熱泵除濕對密集烘烤溫度場和品質效果的影響

張 燁，王 行，王曉賓，歐文妍，鐘嘉豪，何振峰

（1.華南農業大學，廣東 廣州 510642；2.廣東煙草韶關市有限公司，廣東 韶關 512023；3.中國煙草總公司廣東省公司，廣東 廣州 510610；4.廣東煙草惠州市有限責任公司，廣東 惠州 516083）

0 引言

煙葉烘烤是決定煙葉最終產量、經濟性和質量的關鍵生產環節[1]。目前，我國煙葉烘烤主要以燃煤為主[2-5]，采用大風量、外排濕方式進行作業，溫度難控制、易波動問題嚴重，且大量濕熱氣體排出烤房造成能源浪費，燃煤煙氣外排易造成環境污染，不符合2020 年全國煙草工作會議中對綠色低碳節能烘烤要求[6]。許多學者通過研究溫度控制算法或通過CFD 等仿真手段研究和改善燃煤烤房溫度場不均的問題[7-10]，亦或采用甲醇或生物質顆粒代替燃煤[11-13]，雖能提高溫度控制精度，有效降低煙氣污染排放，但烘烤成本較高，且燃料熱值不能得到穩定保證。

熱泵內循環除濕烘烤能有效解決污染排放和高能耗的問題，利用蒸發器實現水熱分離，除去介質水分，再通過冷凝器升溫達到烘烤溫度要求[14-16]，減少了外排濕造成的能源浪費和香氣揮發，提高煙葉烤后品質，對實現我國煙葉智能化發展具有重要的社會意義[17-18]。

因此，本文以粵煙97 為試驗樣品，設計了熱泵除濕（HP）和傳統燃煤（TC）密集烤房烘烤效能試驗，通過采集系統獲得烤房內溫度場數據以及電耗，分析了HP 和TC 2 種方式烤房內溫度場均勻性情況；結合烤后干煙質量，為廣東省煙葉烘烤節能減排、提質增效、減工降本提供了技術和理論創新支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020 年6 月在廣東省韶關南雄煙草研究所進行，試驗品種選取同地塊生長狀況、成熟度一致的烤煙品種粵煙97 的中部煙葉。

試驗烤房為氣流下降式密集烤房2 座，烤房規格：裝煙室凈空規格（L×W×H）為8.0 m×2.7 m×3.5 m，總裝煙量約為4 500 kg。

采用煙夾方式，分上中下3 棚掛煙，每個烤房裝煙310 夾，每夾煙葉質量（14.5±0.5）kg，鮮煙葉初始含水率為77.6%，煙夾均勻分布在裝煙室內。

1.2 試驗設計

試驗在氣流下降式密集烤房中進行，分別采用熱泵除濕（HP）和傳統燃煤（TC）2 種熱能供給方式進行對比分析，其中，熱泵的最大制熱量為45 kW，最大輸入功率為15 kW?？痉亢喴捉Y構如圖1 所示。

烤房總長8 m，D 面為進、回風口截面，在烤房內距離D 面2、4、6 m 處，分別選取截面A、B 和C面。熱風在軸流風機作用下，從D 面上端的進風口進入裝煙室，依次通過A、B、C 面的上棚、中棚和下棚煙葉，與煙葉進行完全熱質交換，在提供煙葉烘烤所需熱量的同時，帶走煙葉表面水分，最終從D 面下端的回風口重新進入加熱室，完成1 次熱風循環，具體工藝設定參數如表1 所示。

表1 工藝曲線表

在密集烤房中分布有22 個干濕球溫度采集點，采用DS18B20 干濕球溫度傳感器進行烤房內的干濕球溫度測定，對傳感器進行溫度標定后，如圖1 所示布置于烤房內。在進、回風口處以及A、B、C 截面的上、中、下棚的煙葉層中各分布2 個溫度采集點。通過煙葉烘烤流態數據采集系統，每10 min 記錄1 次數據，1 h 內6 個溫度數值求和取平均值，獲得該小時的溫度數值，根據同一層內的2 個溫度采集點數值取平均值，作為該層的溫度特征數據。每個烤房均安裝有智能電度表，通過采集系統自動記錄烤房的能耗數據，形成能耗動態監控。

1.3 評價方法

1）烘烤成本。根據TC 烤房和HP 烤房所用的煤、電消耗量及人力成本，結合最終烤房的干煙質量和干煙單價，計算每kg 干煙的烘烤成本。

2）烤后煙葉外觀質量評價?？竞鬅熑~經回潮平衡水分后，依據GB2635-1992《烤煙》標準進行評價分級，評價指標包括成熟度、油分、顏色、身份、結構、色度、含青度、掛灰等外觀質量。

