密集烤房余热共享在烟叶烘烤中的应用研究

祖庆学 曹本福 李碧宽 母少东 陆引罡

摘要：为了对烟叶烘烤过程中排出的烟气余热进行回收利用，提高热能利用率，实现节能减耗、降低成本，在贵州省开阳县宅吉乡潘桐村烤烟烘烤工场对烤房群中的10座烤房进行改进，增设了余热利用装置设施，并与未安装余热回收装置的烤房进行效果对比测试。结果表明，烤房群余热利用可有效地减少燃料用量，平均1 kg干烟叶耗煤1.09 kg，比对照烤房节约0.305 kg，节煤率为21.86%;平均1 kg干烟叶省电0.165 kW·h，省电率为18.44%，节约率达20.94%;每炕次可节约烘烤成本160元。烤后烟叶均价、等级结构较对照烤房略有提高，此外，该余热回收装置有利于烟叶变黄、干燥、回潮，具有较好的推广应用前景。

关键词：烤烟;密集烤房;余热共享;再利用

中图分类号：S572        文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）22-0096-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.22.026           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： In order to recycle and re-used waste heat during curing stage， which could achieve the purpose of energy-saving and reduce the cost of baking， ten barn building were improved at Pantong village， Zhaiji town， Kaiyang county of Guizhou province. The waste heat recycling installation of flue gas in tobacco bulk barn was designed and a contrast experiment was carried out for the baking tobacco leaves between the improved bulk curing barn and the conventional bulk curing barn. The results showed that， the improved bulk curing barn had obvious coal-saving effects of fuel consumption， its average coal consumption for 1 kg dry tobacco leaves was 1.09 kg， being 0.305 kg and 21.86% less than the conventional bulk curing barn. The improved bulk curing barn also could save the cost by 0.4 CNY each kg dry tobacco leaves， average power saving of 0.165 kW·h， the power saving rate of 18.44%， and its cost-saving rate was 20.94%. In total， it could save the cost of 160 CNY in baking every times. The appearance quality， grade structure and average price of flue-cured tobacco leaves of the improved bulk curing barn were slightly improved than those of control-cured barn. In addition，the waste heat recovery device was conducive to yellowing of tobacco leaves dry， resurgence. This recycling installation has a good promoting efficient.

Key words： tobacco; bulk curing barn; surplus heat sharing; reuse

烘烤調制作为烟叶生产最重要的环节，密集烤房更节能增效的研究已然成为烤烟烘烤设备更新改革的主要方向[1-4]。密集烤房烘烤是在炉膛中加入燃煤燃烧以产生高温烟气，高温烟气通过换热器加热装烟室内空气，促使烟叶发生一系列物理化学变化，最终使烟叶脱水、干燥、变黄，以获得外观及品质理想的干烟叶[5，6]。自密集烤房在中国各大烟区兴起普及以来，中国烟草科研人员围绕密集型烤房进行了大量的试验研究[7-12]。兰树斌等[13]、杨世关等[14]提出以生物质能作为能源对烟叶烘烤进行供热;田效园等[15]、潘建斌等[16]以热泵替代煤炭作为能源烘烤烟叶的研究;此外，还尝试了煤油、柴油、太阳能、天然气、醇类等新型供热物质[17-24];但最终都没得到推广普及，煤炭仍是中国目前烘烤烟叶的主要燃料[25]。据相关统计，每1 kg干烟叶的耗煤量在1.5～2.0 kg，按1.5 kg的单位质量干烟叶耗煤量计算，全国烟叶烘烤的总耗煤量可达337.5万t[26]，烟叶烘烤耗能巨大，如何实现密集烘烤过程中节能减排，降低成本，成为亟待解决的问题。常乐等[27]采用重力热管换热器，通过多通道数据采集仪和温度传感器进行测定，在云南省宜良县九乡彝族回族乡进行烟叶烘烤试验，结果发现，煤炭燃烧排入大气的烟气均在70～200 ℃，表明密集烘烤过程中从烟囱中所排出的烟气仍蕴含大量热量未被充分利用，存在严重的能源浪费现象，合理利用这部分余热，将从很大程度上降低烤烟的生产成本。

笔者根据贵州省烟区密集烤房结构特性和烟气排放类型，按照密集烤房烘烤工艺特点创新设计出连体密集烤房烟气余热回收系统，通过增设余热利用装置设施（干、湿热循环通道）研究烟气回收利用的效果，以期为降低实际燃煤用量，实现农业经济的低碳可持续发展提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  密集烤房烟气余热回收利用系统的原理及建造方法

