烟叶密集烤房供热设备分析比较及发展方向

摘 要

摘要：综述了国内密集烤房烟叶烘烤能耗现状，对密集烤房供热设备进行了分析比较，探讨了供热设备的发展方向。关键词：密集烤房；烟叶烘烤；供热设备Analytical Comparison and Developm
摘要：综述了国内密集烤房烟叶烘烤能耗现状，对密集烤房供热设备进行了分析比较，探讨了供热设备的发展方向。
关键词：密集烤房；烟叶烘烤；供热设备
Analytical Comparison and Development Trend of Heating Equipment in Tobacco Bulk Curing Barn
LI Zhimin，LUO Huilong，ZHONG Hao，CUI Guomin
Abstract：The present status of energy consumption of tobacco bulk curing barn in China is reviewed.The heating equipment in tobacco bulk curing barn is analyzed and compared.The development trend of heating equipment are discussed.
Key words：bulk curing barn；tobacco curing；heating equipment
1 概述
    与传统的烟叶烤房相比，密集烤房采取强制通风、热风循环，具有装烟量大、省工、省时、烤后烟叶质量优良等特点，在国内外烤烟生产中均得到了一定的推广应用。进入21世纪后，密集烤房已成为我国烟叶烘烤设备的发展方向[1]。然而，目前密集烤房供热设备的能源利用率普遍较低。此外，烟叶烘烤作业中煤炭、生物质能源等燃烧释放的粉尘、碳氧化合物、硫化物和多环芳烃等也给周围环境带来较大的污染[2～4]。
    我国人均能源拥有量相对较低，能源问题一直是关系我国经济社会发展的一个重要战略问题。在能源危机和环境污染的双重压力下，太阳能利用、空气源热泵、余热回收利用等各种节能技术日益成熟[5～11]。在这种背景下，寻求技术可行、经济合理的密集烤房供热设备，对降低烟叶烘烤的能耗及减轻环境污染具有重要的意义。
2 密集烤房烟叶烘烤能耗现状
    目前，国内各烟区的密集烤房供热设备以燃煤热风炉为主。燃煤热风炉主要由加热炉、烟气-空气换热器、烟囱组成，置于与装烟室相邻的加热室内。来自装烟室的空气经换热器加热后，通过循环风机送入装烟室内，以干燥装烟室内的烟叶。现阶段，国内密集烤房供热设备的有效能耗普遍较低，仅占燃料低位发热量的20%～35%[3～4]。
    在烟叶烘烤过程中，每排除1kg水分所需要的理论耗热量为2559.5～2580.3kJ。我国各主要烟区的新鲜烟叶含水量大多为80%～90%。以烟煤的低位发热量为20809kJ/kg计算，每1kg干烟叶的理论耗煤量约为0.423～0.952kg[12]。因此，密集烤房供热设备的无效耗热量过高，存在巨大的节能潜力[3]。
    为有效提高燃料的利用率，一方面可在回收烟气及排湿气流余热、提高燃烧效率、降低热风渗漏及减少围护结构热损失等方面对密集烤房加以改进；另一方面，可研究开发以太阳能、高温空气源热泵等为热源的新型密集烤房供热设备。
3 密集烤房供热设备对比分析
    密集烤房供热设备设置合理与否，直接影响装烟室内的供热量及温湿度场、速度场分布的均匀性，并在很大程度上决定了烟叶烘烤的质量及能耗。目前，密集烤房供热设备包括燃煤热风炉、生物质气化炉、热泵及太阳能供热设备。
   ① 燃煤热风炉
   燃煤热风炉属于间接加热式热风炉，它由炉体和换热器两部分组成[13]。固体燃料铺在炉排上，与通过炉排缝隙送入燃料层的空气接触后发生燃烧。固体燃料产生的高温烟气在换热器管道内迂迥流动，经换热器管壁与来自装烟室的空气发生对流传热。烟气与空气分别在换热器管道内侧及外侧流动，二者互不接触，不会污染装烟室的空气。传统的燃煤、燃油热风炉的热能利用率普遍较低，烟叶烘烤的能耗高，并且在烟叶烘烤作业中燃料燃烧释放的粉尘、碳氧化合物、硫化物和多环芳烃等给周围环境带来较大的污染。
