任杰，孫福山，劉治清，徐世峰，許建設(shè)，沈始權(quán)

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所/農(nóng)業(yè)部煙草生物學(xué)與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島266101；

2 陜西省煙草公司延安市公司， 延安 716000；

3 福建中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廈門(mén) 361012

密集烤房在減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高烤煙烘烤質(zhì)量、適應(yīng)烤煙生產(chǎn)規(guī)模化發(fā)展等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，已成為我國(guó)煙葉烘烤設(shè)備的發(fā)展方向[1]。但燃煤密集烤房溫濕度精確控制難度大，粉塵、碳氧化合物、硫化物污染嚴(yán)重[2-4]等問(wèn)題不容忽視。國(guó)內(nèi)學(xué)者已將太陽(yáng)能[4-5]、空氣源熱泵[6-7]、余熱回收利用[8-9]、氣化爐供能[10]等多種節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于密集烘烤，并取得了初步成效，但美國(guó)、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家普遍使用的以天然氣為能源的密集烘烤設(shè)備[11]國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)報(bào)道。

與燃煤相比，天然氣能源熱值高、清潔，能明顯減少煙塵、二氧化硫等污染物排放[12]。天然氣的運(yùn)輸問(wèn)題可通過(guò)將液化天然氣（liquef i ed natural gas,LNG）用低溫槽車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸，到達(dá)LNG 氣化站后氣化供應(yīng)來(lái)解決[13]。采用天然氣集中供熱和自動(dòng)控制系統(tǒng)，密集烘烤過(guò)程中升溫靈活，排濕順暢，便于操作，可避免人為過(guò)失造成的對(duì)烤煙質(zhì)量的影響，而且可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度低、生產(chǎn)效率高，非常適應(yīng)現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，能夠較好的配合基地單元化運(yùn)作[14]。

本研究針對(duì)我國(guó)煙葉烘烤設(shè)備對(duì)煤炭依賴(lài)度高、環(huán)境污染重、烘烤用工量大的問(wèn)題，利用液化天然氣（LNG）為氣源，集成LNG氣化技術(shù)、水暖集中供熱技術(shù)，設(shè)計(jì)建造了天然氣水暖集中供熱密集烤房，并對(duì)其烘烤效果進(jìn)行了研究，旨在探尋一條可實(shí)現(xiàn)烘烤用工量少、環(huán)境污染小、社會(huì)效益好、經(jīng)濟(jì)高效的密集烘烤新途徑。

1 系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)原理

1.1 系統(tǒng)組成

圖1 天然氣水暖集中供熱密集烤房系統(tǒng)組成

天然氣水暖集中供熱密集烤房由LNG氣化站、集中供熱系統(tǒng)、烤房系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)四大系統(tǒng)組成。LNG氣化站主要由液化天然氣（LNG）儲(chǔ)罐、儲(chǔ)罐增壓器、調(diào)壓計(jì)量加臭設(shè)備、空溫式氣化器、水浴式加熱器、BOG空溫加熱器、供氣監(jiān)控設(shè)備等設(shè)備組成。集中供熱系統(tǒng)主要由鍋爐主機(jī)、進(jìn)口燃燒器、循環(huán)水泵、全自動(dòng)控制柜、分水缸、補(bǔ)水泵、引風(fēng)機(jī)等設(shè)備組成?？痉肯到y(tǒng)主要由烤房基礎(chǔ)部分、鋼鋁復(fù)合翅片管式換熱器、電動(dòng)球閥、百葉排濕窗、循環(huán)風(fēng)機(jī)、溫濕度控制儀、冷風(fēng)進(jìn)風(fēng)門(mén)等部分組成。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由分布在不同站點(diǎn)的密集烤房控制器、監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)和無(wú)線通信鏈路所構(gòu)建的無(wú)線局域網(wǎng)等組成。

