算机和无线通信链路所构建的无线局域网等组成。

1.2 设计原理

液化天然气（LNG）由低温槽车运至LNG气化站，通过卸车台设置的专用卸车增压器对槽车增压，利用压差将LNG送至LNG储罐。工作条件下，通过储罐增压器将储罐内的LNG增压，增压后的LNG进入空温式气化器，LNG吸热发生相变，转化为气态天然气，当天然气在空温式气化器出口温度较低时，通过水浴式加热器升温，最后经调压、计量、加臭后供给常压锅炉。低温槽车内LNG 卸完后，尚有高压低温天然气（BOG气体），为节约资源，降低成本，特设计一路低温气体天然气回收管线。槽车及储罐排出的BOG气体为低温状态，且流量不稳定，BOG 工艺将其加热后，同气化加热工艺的常温天然气一并输入调压系统（图2）。

图2 液化天然气（LNG）气化站工艺流程

以LNG气化站输出的天然气为燃料加热锅炉水，来自锅炉（额定出力1.4 mw，本体水容积3.1 m3，可为25座烤房供热）的高温水经循环水泵加压后通过供水管网送至各个烤房。进入烤房的水流量是根据烤房烘烤进程热量需求由控制仪调节电动球阀，达到稳定加热的目的。高温水在换热器内与循环风进行热交换，将循环风加热，而经热交换的热水由回水管网除污后重新返回锅炉加热，从而完成水系统的加热、冷却、再加热的封闭循环。运行过程中，由于排污及泄露而损失的水量，由自动控制的补水泵将水处理器处理后的软水补进膨胀水箱再供入循环系统。烘烤过程中的实时数据通过无线通信链路传送到监控中心计算机。监控中心计算机收集各个烤房的烘烤过程数据并建立数据库，以多种人机界面（图表、曲线等方式）监视群内各个烤房的烘烤过程并及时进行参数调整和反馈，以达到集中监视、分别控制的目的（图3）。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验于2012年8-9月在陕西省延安市南泥湾现代烟草农业示范园进行。供试烤烟品种为秦烟96上部烟叶，按优质烟栽培技术种植。

供试烤房为天然气水暖集中供热密集烤房（处理）和燃煤密集烤房（对照），两种不同配置烤房土建规格统一为装烟室长8000mm、宽2700mm、高3500mm，气流方向均为下降式。

图3 水暖集中供热及远程监控系统设计原理

2.2 试验设计

采收秦烟96成熟上部烟叶，处理与对照采用同质鲜烟，按照“同田块、同熟相、同时采、同时编、同时开烤操作”。用烟夹夹持分别装入天然气水暖集中供热密集烤房（5炉）和燃煤密集烤房；另外从所采烟叶中挑选鲜烟素质基本一致的烟叶4夹，燃气供热烤房和燃煤烤房各放2夹，分别放在两类烤房的二棚中间位置。

2.3 测定项目和方法

（1）记录空载及负载条件下两类烤房升温过程中的温度变化。（2）对每类烤房标记的2夹烤后烟叶进行烟叶外观质量评价，依据国家标准GB2635-92对烤后烟叶进行分级，计算上、中、下等烟比例、桔黄烟比例、青杂烟比例。（3）测定各处理装鲜烟的重量、烘烤各环节用工量、烘烤后干烟重量、耗气量、耗煤量、耗电量。（4）按照环保部燃料燃烧排放大气污染物物料衡算办法，根据耗煤量和耗气量计算SO2、烟尘和CO排放量。

3 结果与分析

3.1 空载及负载条件下烤房升温性能

将电动球阀开至最大，对处理烤房进行了空载条件下的升温测试，从表1中可以看出，处理烤房升温灵敏，点火时外界温度19.5℃，25 min即升至36℃，30 min升至45℃，1 h即升至60℃，1.5 h升至68℃，此后升温速度逐渐减缓，经4 h最高温度可达到76℃。此外，在炉温升到45℃时，选取二棚5点进行温度测试，5测点温度分别为44℃、43.9℃、45℃、45.5℃、45.2℃，平面温差在1.5℃之内，说明处理烤房运行平稳，性能良好。

表1 天然气水暖集中供热密集烤房空载升温情况

从图4中可以看出，在负载情况下，处理烤房较对照烤房升温灵敏，实时干湿球温度与目标干湿球温度基本吻合。在烟叶烘烤过程的变黄期、定色期以及干筋期均能达到设定的目标温湿度，且在稳温阶段温湿度波动较小（±0.5℃），升温、控温准，保温、保湿稳，均能满足烘烤对温湿度的要求。

图4 处理烤房（a）和对照烤房（b）实时干湿球温度

3.2 烤后烟叶等级结构

表2 两类烤房烤后烟叶等级结构

从表2中可以看出，处理烤房烤后烟叶上等烟比例较对照烤房提高2.7个百分点，桔黄烟比例提高13.4个百分点，而下等烟比例和青杂烟比例均下降了0.8个百分点。综合来看，处理烤房烤后烟叶等级结构优于对照烤房。

