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热泵烘干烟叶解决方案

时间:2019-03-30

烟草质料质量是卷烟质量的根底和最重要的约束要素。现在,我国烟草质料出产最突出最要害的问题是香气品质和上等烟份额不满足卷烟工业的需求,其中烘烤加工设备和工艺条件起着十分重要的作用。近几年的研究和实践证明,由于烘烤设备陈旧落后,加工工艺不能得到保证,造成烟叶质量和烟农损失有25%~30%。烟叶烘烤是一个很多耗热的进程,普通烤房用煤直接供热,热利用率低。耗煤量高,通常烤干1公斤烟叶耗煤量在1.5~2.5公斤标煤,并且环境污染严重。


近年来,随着现代烟草农业的发展,烤房的改进和煤炭替代能源的开发成为烟叶生产中越来越受到重视的问题。热泵作为一种环保型的制热设备,在发达国家已开始普及。为将热泵及其配套技术应用到烟叶烘烤中,我国某些科技人员和企业做了一些尝试,结果表明,热泵烤房可有效利用空气中的热能替代煤炭进行烟叶烘烤,而且烤后烟叶质量有明显提高,烘烤成本明显降低。


利用热泵原理,我们研制了热泵加热、热风循环、冷凝除湿、温湿度自控的烟叶烘烤设备,并设计建设了烟叶热泵烘干房。

烟叶烘干效果图

烟叶烘烤效果图

我们试验使用的热泵烘干设备由装烟室、热泵加热系统、冷凝排湿系统、温湿度自动控制系统组成。装烟室采用100mm厚的聚氯酯彩钢夹心板作墙体,保温性能良好,生产中可采用土木结构。设一个装料门,一个维修门,4个排湿口,2个观察窗,如下图所示。装烟室内平面面积为6.0mx2.8m,高2.3m,分上下两层装挂烟叶,一次可装鲜烟叶2.5吨左右。鲜烟叶含水率一般85%~90%(按88%计算),按烟叶烘烤工艺要求,烟叶干燥过程中最大失水速率为1.5%/h,烟叶在正常烘烤过程平均汽化蒸发1kg水分需热量为2.6x10^3kj。烤烟需热量和供热量衡算如下。

热泵烘干烟叶解决方案

(1)鲜烟水分


G1=2500kgx88%=2200kg


烟叶中水分每小时的最大汽化蒸发排除量:


G2=2200kgx1.5%/h=33kg/h


(2)水分汽化需热


Q1=33kg/hx2.6x10^3kj/kg=8.58x10^4kj/h


设有效热利用率70%,需热量:


Q2=8.58x10^4kj/h÷70%=1.23x10^5kj/h


取设计供热能力:1.5x10^5kj/h。


根据烤烟过程热量衡算结果,加热设备采用5匹谷轮涡旋式压缩机两台,风冷冷凝器、蒸发器、艾可热力膨胀阀。在变黄期和定色期,由于保温箱内外温差小,加热设备效率高,开启一台加热设备;在干筋期由于保温箱内外温差大,加热设备效率相对低,开启两台加热设备。


为最大可能地利用热能,避免排湿时将大量热量排放出去,该装置采用冷凝排湿系统代替进风口、排湿口进行除湿。冷凝排湿系统由蒸发器、1匹转子式压缩机两台、风冷冷凝器蒸发器、毛细管、接水盘及排水管组成。通风设备采用高效节能的T35系列7.1号风机,高转速为960r/min,叶角35度,最大风量为17296立方/小时,最大风压为167Pa,考虑到烟叶变黄期、定色期、干筋的需风量不同,选用双速风机,电机功率1.1/0.75kw6/8极,可达到较好的节能效果。


热泵温、湿度自控烟叶烘烤设备箱体内的烟叶受外界影响较小,温度保持均衡,在烟叶变黄阶段为±0.5℃,定色阶段为±1℃,干筋阶段为±0.5℃,下表是烟叶烘烤不同阶段几个代表性检测点的温度值。从下表中可以看出,在加热过程中,装烟室内的温度波动范围很小,各部位基本上不存在温度梯度。这就有利于烟叶烘烤工艺条件的落实,并保证装烟室内烟叶变化的均衡一致。