   ② 生物质气化炉
   生物质气化炉供热设备由生物质气化炉、燃气净化冷却系统、燃气输配系统、循环风机等主要部件组成[14]。根据集中烘烤的规模，生物质气化炉可采用固定床气化炉或流化床气化炉。生物质能源是一种理想的可再生能源，来源广泛，在国内各产烟区，废弃烟杆、烟梗等生物质资源供应充足。此外，还有大量的农作物秸秆、林业废弃物可以利用。从生物质气化炉出来的燃气中含有一定量的灰尘及焦油蒸气，需设置水洗塔及电捕焦油器以收集灰尘及焦油。因此，与其他供热设备相比，生物质气化炉供热设备结构复杂，造价高，操作较繁琐。
   ③ 热泵
   热泵供热设备由空气源热泵室外机(蒸发器)、冷凝器、循环风机等主要部件构成[15]。采用高温制冷剂，空气源热泵的送风温度完全能够满足烟叶烘烤的温度要求[4]。此外，在烟叶烘烤季节，环境温度较高，使得空气源热泵的供热系数较高，节能效果更加明显。因此，采用空气源热泵进行烟叶烘烤可有效降低烟叶烘烤能耗。但由于密集烤房的热负荷较大，密集烤房空气源热泵供热系统仍需消耗大量的高品位电能。此外，与燃煤热风炉相比，空气源热泵的造价较高。
   ④ 太阳能供热设备
   太阳能供热设备由太阳能集热装置、空气-水换热器及循环风机等构成[16]。太阳能集热装置收集的太阳辐射能，以热水的形式储存于蓄热水箱中。空气-水换热器利用蓄热水箱中的热水，加热来自装烟室的空气。密集烤房烟叶烘烤所需要的最高热风温度范围为67～70℃，目前高效的太阳能集热器能很好地满足烟叶烘烤对温度的要求。在烟叶烘烤季节，国内各主要产烟区的太阳辐射能均较丰富。在太阳能热利用领域中，太阳能光热利用技术已较成熟，并在国内大部分地区得到了推广与应用。这为太阳能在密集烤房中的开发利用提供了很好的应用基础。但受气候的影响，太阳能供热设备不能全天候运行，因此密集烤房太阳能供热设备需设置辅助热源。
4 密集烤房供热设备发展方向
    ① 余热回收型供热设备
    密集烤房燃煤热风炉受换热器换热性能的限制，烟气的排放温度通常均在150℃以上。烟气携带大量的余热，排烟热损失较高。烟气热损失约为燃料低位发热量的15%～25%。在烟囱设置不当的情况下，烟气热损失可高达30%以上。此外，在烟叶烘烤过程中，需适时地进行排湿。排湿气流不但相对湿度大，而且其温度高于环境空气温度，携带有大量低温余热。烤房排湿气流热损失通常为燃料低位发热量的10%～20%，严重时可达25%以上[4]。因此，在密集烤房供热设备中增设合理的烟气及排湿气流余热回收装置可有效降低烟叶烘烤的能耗。
    ② 燃煤辅助的太阳能供热设备
    在太阳能资源丰富的产烟区，密集烤房采用太阳能供热设备具有较大的节能及经济效益。为克服太阳能利用易受气候条件的影响，不能全天候运行的缺陷，国内部分产烟区开发了燃煤辅助的太阳能供热设备。通过优化配置太阳能集热面积及燃煤热风炉容量，可实现燃煤辅助的太阳能供热密集烤房供热设备高效、稳定运行。
    ③ 太阳能与空气源热泵耦合
    受气候条件的影响，太阳能集热供热系统不能全天候运行。空气源热泵供热系统虽然具有较大的节能优势，但由于密集烤房的热负荷大，单纯采用空气源热泵耗电量仍然较高。因此，在太阳能集热供热系统中配置合适的空气源热泵辅助供热装置，不仅可以满足烟叶烘烤要求，还可以有效降低烟叶烘烤的耗电量。
5 结语
    传统的烟叶烘烤是一项高能耗作业，不仅消耗大量的常规能源，而且烟叶烘烤作业中煤炭、生物质能源等燃烧释放的粉尘、碳氧化合物、硫化物和多环芳烃等给周围环境带来较大的污染。在能源短缺和环境污染的双重压力下，从节能、减排和经济性3方面综合考虑，研究、开发、推广新型的密集烤房供热设备，不仅是烟叶烘烤清洁生产及节能减排的发展方向，也是烟叶烘烤清洁生产的必然选择。
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(本文作者：李志民1 罗会龙2 钟浩1 崔国民3 1.云南师范大学太阳能研究所 云南昆明 650091；2.昆明理工大学 建筑工程学院 云南昆明 650224；3.云南省烟草农业科学研究院 云南玉溪 653100)