烟叶密集烤房排湿余热回收利用试验研究

时间：2024-05-22

摘要针对烟叶密集烤房排湿余热无效流失问题，介绍了国内烟叶密集烤房排湿余热回收利用技术应用现状和研究进展，提出一种分离式热管余热回收机组设计方案，并采用自主研制的分离式热管余热回收机组进行了试验研究。结果表明，在现有密集烤房条件下，分离式热管余热回收机组具有很好的环境适用性，可以在不影响烟叶烘烤正常进行的前提下，实现排湿余热无功耗回收利用，节能效率达到15%以上，是现有密集烤房排湿余热回收较佳的设备形式，具有较好的实用价值和普及应用前景。

关键词密集烤房；烟叶烘烤；余热回收；热管技术；节能降耗

中图分类号 S26 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）17-0200-04

Abstract In view of the low efficiency and high heat loss problem of the intensive tobacco baking room in its moist removing process， the related application status and research progresses in China were introduced. By combining with the separatetype heat pipe technology， a waste heat recovery unit design was proposed and experimentally tested.The results indicated that： in the intensive tobacco baking room condition， the waste heat recovery unit has a good environment adaptability and can achieve an ideal waste heat recovery effect without any power consumption in the moist removing process.Comparing with the normal coalburning hot blast stove， the separate heat pipe type has a higher conversion rate of 15.0% at least，which showed the new one is an advisable design of the intensive tobacco baking room and has a good practical value and a universal application prospect.

Key words Bulk curing barn；Flue cured tobacco；Waste heat recovery；Heat pipe technology；Energy saving

密集烤房的推廣应用在促进烤烟生产规模化发展方面发挥了重要作用。但是，密集烤房在使用中普遍存在热能利用效率较低的问题，烟叶烘烤所需热量仅占现有燃烧炉燃料发热量的30%左右[1]，无效能耗过高，存在很大的节能潜力。而影响现有密集烤房热能利用效率的因素较多，但排湿余热无效流失是其中的一个重要因素。提高密集烤房热能利用效率，改变烤烟生产无效能耗过高的生产局面，排湿余热回收利用便成为一个值得研究的课题。针对此，笔者采用自主研发的分离式热管余热回收系统，就密集烤房排湿余热回收利用进行了试验研究。

1 技术研究与应用现状

烟叶烘烤是指烟叶脱水干燥，同时控制各个时段烟叶水分动态和形态变化的一个过程，是物理变化过程和生物化学变化过程的协调和统一[2]。在这个过程中密集烤房需要消耗大量热能，蒸发出大量水分，通过循环热风向外排放，排湿气流不但相对湿度较大，而且其温度高于环境空气温度，携带有大量低温余热。密集烤房排湿气流热损失通常为燃料发热量的20%左右，严重时可达25%以上[3]，在燃料发热量当中占有明显的比重，排湿气流余热回收利用是节约能源和基础能源有效利用的重要途径，也是提高现有密集烤房热能利用效率的一个重要的切入点。

近年来，国内陆续开展了密集烤房排湿余热回收利用的研究，关注点主要集中在对排湿热空气进行除湿，再对除湿后的干热空气循环利用。

罗会龙等[4]采用重力热虹吸管设计了一种回收气流余热的逆流式热管换热器，能够有效回收密集烤房排湿余热，降低烤烟能耗。但这种整体式热管换热器的蒸发段和冷凝段为一体结构，设备体积和重量较大，给安装施工带来很大不便，如果烘烤工场的集群炕房都去动用吊装设备会增加不少的工序和施工费用，且浪费很多时间，增加施工成本。热管换热器与烤房排湿口对接还必须增设连接风筒，风筒拐弯直角较多，会增加流动阻力，连接风筒表面积大且路径较长，漏热空间较大，而且设备还需要增加引流风机，额外增加设备成本和运行能耗，使余热回收效益大打折扣，余热回收综合效益较低，不适合在密集烤房条件应用。

肖建国等[5]发明的烤烟密集烤房水循环冷凝排湿装置，利用水循环冷凝器将高能量排湿热空气冷凝成低能量液态水排出烤房，同时设计水喷淋降温器对冷凝器循环水进行降温，重复循环，有效降低耗煤量。崔振伟等[6]设计的烟叶密集烤房水冷循环排湿装置，设置蛇形水循环吸热管，对排湿热空气进行冷凝除湿，形成冷凝水，蛇形吸热管中的水升温后的热量进行利用，有效减少密集烤房排湿时带走的热量，能回收部分排湿余热。但这些热回收方式回收的余热的形态和品位与密集烤房不匹配，密集烤房不能直接利用，需要经过二次转化，余热回收利用的效率较低。