1.1.1  密集烤房烟气余热回收利用系统的原理  密集烤房群余热利用是指各密集烤房通过余热利用装置形成连体烤房，使得各单体烤房排出的烟气进行循环再利用。即将装烟室温度高于50 ℃烤房排出的干热烟气送进干热循环通道，低于50 ℃烤房排出的湿热烟气送进湿热循环通道，然后根据烤房群的每一座烤房烘烤需要，由循环风机吸入干热烟气或湿热烟气;通过冷风进风口进入加热室，避免单体烤房在干筋期烘烤阶段中产生的干热烟气和排湿期形成的湿热烟气直接排向外界造成热量浪费。如当吸入的干、湿热烟气低于烘烤需要的温度时，经加热室炉灶进行加热，再进入装烟室。如吸入的干、湿热烟气等于烘烤需要的温度时，加热室炉灶不需进行加热，可直接进入装烟室，确保供热烤房任何时候排出的烟气余热都能满足处理烤房的烘烤需求。由于吸入的干、湿热烟气是正在进行烟叶烘烤的烤房排出的，温度均高于外界温度，所以其加热或不加热均比外界较低温度的空气加热降低了能耗，从而节约了成本。

1.1.2  密集烤房烟气余热回收利用系统的建造方法密集烤房烟气回收利用系统由湿热烟气循环通道、干热烟气循环通道、循环风机和清灰装置4个部分组成。改造的密集烤房送风方式为气流上升式。

密集烤房群余热利用装置包含干热烟气输送循环管道和湿热烟气输送循环管道，即在原烤房群的基础上，在烟囱旁边皆以混凝土浇筑为800 mm×800 mm的地沟式循环管道。干热烟气输送口设置在湿热烟气输送口之上，出风口布置在干、湿通道外侧。距湿热出气口下方1 100 mm处，装入功率200 W、转速3 600 r/min的循环风机，并建立风机检修门。空气输送通道转弯处平滑圆弧，管道内壁光滑，以减少空气流通阻力。混凝土管壁充实无间隙，各烤房烟囱均采用标准砖筑砌，再用水泥细致沙浆粉刷严密。建造结构见图1。

1.2  试验材料

试验于2014年7—9月在贵州省开阳县宅吉乡潘桐村烘烤工场进行，12座供试烤房均安装的烤房设备包含有辽宁海帝升机械有限公司生产的温湿度控制器、k312供热设备、烤房专用轴流风机。其中10座安装了烟气余热回收装置，另2座没有安装烟气余热回收装置的为对照烤房。供试品种为南江3号，选取烟叶均为成熟中部叶，各处理烤房重复2次。烤房装竿均为3层2排制，烘烤室大小（长×宽×高）  8 000 mm×2 700 mm×3 800 mm，送气方式为气流上升式。

1.3  试验方法

本试验10座余热利用烤房（T）和2座常规烤房（CK）每座烤房烟叶装竿数均一致。烤房标号由右向左依次编号，即T1至T10、CK1、CK2;试验烤房皆采用密集烤房自动控制仪设定的三段式烘烤工艺，借鉴遵义市烘烤“七步法”进行试验烘烤，并根据烟叶的变化情况进行适当的调整。分别对耗煤、耗电、干烟叶质量、烤后烟叶等级结构、烘烤用时、回潮用时进行记录。

1.4  数据处理

采用Excel 2010进行数据整理，利用SPSS 12.0进行数据处理分析。

2  结果与分析

2.1  密集烤房群烟气余热利用系统的节能效果

单位干烟叶的耗煤量和需电量如表1所示，安装余热利用装置系统的密集烤房烘烤节能效果均较明显。通过方差分析，各处理间烘烤单位干烟叶成本存在差异，且T与CK成本均值差异显著。安装余热回收装置的烤房在煤耗、电耗、成本等方面较对照烤房均有较大程度的改变，烘烤干烟叶成本变幅在1.42～1.65元/kg。与CK相比，每烘烤出1 kg干烟叶T平均节煤0.305 kg，平均节煤幅度达21.86%，节煤效果明显;每烘烤出1 kg干烟叶T平均省电0.165 kW·h，平均省电率为18.44%，省电效果较为明显。总体而言，安装余热利用装置的烤房平均节约成本0.40元/kg，节约率为20.94%，可有效地降低烘烤成本。

2.2  烤后烟叶等级结构比较

烟叶的等级结构比例在一定程度上反映烘烤的效果，影响最终的经济产值。在各试验密集烤房烤后烟叶的等级结构比例如表2所示，安装余热利用装置的烤房烤后烟叶各结构比例有所变动，其中中上等烟比例略有提高，下等烟比例略有下调，且每千克均价提升0.25元，但指标差异均较小，通过方差分析，T处理间虽存在显著差异，但T与CK烟叶均价间没有显著差异，说明密集烤房安装余热利用装置基本没有改变烟叶均价的效果。

