热泵除湿对密集烘烤温度场和品质效果的影响

张 烨，王 行，王晓宾，欧文妍，钟嘉豪，何振峰

（1.华南农业大学，广东 广州 510642；2.广东烟草韶关市有限公司，广东 韶关 512023；3.中国烟草总公司广东省公司，广东 广州 510610；4.广东烟草惠州市有限责任公司，广东 惠州 516083）

0 引言

烟叶烘烤是决定烟叶最终产量、经济性和质量的关键生产环节[1]。目前，我国烟叶烘烤主要以燃煤为主[2-5]，采用大风量、外排湿方式进行作业，温度难控制、易波动问题严重，且大量湿热气体排出烤房造成能源浪费，燃煤烟气外排易造成环境污染，不符合2020 年全国烟草工作会议中对绿色低碳节能烘烤要求[6]。许多学者通过研究温度控制算法或通过CFD 等仿真手段研究和改善燃煤烤房温度场不均的问题[7-10]，亦或采用甲醇或生物质颗粒代替燃煤[11-13]，虽能提高温度控制精度，有效降低烟气污染排放，但烘烤成本较高，且燃料热值不能得到稳定保证。

热泵内循环除湿烘烤能有效解决污染排放和高能耗的问题，利用蒸发器实现水热分离，除去介质水分，再通过冷凝器升温达到烘烤温度要求[14-16]，减少了外排湿造成的能源浪费和香气挥发，提高烟叶烤后品质，对实现我国烟叶智能化发展具有重要的社会意义[17-18]。

因此，本文以粤烟97 为试验样品，设计了热泵除湿（HP）和传统燃煤（TC）密集烤房烘烤效能试验，通过采集系统获得烤房内温度场数据以及电耗，分析了HP 和TC 2 种方式烤房内温度场均匀性情况；结合烤后干烟质量，为广东省烟叶烘烤节能减排、提质增效、减工降本提供了技术和理论创新支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020 年6 月在广东省韶关南雄烟草研究所进行，试验品种选取同地块生长状况、成熟度一致的烤烟品种粤烟97 的中部烟叶。

试验烤房为气流下降式密集烤房2 座，烤房规格：装烟室净空规格（L×W×H）为8.0 m×2.7 m×3.5 m，总装烟量约为4 500 kg。

采用烟夹方式，分上中下3 棚挂烟，每个烤房装烟310 夹，每夹烟叶质量（14.5±0.5）kg，鲜烟叶初始含水率为77.6%，烟夹均匀分布在装烟室内。

1.2 试验设计

试验在气流下降式密集烤房中进行，分别采用热泵除湿（HP）和传统燃煤（TC）2 种热能供给方式进行对比分析，其中，热泵的最大制热量为45 kW，最大输入功率为15 kW。烤房简易结构如图1 所示。

烤房总长8 m，D 面为进、回风口截面，在烤房内距离D 面2、4、6 m 处，分别选取截面A、B 和C面。热风在轴流风机作用下，从D 面上端的进风口进入装烟室，依次通过A、B、C 面的上棚、中棚和下棚烟叶，与烟叶进行完全热质交换，在提供烟叶烘烤所需热量的同时，带走烟叶表面水分，最终从D 面下端的回风口重新进入加热室，完成1 次热风循环，具体工艺设定参数如表1 所示。

表1 工艺曲线表

在密集烤房中分布有22 个干湿球温度采集点，采用DS18B20 干湿球温度传感器进行烤房内的干湿球温度测定，对传感器进行温度标定后，如图1 所示布置于烤房内。在进、回风口处以及A、B、C 截面的上、中、下棚的烟叶层中各分布2 个温度采集点。通过烟叶烘烤流态数据采集系统，每10 min 记录1 次数据，1 h 内6 个温度数值求和取平均值，获得该小时的温度数值，根据同一层内的2 个温度采集点数值取平均值，作为该层的温度特征数据。每个烤房均安装有智能电度表，通过采集系统自动记录烤房的能耗数据，形成能耗动态监控。

1.3 评价方法

1）烘烤成本。根据TC 烤房和HP 烤房所用的煤、电消耗量及人力成本，结合最终烤房的干烟质量和干烟单价，计算每kg 干烟的烘烤成本。

2）烤后烟叶外观质量评价。烤后烟叶经回潮平衡水分后，依据GB2635-1992《烤烟》标准进行评价分级，评价指标包括成熟度、油分、颜色、身份、结构、色度、含青度、挂灰等外观质量。