陈振国等[7]发明的一种除湿留热的节能烤房，采用吸湿板平铺混有指示剂的吸湿材料层，吸湿材料采用淀粉系、纤维系或聚乙烯酸盐系等可吸收水分同时使热气流穿透的材料，当吸水量达到一定状态时，指示剂变色提示更换吸湿板。该装置能吸收湿热空气的水分，同时使除湿后的热空气通过，不外排热量，提高热能利用率。缺点是需要手动更换吸湿板，同时缺少吸湿材料吸水量饱和后的再生装置。

石曾矿[8]发明的除湿热泵组件及烟草除湿热泵烘烤装置，利用冷凝除湿原理，把湿热空气经过蒸发器降温冷凝，排出水分后经回热器加热，送回烤房循环，实现烘烤房体内密闭循环。该发明解决了高温热泵烤房受天气影响大、开放式排湿热量损失大的问题，同时具有能耗成本低、自动控制精确、无污染废气排放的优点，但是采用热泵的密集烤房整套装置的额定功率较大，对电网线路要求较高，特别是烤房群，设备投入和线路配套维护的成本较高，暂未大规模应用。

侯跃亮等[9]发明的一种余热共享连体密集烤房及其操作使用方法，连体群组内各个烤房按不同开烤时间错开，烘烤中、后期阶段的烤房排湿余热可共享至烘烤前期阶段的烤房，而处于大量排湿阶段的烤房，排湿空气经过换热降温后，可对结束烘烤的烤房烟叶进行回潮，该余热共享连体烤房相互作用，实现热能的部分循环利用。王国平等[10]试验的余热共享烤房在40～48 ℃进行间接供热，48～68 ℃进行直接供热，可降低烘烤成本，同时改善烟叶烘烤质量。

李碧宽等[11]发明的一种密集烤房余热利用方法及其装置，密集烤房排湿口排出的湿热气流进入余热利用管道，判断空气湿度，按群体中不同烤房所处烘烤阶段的需求分配引入。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验用分离式热管余热回收机组由河南新诺热管技术有限公司组织设计和生产。分离式热管余热回收机组结构如图1所示。

分离式热管余热回收机组由蒸发器、冷凝器、蒸汽上升管和液体下降管组成；蒸发器和冷凝器由导热盘管、换热翅片和固定挡板构成；导热盘管为水平布置的蛇形串联结构；蒸发器和冷凝器水平布置的蛇管管束上钎焊有整体式的铝材质换热翅片；蒸发器和冷凝器的左右两边设置有固定挡板；在冷凝器出口设置有排气阀，同时可以作为加液口加注工质；在蒸发器的出口设置有压力表。蒸发器和冷凝器通过蒸汽上升管和液体下降管连接形成一个整体换热系统，工质采用R134a。

2.2 试验方法

试验时间：2017年7月20日—9月20日。

试验站点：襄城县汾陈乡大路村烟叶烘烤工场。

试验设计：

955号烤房设置热管余热回收机组，以不设置余热回收的953号烤房为对照。

试验设置：热回收机组的蒸发器安装在955号烤房的排湿出口，冷凝器安装在新风进口。

热源燃料：2个烤房热源燃料均采用内蒙古产、同一批次、同一煤质原煤。

烟叶品种：试验采用烟叶品种为“中煙100”。

鲜烟重量：各烤次烟叶装炕时随机抽取10竿鲜烟称重，折合每竿鲜烟重量。

干烟用煤量：烘烤时记录试验烤房每炕次用煤量，再根据各烤次回潮后干烟叶总量计算1 kg干烟平均耗煤量。

配套设施：余热回收烤房和对照烤房均保留现有密集烤房配套设施，按照三段式烟叶烘烤工艺进行烘烤操作。

在烟叶不同成熟阶段，分别采摘同一烟田中的烟叶，在下部、中部和上部烟叶烘烤过程中进行排湿余热回收试验，对余热回收利用实际节煤量和节能效率进行测算，目的是对密集烤房排湿气流余热回收利用效果进行研究。

3 结果与分析

试验结果如表1、2、3数据所示，分别反映了下部、中部、上部烟叶的烘烤试验结果。从表1可以看出，下部烟叶烘烤结果为：余热回收烤房的干烟耗煤量1.83 kg/kg，对照烤房的干烟耗煤量2.16 kg/kg；相比之下，余热回收烤房节省燃煤125 kg/炕，1 kg干烟耗煤量减少0.33 kg，节能效率15.2%。

