張煒， 尹虎成， 張學(xué)杰， 冉錦翔， 趙高坤， 楊磊

(1.湖北博智科技服務(wù)有限公司，湖北 鶴峰 445800； 2.湖北省煙草公司恩施州公司，湖北 恩施 445000；3.重慶市煙草公司， 重慶 409002； 4.云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，云南 昆明 650000；5.山東仁科測(cè)控技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

密集烤房是進(jìn)行煙葉烘烤的主要設(shè)備，大量的烘烤煙氣余熱直接排放到大氣中，不僅浪費(fèi)資源，而且也對(duì)周邊環(huán)境造成了較為嚴(yán)重的污染[1]。當(dāng)前我國(guó)烤房的需熱常數(shù)(每排出煙葉中1 kg水所需的熱量)為2 950 kJ·kg-1，美國(guó)是我國(guó)的95%，而日本是我國(guó)的91%[2]，如果在現(xiàn)有水平上降低20%以上將反超日本和美國(guó)并大幅度領(lǐng)先。烘烤在45～46 ℃階段煙葉失水未達(dá)到50%的水平時(shí)，加火不及時(shí)會(huì)造成溫度降低，烤房?jī)?nèi)相對(duì)濕度大于60%，導(dǎo)致棕色化反應(yīng)的發(fā)生[3-5]，煙葉變黑而失去使用價(jià)值，所以在烤煙未失水過(guò)半之前快速將濕度降低到60%以下是阻止黃煙變黑的主要手段。王建寧等[6]在對(duì)紅花大金元的烘烤中發(fā)現(xiàn)，定色期由42 ℃升到46 ℃的升溫速度越快檸色組占比越大，越慢低等煙占比越大，而46 ℃到55 ℃時(shí)則以相對(duì)較穩(wěn)的慢升溫實(shí)現(xiàn)黃煙等青煙比較好。所以烤房的極限排濕能力和穩(wěn)溫性能十分重要。同時(shí)，我國(guó)的密集式烤房主要建于2004—2010年[7]，由于頂板混凝土長(zhǎng)期暴露在外，老化和滲漏問(wèn)題日漸突顯。為了降低烤房的能耗、提升烤房的性能，結(jié)合烤房蓋頂維修需要，湖北博智科技服務(wù)有限公司在重慶煙草公司的協(xié)助下對(duì)烤房進(jìn)行了升級(jí)改造示范。在幾乎不改變?cè)锌痉坎季趾徒Y(jié)構(gòu)的情況下，對(duì)現(xiàn)有密集式烤房進(jìn)行了附加建筑方式的升級(jí)工程，對(duì)烤房的能量進(jìn)行了重新規(guī)劃利用和綜合管理。明確了升級(jí)后烤房的綜合性能，并為進(jìn)一步的升級(jí)作好準(zhǔn)備。

1 材料與方法

1.1 材料

供試品種為云煙87，供試烤房類型為氣流下降式標(biāo)準(zhǔn)密集烤房。

1.2 方法

在同一烘烤工廠選取相鄰兩座烤房，升級(jí)其中一座進(jìn)行對(duì)比烘烤測(cè)試。升級(jí)方法為在烤房頂部附加性建設(shè)進(jìn)風(fēng)緩沖區(qū)、出風(fēng)緩沖區(qū)、熱回收設(shè)施。

數(shù)據(jù)收集利用山東仁科測(cè)控技術(shù)有限公司提供的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)溫濕度檢控儀器，探頭監(jiān)測(cè)到的溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接報(bào)送到云平臺(tái)網(wǎng)站公示，并以每分鐘記錄一組數(shù)據(jù)的方式存貯。

升級(jí)后的烤房的掉溫測(cè)試。當(dāng)干球溫度在45 ℃時(shí)，生物質(zhì)顆粒進(jìn)料不足的情況下，將自控儀設(shè)定溫度調(diào)到46 ℃，讓爐內(nèi)生物質(zhì)顆粒處于存量燃燒狀態(tài)，測(cè)試烤房的穩(wěn)溫時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)存量燃盡進(jìn)入自由落體式的掉溫狀態(tài)時(shí)測(cè)量烤房的“掉溫”速度。當(dāng)溫度降到42.5 ℃以下時(shí)重新加料點(diǎn)火，測(cè)試烤房的升溫降濕速度。

烘烤以重慶煙草公司的烘烤師根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煙葉實(shí)際情況判斷和調(diào)整自控儀。

進(jìn)行全烘烤季烘烤，處理和對(duì)照不同部位的煙葉各4烤作為重復(fù)。每烤處理和對(duì)照在代表性位置隨機(jī)抽取16桿計(jì)產(chǎn)，比較產(chǎn)質(zhì)量。