3.3 烤后烟叶外观质量

表3 两类烤房烤后烟叶外观质量

对处理烤房与对照烤房烤后烟叶外观质量进行了鉴定，鉴定结果见表3，从鉴定结果可以看出，处理烤房烤后烟叶外观质量较对照烤房有所改善，表现为烟叶颜色有所加深，桔黄烟比例增加，油分增多，色度增强。

3.4 密集烘烤成本

表4 两类烤房每千克干烟烘烤用工成本

从表4可以看出，两类烤房鲜烟装烟量相同，但处理烤房单炉烤后烟干重高于对照烤房。处理烤房和对照烤房在烟叶烘烤的采收、编烟装烟及烤后烟叶出炉分级环节单炉用工成本相同，但由于处理烤房单炉烤后烟干重高于对照烤房，所以处理烤房在采收、编装烟、解烟分级环节千克干烟用工成本低于对照烤房。此外，天然气集中供热密集烘烤采用集中供热和远程监控系统，烘烤操作用工大大下降，1人即可实现25座烤房的烘烤管理，而燃煤密集烤房一般10座烤房即需要2人昼夜轮换进行烘烤操作。综合烘烤各环节用工，处理烤房较对照烤房千克干烟烘烤用工成本下降0.86元。

表5 两类烤房每千克干烟烘烤能耗成本

从表5可以看出，两类烤房在能耗方面差别较大，对照烤房每千克干烟烘烤需用煤约1.39 kg，处理烤房每千克干烟烘烤需用气1.08 m3，但由于天然气价格远高于煤炭价格，所以导致用气成本要高于用煤成本。由于处理烤房需要有循环水泵来持续进行热水循环，所以用电成本也要高于对照烤房，但若将循环水泵电耗分摊至25炉，则处理烤房每千克干烟电耗成本由0.86元降至0.53元，和对照烤房基本相当此外，处理烤房每千克干烟所需热量低于对照烤房，这说明处理烤房热能利用率高于对照烤房。

综合烘烤用工及能耗成本，处理烤房较对照烤房高2.36元/每千克干烟。但本研究只利用了25座烤房中的5座，热水循环仍在25座烤房进行，从而损耗了部分热量，此外，循环水泵的电耗只能由5座烤房分摊，如25座烤房全部利用，则气耗和电耗成本会相应降低。

3.5 大气污染物排放量

表6 两类烤房大气污染物排放量

从表6可以看出，两类烤房烘烤过程中大气污染物排放量差异较大，处理烤房SO2排放量约为对照烤房的1/15，CO排放量约为对照烤房的1/3，此外，在烘烤过程中处理烤房无烟尘排放。

4 讨论

目前全国大面积推广的密集烤房，存在对煤的依赖性问题，每烤1 kg 干烟需要1.5～ 2.0 kg 煤炭，能耗较高，污染较大，致使烘烤成为烟草农业生产主要的污染来源[15]。减少烘烤过程中燃煤污染已成为现代烟草农业推进过程中急需解决的问题。而天然气作为一种公认的清洁能源，能够减少因烘烤造成的环境污染[12]。对一个100连建的密集烤房群来说，使用天然气集中供热烘烤每次烘烤约减少SO2排放1100 kg，减少CO排放2700 kg，减少烟尘排放1550 kg，大气污染物排放量大大降低，环保效应巨大。

本研究表明天然气水暖集中供热密集烤房升温灵敏，控温精确，能够满足烟叶烘烤对温湿度的要求。正常情况下，天然气水暖集中供热密集烤房烧火及系统运行每班仅需1人操作和控制，能够大幅降低操作人员的劳动强度，节省劳动用工，与燃煤密集烤房相比，操作更为安全、方便、快捷。烤后烟叶上等烟比例和桔黄烟比例较燃煤密集烤房大幅提高，在颜色、油分、色度等方面明显改善。这可能与天然气水暖集中供热密集烤房温湿度控制精度高有关。天然气水暖集中供热密集烤房温湿度上下波动一般不超过0.5 ℃，只要烘烤工艺设置合理，能够保证烟叶在相对稳定且适宜的温湿度环境下发生一系列有利于改善烟叶品质的生理生化变化。而燃煤密集烤房温度波动大，操作不当容易造成温湿度猛升骤降，温度波动越大，干物质损失越大，烤后烟叶质量越差[16]。

虽然天然气水暖集中供热密集烤房较燃煤密集烤房表现出烘烤操作技术简便、节省用工、能保证烟叶烘烤质量等优势，但一次性投资成本较高，且由于目前天然气价格远高于煤炭价格，致使天然气水暖集中供热密集烘烤能耗成本偏高，现阶段进行大面积推广有一定难度，但是随着国家对环保要求的提高，天然气水暖集中供热密集烤房可以作为一种改善烘烤作业环境，降低烘烤操作技术难度，确保有较好的生态效益、社会效益和经济效益，做到可持续发展的技术储备。

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