从表2可以看出，中部烟叶烘烤结果为：余热回收烤房的干烟耗煤量1.49 kg/kg，对照烤房的干烟耗煤量1.75 kg/kg；相比之下，余热回收烤房节省燃煤129 kg/炕，1 kg干烟耗煤量减少0.26 kg，节能效率为14.8%。

从表3可以看出，上部烟叶烘烤结果为：余热回收烤房的干烟耗煤量1.12 kg/kg，对照烤房的干烟耗煤量1.31 kg/kg；相比之下，余热回收烤房节省燃煤159 kg/炕，1 kg干烟耗煤量减少0.45 kg，节能效率14.5%。

4 讨论

国内烟区鲜烟含水量通常在80%～90%，在烟叶烘烤过程中要移除鲜烟中90%以上的水分，这样高的水分含量必须经过蒸发汽化才能向外移除，因此烟叶烘烤需要消耗大量热能[12]。长期以来，国内密集烤房热能利用效率普遍低于40%，排湿余热无效流失是其中的一个重要因素之一。目前，襄城县烟区有密集烤房5 000多座，若将现有密集烤房热能利用效率提高15%左右，则每年可节省超过5 000 t燃煤的能量，烟叶密集烤房排湿余热回收利用节能潜力巨大。

目前，国内大部分现有密集烤房都是按照国家烟草专卖局2009年国烟办综（2009）418 号文件的密集烤房技术规范建造的，技术规范详细规定了密集烤房的基本结构、主要设备和技术参数，但是尚未涉及烤房余热回收利用的相关技术设备。国内密集烤房节能措施的研究主要集中于提高供热系统热效率方面，但并不改变排湿余热无效流失的运行模式，国内对排湿气流余热回收利用的研究较少，相关技术研究大多处于专利形式和理论研究状态，鲜见相关的试验研究报告，目前尚未见到成功的大规模应用案例。因此密集烤房排湿余热回收利用技术还处于研究试验和示范应用阶段，仍然存在很大的潜力。

根据密集烤房排湿余热回收技术的研究和应用现状分析，目前密集烤房排湿余热回收设备主要存在以下问题：

①整体式换热设备在现有密集烤房基础条件下的适用性较差，系统结构复杂，存在问题较多，余热回收利用综合效益较低，不适合现有密集烤房条件普及应用。

②风冷或水冷除湿装置的工作效率不够高，采用这些方式回收的余热的形态和品位与密集烤房不匹配，密集烤房不能直接利用，需要经过二次工艺转化，余热回收利用率较低。

③吸湿材料对排湿热空气的干燥效果不够好，吸湿材料吸水饱和后再生利用装置存在问题，影响除湿效果。

④热泵压缩、连体余热共享的密集烤房对技术要求较高，设备一次性投入太大、电网线路配套成本较高，推广应用具有一定难度。

该研究提出的分离式热管余热回收机组与目前其他排湿热回收设备相比占据有很大优势：从分离式热管的工作原理来说，它既有经典热管的共性，即两相流动、相变传热、自然循环等；同时也具有其鲜明的个性，即管内汽、液两相同向流动。系统运行的驱动力主要来自于系统工作时工质的密度差，这个密度差提供的压头与系统形成的位势差有密切相关，它用以平衡蒸汽和液体流动的压力损失，维系系统的正常运行，不需外加任何动力，是其他热回收方式所做不到的。

从图1可以看出，分离式热管余热回收机组的蒸发器与冷凝器是相互分开的，2个换热器之间通过蒸汽上升管与液体下降管连通形成一个整体换热系统，将系统形成真空后加注一定量的液体工质，构成一个自然循环回路。该系统工作时，当烤房排放的湿、热空气流经机组的蒸发器时，蒸发器腔体内的液体工质受热蒸发汽化，蒸汽经气体上升管进入冷凝器释放潜热凝结成液体，在重力作用下，经液体下降管返回蒸发器继续吸热，热量被源源不断地从烤房排湿出口传送到烤房新风进口，在烤房新风进口新风气流的作用下，以强制对流方式将热量送入烤房，如此往复循环，完成工质的合理流动和热量传递过程。

在密集烤房湿、热气流中的热量被吸收和转移的同时，湿、热混合流体中的饱和蒸汽急剧产生温降，排湿蒸汽很快结露形成冷凝水滴，冷凝水向下汇聚到蒸发器的底部，经排水管集中排放到指定位置，机组即完成排湿和余热回收利用的工作循环。

从目前国内密集烤房排湿余热回收利用研究与应用技术的对比分析和分离式热管的工作原理可以看出，分离式热管余热回收机组具有以下几大优点：

首先，环境适用性好。

由于分离式热管余热回收机组的蒸发器和冷凝器是分离的，具有结构上的优势，可以方便地与密集烤房排湿出口与新风进口顺利对接，实现冷、热2种流体远距离换热，具有很好的环境适应性。