空房期間降溫天氣下，根據(jù)烤房?jī)?nèi)溫度隨氣溫下降而下降的速度來(lái)測(cè)量處理和對(duì)照烤房的靜態(tài)保溫性能。

2 結(jié)果與分析

升級(jí)過(guò)后的烤房能極顯著縮短烘烤時(shí)間，縮短時(shí)間長(zhǎng)達(dá)26 h；顯著降低烤房?jī)?nèi)的平均濕度(表1)。

表1 烤房?jī)?nèi)溫濕度情況

升級(jí)后的烤房最高進(jìn)風(fēng)溫度平均升高18 ℃，最低溫度平均升高10 ℃，整體升高14 ℃，顯著降低進(jìn)風(fēng)相對(duì)濕度(表2)。

表2 進(jìn)風(fēng)門溫濕度情況

升級(jí)后的烤房能有效提升排濕窗附近的環(huán)境溫度和濕度(平均溫度上升6 ℃，平均濕度上升9百分點(diǎn))。表明這樣營(yíng)造出來(lái)的高溫高濕環(huán)境更有利于熱泵以更高的能效比回收空氣中的熱量(表3)。

表3 排濕窗附近溫濕度情況

升級(jí)后的烤房節(jié)省生物質(zhì)顆粒175～225 kg，節(jié)能幅度21%～24%，能顯著降低烤房的能耗水平(表4)。

表4 烤房生物質(zhì)能耗水平

通過(guò)對(duì)64桿樣品的計(jì)產(chǎn)分析，在實(shí)際烘烤中升級(jí)烤房能夠帶來(lái)產(chǎn)量、產(chǎn)值、均價(jià)和上等煙比例的提升(表5)。每個(gè)烘烤季可增值9 000元左右，如果將升級(jí)成本控制在3萬(wàn)元，3.3 a就能收回投入，在未將政府稅收等列入計(jì)算的情況下其實(shí)際投入產(chǎn)出比已經(jīng)相當(dāng)有吸引力。

表5 烤房對(duì)產(chǎn)質(zhì)量的影響

經(jīng)過(guò)升級(jí)的烤房靜態(tài)保溫性能明顯提升(表6)。

表6 烤房對(duì)靜態(tài)保溫性能的影響

當(dāng)9:50烘烤人員將干球溫度設(shè)定為46 ℃，自動(dòng)加生物質(zhì)燃料的設(shè)備內(nèi)生物質(zhì)顆粒已經(jīng)不能充足供應(yīng)，達(dá)不到需要進(jìn)料的速度，爐內(nèi)生物質(zhì)顆粒處于存量燃燒狀態(tài)(圖1)。自控儀檢測(cè)到溫度持續(xù)偏低。于是自控儀控制進(jìn)風(fēng)門由常開(kāi)狀態(tài)變成時(shí)開(kāi)時(shí)閉的狀態(tài)，試圖升高烤房?jī)?nèi)的溫度。直到13：21，生物質(zhì)顆粒完全燃盡，烤房火爐供熱完全停止，烤房?jī)?nèi)溫度進(jìn)入存量消耗階段。自控儀將進(jìn)風(fēng)門徹底關(guān)閉。

圖1 各點(diǎn)位絕對(duì)濕度的變化

當(dāng)爐內(nèi)生物質(zhì)顆粒進(jìn)入存量燃燒階段時(shí)，烤房?jī)?nèi)的相對(duì)濕度由59.8%升高到62.1%，并維持了3.5 h。在生物質(zhì)顆粒完全燃盡之后，烤房?jī)?nèi)的熱量處于存量消耗階段，在43 min的存量消耗階段，烤房?jī)?nèi)的相對(duì)濕度上升了7.9百分點(diǎn)。進(jìn)風(fēng)門附近的相對(duì)濕度主要受到進(jìn)風(fēng)門開(kāi)口大小的影響(圖2)。

圖2 各點(diǎn)位相對(duì)濕度的變化情況

在長(zhǎng)達(dá)3.5 h的存量燃燒階段，烤房?jī)?nèi)的溫度并沒(méi)有下降。13:21進(jìn)入無(wú)火階段，43 min內(nèi)由45.4 ℃降到42.4 ℃。由于同期大環(huán)境溫度也是下降的，溫差變化不大，所以呈斜線下降。換算當(dāng)烤房?jī)?nèi)外溫差為10.3 ℃時(shí)，無(wú)火狀態(tài)烤房?jī)?nèi)的溫度下降速度為4.19 ℃·h-1。掉溫測(cè)試結(jié)束后，恢復(fù)火力17 min從42.4 ℃升到47.9 ℃，共升溫5.5 ℃，升溫速度為19 ℃·h-1，濕度由70.2%下降到56.3%，降濕速度為49%·h-1(圖3)。