3）烤后煙葉化學成分分析評價。選取烤后煙葉樣品進行主要化學成分化驗分析，包括總糖、還原糖、總煙堿、總氮、氯、鉀、還原糖和總糖比、還原糖和煙堿比、氮堿比、鉀氯比等?？偺?、還原糖根據YC/T 159-2002《煙草及煙草制品 水溶性糖的測定 連續流動法》標準采用全自動連續流動分析儀進行檢測，氯根據YC/T162-2001《煙草及煙草制品氯的測定 連續流動法》標準采用全自動連續流動分析儀進行檢測，鉀根據YC/T217-2007《煙草及煙草制品 鉀的測定 連續流動法》標準采用全自動連續流動分析儀進行檢測，總煙堿根據YC/T34-1996《煙草及煙草制品 總植物堿的測定 光度法》標準采用分光光度計進行檢測，總氮根據NY/T 1121.24-2012《土壤檢測 第24 部分土壤全氮的測定自動定氮儀法》標準采用全自動凱氏定氮儀進行檢測。

2 結果與分析

2.1 不同方式對密集烤房溫度場均勻性影響

2.1.1 TC和HP密集烤房干球溫度對比分析

為了驗證TC 和HP 2 種方式對密集烘烤過程的溫度分布的影響，分別選取了TC 和HP 的溫度控制點作為試驗指標，與烘烤工藝設定曲線進行對比分析，結果如圖2 所示。

從圖2 可以看出，隨著烘烤時間的推移，TC 和HP 的干球溫度上升趨勢與設定工藝基本保持一致，但TC 與設定工藝干球溫度之間的偏差大于HP 與設定工藝的偏差，對偏差進行方差分析，如表2 所示。TC 方式最大偏差為4.46℃，偏差平均值為1.855℃，方差為1.723℃2，標準差為1.313℃，而HP 方式最大偏差為2.26℃，偏差平均值為0.754℃，方差為0.291℃2，標準差為0.540℃。從方差分析可看出，對比燃煤方式，熱泵除濕方式能提供一個較為穩定的溫度場進行煙葉烘烤，烘烤環境溫度偏差波動較小，能有效保證煙葉烘烤質量。

圖2 TC 和HP 密集烤房控制點干球溫度研究

表2 TC和HP與設定溫度偏差的方差分析

2.1.2 TC和HP水平方向干球溫度分布

溫度的空間分布對于煙葉烘烤具有十分重要的作用。試驗選取了B 面上棚溫度和C 面上棚溫度作為試驗指標，進行TC 和HP 方式水平方向干球溫度研究，結果如圖3 所示。由于C 面距離D 面較遠，且通風層內有煙葉吸收熱量，故C 面上棚溫度應低于B 面上棚溫度，試驗結果符合理論模型。

由圖3 可以看出，TC 的干球溫度均高于HP 的干球溫度，選取B-C 面的干球溫度差作為考察TC和HP 的水平方向干球溫度的指標，使用SPSS 進行方差分析，結果如表3 所示。TC 方式的B-C 面干球溫度差，其最大值為3.90℃，平均值為2.43℃，方差為0.638℃2，標準差為0.799℃；HP 方式的B、C面干球溫度差，其最大值為2.20℃，平均值為1.54℃，方差為0.237℃2，標準差為0.487℃。

圖3 TC 和HP 水平方向干球溫度研究

有研究表明，烤房內的溫度分布處于均衡狀態時，有利于整房煙葉酶促物質轉化和失水干燥的速度協調一致，提高煙葉質量。從表3 可看出，TC方式的最大值、平均值、方差和標準差均大于HP方式，從側面說明了傳統燃煤方式存在較大的熱慣性，造成溫度場熱值偏差幅度偏大，以及溫度場均勻性較差；而熱泵除濕方式在烤房內溫度場的偏差較小，能有效控制并輸出均勻的溫度場，保證煙葉在穩定的溫度場內進行烘烤作業，從而提高煙葉烘烤品質。

表3 TC和HP水平方向干球溫度差的方差分析

2.1.3 TC和HP垂直方向干球溫度分布

為了更為直觀的研究密集烤房垂直方向的干球溫度分布，試驗選取了B 面上棚和下棚測試點干球溫度作為研究對象，試驗結果如圖4 所示。

圖4 TC 和HP 垂直方向干球溫度研究

從圖4 可以看出，隨著烘烤的進行，B 面垂直方向上棚和下棚的干球溫度逐步上升，且與烘烤過程溫度設定較為一致。TC 的上下棚溫度差較大，特別在變黃后期至定色中期階段，隨著時間的推移呈逐漸增大趨勢，其最大溫差高達5.91℃。造成這一現象的原因可能在于，該階段煙葉處于快速去水狀態，而TC 密集烤房一般采用水分外排方式，將高濕介質通過烤房底部排濕窗排出密集烤房，實現煙葉除濕。下棚煙葉檢測點與排濕窗上沿基本處于同一水平面，且燃煤供熱不均勻性較高，造成下棚干球溫度偏低，則上下棚溫差較大。通過SPSS 進行方差分析可知，TC 上下棚平均溫差為4.19℃，方差為1.074℃2，標準差為1.036；而HP 的上下棚溫度偏差較小，其最大溫差為1.52℃，平均溫差為1.21℃，方差為0.025℃2，標準差為0.160℃。結果說明，熱泵除濕方式上下棚溫差較小，有利于形成穩定的烤房內溫度流場，促進整個烤房的煙葉酶促物質進行轉化和干燥去水，提高烘烤品質。

