煙葉烘烤多元式清潔供熱系統研究與應用

郭全偉，張成雙，王玉華，范增博，張勇，曾智勇，李士磊

(1.山東濰坊煙草有限公司，山東 濰坊 261205；2.深圳市愛能森科技有限公司，廣東 深圳 518000)

中國是全球最大的煙草生產國，傳統上煙葉烘烤利用煤炭直接燃燒供熱，不僅能耗高，能源利用效率也僅有30%左右[1]，且燃燒釋放大量的空氣有害物質，CO2排放量接近800萬t，煙塵約60萬t，有害氣體3萬～5 萬t，并產生大量的固體塵埃顆粒[2]。煤炭供熱，已不符合時代的發展[3]。雙碳背景下，改變目前常規煙葉烘烤領域傳統能源應用方式，大力發展綠色能源，應用清潔低碳、安全高效的烘烤技術，對于實現我國節能減排政策在煙葉烘烤領域有效落地有重要的社會意義及經濟價值。

近年來，用熱泵取代傳統燃煤烘烤技術已成為煙葉烘烤領域研究方向之一[4-5]。宮長榮等[5]將熱泵加熱和冷凝除濕原理首次應用于煙葉烘烤，實驗證明煙葉烘烤過程中溫濕度環境和煙葉變化均衡，可有效提高烤后煙葉質量。呂君等[6]研究發現，干煙熱泵烤房較燃煤烤房降低成本0.85 元·kg-1。聶榮邦等[7]研究表明，熱泵烤房烤后質量煙葉較傳統燃煤烤房有較大提升，上等煙比例平均高出5.8%。

太陽能是世界上最豐富的綠色永久性能源，作為烤煙的熱源有許多實際的研究。冉茂飛等[8]示范應用空氣能熱泵+太陽能輔助烤房示范應用，下部、中部、上部葉的上等煙比例分別較對照高4.26%、1.87%、9.71%；能耗綜合成本分別降低0.21、0.30、0.25元。

空氣源熱泵具有低碳環保的優勢，但是空氣能烘干機組應用至今，依然存在低溫烘干時能效低下、換熱器容易結霜的缺點。常溫烘干時，節能能力提高受限。如果引入儲能系統可減少熱泵除霜時間，降低系統能耗。因此，為積極探索一種降能耗、減污染、烤好煙的煙葉烘烤模式，從2021年開始，濰坊煙區研發應用一種集儲能、多能互補、余熱回收、智慧能源的多元式清潔供熱系統，并通過與常規電熱泵烤房在烘烤成本、煙葉質量、設備運行等方面進行對比分析，旨在為烤房“煤改電”供熱系統的多元化提供借鑒。

1 多元式清潔供熱系統的技術原理及建造方法

1.1 技術原理

以愛能森“儲能+多能互補+智慧能源” 赫愛斯(HSES)清潔供能技術為核心，自主開發“儲能+多能互補+余熱回收+智慧能源”的三段式烘烤技術路線。儲能具體指谷電時段儲熱相變材料進行熱量儲存，峰電時段輸出使用，利用峰谷電價差達到節能效果。多能互補技術是指太陽能、空氣能等多種能源相互利用，其中太陽能的利用是通過太陽能板集熱器來實現，空氣能是利用吸收空氣中的能源來實現。熱泵余熱回收技術是指利用空氣能熱泵將烘烤房內部排濕口高溫的濕熱空氣回收再利用。智慧能源系統是指在確定熱量供給的情況下，結合峰谷時間段，優化各個時間段相變儲能系統、烘房內部熱風循環系統等各個系統的產出，在熱量供給達標的前提下，總電量消耗最低為基本原則。該系統以氟系統為主，水系統為輔，經實驗表明，在儲能水箱溫度高達95 ℃時，可以向高溫55～68 ℃恒溫階段烤房輸送熱量，根據儲能水箱溫度逐步下降，可向中、低溫36～55 ℃恒溫階段輸送熱量。每噸95 ℃熱水從高至低，放熱時間可達4～4.5 h，期間恒溫段空氣能熱泵壓縮機停止運行，依靠儲能水箱免費的熱量烘烤即可。