圖3 各點(diǎn)位溫度的變化情況

升級(jí)后的烤房能快速隨著自控儀的指令而走出平直的曲線，而對(duì)照烤房則隨著火力和環(huán)境溫度的波動(dòng)而產(chǎn)生較大程度的不確定性波動(dòng)。升級(jí)后的烤房除了在41 ℃后期進(jìn)行了快速升溫能力測(cè)試和45 ℃后期進(jìn)行了掉溫測(cè)試而產(chǎn)生了向上和向下的明顯波動(dòng)外，均按著自控儀的設(shè)置走出了標(biāo)準(zhǔn)和平直的曲線(圖4)。

圖4 烤房?jī)?nèi)實(shí)際溫度的曲線

3 小結(jié)與結(jié)論

國(guó)家煙草專賣局辦公室文件國(guó)煙辦綜〔2009〕418號(hào)文件對(duì)密集式烤房的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)范，為烤房相關(guān)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)提供了便利，同時(shí)也固化了烤房?jī)?nèi)部以及烤房大門一側(cè)和左右側(cè)的空間。如果為了某項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用而打破原有烤房的結(jié)構(gòu)和設(shè)備布局會(huì)帶來(lái)資源浪費(fèi)和重復(fù)建設(shè)以及建筑安全性隱患。當(dāng)然該文件前瞻性的留下了烤房頂部和加熱室一端這2個(gè)最大的升級(jí)空間。因此，圍繞這兩個(gè)空間的升級(jí)研究成為無(wú)法回避的技術(shù)路線。林曦陽(yáng)等[8]通過(guò)在加熱室一側(cè)附加和改造的方式將能耗降低了12.12%。程聯(lián)雄等[9]則采用了頂部附加建筑的方式綜合利用太陽(yáng)能和熱回收技術(shù)將能耗降低了20%左右。但是，由于改變了烤房的原有氣動(dòng)布局，在夜晚未排濕情況下，熱交換部分的冷空氣會(huì)下降進(jìn)入裝煙室形成微弱的對(duì)流，增加了夜晚烤房通過(guò)房頂部流失熱量的速度，在多元化能源時(shí)實(shí)際上增加了烤房頂部特別是晚上的總散熱面積和速率。

綜上所述，研發(fā)小組在將太陽(yáng)能的利用方式另外考慮的基礎(chǔ)之上，幾乎不改變?cè)锌痉繗鈩?dòng)布局的情況下，對(duì)單純的熱交換技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化管理和簡(jiǎn)化用材等利于實(shí)際推廣的研究，并為后期的太陽(yáng)能和熱泵利用留下伏筆。

升級(jí)后的烤房能平均縮短烘烤時(shí)間26 h，意味著完成同樣的烘烤任務(wù)，可以少建造和維護(hù)15%的烤房，為企業(yè)省下大量的資金投入；顯著地降低烤房?jī)?nèi)的平均濕度。最高進(jìn)風(fēng)溫度平均升高18 ℃，最低溫度平均升高10 ℃，整體升高14 ℃。顯著降低進(jìn)風(fēng)相對(duì)濕度，有效提升排濕窗附近的環(huán)境溫度和濕度(平均溫度上升6 ℃，平均濕度上升9百分點(diǎn))。這樣營(yíng)造出來(lái)的高溫高濕環(huán)境更有利于熱泵以更高的能效比回收空氣中的熱量。當(dāng)爐內(nèi)生物質(zhì)顆粒進(jìn)入存量燃燒階段時(shí)，3.5 h內(nèi)烤房的相對(duì)濕度由59.8%升高到62.1%，烤房?jī)?nèi)的溫度并沒(méi)有下降。在生物質(zhì)顆粒完全燃盡之后，當(dāng)烤房?jī)?nèi)外溫差為10.3 ℃時(shí),無(wú)火狀態(tài)烤房?jī)?nèi)的溫度下降速度為4.19 ℃·h-1?？痉?jī)?nèi)的相對(duì)濕度僅上升了7.9%,表現(xiàn)出良好的抗掉溫性能。對(duì)比烤房?jī)?nèi)的實(shí)際溫度曲線，升級(jí)后的烤房能很快響應(yīng)自控儀的指令，并平穩(wěn)的維持在指令要求的水平，受火力和環(huán)境波動(dòng)的影響很小。