广东烟区不同类型密集烤房的应用效果对比

谢俊喜 王行 刘兰 朴峰 姚远华

摘要 [目的]分析燃煤密集烤房、熱泵密集烤房、生物质密集烤房（内置式和外置式）在广东烟区的应用效果。[方法]根据广东烟区实际，对热泵密集烤房、内置式生物质密集烤房、外置式生物质密集烤房3种新能源密集烤房进行试验，以燃煤密集烤房为对照，从能耗成本、尾气排放、升温效率、烟叶质量、经济性状指标等方面对其应用效果进行分析。[结果]与燃煤密集烤房相比，热泵密集烤房、生物质密集烤房能够提高烘烤效率;热泵密集烤房的干烟平均烘烤成本比燃煤密集烤房降低 0.69元/kg，降幅达38.12%，生物质密集烤房干烟平均烘烤成本比燃煤密集烤房分别增加了0.34和0.10元/kg，但在人工添加燃料成本方面优势比较明显。与A1（燃煤密集烤房）相比，A2、A3、A4的上等烟比例分别提高了4.75、3.52和3.64百分点，均价分别提高了1.78、1.06和1.30元/kg，下等烟比例分别下降了0.87、1.11和1.33百分点，橘黄烟率比例分别提高了4.28、2.46和3.21百分点，青杂烟比例分别下降了1.50、1.39和1.31百分点;主要化学成分含量更加适宜，比例更为协调。通过综合对比发现，生物质密集烤房和热泵密集烤房在降低烘烤能耗和用工成本、清洁环保方面效果明显。[结论]热泵密集烤房、生物质密集烤房是今后新能源烤房的推广方向。

关键词 密集烤房;成本;空气能热泵;生物质;新能源烤房

中图分类号 TS 44  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）03-0190-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.03.050

Application Effects Comparison among Different Types of Intensive Curing-barns in Guangdong Tobacco Area

XIE Jun-xi1，WANG Xing1，2， LIU Lan1，2 et al

（1. Guangdong Tobacco Shaoguan Co.， Ltd.， Shaoguan， Guangdong 512400; 2. Scientific Research Institute of Guangdong Tobacco /Guangdong Tobacco Breeding and Comprehensive Utilization Engineering Technology Research Center， Shaoguan， Guangdong 512000）

Abstract [Objective] To analyze the application effects of traditional coal intensive curing-barn， heat pump intensive curing-barn and biomass intensive curing-barn （built-in and external type） in tobacco area of Guangdong. [Method]According to the actual situations of Guangdong tobacco area， the comparative test was conducted among three kinds of new energy intensive curing-barns（heat pump intensive curing-barn， built-in biomass intensive curing-barn， the external type biomass intensive curing-barn）. Taking traditional coal intensive curing-barn as control， the application effects of three kinds of new energy heat pump intensive curing-barns were analyzed from the cost of energy consumption， exhaust gas emission， heating efficiency， tobacco quality， economic indices and other aspects. [Result] Compared with traditional coal intensive curing-barn， heat pump intensive curing-barn and biomass intensive curing-barn could improve the baking efficiency. The average baking cost of dry tobacco of heat pump curing-barn decreased 0.69 yuan/kg than that of traditional coal intensive curing-barn， with the amplitude of 38.12%. The average baking cost of dry tobacco of biomass intensive curing-barn increased 0.34 and 0.10 yuan/kg respectively than that of traditional coal intensive curing-barn， but it had an obvious advantage in the cost of artificial addition of fuel. Compared with the traditional coal intensive curing-barn（A1）， the first-class tobacco proportion of A2， A3， A4 increased 4.75，3.52 and 3.64 percent points respectively. The average price of A2， A3， A4 increased 1.78， 1.06 and 1.30 yuan/kg respectively than A1. The inferior tobacco proportion of A2， A3， A4 decreased 0.87， 1.11 and 1.33 percent points respectively than A1. The percentage of orange tobacco in A2， A3 and A4 increased 4.28， 2.46 and 3.21 percent points respectively than that in A1. The proportion of green miscellaneous tobacco in A2， A3 and A4 decreased 1.50， 1.39 and 1.31 percent points respectively than that in A1. The content of main chemical components in cured tobacco was more suitable， and the proportion was more harmonious. Through the comprehensive comparison of the experimental results， it was found that biomass intensive curing-barn and air energy heat pump intensive curing-barn had obvious effects in reducing the energy cost of baking and labor cost， reducing air pollutants. [Conclusion] New energy heat-pump intensive curing-barn and biomass intensive curing-barn were the popularization directions of new energy curing-barn in the future.