1.2 建造方法

多元式清潔供熱系統烤房由常規密集烤房改造而來，拆卸原燃煤烤房制熱室內燃煤鍋爐與內循環風機，安裝規格為1 630 mm×1 090 mm×220 mm的空氣能熱泵內換熱器、水系統換熱器并做保溫密封處理，熱泵內換熱器輔帶18 kW電輔熱系統備用，方便烘烤時檢修及外部環境溫度太低情況下使用；原內循環風機拆卸后更換成下降式2.2 kW內循環風機，耐90 ℃高溫。在4座烤房頂部外平臺對應安裝4臺分體式空氣能熱泵，單臺額定制熱功率43 kW，額定輸入功率11 kW，空氣能熱泵與制熱室內熱泵內換熱器用銅管連接(氟系統)傳輸熱量換熱?？痉宽敳總任话惭b銅管鋁板承壓型太陽能集熱器，設計采光、吸熱面積33.3 m2，吸收率96%±3%；儲能水箱按1 t位設計，太陽能集熱器與儲能水箱用管道連接(水系統)傳輸儲熱熱能，中間配置0.75 kW循環水泵，設計一用一備，增加太陽能集熱器與儲能水箱之間的系統水循環動力。儲能水箱與4支烤房制熱室內水系統換熱器管道并聯連接，中間配置0.75 kW循環水泵，設計一用一備，增加水系統循環動力。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

多元式清潔供熱系統研究始于2021年，2021—2023年在諸城市悅賈煙葉生產專業合作社烘烤工場開展試驗驗證。供試烤房為多元式清潔供熱系統烤房(A)，采取“一拖四”模式，一套多元式清潔供熱系統同時為四支烤房提供熱量；對照烤房為常規電熱泵供熱烤房(B)，一支烤房配套一套熱泵。供試煙葉來自于成方連片煙田，栽培和田間管理均按當地生產技術指導方案進行。

2.2 試驗方法

試驗均采用煙夾裝煙，每夾編煙量、每爐裝煙量基本一致，煙葉品種、部位與成熟度基本相同，每年度分別烘烤下部葉1爐次、中部葉2爐次、上部葉2爐次。采用“八點式”精準烘烤工藝，烘烤過程中，分別記錄設備運行、用煤用電、耗時等指標；烘烤后煙葉分級稱量，記錄橘黃煙比例、上等煙比例及均價；烤后選取中部煙葉3 kg進行化驗分析。

3 結果與分析

3.1 煙葉烘烤成本分析

試驗中，先后共記載30爐煙葉烘烤數據，其中多元式清潔供熱系統烤房(A)15爐次，平均裝煙量3 809 kg，平均烤出干煙506.6 kg；常規電熱泵供熱烤房(B)烘烤15爐次，平均裝煙量3 728 kg，平均烤出干煙491.2 kg。供試烤房熱量供給來源于電能、太陽能及儲存的能量，對照烤房熱量供給來源電能。試驗結果表明(表1)，多元式清潔供熱系統烤房(A)1 kg干煙用電量比常規電熱泵供熱烤房(B)低0.34 kW·h，用電費用降低0.19元，節能降費效果達到15.2%。多元式清潔供熱系統因為儲能系統、太陽能等多能互補系統的加入實現了節能降費的目的。

表1 煙葉烘烤費用對比Table 1 Comparison of tobacco leaf baking costs

3.2 烤后煙葉等級質量分析

從烤后煙葉等級質量對比情況看(表2)，多元式清潔供熱系統烤房(A)橘黃煙比例與常規電熱泵供熱烤房(B)差別不大，但上等煙比例、均價均高于常規電熱泵供熱烤房(B)，其中上等煙高出2.03百分點，均價高出0.64元。多元式清潔供熱系統烤房(A)與常規電熱泵供熱烤房(B)烤煙鮮干比差異不明顯，說明多元式清潔供熱系統設計合理，運行良好，烘烤效果較為理想。