3）烤后烟叶化学成分分析评价。选取烤后烟叶样品进行主要化学成分化验分析，包括总糖、还原糖、总烟碱、总氮、氯、钾、还原糖和总糖比、还原糖和烟碱比、氮碱比、钾氯比等。总糖、还原糖根据YC/T 159-2002《烟草及烟草制品 水溶性糖的测定 连续流动法》标准采用全自动连续流动分析仪进行检测，氯根据YC/T162-2001《烟草及烟草制品氯的测定 连续流动法》标准采用全自动连续流动分析仪进行检测，钾根据YC/T217-2007《烟草及烟草制品 钾的测定 连续流动法》标准采用全自动连续流动分析仪进行检测，总烟碱根据YC/T34-1996《烟草及烟草制品 总植物碱的测定 光度法》标准采用分光光度计进行检测，总氮根据NY/T 1121.24-2012《土壤检测 第24 部分土壤全氮的测定自动定氮仪法》标准采用全自动凯氏定氮仪进行检测。

2 结果与分析

2.1 不同方式对密集烤房温度场均匀性影响

2.1.1 TC和HP密集烤房干球温度对比分析

为了验证TC 和HP 2 种方式对密集烘烤过程的温度分布的影响，分别选取了TC 和HP 的温度控制点作为试验指标，与烘烤工艺设定曲线进行对比分析，结果如图2 所示。

从图2 可以看出，随着烘烤时间的推移，TC 和HP 的干球温度上升趋势与设定工艺基本保持一致，但TC 与设定工艺干球温度之间的偏差大于HP 与设定工艺的偏差，对偏差进行方差分析，如表2 所示。TC 方式最大偏差为4.46℃，偏差平均值为1.855℃，方差为1.723℃2，标准差为1.313℃，而HP 方式最大偏差为2.26℃，偏差平均值为0.754℃，方差为0.291℃2，标准差为0.540℃。从方差分析可看出，对比燃煤方式，热泵除湿方式能提供一个较为稳定的温度场进行烟叶烘烤，烘烤环境温度偏差波动较小，能有效保证烟叶烘烤质量。

图2 TC 和HP 密集烤房控制点干球温度研究

表2 TC和HP与设定温度偏差的方差分析

2.1.2 TC和HP水平方向干球温度分布

温度的空间分布对于烟叶烘烤具有十分重要的作用。试验选取了B 面上棚温度和C 面上棚温度作为试验指标，进行TC 和HP 方式水平方向干球温度研究，结果如图3 所示。由于C 面距离D 面较远，且通风层内有烟叶吸收热量，故C 面上棚温度应低于B 面上棚温度，试验结果符合理论模型。

由图3 可以看出，TC 的干球温度均高于HP 的干球温度，选取B-C 面的干球温度差作为考察TC和HP 的水平方向干球温度的指标，使用SPSS 进行方差分析，结果如表3 所示。TC 方式的B-C 面干球温度差，其最大值为3.90℃，平均值为2.43℃，方差为0.638℃2，标准差为0.799℃；HP 方式的B、C面干球温度差，其最大值为2.20℃，平均值为1.54℃，方差为0.237℃2，标准差为0.487℃。

图3 TC 和HP 水平方向干球温度研究

有研究表明，烤房内的温度分布处于均衡状态时，有利于整房烟叶酶促物质转化和失水干燥的速度协调一致，提高烟叶质量。从表3 可看出，TC方式的最大值、平均值、方差和标准差均大于HP方式，从侧面说明了传统燃煤方式存在较大的热惯性，造成温度场热值偏差幅度偏大，以及温度场均匀性较差；而热泵除湿方式在烤房内温度场的偏差较小，能有效控制并输出均匀的温度场，保证烟叶在稳定的温度场内进行烘烤作业，从而提高烟叶烘烤品质。

表3 TC和HP水平方向干球温度差的方差分析

2.1.3 TC和HP垂直方向干球温度分布

为了更为直观的研究密集烤房垂直方向的干球温度分布，试验选取了B 面上棚和下棚测试点干球温度作为研究对象，试验结果如图4 所示。

图4 TC 和HP 垂直方向干球温度研究

从图4 可以看出，随着烘烤的进行，B 面垂直方向上棚和下棚的干球温度逐步上升，且与烘烤过程温度设定较为一致。TC 的上下棚温度差较大，特别在变黄后期至定色中期阶段，随着时间的推移呈逐渐增大趋势，其最大温差高达5.91℃。造成这一现象的原因可能在于，该阶段烟叶处于快速去水状态，而TC 密集烤房一般采用水分外排方式，将高湿介质通过烤房底部排湿窗排出密集烤房，实现烟叶除湿。下棚烟叶检测点与排湿窗上沿基本处于同一水平面，且燃煤供热不均匀性较高，造成下棚干球温度偏低，则上下棚温差较大。通过SPSS 进行方差分析可知，TC 上下棚平均温差为4.19℃，方差为1.074℃2，标准差为1.036；而HP 的上下棚温度偏差较小，其最大温差为1.52℃，平均温差为1.21℃，方差为0.025℃2，标准差为0.160℃。结果说明，热泵除湿方式上下棚温差较小，有利于形成稳定的烤房内温度流场，促进整个烤房的烟叶酶促物质进行转化和干燥去水，提高烘烤品质。

