热泵烤房和生物质烤房应用效果对比实验

段美珍, 农 倩, 赵阿娟, 裴晓东, 陈治锋

(1.湖南省烟草公司 长沙市公司，湖南 长沙 410019; 2.中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙 410083)

0 前言

目前我国大多仍使用2009年前后建造的燃煤热风炉密集烤房[1]烘烤烟叶,然而，传统燃煤热风炉的能耗高、污染重、运行负荷波动大、调节能力有限、实际运行效率低[2-3]，由于烤烟设备落后以及加工工艺不能得到保证而造成的烤烟损失高达25%～30%[4]。因此，如何降低烘烤成本、提高烤房热效率、改进烤房设备及工艺已经成为了烟叶生产中十分重要的问题，新型节能烤房的研究具有重要意义。

空气能高效节能、清洁环保、使用安全，生物质能硫含量低、资源丰富、分布广泛，它们作为可再生清洁能源，近年来逐渐应用于烟叶烘烤领域中。宫长荣等[5]、孙晓军等[6]和董艳华等[7]对热泵烤房进行试验，结果表明热泵烤房的热能利用率高，烘烤及人工成本低，烘烤后的烟叶质量较好；Bao Yafeng等[8-10]对热泵烤房进行仿真，获得温湿度场分布以及影响热泵性能参数；杜传印等[11]、肖志新等[12]和王承伟等[13]对生物质烤房进行试验，结果表明生物质烤烟的降本、降能耗、增效和环保效果明显，具有较好的推广应用前景；申甲[14]设计了以生物质成型燃料为锅炉燃料，高能量密度的导热油为供热介质的集中供热系统，为实现生物质能替代煤炭用于烟叶烘烤工艺提供理论指导。现阶段各学者多侧重于热泵烤房和生物质烤房的烟叶烘烤性能测试或应用设计分析，而缺乏对改造成本、烘烤能耗成本及干烟叶质量的系统性研究。立足于湖南烤烟区实际情况，本文对热泵烤房和生物质烤房的应用效果进行对比研究，为两种类型烤房的推广与应用提供数据参考。

1 原理

热泵烤房基于卡诺循环原理，只需消耗部分的电能驱动热泵系统运行，如图1所示，高压液态工质流经节流阀降压，随后在蒸发器内吸收大量空气热能而蒸发，气态的工质被压缩机压缩成为高温高压的气体，最后进入冷凝器放热烘烤烟叶。

图1 热泵烤房工作图

图2 生物质燃烧机结构图

生物质烤房主要由生物质燃烧机(图2)、混风室、热风室和装烟室等构成，生物质在燃烧室燃烧后产生高温烟气，经过沉降烟箱和换热器将热量输入到装烟室内。控制系统主要控制生物质进料量、间隔时间以及鼓风机的转速来调控烤房温度。

2 实验设计

2.1 实验方案

以云烟87为实验样，2018年在宁乡市喻家坳乡玉山烤烟工场进行热泵烤房及生物质烤房对比试验。首先，选取颜色、部位及成熟度基本一致的上部叶(部位B)和中部叶(部位C)，以每杆150～160片鲜烟叶进行编烟，随后分别装于热泵烤房和生物质烤房内，每次烘烤保证装烟杆数相同，装烟密度均匀一致。装烟完成后，按照农艺师设定的烘烤工艺进行烘烤。烘烤结束后，按照η=E/M计算单位能耗成本，其中E表示总能耗成本，M表示干烟叶质量，同时对干烟叶进行分级，选取等级一致的干烟叶进行干烟叶经济性状、外观质量及化学成分分析。

2.2 实验器材

烟叶烘烤试验仪器仪表见表1。

表1 烟叶烘烤试验仪器仪表

3 结果分析

3.1 热泵烤房与生物质烤房的能耗及成本

3.1.1 改造成本

烤房的总改造费用包括供热设备及换热器费用、自控设备费用和土改费用。如表2所示：热泵烤房的改造成本约为56 465元/座，热泵供热设备一般配有自控设备所以无需另外增加，供热设备及换热器费用高，由于原传统燃煤烤房的构建情况不同，土改费用较高且有一定差别；而生物质烤房的改造成本约为8 345元/座，仅为热泵烤房改造成本的约1/7，需自行配备约1 900元/座的自控设备，供热设备及换热器费用和土改费用较低。热泵烤房的改造费用较高，可能会影响其推广应用的效果。