其次，有很高的传热能力。

由于分离式热管余热回收机组主要靠系统内部工作介质的汽、液相变传热，热阻很小，不需要很大的蒸发量就能带走大量的热量，因此具有很高的传热能力。

第三，优良的等温性能。

分离式热管余热回收机组是一个整体系统，腔体内的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽的压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发器流向冷凝器所产生的压降很小，温降亦很小，所以蒸汽流动时蒸发器与冷凝器之间的温度梯度很小，因此设备具有优良的等温性能。

第四，余热回收的利用率较高。

分离式热管余热回收机组回收热量的形态与品位和密集烤房应用的能量等级相匹配，其余热量的大小和携带余热的物质形态符合技术经济原则的条件，不需要二次工艺转换就能直接利用，回收热能的利用率较高。

第五，可以實现无功耗余热回收利用。

分离式热管余热回收机组可以方便地与烤房排湿口和进风口对接，通过工作介质的蒸发与冷凝传递热量，实现冷、热2种流体远距离传输，利用现有密集烤房热风循环系统就可以完成热量交换过程。由于不需要增加连接风筒和引流风机，所以不需要额外增加设备投资和运行费用，从而可以实现排湿气流余热无功耗回收利用。

第六，便于普及应用。

由于分离式余热回收机组为分体式结构设计，体积和重量都相对减小，安装布置比较灵活，安装施工方便，能够有效降低施工难度，提高施工效率，降低施工成本，使安装施工变得更加简单、灵活、方便、高效；可以实现施工安装快捷化，安装质量标准化，便于大面积普及应用。

从烟叶烘烤排湿余热回收利用试验结果或结果分析可以看出，下部烟叶烘烤排湿余热回收试验的节能效率达到15.2%；中部烟叶烘烤排湿余热回收试验的节能效率达到14.8%；上部烟叶烘烤排湿余热回收试验的节能效率达到14.5%；平均节能效率为14.83%。烤房排湿气流热损失通常为燃料发热量的20%左右，严重时可达25%以上[3]，热管换热器的热回收效率通常在60%～80%[13]。试验结果表明，分离式热管余热回收机组的热回收效率达到70%以上，与试验设计目标基本吻合。但余热回收以后外排的空气仍有一定热量，设备的热回收效率仍有进一步提升的空间。

5 结论

通过对密集烤房排湿气流余热回收利用试验和实测结果分析来看，在现有密集烤房条件下，分离式热管余热回收机组具有很好的环境适用性，在不影响烟叶烘烤正常进行的前提下，可以实现密集烤房排湿气流余热无功耗回收利用，是密集烤房排湿气流余热回收利用较佳的设备形式，节能效果显著，具有较好的实用价值和普及应用前景。因此，进一步提高设备的热回收效率是今后研究工作的重点。

参考文献

[1] 和智君，罗会龙，鈡浩，等.烟叶烘烤密集型烤房节能技术途径分析[J].中国农学通报，2010，26（8）：337-340.

[2] 宫长荣.密集式烘烤[M].北京：中国轻工业出版社，2007：1-9.

[3] 钟浩，罗会龙，李志民，等.烟叶密集烘烤余热回收利用的可行性分析[J].安徽农业科学，2011，39（7）：4037-4038.

[4] 罗会龙，彭金辉，王伟，等.回收气流余热逆流式热管换热器：200920253849.4[P].2010-08-25.

[5] 肖建国，朱江涛，郭磊，等.烤烟密集烤房水循环冷凝排湿装置：CN201120462526.3[P].2012-07-25.

[6] 崔振伟，王方.烟叶密集烤房水冷循环排湿装置：201220111892.9[P].2011-11-14.

[7] 陈振国，王玉军，孙广伟，等.一种除湿留热的节能烤房的制作方法：CN201210579468.1[P].2013-04-17.

[8] 石曾矿.除湿热泵组件及烟草除湿热泵烘烤装置：CN201210585859.4[P].2013-04-17.

[9] 侯跃亮，宗树林，赵湘江，等.一种余热共享连体密集烤房及其操作使用方法：CN201010159464.9[P].2010-09-29.

[10] 王国平，向鹏华.密集烤房群余热利用对烟叶烘烤成本及烘烤质量影响的研究[J].作物研究，2010，24（4）：348-350.

[11] 李碧宽，邓兆权，金鑫，等.一种密集烤房余热利用方法及其装置：CN201410342225.5[P].2014-10-15.