Key words Intensive curing barn;Cost;Air energy heat pump;Biomass;New energy curing barn

基金项目 广东省烟草专卖局（公司）科技项目（粤烟科项201912）。

作者简介 谢俊喜（1971—），男，广东韶关人，助理农艺师，从事烟叶生产、烟叶调制及调制设施推广和应用研究。

通信作者，助理农艺师，从事烟草栽培、烟叶调制和烟草农机研究。

收稿日期 2021-06-09;修回日期 2021-07-05

烟叶调制的发展趋势是集群化专业化烘烤，目前国内能源消耗仍然是以燃煤为主，截至2015年烟草行业补贴建设的密集烤房约85万座，主要燃料为煤炭。2019年全国收购烟叶175 000万kg[1]，按照1 kg干烟消耗煤炭1.5 kg计算，烤烟年度耗煤量约262.5万t，此外燃煤燃烧排放大量的SO2、CO2、CO、氮氧化物、粉尘等，造成环境污染。燃煤密集烤房熱能利用率低下，造成能源浪费。另外，煤的挥发成分存在差异，其灰烬和着火特性也存在差异，难以实现精准自动化控制，对烘烤工艺的执行存在偏差，进而影响烟叶烘烤质量。因此，研究新能源密集烤房，提高密集烤房能源利用率，提升烟叶烘烤质量，减少大气污染物排放，实现烤烟产业的可持续发展，提升智能化烘烤水平，实现行业绿色发展具有重要意义。针对燃煤烤房的现状，国内烟草行业开展了替代燃煤的新能源密集烤房研究和应用，云南、贵州、江西、安徽、福建、河南等地进行了新能源热泵烤房与燃煤烤房、生物质烤房的烘烤效果对比试验[2-7]。研究表明，利用空气源热泵对烟叶进行烘烤具有可行性，并具有节能减排的效果[8]。与燃煤烤房相比，空气源热泵烤房所烤烟叶整体外观质量较好，烤后烟叶各化学成分更为适宜，烤后上等烟比例较密集烤房高，具有环保、烘烤成本低和劳动强度小等优势，能有效降低综合耗能及用工成本，达到了省工降本的目的，具有一定的推广价值和发展前景[9-15]。在生物质燃料烤房方面，全国各产区也进行了研究和推广，结果表明，与传统燃煤烤房相比，生物质密集烤房经济性状明显高于传统燃煤烤房，用工成本明显降低;生物质颗粒燃烧机操作简单，加料、出渣节约时间，炉渣量少，对环境影响小，综合热效率较燃煤密集烤房更高[16-20]。

笔者研究了燃煤密集烤房、热泵密集烤房、生物质密集烤房（内置式和外置式）在广东烟区的应用效果以及各自的优劣势。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020年在广东省南雄市古市镇溪口村进行，试供烤烟品种为粤烟97，供试烟叶为田间鲜烟素质一致、正常成熟采收的中部叶（自下而上第8～12片叶），供试烟叶要求同一天采摘、夹烟、入坑和点火。试验密集烤房均符合国烟办综〔2009〕418号标准，规格为8.0 m×2.7 m气流下降式密集烤房。

1.2 试验设计

试验设4个处理：A1（CK），燃煤密集烤房烘烤处理;A2，热泵密集烤房烘烤处理;A3，内置式生物质密集烤房烘烤处理;A4，外置式生物质密集烤房烘烤处理，采取正常中部烟的南方烟区3段10步烘烤工艺烘烤。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 空载升温速度统计。在空载情况下，通过烤房温湿度控制仪，设置38、40、42、45、48、50、54、60、68 ℃ 9个主要烘烤温度节点，热泵密集烤房不使用辅助加热，记录到达该温度点所需的时间。

1.3.2 负载主要温度统计。

使用烤房监控仪，对每房烟叶10个烘烤工艺稳温点进行记录，并与目标温度进行对比，统计目标温度与实际温度的差异。

1.3.3 鲜烟、干烟重量测定。上烤前随机抽取10夹烟叶称重并挂牌标记，烤后对干烟称重，计算鲜干比，以此测算整房干烟重量。

1.3.4 能耗统计。烘烤结束后，统计各处理燃料用量。记录每烤烟叶烤前、烤后的电表读数，测算每烤烟叶耗电量。

1.3.5 烤后烟叶化学成分。各处理分别称取C3F烟叶样品1 kg，测定其总糖、还原糖、总氮、总烟碱、氯、钾等化学成分的含量。

1.3.6 烟叶经济性状对比。各处理取烤后烟叶进行统一分级，由烟草行业烟叶评级员参照烤烟国家分级标准（GB 2635—1992）评价烤后烟叶的等级结构[21]。由抽样烟叶样本推算总体烟叶样本，记录每个处理烤后烟叶的各个等级比例及重量，根据当地烟叶收购价格，统计各个处理烤后烟叶的上、中、下等烟比例以及橘黄烟率、柠檬黄烟率、青杂烟比例、均价等指标。