表4 TC和HP垂直方向干球温度差的方差分析

2.2 不同方式密集烤房烘烤成本分析

通过记录TC 和HP 烤房在整个烘烤过程中，所消耗的煤量、电量以及人员用工成本，计算结果列于表5。由表5 可知，TC 烤房一烤烟的干烟质量为621 kg，燃煤耗煤量为1.1 t，燃煤成本为1 265 元，风机、新风门等设备耗电量为338 kW·h，电耗成本为185.9 元，总能耗成本为1 450.9 元，人员用工时长约为1.5 工日，人员用工成本约为270 元。故TC烤房一烤烟的总成本为1 720.9 元，单位干烟成本为2.77 元/kg。HP 烤房一烤烟的干烟质量为684 kg，热泵除湿、风机、新风门等设备耗电量约为1 350 kW·h，总能耗成本为742.5 元，人员用工时长约为0.3 工日，人员用工成本约为54 元。故HP 烤房一烤烟的总成本为796.5 元，单位干烟成本为1.16 元/kg。

表5 密集烤房烘烤成本统计

综合对比TC 和HP 2 种烘烤方式，在干烟质量相当的情况下，HP 的总能耗成本为TC 烤房的51.18%，节能效果显著；HP 的人员用工成本仅为TC 的20%，原因在于，TC 方式需要人员不定时的去加煤加料（加煤次数超过30 次），而HP 方式仅需要设定好干湿球曲线，定期观看烟叶烘烤变化进行微调即可，HP 方式能有效减少人员使用成本。最终计算可得，热泵除湿烘烤的总成本为传统燃煤烘烤的46.28%，单位干烟叶成本为传统燃煤烘烤的41.88%。

2.3 密集烤房烤后烟叶外观质量评价

密集烤房烤后烟叶外观质量评价结果如表6 所示，从表6 中可以看出，TC 和HP 方式烤后烟叶的外观质量有一定区别，主要体现在颜色、结构、含青度和挂灰等指标上，而其他如成熟度、油分、身份、色度指标差异不明显。TC 方式的烤后烟叶外观表现为成熟，油分多，颜色偏橘-柠色，身份中等，结构较为紧密，色度强，有一定含青，有挂灰；而HP 方式的烤后烟叶外观表现为成熟，油分多，颜色多为橘黄，身份中等，结构疏松，色度强，有微少含青，稍有挂灰。热泵除湿的烤后烟叶在颜色、结构、含青度和挂灰4 个指标上表现稍好于传统燃煤方式的烤后烟叶。

2.4 密集烤房烤后烟叶化学成分评价

TC 和HP 方式烤后烟叶的化学成分如表7 所示。一般而言，优质烟的还原糖/总糖应≥0.9 为宜，还原糖/烟碱以8～12 为宜，总氮/烟碱以1 或略小于1 为宜，钾氯比以＞4 为宜[19]。从表7 可知，TC 与HP 2 种烤烟方式的2 糖比均大于0.9，钾氯比均在4 以上，但HP 方式的还原糖/烟碱和氮碱比均优于TC 方式，说明热泵除湿方式的主要化学成分协调性较好。

表7 烤后烟叶化学成分评价

3 结论与讨论

1）在相同烘烤工艺条件下，传统燃煤密集烤房排湿方式采用冷空气接入排湿，易造成烤房内温度波动，温度最大偏差为4.46℃，偏差平均值为1.855℃，方差为1.723℃2，标准差为1.313℃，而热泵除湿密集烤房采取密闭环境下水热分离技术，烤房内部始终是一个稳定温度气场，温度最大偏差为2.26℃，偏差平均值为0.754℃，方差为0.291℃2，标准差为0.540℃，说明热泵除湿方式烘烤环境温度偏差波动较小，能够保证烟叶烘烤质量。

2）从水平方向和垂直方向的温度场分析可得，热泵在烤房内水平温度场和垂直温度场的偏差均较小，能有效控制并形成稳定的烤房内温度流场，有利于促进整个烤房的烟叶酶促物质进行转化和干燥去水，提高烟叶烘烤品质。

3）在成本评价方面，在干烟质量相当的情况下，热泵除湿烘烤的总成本为传统燃煤烘烤的46.28%，单位干烟叶成本为传统燃煤烘烤的41.88%，起到了节能减排效果。

4）在烤后烟叶外观质量评价方面，热泵除湿的烤后烟叶在颜色、结构、含青度和挂灰4 个指标上表现稍好于传统燃煤方式的烤后烟叶；烤后烟叶的还原糖/烟碱和氮碱比均优于传统燃煤方式，主要化学成分协调性较好，提高了烟叶烘烤质量。