烟叶烘烤多元式清洁供热系统研究与应用

郭全伟，张成双，王玉华，范增博，张勇，曾智勇，李士磊

(1.山东潍坊烟草有限公司，山东 潍坊 261205；2.深圳市爱能森科技有限公司，广东 深圳 518000)

中国是全球最大的烟草生产国，传统上烟叶烘烤利用煤炭直接燃烧供热，不仅能耗高，能源利用效率也仅有30%左右[1]，且燃烧释放大量的空气有害物质，CO2排放量接近800万t，烟尘约60万t，有害气体3万～5 万t，并产生大量的固体尘埃颗粒[2]。煤炭供热，已不符合时代的发展[3]。双碳背景下，改变目前常规烟叶烘烤领域传统能源应用方式，大力发展绿色能源，应用清洁低碳、安全高效的烘烤技术，对于实现我国节能减排政策在烟叶烘烤领域有效落地有重要的社会意义及经济价值。

近年来，用热泵取代传统燃煤烘烤技术已成为烟叶烘烤领域研究方向之一[4-5]。宫长荣等[5]将热泵加热和冷凝除湿原理首次应用于烟叶烘烤，实验证明烟叶烘烤过程中温湿度环境和烟叶变化均衡，可有效提高烤后烟叶质量。吕君等[6]研究发现，干烟热泵烤房较燃煤烤房降低成本0.85 元·kg-1。聂荣邦等[7]研究表明，热泵烤房烤后质量烟叶较传统燃煤烤房有较大提升，上等烟比例平均高出5.8%。

太阳能是世界上最丰富的绿色永久性能源，作为烤烟的热源有许多实际的研究。冉茂飞等[8]示范应用空气能热泵+太阳能辅助烤房示范应用，下部、中部、上部叶的上等烟比例分别较对照高4.26%、1.87%、9.71%；能耗综合成本分别降低0.21、0.30、0.25元。

空气源热泵具有低碳环保的优势，但是空气能烘干机组应用至今，依然存在低温烘干时能效低下、换热器容易结霜的缺点。常温烘干时，节能能力提高受限。如果引入储能系统可减少热泵除霜时间，降低系统能耗。因此，为积极探索一种降能耗、减污染、烤好烟的烟叶烘烤模式，从2021年开始，潍坊烟区研发应用一种集储能、多能互补、余热回收、智慧能源的多元式清洁供热系统，并通过与常规电热泵烤房在烘烤成本、烟叶质量、设备运行等方面进行对比分析，旨在为烤房“煤改电”供热系统的多元化提供借鉴。

1 多元式清洁供热系统的技术原理及建造方法

1.1 技术原理

以爱能森“储能+多能互补+智慧能源” 赫爱斯(HSES)清洁供能技术为核心，自主开发“储能+多能互补+余热回收+智慧能源”的三段式烘烤技术路线。储能具体指谷电时段储热相变材料进行热量储存，峰电时段输出使用，利用峰谷电价差达到节能效果。多能互补技术是指太阳能、空气能等多种能源相互利用，其中太阳能的利用是通过太阳能板集热器来实现，空气能是利用吸收空气中的能源来实现。热泵余热回收技术是指利用空气能热泵将烘烤房内部排湿口高温的湿热空气回收再利用。智慧能源系统是指在确定热量供给的情况下，结合峰谷时间段，优化各个时间段相变储能系统、烘房内部热风循环系统等各个系统的产出，在热量供给达标的前提下，总电量消耗最低为基本原则。该系统以氟系统为主，水系统为辅，经实验表明，在储能水箱温度高达95 ℃时，可以向高温55～68 ℃恒温阶段烤房输送热量，根据储能水箱温度逐步下降，可向中、低温36～55 ℃恒温阶段输送热量。每吨95 ℃热水从高至低，放热时间可达4～4.5 h，期间恒温段空气能热泵压缩机停止运行，依靠储能水箱免费的热量烘烤即可。

1.2 建造方法

多元式清洁供热系统烤房由常规密集烤房改造而来，拆卸原燃煤烤房制热室内燃煤锅炉与内循环风机，安装规格为1 630 mm×1 090 mm×220 mm的空气能热泵内换热器、水系统换热器并做保温密封处理，热泵内换热器辅带18 kW电辅热系统备用，方便烘烤时检修及外部环境温度太低情况下使用；原内循环风机拆卸后更换成下降式2.2 kW内循环风机，耐90 ℃高温。在4座烤房顶部外平台对应安装4台分体式空气能热泵，单台额定制热功率43 kW，额定输入功率11 kW，空气能热泵与制热室内热泵内换热器用铜管连接(氟系统)传输热量换热。烤房顶部侧位安装铜管铝板承压型太阳能集热器，设计采光、吸热面积33.3 m2，吸收率96%±3%；储能水箱按1 t位设计，太阳能集热器与储能水箱用管道连接(水系统)传输储热热能，中间配置0.75 kW循环水泵，设计一用一备，增加太阳能集热器与储能水箱之间的系统水循环动力。储能水箱与4支烤房制热室内水系统换热器管道并联连接，中间配置0.75 kW循环水泵，设计一用一备，增加水系统循环动力。

2 材料与方法

2.1 试验材料

多元式清洁供热系统研究始于2021年，2021—2023年在诸城市悦贾烟叶生产专业合作社烘烤工场开展试验验证。供试烤房为多元式清洁供热系统烤房(A)，采取“一拖四”模式，一套多元式清洁供热系统同时为四支烤房提供热量；对照烤房为常规电热泵供热烤房(B)，一支烤房配套一套热泵。供试烟叶来自于成方连片烟田，栽培和田间管理均按当地生产技术指导方案进行。