1.2 設(shè)計(jì)原理

液化天然氣（LNG）由低溫槽車(chē)運(yùn)至LNG氣化站，通過(guò)卸車(chē)臺(tái)設(shè)置的專(zhuān)用卸車(chē)增壓器對(duì)槽車(chē)增壓，利用壓差將LNG送至LNG儲(chǔ)罐。工作條件下，通過(guò)儲(chǔ)罐增壓器將儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG增壓，增壓后的LNG進(jìn)入空溫式氣化器，LNG吸熱發(fā)生相變，轉(zhuǎn)化為氣態(tài)天然氣，當(dāng)天然氣在空溫式氣化器出口溫度較低時(shí)，通過(guò)水浴式加熱器升溫，最后經(jīng)調(diào)壓、計(jì)量、加臭后供給常壓鍋爐。低溫槽車(chē)內(nèi)LNG 卸完后，尚有高壓低溫天然氣（BOG氣體），為節(jié)約資源，降低成本，特設(shè)計(jì)一路低溫氣體天然氣回收管線。槽車(chē)及儲(chǔ)罐排出的BOG氣體為低溫狀態(tài)，且流量不穩(wěn)定，BOG 工藝將其加熱后，同氣化加熱工藝的常溫天然氣一并輸入調(diào)壓系統(tǒng)（圖2）。

圖2 液化天然氣（LNG）氣化站工藝流程

以LNG氣化站輸出的天然氣為燃料加熱鍋爐水，來(lái)自鍋爐（額定出力1.4 mw，本體水容積3.1 m3，可為25座烤房供熱）的高溫水經(jīng)循環(huán)水泵加壓后通過(guò)供水管網(wǎng)送至各個(gè)烤房。進(jìn)入烤房的水流量是根據(jù)烤房烘烤進(jìn)程熱量需求由控制儀調(diào)節(jié)電動(dòng)球閥，達(dá)到穩(wěn)定加熱的目的。高溫水在換熱器內(nèi)與循環(huán)風(fēng)進(jìn)行熱交換，將循環(huán)風(fēng)加熱，而經(jīng)熱交換的熱水由回水管網(wǎng)除污后重新返回鍋爐加熱，從而完成水系統(tǒng)的加熱、冷卻、再加熱的封閉循環(huán)。運(yùn)行過(guò)程中，由于排污及泄露而損失的水量，由自動(dòng)控制的補(bǔ)水泵將水處理器處理后的軟水補(bǔ)進(jìn)膨脹水箱再供入循環(huán)系統(tǒng)。烘烤過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信鏈路傳送到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)。監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)收集各個(gè)烤房的烘烤過(guò)程數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)庫(kù)，以多種人機(jī)界面（圖表、曲線等方式）監(jiān)視群內(nèi)各個(gè)烤房的烘烤過(guò)程并及時(shí)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和反饋，以達(dá)到集中監(jiān)視、分別控制的目的（圖3）。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2012年8-9月在陜西省延安市南泥灣現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)示范園進(jìn)行。供試烤煙品種為秦?zé)?6上部煙葉，按優(yōu)質(zhì)煙栽培技術(shù)種植。

供試烤房為天然氣水暖集中供熱密集烤房（處理）和燃煤密集烤房（對(duì)照），兩種不同配置烤房土建規(guī)格統(tǒng)一為裝煙室長(zhǎng)8000mm、寬2700mm、高3500mm，氣流方向均為下降式。

圖3 水暖集中供熱及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采收秦?zé)?6成熟上部煙葉，處理與對(duì)照采用同質(zhì)鮮煙，按照“同田塊、同熟相、同時(shí)采、同時(shí)編、同時(shí)開(kāi)烤操作”。用煙夾夾持分別裝入天然氣水暖集中供熱密集烤房（5爐）和燃煤密集烤房；另外從所采煙葉中挑選鮮煙素質(zhì)基本一致的煙葉4夾，燃?xì)夤峥痉亢腿济嚎痉扛鞣?夾，分別放在兩類(lèi)烤房的二棚中間位置。

2.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

（1）記錄空載及負(fù)載條件下兩類(lèi)烤房升溫過(guò)程中的溫度變化。（2）對(duì)每類(lèi)烤房標(biāo)記的2夾烤后煙葉進(jìn)行煙葉外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2635-92對(duì)烤后煙葉進(jìn)行分級(jí)，計(jì)算上、中、下等煙比例、桔黃煙比例、青雜煙比例。（3）測(cè)定各處理裝鮮煙的重量、烘烤各環(huán)節(jié)用工量、烘烤后干煙重量、耗氣量、耗煤量、耗電量。（4）按照環(huán)保部燃料燃燒排放大氣污染物物料衡算辦法，根據(jù)耗煤量和耗氣量計(jì)算SO2、煙塵和CO排放量。