1.3.7 尾气排放检测。二氧化硫（SO2）排放量参照HJ 57—2017测定;氮氧化物（NOx）排放量参照HJ 693—2014测定;一氧化碳（CO）排放量采用定点位电解法测定[22]，颗粒物排放量参照HJ 836—2017测定;烟气黑度采用测烟望远镜法测定[22]。

2 结果与分析

2.1 烤房空载升温性能对比

由表1可知，燃煤密集烤房的升温速度最快;生物质密集烤房次之;热泵密集烤房由于受外界气温的影响，在不开电辅助加热的情况下，54 ℃以上温度升温速度较慢。从烘烤工艺执行实际情况来看，以上试验结果均能满足实际烟叶烘烤的供热需求。

2.2 烤房负载温度统计

由表2可知，在变黄期（42 ℃以前）各处理温度控制均能在±0.5 ℃范围内。定色期至干筋期烧大火阶段，与处理A1（燃煤密集烤房）相比，热泵密集烤房、生物质密集烤房温度控制基本在±0.5 ℃以内，温度控制较为精准。燃煤密集烤房受人工添加燃料的影响，在烧大火阶段温度波动较大，难以实现自动化控制，不利于烘烤工艺的执行。

2.3 不同类型密集烤房烟叶鲜干重量及能耗成本

由表3可知，A3处理内置式生物质密集烤房和A4处理外置式生物质密集烤房的烘烤总成本均高于燃煤密集烤房（CK），分别增加了196.00和174.00元，干烟平均烘烤成本分别比燃煤密集烤房（CK）增加了0.34和0.10元/kg;A2处理热泵密集烤房烘烤总成本最低，比CK降低了285.25元，干烟平均烘烤成本比CK降低了0.69元/kg。

2.4 烤后烟叶化学成分指标检测

目前普遍认为优质烤烟化学成分如下：总糖15%～20%，还原糖14%～18%，烟碱1.5%～2.5%，总氮1.7%～1.9%，蛋白质7%～9%[23]。一般认为，优质烟的还原糖与总糖含量的比值应大于等于0.9，糖碱比以8～12为宜，氮碱比以1或略小于1为宜，钾氯比以大于4为宜[24]。由表4可知，A2、A3、A4处理总氮、还原糖、总糖、淀粉等主要指标均好于A1处理，但总体上均在合理范围。综合考虑各处理烤后烟叶的氮碱比及糖碱比，烤后烟叶化学成分协调性表现为A4>A3>A2。

2.5 不同类型密集烤房烟叶经济性状对比

由表5可知，A2、A3、A4處理均能提高烟叶的经济性状，且A2、A3、A4处理各经济性状均好于处理A1，而A4处理则稍好于A2、A3处理，3个处理间差异不显著。与处理A1（CK）相比，处理A4烟叶各经济性状表现较好，上等烟比例和均价分别提高了4.75百分点和1.78元/kg，A2、A3处理上等烟比例、均价比处理A1（CK）分别提高了3.52百分点、1.06元/kg和3.64百分点、1.30元/kg;下等烟比例方面，与处理A1（CK）相比，A2、A3、A4处理下等烟比例分别下降了0.87、1.11、1.33百分点;橘黄烟率方面，与处理A1（CK）相比，A2、A3、A4处理橘黄烟率分别提高了4.28、2.46、3.21百分点;青杂烟比例，与处理A1（CK）相比，A2、A3、A4处理青杂烟比例分别下降了1.50、1.39、1.31百分点。由此可见，热泵密集烤房和生物质密集烤房（内置式、外置式）对于提高烤后烟叶经济性状有一定效果。