2.2 试验方法

试验均采用烟夹装烟，每夹编烟量、每炉装烟量基本一致，烟叶品种、部位与成熟度基本相同，每年度分别烘烤下部叶1炉次、中部叶2炉次、上部叶2炉次。采用“八点式”精准烘烤工艺，烘烤过程中，分别记录设备运行、用煤用电、耗时等指标；烘烤后烟叶分级称量，记录橘黄烟比例、上等烟比例及均价；烤后选取中部烟叶3 kg进行化验分析。

3 结果与分析

3.1 烟叶烘烤成本分析

试验中，先后共记载30炉烟叶烘烤数据，其中多元式清洁供热系统烤房(A)15炉次，平均装烟量3 809 kg，平均烤出干烟506.6 kg；常规电热泵供热烤房(B)烘烤15炉次，平均装烟量3 728 kg，平均烤出干烟491.2 kg。供试烤房热量供给来源于电能、太阳能及储存的能量，对照烤房热量供给来源电能。试验结果表明(表1)，多元式清洁供热系统烤房(A)1 kg干烟用电量比常规电热泵供热烤房(B)低0.34 kW·h，用电费用降低0.19元，节能降费效果达到15.2%。多元式清洁供热系统因为储能系统、太阳能等多能互补系统的加入实现了节能降费的目的。

表1 烟叶烘烤费用对比Table 1 Comparison of tobacco leaf baking costs

3.2 烤后烟叶等级质量分析

从烤后烟叶等级质量对比情况看(表2)，多元式清洁供热系统烤房(A)橘黄烟比例与常规电热泵供热烤房(B)差别不大，但上等烟比例、均价均高于常规电热泵供热烤房(B)，其中上等烟高出2.03百分点，均价高出0.64元。多元式清洁供热系统烤房(A)与常规电热泵供热烤房(B)烤烟鲜干比差异不明显，说明多元式清洁供热系统设计合理，运行良好，烘烤效果较为理想。

表2 烤后烟叶等级质量对比Table 2 Comparison of grade quality of flue-cured tobacco leaves

3.3 烤后烟叶化学成分及评吸结果

烟叶化学成分检测结果表明(表3)，多元式清洁供热系统烤房(A)与常规电热泵供热烤房(B)烤后烟叶总糖、还原糖含量均在适宜的范围内，各化学成分比较协调，处理之间部分指标有差异但不明显，说明多元式清洁供热系统对烤后烟叶化学成分无影响。感官评吸质量方面，多元式清洁供热系统烤房(A)得分高于常规电热泵供热烤房(B)，但质量评价总体上差异不大(表4)。

表3 烤后烟叶化学成分对比Table 3 Comparison of chemical components of flue-cured tobacco leaves

表4 烟叶感官评吸结果Table 4 Sensory evaluation results of tobacco leaves

3.4 设备运行和操控性能分析

由表5可看出，多元式清洁供热系统烤房(A)与常规电热泵供热烤房(B)在烘烤过程中均无故障发生，因多元式清洁供热系统里加入了智慧能源系统，使用触摸屏界面，与传统自控仪实体键的设置有一定的区别，较易操控炉内温湿度。稳温性能方面，主要收集变黄阶段和定色前期的干球温度，结果显示，多元式清洁供热系统烤房(A)可控制在±0.4 ℃范围之内，常规电热泵供热烤房(B)可控制在±0.5 ℃范围之内；在自控设备性能方面，两者无明显差异。综上所述，多元式清洁供热系统烤房(A)操作性能更佳。

表5 设备运行和操控性能对比Table 5 Comparison of equipment operation and handling performance

4 讨论与结论

4.1 讨论

空气源热泵+太阳能辅助加热新能源密集烤房对提升烟叶外观品质和柔软性具有重要意义，但其受天气和时间因素影响较大，导致升温稳温和排湿具有一定的滞后性[9]。多元式清洁供热系统采用“储能+多能互补+余热回收+智慧能源”清洁供热技术，通过谷电/绿电储能，用电高峰时释放能量，可实现系统用电费用最小化；烘烤过程中将太阳能转化为热能，在一定程度上降低了能耗；储能系统在极端天气下，太阳能及空气能热泵出力严重不足情况下，仍可实现稳定供热，较好解决了空气源热泵+太阳能辅助加热新能源烤房受天气影响、阴雨天气或晚上无法获取充足的热能等问题。系统采用谷电、弃电、空气能、太阳能、余热等多样化能源，可大幅降低我国烟叶烘烤领域的污染物排放量，同时提升烟叶烘烤的运行经济性，符合国家的“双碳”战略目标。

从实际应用看，多元式清洁供热系统烤房(A)与常规电热泵供热烤房(B)均采用空气源热泵供热，因为供热时电负荷较大，原有用电线路及变压器需要进行升级改造。受地区经济发展水平和改造应用数量影响，每座空气源热泵造价和电源线路改造价格也存在差异。对于在烟叶烘烤季节供电不正常的烟区，还需另配发电机。相信随着国家“双碳”目标的实施，通过争取地方政府、电力等企业的支持，整合各方面资源，降低电热泵烤房设施设备的成本，以电热泵为主导的新型能源烤房今后具有很好的推广前景。

4.2 结论

试验结果表明，采用多元式清洁供热系统烤房，1 kg干烟用电量比常规电热泵供热烤房(B)降低0.34 kW·h，用电费用减少0.19元，节能降费效果达到15.2%；上等烟比例高出常规电热泵供热烤房(B)2.03百分点，均价高出0.64元；烤后烟叶各化学成分比较协调，评吸质量稍优于对照烤房。总之，多元式清洁供热系统是空气源热泵+太阳能辅助加热的升级版，因为储能系统、太阳能、余热回收等多能互补系统的加入，实现了节能降费，是未来新能源供热烤烟的重要选择。