2.3  余热利用密集烤房烟叶回潮测定与比较

选取安装余热利用装置的任一烤房与对照烤房进行烘烤后烟叶回潮对比，装烟竿数相同。两座烤房同时熄火，对照烤房用自然通风进行回潮作对照，处理烤房用烟叶烘烤变黄后期的湿热烟气进行回潮处理。对处理烤房、对照烤房和外界湿度在雨天和晴天不同天气进行测量并记录，见图2、图3。由图2可知，晴天情况下处理烤房的烟叶经过30 h达到回潮要求，水分含量达到14.3%，而此時对照烤房还未达到回潮要求，水分含量仅为12.1%，后于55 h达到回潮要求，水分含量达到14.4%。由此可见，处理烤房回潮时间比对照烤房大致节约25 h。由图3可知，雨天情况下，对照烤房回潮时间缩短，在回潮计时40 h后达到回潮湿度要求，但对照烤房回潮耗时仍长于处理烤房。由此可以看岀，增设余热利用回收装置的烤房无论在雨天还是晴天其回潮用时皆少于对照烤房，且处理烤房有相对稳定而持续供湿热烟气，受外界环境的影响较小，而对照烤房受外界环境影响较大。特别是温度较高的晴天中午，对照烤房还会因空气干燥而再次干燥。

2.4  余热利用密集烤房烟叶烘烤用时比较

借鉴贵州省遵义市优质烟三段式烘烤“七步”法生产标准进行烘烤，T1做为连体烤房群中的供热第一烘，其余热辅助T3处理烤房，如表3所示，T3处理烤房在变黄期的1～2步烘烤、定色期3～5步、干筋期6～7步中实际用时均有所减少。在回潮用时基本相等的情况下，T3受热烤房较T1供热烤房在变黄、定色、干筋期总缩短了30 h;T3烤房比对照烤房缩短55 h的烘烤用时。由此可见，安装余热利用系统的烤房通过利用余热辅助烘烤均可有效地缩短变黄、定色、干筋期的总烘烤用时。

3  小结与讨论

3.1  讨论

从试验结果来看，密集烤房群烟气回收利用系统在节能减耗、降低生产成本、烤后烟叶外观质量、烟叶等级结构等与杨晔等[28]研究成果相一致。与杨晔等[28]、常乐等[27]设计的密集烤房烟气余热加热新风系统相比，密集烤房群余热回收系统构思较合理，设计简单、便捷。利用循环通道连通密集烤房群的每一座烤房，将装烟室温度高于50 ℃烤房排出的干热烟气和低于50 ℃烤房排出的湿热烟气各自排入相应的通道，由循环风机作用排入加热室，达到提高热能利用率和快速回潮的目的。尽管密集烤房群烟气余热回收利用系统烘烤、回潮效果显著，但节能效果没有达到预期效果，其原因估计是干、湿热循环通道采用混凝土浇筑管道和管道空间过大的问题。且即便管道以细致沙浆粉刷，但管道内壁光滑度不够且保温性能仍较差，使烟气在管道流动过程中热量损失较严重，影响了系统的节能效果。因此，在密集烤房群烟气余热回收系统推广中可采用暖气输送专用PVC管或者钢制保温管，合理缩小管道直径，确保回收装置节能效果达到最佳状态。

3.2  小结

密集烤房群余热利用系统节能效果明显，与传统密集烤房相比，每烘烤1 kg干烟叶平均节煤0.305 kg，平均节煤率为21.86%;每烘烤1 kg干烟叶平均省电率为18.44%，省电效果较明显。以平均每炕次400 kg干烟叶计算，每炕次可节约烘烤成本160元。以每个烤季可烘烤7炕次计算，一个增设烟气余热回收利用装置的烤房一个烘烤季可节约烘烤成本1 120元。烤后烟叶外观质量、烟叶等级结构与对照烤房相比略有提高但差异不明显，且安装余热利用装置有利于烟叶变黄、回潮。

采用该装置能够将高温烘烤阶段烤房排出的热空气传送到低温烘烤阶段的烤房，将定色阶段烤房排出热湿空气传送到干燥烟叶的烤房进行烟叶回潮，同时也可以在上部烟叶含水量低的条件下增加烤房湿度，达到密集烤房群余热利用节能和烤后烟叶快速回潮的目的。同时，试验设计的密集烤房群余热利用装置设计呈“回”字形循环通道，在烤房群烟叶烘烤中可根据烟叶烘烤需要，将供热烤房排出的干、湿空气进行二次利用，从而利用余热减少了耗煤量，减少了有害气体和烟尘的排放。

参考文献：

[1] 和智君，罗会龙，钟  浩，等.烟叶烘烤密集型烤房节能技术途径分析[J].中国农学通报，2010，26（8）：337-340.