表2 烤后煙葉等級質量對比Table 2 Comparison of grade quality of flue-cured tobacco leaves

3.3 烤后煙葉化學成分及評吸結果

煙葉化學成分檢測結果表明(表3)，多元式清潔供熱系統烤房(A)與常規電熱泵供熱烤房(B)烤后煙葉總糖、還原糖含量均在適宜的范圍內，各化學成分比較協調，處理之間部分指標有差異但不明顯，說明多元式清潔供熱系統對烤后煙葉化學成分無影響。感官評吸質量方面，多元式清潔供熱系統烤房(A)得分高于常規電熱泵供熱烤房(B)，但質量評價總體上差異不大(表4)。

表3 烤后煙葉化學成分對比Table 3 Comparison of chemical components of flue-cured tobacco leaves

表4 煙葉感官評吸結果Table 4 Sensory evaluation results of tobacco leaves

3.4 設備運行和操控性能分析

由表5可看出，多元式清潔供熱系統烤房(A)與常規電熱泵供熱烤房(B)在烘烤過程中均無故障發生，因多元式清潔供熱系統里加入了智慧能源系統，使用觸摸屏界面，與傳統自控儀實體鍵的設置有一定的區別，較易操控爐內溫濕度。穩溫性能方面，主要收集變黃階段和定色前期的干球溫度，結果顯示，多元式清潔供熱系統烤房(A)可控制在±0.4 ℃范圍之內，常規電熱泵供熱烤房(B)可控制在±0.5 ℃范圍之內；在自控設備性能方面，兩者無明顯差異。綜上所述，多元式清潔供熱系統烤房(A)操作性能更佳。

表5 設備運行和操控性能對比Table 5 Comparison of equipment operation and handling performance

4 討論與結論

4.1 討論

空氣源熱泵+太陽能輔助加熱新能源密集烤房對提升煙葉外觀品質和柔軟性具有重要意義，但其受天氣和時間因素影響較大，導致升溫穩溫和排濕具有一定的滯后性[9]。多元式清潔供熱系統采用“儲能+多能互補+余熱回收+智慧能源”清潔供熱技術，通過谷電/綠電儲能，用電高峰時釋放能量，可實現系統用電費用最小化；烘烤過程中將太陽能轉化為熱能，在一定程度上降低了能耗；儲能系統在極端天氣下，太陽能及空氣能熱泵出力嚴重不足情況下，仍可實現穩定供熱，較好解決了空氣源熱泵+太陽能輔助加熱新能源烤房受天氣影響、陰雨天氣或晚上無法獲取充足的熱能等問題。系統采用谷電、棄電、空氣能、太陽能、余熱等多樣化能源，可大幅降低我國煙葉烘烤領域的污染物排放量，同時提升煙葉烘烤的運行經濟性，符合國家的“雙碳”戰略目標。

從實際應用看，多元式清潔供熱系統烤房(A)與常規電熱泵供熱烤房(B)均采用空氣源熱泵供熱，因為供熱時電負荷較大，原有用電線路及變壓器需要進行升級改造。受地區經濟發展水平和改造應用數量影響，每座空氣源熱泵造價和電源線路改造價格也存在差異。對于在煙葉烘烤季節供電不正常的煙區，還需另配發電機。相信隨著國家“雙碳”目標的實施，通過爭取地方政府、電力等企業的支持，整合各方面資源，降低電熱泵烤房設施設備的成本，以電熱泵為主導的新型能源烤房今后具有很好的推廣前景。

4.2 結論

試驗結果表明，采用多元式清潔供熱系統烤房，1 kg干煙用電量比常規電熱泵供熱烤房(B)降低0.34 kW·h，用電費用減少0.19元，節能降費效果達到15.2%；上等煙比例高出常規電熱泵供熱烤房(B)2.03百分點，均價高出0.64元；烤后煙葉各化學成分比較協調，評吸質量稍優于對照烤房?？傊?，多元式清潔供熱系統是空氣源熱泵+太陽能輔助加熱的升級版，因為儲能系統、太陽能、余熱回收等多能互補系統的加入，實現了節能降費，是未來新能源供熱烤煙的重要選擇。