表2 热泵烤房和生物质烤房改造成本单位：元

3.1.2 使用能耗及成本

按照电费0.72元/kWh、生物质燃料1.1元/kg计算能耗成本，如表3所示，热泵烤房烘烤上部叶和中部叶的单位使用成本分别为2.21元/kg和2.46元/kg，生物质烤房烘烤上部叶和中部叶的单位使用成本分别为1.94元/kg和2.66元/kg，单位燃料生物质消耗量分别为1.5kg/kg和2.1kg/kg。由于上部叶含水量低于中部叶，故上部叶能耗成本低于中部叶，而对比分析两座烤房可知，热泵烤房烘烤上部叶的能耗成本高于生物质烤房，生物质烤房烘烤上部叶更能降工降能耗，生物质烤房烘烤中部叶的能耗成本高于热泵烤房，热泵烤房烘烤中部叶减工降本效果显著。

表3 热泵烤房和生物质烤房能耗成本

3.2 热泵烤房与生物质烤房的烟叶烘烤质量

3.2.1 干烟叶经济性状

根据烤烟质量将干烟叶分为上等烟和中等烟，并以上、中等烟的比例及其价格加权计算出上、中等烟的均价。由表4可得，热泵烤房和生物质烤烟房烘烤后的上部叶的上、中等烟平均比例及单位均价基本一致，分别约为58%、41%、24.1元/kg。热泵烤房烘烤后的中部叶上等烟平均比例和单位均价分别约为65.9%和28.06元/kg，其上等烟平均比例和单位均价比上部叶高了约8个百分点和4元/kg，生物质烤房烘烤的中部叶上等烟平均比例和单位均价高达约74.7%和28.9元/kg，其上等烟平均比例和单位均价比上部叶高了约16个百分点和4.7元/kg，比热泵烤房高了约9个百分点和约0.8元/kg。由此可见，烘烤中部叶所获得的经济收益大于烘烤上部叶的经济收益，尤其是用生物质烤房烘烤中部叶能明显提高经济效益。

表4 热泵烤房和生物质烤房干烟叶经济状况

3.2.2 外观质量

对干烟叶外观质量进行打分，以成熟度占20%，发育状况、组织结构、身份和油分各占15%，色泽占10%，均匀度和光滑微带青各占5%的比重评定，结果如表5所示。可以看出，生物质烤房烤后的上、中部干烟叶外观质量综合评分均高于热泵烤房，生物质烤房明显提高上部叶外观质量。与热泵烤房相比，生物质烤房在一定程度上改善了上、中部叶的成熟度、组织结构以及颜色。

表5 热泵烤房和生物质烤房干烟叶外观质量评定

3.2.3 化学成分

干烟叶化学成分由农业部烟草产业产品质量监督检验测试中心测定得出。热泵烤房烘烤后的上、中部叶及生物质烤房烘烤后的上部叶钾含量偏低(>2%)、两种烤房烘烤后的上、中部叶的氯含量偏高(0.3%～0.6%)，其他各化学成分均处于适宜指标范围内(表6)，总糖/烟碱及总氮/烟碱的比例协调性较好。与热泵烤房相比，生物质烤房烘烤的上、中部叶钾、氯含量更接近指标范围。由于生物质烤房的供热性能更稳定，使得鲜烟叶各物质化学反应速率与失水率协调一致，烘烤后的干烟叶化学成分含量更适宜，其成分间的协调性更好。

表6 热泵烤房和生物质烤房干烟叶化学成分

4 结论

(1)热泵烤房和生物质烤房烘烤上部叶的单位使用成本分别为2.21元/kg和1.94元/kg，烘烤中部叶的单位使用成本分别为2.46元/kg和2.66元/kg。用生物质烤房烘烤上部叶和用热泵烤房烘烤中部叶更能达到降工降能耗的效果。

(2)与热泵烤房相比，用生物质烤烟房烘烤后的上等烟比例和均价更高，尤其是中部叶上等烟比例提高了约9个百分点，均价提高了约0.8元/kg，其干烟叶成熟度好、组织结构疏松、颜色均匀纯正、化学成分含量更适宜、成分间的协调性更好。

(3)生物质烤房的改造及使用成本低、能耗小、干烟叶内外质量佳，减工降本效果显著，具有广阔的推广应用前景。