表4 TC和HP垂直方向干球溫度差的方差分析

2.2 不同方式密集烤房烘烤成本分析

通過記錄TC 和HP 烤房在整個烘烤過程中，所消耗的煤量、電量以及人員用工成本，計算結果列于表5。由表5 可知，TC 烤房一烤煙的干煙質量為621 kg，燃煤耗煤量為1.1 t，燃煤成本為1 265 元，風機、新風門等設備耗電量為338 kW·h，電耗成本為185.9 元，總能耗成本為1 450.9 元，人員用工時長約為1.5 工日，人員用工成本約為270 元。故TC烤房一烤煙的總成本為1 720.9 元，單位干煙成本為2.77 元/kg。HP 烤房一烤煙的干煙質量為684 kg，熱泵除濕、風機、新風門等設備耗電量約為1 350 kW·h，總能耗成本為742.5 元，人員用工時長約為0.3 工日，人員用工成本約為54 元。故HP 烤房一烤煙的總成本為796.5 元，單位干煙成本為1.16 元/kg。

表5 密集烤房烘烤成本統計

綜合對比TC 和HP 2 種烘烤方式，在干煙質量相當的情況下，HP 的總能耗成本為TC 烤房的51.18%，節能效果顯著；HP 的人員用工成本僅為TC 的20%，原因在于，TC 方式需要人員不定時的去加煤加料（加煤次數超過30 次），而HP 方式僅需要設定好干濕球曲線，定期觀看煙葉烘烤變化進行微調即可，HP 方式能有效減少人員使用成本。最終計算可得，熱泵除濕烘烤的總成本為傳統燃煤烘烤的46.28%，單位干煙葉成本為傳統燃煤烘烤的41.88%。

2.3 密集烤房烤后煙葉外觀質量評價

密集烤房烤后煙葉外觀質量評價結果如表6 所示，從表6 中可以看出，TC 和HP 方式烤后煙葉的外觀質量有一定區別，主要體現在顏色、結構、含青度和掛灰等指標上，而其他如成熟度、油分、身份、色度指標差異不明顯。TC 方式的烤后煙葉外觀表現為成熟，油分多，顏色偏橘-檸色，身份中等，結構較為緊密，色度強，有一定含青，有掛灰；而HP 方式的烤后煙葉外觀表現為成熟，油分多，顏色多為橘黃，身份中等，結構疏松，色度強，有微少含青，稍有掛灰。熱泵除濕的烤后煙葉在顏色、結構、含青度和掛灰4 個指標上表現稍好于傳統燃煤方式的烤后煙葉。

2.4 密集烤房烤后煙葉化學成分評價

TC 和HP 方式烤后煙葉的化學成分如表7 所示。一般而言，優質煙的還原糖/總糖應≥0.9 為宜，還原糖/煙堿以8～12 為宜，總氮/煙堿以1 或略小于1 為宜，鉀氯比以＞4 為宜[19]。從表7 可知，TC 與HP 2 種烤煙方式的2 糖比均大于0.9，鉀氯比均在4 以上，但HP 方式的還原糖/煙堿和氮堿比均優于TC 方式，說明熱泵除濕方式的主要化學成分協調性較好。

表7 烤后煙葉化學成分評價

3 結論與討論

1）在相同烘烤工藝條件下，傳統燃煤密集烤房排濕方式采用冷空氣接入排濕，易造成烤房內溫度波動，溫度最大偏差為4.46℃，偏差平均值為1.855℃，方差為1.723℃2，標準差為1.313℃，而熱泵除濕密集烤房采取密閉環境下水熱分離技術，烤房內部始終是一個穩定溫度氣場，溫度最大偏差為2.26℃，偏差平均值為0.754℃，方差為0.291℃2，標準差為0.540℃，說明熱泵除濕方式烘烤環境溫度偏差波動較小，能夠保證煙葉烘烤質量。

2）從水平方向和垂直方向的溫度場分析可得，熱泵在烤房內水平溫度場和垂直溫度場的偏差均較小，能有效控制并形成穩定的烤房內溫度流場，有利于促進整個烤房的煙葉酶促物質進行轉化和干燥去水，提高煙葉烘烤品質。

3）在成本評價方面，在干煙質量相當的情況下，熱泵除濕烘烤的總成本為傳統燃煤烘烤的46.28%，單位干煙葉成本為傳統燃煤烘烤的41.88%，起到了節能減排效果。

4）在烤后煙葉外觀質量評價方面，熱泵除濕的烤后煙葉在顏色、結構、含青度和掛灰4 個指標上表現稍好于傳統燃煤方式的烤后煙葉；烤后煙葉的還原糖/煙堿和氮堿比均優于傳統燃煤方式，主要化學成分協調性較好，提高了煙葉烘烤質量。