3 結(jié)果與分析

3.1 空載及負(fù)載條件下烤房升溫性能

將電動(dòng)球閥開(kāi)至最大，對(duì)處理烤房進(jìn)行了空載條件下的升溫測(cè)試，從表1中可以看出，處理烤房升溫靈敏，點(diǎn)火時(shí)外界溫度19.5℃，25 min即升至36℃，30 min升至45℃，1 h即升至60℃，1.5 h升至68℃，此后升溫速度逐漸減緩，經(jīng)4 h最高溫度可達(dá)到76℃。此外，在爐溫升到45℃時(shí)，選取二棚5點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)試，5測(cè)點(diǎn)溫度分別為44℃、43.9℃、45℃、45.5℃、45.2℃，平面溫差在1.5℃之內(nèi)，說(shuō)明處理烤房運(yùn)行平穩(wěn)，性能良好。

表1 天然氣水暖集中供熱密集烤房空載升溫情況

從圖4中可以看出，在負(fù)載情況下，處理烤房較對(duì)照烤房升溫靈敏，實(shí)時(shí)干濕球溫度與目標(biāo)干濕球溫度基本吻合。在煙葉烘烤過(guò)程的變黃期、定色期以及干筋期均能達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)溫濕度，且在穩(wěn)溫階段溫濕度波動(dòng)較?。ā?.5℃），升溫、控溫準(zhǔn)，保溫、保濕穩(wěn)，均能滿(mǎn)足烘烤對(duì)溫濕度的要求。

圖4 處理烤房（a）和對(duì)照烤房（b）實(shí)時(shí)干濕球溫度

3.2 烤后煙葉等級(jí)結(jié)構(gòu)

表2 兩類(lèi)烤房烤后煙葉等級(jí)結(jié)構(gòu)

從表2中可以看出，處理烤房烤后煙葉上等煙比例較對(duì)照烤房提高2.7個(gè)百分點(diǎn)，桔黃煙比例提高13.4個(gè)百分點(diǎn)，而下等煙比例和青雜煙比例均下降了0.8個(gè)百分點(diǎn)。綜合來(lái)看，處理烤房烤后煙葉等級(jí)結(jié)構(gòu)優(yōu)于對(duì)照烤房。

3.3 烤后煙葉外觀質(zhì)量

表3 兩類(lèi)烤房烤后煙葉外觀質(zhì)量

對(duì)處理烤房與對(duì)照烤房烤后煙葉外觀質(zhì)量進(jìn)行了鑒定，鑒定結(jié)果見(jiàn)表3，從鑒定結(jié)果可以看出，處理烤房烤后煙葉外觀質(zhì)量較對(duì)照烤房有所改善，表現(xiàn)為煙葉顏色有所加深，桔黃煙比例增加，油分增多，色度增強(qiáng)。

3.4 密集烘烤成本

表4 兩類(lèi)烤房每千克干煙烘烤用工成本

從表4可以看出，兩類(lèi)烤房鮮煙裝煙量相同，但處理烤房單爐烤后煙干重高于對(duì)照烤房。處理烤房和對(duì)照烤房在煙葉烘烤的采收、編煙裝煙及烤后煙葉出爐分級(jí)環(huán)節(jié)單爐用工成本相同，但由于處理烤房單爐烤后煙干重高于對(duì)照烤房，所以處理烤房在采收、編裝煙、解煙分級(jí)環(huán)節(jié)千克干煙用工成本低于對(duì)照烤房。此外，天然氣集中供熱密集烘烤采用集中供熱和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，烘烤操作用工大大下降，1人即可實(shí)現(xiàn)25座烤房的烘烤管理，而燃煤密集烤房一般10座烤房即需要2人晝夜輪換進(jìn)行烘烤操作。綜合烘烤各環(huán)節(jié)用工，處理烤房較對(duì)照烤房千克干煙烘烤用工成本下降0.86元。

