半高山烟区热泵烤房的筛选与应用

王玉乾,张华安,朱友军,谭本奎,郑华军,郑 伟,樊启富

(宜昌市烟草公司秭归营销部,湖北宜昌 443600)

我国密集烤房烟叶烘烤以煤炭燃烧供热为主,其热能利用率低、污染大的弊端日益成为制约烟草行业高质量发展的重要因素[1]。煤炭价格的升高[2]、区域内煤炭资源缺乏、山区运输成本附加提升了半高山烟区的烘烤成本。随着科技的进步发展以及行业的政策支持,清洁、高效、环保的新能源成为煤炭的最佳替代方案[3]。国内众多专家与科技工作者在提高热能利用效率和探索开发新能源资源方面做了大量工作,目前生物质燃料、空气能电热泵、天然气、太阳能、电磁能等已经在烟叶烘烤上得到试验与应用[4-7]。

云南省楚雄州烟草公司研究发现,与传统密集烤房相比,密闭式热泵烤房烤后烟叶淀粉含量降低35. 09%,且烤后烟叶总致香物质含量增加,内在化学成分协调性、香气质量、杂气、烟气浓度、刺激性和余味均得到明显改善[8]。贵州省烟草公司利用空气源热泵烤房将烟叶上等烟率提高至81%,烤后橘黄烟率达到95.05%,同时生物质新能源烤房的用工成本、能耗成本较常规燃煤烤房均降低40%以上,综合效益提高13%以上[9]。热泵烤房烘烤的烟叶成熟度好、颜色鲜亮、组织结构疏松、油分足,烟叶平均上中等烟率较燃煤烤房提高6.39%,平均产值较燃煤烤房提高3 218.5元/hm2[10]。2020年4月,河南省污染防治攻坚办印发《河南省烟叶烤房电代煤工作三年行动计划》,计划用3年时间完成全省27 903座烟叶连片燃煤烤房“电代煤”改造[11]。为了推动长江生态环境保护与长江经济带绿色发展,也为烟叶生产减工降本、提质增效。湖北省秭归县在磨坪乡烤烟种植区域引进清洁能源电热泵烤房进行探索研究,旨在筛选适宜半高山烟区推广应用的热泵烤房。

1 材料与方法

1.1 材料试验于2021年在宜昌市秭归县磨坪乡磨坪烟叶工作站烘烤工场(海拔1 037 m)开展。供试品种为云烟87,试验所用烤房均为气流上升式密集烤房,装烟室建造规格为8.0 m×2.7 m×3.5 m,为2路3层式设计。热泵密集烤房采用空气源热泵压缩机和辅助加热系统供热。

1.2 试验方法试验设置3种烤房处理:“改造式”热泵密集烤房(T1)和“新建式”热泵密集烤房(T2)以及燃煤密集烤房(CK)。其中,“改造式”热泵密集烤房保留普通密集烤房装烟室,仅改造加热室;“新建式”热泵密集烤房主体由隔热板材搭建(含装烟室)。烟叶采用编竿式装烟烘烤,单竿编烟50扣,共100～120片。3种烤房烟叶烘烤参照《2018年秭归县标准化烟叶烘烤技术方案》执行,采用3段8点式烘烤工艺。每次均采集相同海拔烟田同一部位成熟鲜烟叶。在热泵密集烤房距装烟室门2 m处上下层加装温湿度传感器,记录烘烤过程中温湿度的变化。设置热泵烤房温湿度自动记录时间间隔为10 min,同时对每个烘烤工艺时间段用电量进行记录。

烘烤前后每炕选取30竿烟叶称重,烤后根据初烤烟叶成熟度、颜色、叶片结构、部位、身份、油分、色度(包括饱满程度、均匀性和光泽强度)等指标进行综合评价,计算上中等烟率,并依据当季收购价格计算均价。评分标准参考国家标准《烤烟》(GB 2635—1992)。

2 结果与分析

2.1 不同烤房装烟情况热泵烤房装烟室规格与燃煤烤房一致。通过实际烘烤对比(表1)发现,热泵密集烤房的装烟能力与燃煤烤房(CK)相当。同一炕次热泵密集烤房(T1、T2)烘烤烟叶的鲜干比均小于燃煤烤房,表明其烘烤过程中能量损耗(总养分损失)小于燃煤烤房。

表1 不同烤房装烟情况Table 1 The tobacco-loading situations in different types of curing barns

2.2 热泵烤房烘烤过程中升温稳温情况如图1所示,根据曲线记录,热泵烤房T1、T2实际干球温度与目标干球温度误差在2.0 ℃以内,实际湿球温度与目标湿球温度误差控制在1.0 ℃以内,能够满足烘烤过程中温湿度的精准调控。“新建式”热泵烤房烘烤54 ℃稳温阶段(7 970 min)由于意外停电,短暂降温也被如实记录,方便烤后分析工艺曲线以及查找烘烤过程中出现的问题。

图1 热泵烤房烘烤过程中升温稳温情况Fig.1 Temperature-heating and temperature-stabilization in the curing process of heat pump barns