2.6 不同类型密集烤房尾气排放量对比

对不同类型密集烤房排放的尾气，如二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、颗粒物、烟气黑度等主要污染物成分进行检测，结果见表6。由表6可知，生物质密集烤房氮氧化物、一氧化氮、二氧化硫和颗粒物等排放量较燃煤密集烤房明显降低，而烟气黑度与燃煤密集烤房相当。热泵密集烤房是最清洁的，尾气零排放。内置式生物质密集烤房、外置式生物质密集烤房SO2排放量比燃煤密集烤房均减少了71.43%;内置式生物质密集烤房、外置式生物质密集烤房NOx排放量比燃煤密集烤房分别减少了37.12%和73.80%;从CO排放量来看，内置式生物质密集烤房、外置式生物质密集烤房比燃煤密集烤房分别减少了64.68%和66.79%;从颗粒物排放量来看，3种密集烤房颗粒物排放量排序为热泵密集烤房<外置式生物质密集烤房<内置式生物质密集烤房<燃煤密集烤房。

3 讨论

3.1 燃煤密集烤房

当前广东省烟叶烘烤加热方式大多是传统燃煤直接供热，燃煤是非可再生能源，由于燃煤燃烧的滞后性，对优质烟叶烘烤工艺要求的温湿度不易控制，燃烧产生大量的二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等排放物，对环境污染大。

燃煤密集烤房人工加煤用工较大，需要专职司炉工，传统燃煤质量参差不齐，在烘烤定色阶段控温不精准，容易窜温掉温，造成烘烤过程中不同程度的烤青、挂灰等。

3.2 生物质密集烤房（内置式、外置式）

生物质密集烤房污染小，燃料为可再生生物质能源，实现了能源的可持续利用，适应性较强，除焦效果较好，设备安装简便，维护方便。生物质密集燃烧机较燃煤密集烤房设备运行费用更低，设备操作简便，在降低人工成本方面仅次于热泵密集烤房。外置式生物质密集烤房无需对烤房进行改造，在原有烤房的供热设备上加上燃烧机即可使用，非常便捷。热能利用率方面，生物质密集烤房能源利用率较燃煤密集烤房也有很大的提升空间。

当前配套密集烤房的专用生物质燃烧机电机功率较小，对颗粒燃料要求较高，燃料结焦严重时，超负荷运转可能会烧坏电机。同时，大面积推广时，颗粒燃料需求增大，需要原料供应本地化、便利化，否则会成为推广应用的瓶颈[7]。

3.3 热泵密集烤房

热泵密集烤房是从空调原理转化而来，性能稳定，使用寿命长，维护费用较低。热泵密集烤房自动加热设备是用工业生产标准产品取代建筑形式烤房，是烟叶烘烤新型成套设备，自动化控制程度高。

热泵密集烤房的应用节约了烘烤成本，显著提高了烤后烟叶质量，降低了烟区周围颗粒物的排放，改善了环境质量，产生了良好的经济效益和社会效益。从使用情况来看，热泵设备在技术创新性、应用稳定性以及节约成本等方面都有比较优越的表现，具有良好的推广应用可行性[25]。

热泵密集烤房在热能利用方面优势明显，在每年5～7月烟叶烘烤季节，广东省各烟区均处于炎热的夏季，环境温度高，这个优势在南方烟区烘烤季节更加明显，可以在空气中吸收大量的热能，耗电量仅为电加热器的25%，能效比在4倍左右，与燃煤等其他燃料相比可节约60%的成本[8]。

目前，行业已出台了热泵新建烤房和热泵改建烤房的相关补贴政策，解决了热泵设备采购成本高的难题。设备运行方面，热泵密集烤房工作额定功率大[6]，需要政府和电力部门出台对电网进行电力增容和线路改造的政策，如果运行电力增容问题解决了，热泵密集烤房会具有良好的推广前景。

综上所述，在能耗成本方面，热泵密集烤房具有明显的优势，干烟平均烘烤成本比燃煤密集烤房降低了0.69元/kg;尾气排放检测方面，生物质密集烤房在颗粒物、SO2、NOx、CO等主要污染成分浓度和成分都有较大幅度的降低，而热泵密集烤房未检测到以上污染物排放，基本实现了零排放，热泵密集烤房和生物质密集烤房在尾气排放控制方面效果明显;在燃料成本方面，生物质密集烤房燃料成本稍高于燃煤密集烤房，消耗量高于燃煤密集烤房，但在减少用工方面有明显优势，随着生物质燃烧机的进一步推广和生物质颗粒制作水平的推进，燃料成本有很大的下降空间。

4 结论

在广东烟叶烘烤实践中，如果解决了生物质燃料供应、电力增容、线路改造等技术问题，热泵密集烤房和生物质密集烤房供热完全能够满足烟叶烘烤工艺需求，并能实现温湿度的自动化精准控制，在提高烟叶质量水平、减少烘烤损失、减少劳动用工成本、减少空气污染等方面效果明显，具有良好的推广前景。

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