热泵烘干烟叶解决方案


由于装烟室密封性好,因此能很好地保温保湿,整个烟叶烘烤过程中从低温到高温,热泵一般每工作5~8min,然后自行停机120~20min(下表)。而且室内温度比较稳定,当箱内与外界的温差变化大时,加热设备的工作频率增加,而工作时间基本稳定,装烟室内温度不会出现较大辐度的波动和过低、过高的现象,从而从根本上避免了烤青和挂灰现象的产生。


烟叶干燥解决方案


热泵温、湿度自控烟叶烘烤设备采用热风循环和冷凝除湿装置,在冷凝过程中,水从气态变为液态,释放大量的热,而且装烟时有良好的隔热能力,基本上不与外界发生热交换,热量不易散失或漏失因此整个系统热能利用率高。1kw电能可产生相当于正常条件下4~8kw的电能产生的热能,烘烤每千克干烟叶平均耗电量约为2kw.h。试验检测结果见下面,烤干一公斤烟叶耗电量为2度左右,过程中共排除水分6公斤,折合排除一公斤烟叶水分的耗能量为1200千焦,是普通烤房排除1公斤水分耗能量(2600千焦)的百分之四十。


烟叶烘干设备


本设计供热量Q=1.5x10^5千焦/小时。用电加热、燃气、燃油、燃煤、热泵烘烤烟叶的能耗如下。


(1)用电加热烘烤:耗电量为P=Q/3600=1.5x10^5/3600=41.67度,取0.6元/度,电费为41.67度x0.6元/度=25元。

(2)燃气、燃油、燃煤按H=Q/(qη)计算,式中,H为燃料消耗量;Q为每平方燃气或每千克燃料燃气(燃油、燃煤)的发热值,这三种燃料发热值依次为35000千焦/立方、41800千焦/千克、20000千焦/千克;η为热效率,燃烧这三种燃料的热效率依次为0.85、0.8、0.6。则:燃气消耗量为5.04立方,取2.8元/立方,燃气费用为14.1元;燃油消耗量为4.485千克,取3.0元/千克,燃油消耗费为13.45元;燃煤消耗量为12.5千克,取0.55元/千克,燃煤消耗费为6.88元。

(3)用热泵加热烘烤(制热系数cop=3.1),消耗电能为:P=Q/(3600xcop)=150000/(3600x3.1)=13.44度。取0.6元/度,电费为13.44度x0.6元/度=8.06元。


从以上计算可知,用煤费用最低,但普通燃煤烤房自动控制困难,烘烤质量不高,且产生大量有害气体,污染环境;用锅炉周期加热则造价过高;燃油、燃气烤使用费用太高;电热丝使用费用更高。因此,热泵加热方式有显著的经济效益和环境效益。采用热泵加热方式和热风循环的方法充分利用热能,并配合冷凝除湿方式排除冷凝水,一方面有效地提高了热能利用率,节能效果很明显。


从电-热转化角度看,一度电能可产生相当于正常条件下3~6千瓦的电能产生的热能。试验结果,烘烤一公斤干烟叶平均耗电量约为2度,冷凝除湿效率达15%左右,而且不产生废气和废水,有显著的社会和环境效益。另一方面,烟叶烘烤质量也得到改进和提高。热泵温、湿度自控烟叶烘烤设备是一种多功能的烘干设备,除烘烤烟叶外,还可以根据多种农产品特点和干燥需要设计工艺模式,实现烘干,如香菇、木耳、蔬菜、粮食、中药材等。与国内外燃油、锅炉烤烟房对比,热泵自控烘烤设备与它们建造成本相当或更低,使用成本只有燃油密集烤房的50%,且减少了大量的环境污染,也不像锅炉供热烘房那样需要水处理等复杂管理程序。所以,热泵自控烘烤设备具有广泛的应用价值和前景。


以上计算只考虑了能耗费用而没考虑设备费、人工管理费和维修费等各项费用,而且,各地方、不同时期的各项费用价格也不同,故以上能耗费用分析仅供参考。