如表2所示,通过对烤房烘烤过程中前后、上下温差监测发现,2种热泵烤房前后温差较小,均在2.0 ℃以内。“改造式”热泵烤房烘烤过程中上下温差较大,尤其是变黄后期(42 ℃)最大温差达4.1 ℃。3～4 ℃的温差造成上下棚烟叶变黄程度差异较大,需要在加热室结构上做适当调整,并在一般工艺曲线的基础上进行优化。定色后期开始,随着烟叶失水皱缩,上下温差逐渐缩小,可以按照正常烘烤工艺根据烟叶变化制定干湿球温度。“新建式热泵烤房”在上下温差控制方面更加协调,整个烘烤工艺期上下温差未超过3.0 ℃。

表2 热泵烤房不同温度阶段干球温差Table 2 Dry bulb temperature difference in different temperature stages of heat pump curing barns ℃

2.3 不同烤房烘烤成本对比通过对比不同类型热泵烤房用电情况(表3)可知,随着烟叶烘烤炕次的提升,烘烤时间有所增加,用电量也有所增加。“新建式”热泵烤房平均单炕电费为634.03元/炕,明显低于“改造式”热泵密集烤房(699.18元/炕),节能效果显著。

表3 不同热泵烤房用电情况Table 3 Power consumption of different heat pump curing barns

以“改造式”热泵烤房第3炕用电为例,分析不同阶段用电量。由表4可知,不同烘烤阶段用电量明显不同。变黄期排湿量较少,烤房以热空气内循环为主,此阶段用电量最低;从变黄期开始,单位耗电量呈增长趋势,表明压缩机运行功率逐步增大。定色期耗时最长、用电量最大。由于42、44 ℃阶段烤房排湿频率较高,烤房内外空气循环较多,导致单位耗电量明显增加,44 ℃阶段单位耗电量[8.16( kW·h)/h]接近68 ℃阶段单位耗电量。干筋期为维持烤房内较高温度,热泵压缩机运行功率较大,单位耗电量明显增加。

由表5可知,“改造式”和“新建式”热泵烤房单炕烘烤综合成本较燃煤烤房分别减少736.71和801.85元,分别减少47.97%和52.21%。人工成本计算依据当地实际情况,烘烤师傅单人可负责燃煤烤房5座、热泵烤房15座,烘烤师傅薪资6 000元/月。由此可见,热泵烤房烘烤不仅节省燃料,而且由于减少了燃料添加环节,人工成本也显著降低。“改造式”和“新建式”热泵烤房单位干烟烘烤成本与燃煤烤房相比分别减少1.58和1.63元/kg,降幅分别为46.06%和47.52%。用热泵烤房替代燃煤烤房,每年烘烤期每个烤房按照8炕烟叶计算,“改造式”和“新建式”热泵烤房每年可节省5 893.68和6 414.80元。热泵烤房烘烤没有燃料燃烧产生的空气污染,具有一定的生态效益。热泵烤房能够明显降低烘烤成本,在减工降本方面具有明显优势。

表4 “改造式”第3炕用电情况Table 4 The power consumption of the third kang of “modified type” curing barn

表5 不同烤房单炕烘烤成本Table 5 The curing cost per kang of different types of curing barns

2.4 不同烤房烤后烟叶质量对比由表6可知,“改造式”(T1)和“新建式”(T2)热泵烤房烤后烟叶上等烟率和均价均高于燃煤烤房(CK),中部叶上等烟率较燃煤烤房分别提高5和4百分点,上部叶上等烟率分别提高3和1百分点。通过对上部叶分析对比发现,“改造式”和“新建式”热泵烤房上中等烟率较燃煤烤房分别提高0.7和3.1百分点。综合分析可知,热泵烤房烘烤能够提升中、上部叶烤后烟叶上等烟率,提高均价,增加烟农的收益。

3 结论与讨论

表6 不同烤房烤后烟叶质量评价Table 6 Quality evaluation of flue-cured tobacco leaves of different types of curing barns

2种热泵烤房烟叶装烤能力与燃煤烤房相当,温湿度控制精准,烘烤成本与燃煤烤房相比明显降低,中、上部叶烤后上等烟率均得到提升。“新建式”热泵烤房在烘烤过程中上下温差控制较“改造式”更加优异,且烘烤能耗更低。综合分析,“新建式”热泵烤房更具推广价值,但“新建式”热泵烤房的建造成本较“改造式”热泵烤房高,因此“改造式”热泵烤房更具性价比。

与燃煤烤房相比,热泵烤房具有明显的优势。升温控制精准、温湿度调节灵敏度高,且利用电能这一清洁能源,烘烤过程不产生空气污染,可满足环境友好型发展需求。热泵烤房减少了烘烤过程中的加料环节工作,烘烤劳动强度和总成本降低,经济效益、烟叶等级结构和上中等烟率提升,增加了烟农收入,有利于提高烟农种植烟叶的积极性,促进烟叶生产的可持续发展。全面应用热泵烤房有利于统一烘烤热源方式,使烤烟工艺与方法更加标准化,对烟叶生产集约化管理和规模化生产具有促进作用。当前制约热泵烤房大规模替换燃煤烤房的因素主要有3个:一是前期设备投入成本大。二是热泵烤房用电依赖度高,需要配套供电系统,并且要获得电力公司的支持,确保烘烤期间稳定供电。为应对烘烤过程中突发停电情况,需要配备大功率发电机。三是后期设备维护需要专业人员。热泵烤房具有节能环保、省工降本、提质增效显著等优点,是未来烤房发展的重要趋势,但大规模推广热泵烤房替代燃煤烤房仍然有制约因素。