[2] 蔡显成，胡  伟，梁云高，等.不同类型密集烤房的烘烤性能研究[J].云南农业，2008（11）：27-28.

[3] 张世超.密集烤房的改进与应用实践[A].河南省烟草学会2006年论文集（下）[C].郑州：河南省科学技术协会，2007.6.

[4] 宋朝鹏，陈江华，宫长荣.等.我国烤房的建设现状与发展方向[J].中国烟草学报，2009，15（3）：83-86.

[5] 孟智勇，张东峰，马浩波，等.密集烤房热湿循环利用系统的设计与应用[J].中国农学通报，2014，30（8）：137-143.

[6] 詹  军，张晓龙，周芳芳，等.密集烤房与普通烤房烤后烟叶香气质量的对比分析[J].河南农业科学，2013，42（7）：36-42，56.

[7] 欧阳进，王永乔，罗会龙，等.密集烤房内温度与气流分布数值模拟研究[J].中国农学通报，2015，31（14）：279-284.

[8] 詹  军，樊军辉，宫长荣，等.密集烤房研究进展与展望[J].南方农业学报，2011，42（11）：1406-1411.

[9] 铁  燕，和智君，罗会龙.烟叶烘烤密集烤房应用现状及展望[J].中国农学通报，2009，25（13）：260-262.

[10] 宋朝鹏，陈江华，宫长荣，等.我国烤房的建设现状与发展方向[J].中国烟草学报，2009，15（3）：83-86.

[11] 徐秀红，孙福山，王  永，等.我国密集烤房研究应用现状及发展方向探讨[J].中国烟草科学，2008，14（4）：54-56，61.

[12] 王卫峰，陈江华，宋朝鹏，等.密集烤房的研究进展[J].中国烟草科学，2005，11（3）：15-17.

[13] 兰树斌，张大斌，曹  阳.生物质能源炉具替代密集烤房煤炭供热系统研究[J].现代农业科技，2016（18）：140-141，143.

[14] 杨世关，张百良，杨群发，等.生物质气化烤烟系统设计及节能与品质改善效果分析[J].农业工程学报，2003，19（2）：207-209.

[15] 田效园，李许涛，高相彬，等.热泵与燃煤密集烤房烘烤效益对比与研究[J].安徽农业科学，2016，44（6）：106-108.

[16] 潘建斌，王卫峰，宋朝鹏，等.热泵型烟叶自控密集型烤房的应用研究[J].西北农林科技学报（自然科学版），2006，34（1）：25-29.

[17] 任  杰，孙福山，刘治清，等.天然气水暖集中供热密集烤房设备的研究[J].中国烟草学报，2013，19（3）：35-40.

[18] 王  川，丛日兴，张  勇，等.醇基燃料密集烤房烟叶烘烤研究[J].现代农业科技，2017（17）：256，262.

[19] 郭大仰，刘尚钱，肖志新，等.不同替代能源密集烤房烟叶烘烤效能对比研究[J].安徽农业科学，2016，44（33）：99-102.

[20] 高  强，王志刚，朱先志，等.醇基燃料烤房的研制与应用[J].农业开发与装备，2016（8）：68.

[21] 汪炳华，徐天养，肖  华，等.密集烤房的太阳能改造与应用研究[J].农学学报，2011，1（7）：40-43.

[22] 李余湘，朱贵川，徐增汉，等.密集烤房利用太阳能辅助烘烤烟叶的效果[J].贵州农业科学，2011，39（3）：84-86，90.

[23] 马  莹，彭  宇，王  刚，等.黔西南太阳能密集烤房烘烤节能效果研究[J].现代农业科技，2011（3）：263-264，266.

[24] 聂荣邦，张光利，于少林，等.智能化太阳能密集烤房節能效果研究[J].作物研究，2010，24（3）：181-183.

[25] 刘光辉，聂荣邦.我国烤房及烘烤技术研究进展[J].作物研究，2011，25（1）：76-80.

[26] 何振峰，黄履明，李茂军，等.烟叶密集烤房余热利用技术研究现状和发展建议[J].中国农学通报，2016，32（13）：158-163.

[27] 常  乐，罗会龙，杨永平，等.密集烤房烟气余热回收系统的设计与应用[J].中国农学通报，2017，33（10）：146-149.

[28] 杨  晔，徐增汉，宋泽民，等.密集烤房烟气余热利用及烘烤效果的研究[J].江西农业学报，2015，27（3）：62-65.