表5 兩類(lèi)烤房每千克干煙烘烤能耗成本

從表5可以看出，兩類(lèi)烤房在能耗方面差別較大，對(duì)照烤房每千克干煙烘烤需用煤約1.39 kg，處理烤房每千克干煙烘烤需用氣1.08 m3，但由于天然氣價(jià)格遠(yuǎn)高于煤炭?jī)r(jià)格，所以導(dǎo)致用氣成本要高于用煤成本。由于處理烤房需要有循環(huán)水泵來(lái)持續(xù)進(jìn)行熱水循環(huán)，所以用電成本也要高于對(duì)照烤房，但若將循環(huán)水泵電耗分?jǐn)傊?5爐，則處理烤房每千克干煙電耗成本由0.86元降至0.53元，和對(duì)照烤房基本相當(dāng)此外，處理烤房每千克干煙所需熱量低于對(duì)照烤房，這說(shuō)明處理烤房熱能利用率高于對(duì)照烤房。

綜合烘烤用工及能耗成本，處理烤房較對(duì)照烤房高2.36元/每千克干煙。但本研究只利用了25座烤房中的5座，熱水循環(huán)仍在25座烤房進(jìn)行，從而損耗了部分熱量，此外，循環(huán)水泵的電耗只能由5座烤房分?jǐn)?，?5座烤房全部利用，則氣耗和電耗成本會(huì)相應(yīng)降低。

3.5 大氣污染物排放量

表6 兩類(lèi)烤房大氣污染物排放量

從表6可以看出，兩類(lèi)烤房烘烤過(guò)程中大氣污染物排放量差異較大，處理烤房SO2排放量約為對(duì)照烤房的1/15，CO排放量約為對(duì)照烤房的1/3，此外，在烘烤過(guò)程中處理烤房無(wú)煙塵排放。

4 討論

目前全國(guó)大面積推廣的密集烤房，存在對(duì)煤的依賴(lài)性問(wèn)題，每烤1 kg 干煙需要1.5～ 2.0 kg 煤炭，能耗較高，污染較大，致使烘烤成為煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要的污染來(lái)源[15]。減少烘烤過(guò)程中燃煤污染已成為現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)推進(jìn)過(guò)程中急需解決的問(wèn)題。而天然氣作為一種公認(rèn)的清潔能源，能夠減少因烘烤造成的環(huán)境污染[12]。對(duì)一個(gè)100連建的密集烤房群來(lái)說(shuō)，使用天然氣集中供熱烘烤每次烘烤約減少SO2排放1100 kg，減少CO排放2700 kg，減少煙塵排放1550 kg，大氣污染物排放量大大降低，環(huán)保效應(yīng)巨大。

本研究表明天然氣水暖集中供熱密集烤房升溫靈敏，控溫精確，能夠滿(mǎn)足煙葉烘烤對(duì)溫濕度的要求。正常情況下，天然氣水暖集中供熱密集烤房燒火及系統(tǒng)運(yùn)行每班僅需1人操作和控制，能夠大幅降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省勞動(dòng)用工，與燃煤密集烤房相比，操作更為安全、方便、快捷。烤后煙葉上等煙比例和桔黃煙比例較燃煤密集烤房大幅提高，在顏色、油分、色度等方面明顯改善。這可能與天然氣水暖集中供熱密集烤房溫濕度控制精度高有關(guān)。天然氣水暖集中供熱密集烤房溫濕度上下波動(dòng)一般不超過(guò)0.5 ℃，只要烘烤工藝設(shè)置合理，能夠保證煙葉在相對(duì)穩(wěn)定且適宜的溫濕度環(huán)境下發(fā)生一系列有利于改善煙葉品質(zhì)的生理生化變化。而燃煤密集烤房溫度波動(dòng)大，操作不當(dāng)容易造成溫濕度猛升驟降，溫度波動(dòng)越大，干物質(zhì)損失越大，烤后煙葉質(zhì)量越差[16]。

雖然天然氣水暖集中供熱密集烤房較燃煤密集烤房表現(xiàn)出烘烤操作技術(shù)簡(jiǎn)便、節(jié)省用工、能保證煙葉烘烤質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)，但一次性投資成本較高，且由于目前天然氣價(jià)格遠(yuǎn)高于煤炭?jī)r(jià)格，致使天然氣水暖集中供熱密集烘烤能耗成本偏高，現(xiàn)階段進(jìn)行大面積推廣有一定難度，但是隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的提高，天然氣水暖集中供熱密集烤房可以作為一種改善烘烤作業(yè)環(huán)境，降低烘烤操作技術(shù)難度，確保有較好的生態(tài)效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，做到可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)儲(chǔ)備。

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