煙葉密集烤房排濕余熱回收利用試驗研究

摘要 針對煙葉密集烤房排濕余熱無效流失問題，介紹了國內煙葉密集烤房排濕余熱回收利用技術應用現狀和研究進展，提出一種分離式熱管余熱回收機組設計方案，并采用自主研制的分離式熱管余熱回收機組進行了試驗研究。結果表明，在現有密集烤房條件下，分離式熱管余熱回收機組具有很好的環境適用性，可以在不影響煙葉烘烤正常進行的前提下，實現排濕余熱無功耗回收利用，節能效率達到15%以上，是現有密集烤房排濕余熱回收較佳的設備形式，具有較好的實用價值和普及應用前景。

關鍵詞 密集烤房；煙葉烘烤；余熱回收；熱管技術；節能降耗

中圖分類號 S26 文獻標識碼 A 文章編號 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

密集烤房的推廣應用在促進烤煙生產規模化發展方面發揮了重要作用。但是，密集烤房在使用中普遍存在熱能利用效率較低的問題，煙葉烘烤所需熱量僅占現有燃燒爐燃料發熱量的30%左右[1]，無效能耗過高，存在很大的節能潛力。而影響現有密集烤房熱能利用效率的因素較多，但排濕余熱無效流失是其中的一個重要因素。提高密集烤房熱能利用效率，改變烤煙生產無效能耗過高的生產局面，排濕余熱回收利用便成為一個值得研究的課題。針對此，筆者采用自主研發的分離式熱管余熱回收系統，就密集烤房排濕余熱回收利用進行了試驗研究。

1 技術研究與應用現狀

煙葉烘烤是指煙葉脫水干燥，同時控制各個時段煙葉水分動態和形態變化的一個過程，是物理變化過程和生物化學變化過程的協調和統一[2]。在這個過程中密集烤房需要消耗大量熱能，蒸發出大量水分，通過循環熱風向外排放，排濕氣流不但相對濕度較大，而且其溫度高于環境空氣溫度，攜帶有大量低溫余熱。密集烤房排濕氣流熱損失通常為燃料發熱量的20%左右，嚴重時可達25%以上[3]，在燃料發熱量當中占有明顯的比重，排濕氣流余熱回收利用是節約能源和基礎能源有效利用的重要途徑，也是提高現有密集烤房熱能利用效率的一個重要的切入點。

近年來，國內陸續開展了密集烤房排濕余熱回收利用的研究，關注點主要集中在對排濕熱空氣進行除濕，再對除濕后的干熱空氣循環利用。

羅會龍等[4]采用重力熱虹吸管設計了一種回收氣流余熱的逆流式熱管換熱器，能夠有效回收密集烤房排濕余熱，降低烤煙能耗。但這種整體式熱管換熱器的蒸發段和冷凝段為一體結構，設備體積和重量較大，給安裝施工帶來很大不便，如果烘烤工場的集群炕房都去動用吊裝設備會增加不少的工序和施工費用，且浪費很多時間，增加施工成本。熱管換熱器與烤房排濕口對接還必須增設連接風筒，風筒拐彎直角較多，會增加流動阻力，連接風筒表面積大且路徑較長，漏熱空間較大，而且設備還需要增加引流風機，額外增加設備成本和運行能耗，使余熱回收效益大打折扣，余熱回收綜合效益較低，不適合在密集烤房條件應用。

肖建國等[5]發明的烤煙密集烤房水循環冷凝排濕裝置，利用水循環冷凝器將高能量排濕熱空氣冷凝成低能量液態水排出烤房，同時設計水噴淋降溫器對冷凝器循環水進行降溫，重復循環，有效降低耗煤量。崔振偉等[6]設計的煙葉密集烤房水冷循環排濕裝置，設置蛇形水循環吸熱管，對排濕熱空氣進行冷凝除濕，形成冷凝水，蛇形吸熱管中的水升溫后的熱量進行利用，有效減少密集烤房排濕時帶走的熱量，能回收部分排濕余熱。但這些熱回收方式回收的余熱的形態和品位與密集烤房不匹配，密集烤房不能直接利用，需要經過二次轉化，余熱回收利用的效率較低。

陳振國等[7]發明的一種除濕留熱的節能烤房，采用吸濕板平鋪混有指示劑的吸濕材料層，吸濕材料采用淀粉系、纖維系或聚乙烯酸鹽系等可吸收水分同時使熱氣流穿透的材料，當吸水量達到一定狀態時，指示劑變色提示更換吸濕板。該裝置能吸收濕熱空氣的水分，同時使除濕后的熱空氣通過，不外排熱量，提高熱能利用率。缺點是需要手動更換吸濕板，同時缺少吸濕材料吸水量飽和后的再生裝置。

石曾礦[8]發明的除濕熱泵組件及煙草除濕熱泵烘烤裝置，利用冷凝除濕原理，把濕熱空氣經過蒸發器降溫冷凝，排出水分后經回熱器加熱，送回烤房循環，實現烘烤房體內密閉循環。該發明解決了高溫熱泵烤房受天氣影響大、開放式排濕熱量損失大的問題，同時具有能耗成本低、自動控制精確、無污染廢氣排放的優點，但是采用熱泵的密集烤房整套裝置的額定功率較大，對電網線路要求較高，特別是烤房群，設備投入和線路配套維護的成本較高，暫未大規模應用。

侯躍亮等[9]發明的一種余熱共享連體密集烤房及其操作使用方法，連體群組內各個烤房按不同開烤時間錯開，烘烤中、后期階段的烤房排濕余熱可共享至烘烤前期階段的烤房，而處于大量排濕階段的烤房，排濕空氣經過換熱降溫后，可對結束烘烤的烤房煙葉進行回潮，該余熱共享連體烤房相互作用，實現熱能的部分循環利用。王國平等[10]試驗的余熱共享烤房在40～48 ℃進行間接供熱，48～68 ℃進行直接供熱，可降低烘烤成本，同時改善煙葉烘烤質量。

李碧寬等[11]發明的一種密集烤房余熱利用方法及其裝置，密集烤房排濕口排出的濕熱氣流進入余熱利用管道，判斷空氣濕度，按群體中不同烤房所處烘烤階段的需求分配引入。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗用分離式熱管余熱回收機組由河南新諾熱管技術有限公司組織設計和生產。分離式熱管余熱回收機組結構如圖1所示。

分離式熱管余熱回收機組由蒸發器、冷凝器、蒸汽上升管和液體下降管組成；蒸發器和冷凝器由導熱盤管、換熱翅片和固定擋板構成；導熱盤管為水平布置的蛇形串聯結構；蒸發器和冷凝器水平布置的蛇管管束上釬焊有整體式的鋁材質換熱翅片；蒸發器和冷凝器的左右兩邊設置有固定擋板；在冷凝器出口設置有排氣閥，同時可以作為加液口加注工質；在蒸發器的出口設置有壓力表。蒸發器和冷凝器通過蒸汽上升管和液體下降管連接形成一個整體換熱系統，工質采用R134a。

2.2 試驗方法

試驗時間：2017年7月20日—9月20日。

試驗站點：襄城縣汾陳鄉大路村煙葉烘烤工場。

試驗設計：

955號烤房設置熱管余熱回收機組，以不設置余熱回收的953號烤房為對照。

試驗設置：熱回收機組的蒸發器安裝在955號烤房的排濕出口，冷凝器安裝在新風進口。

熱源燃料：2個烤房熱源燃料均采用內蒙古產、同一批次、同一煤質原煤。

煙葉品種：試驗采用煙葉品種為“中煙100”。

鮮煙重量：各烤次煙葉裝炕時隨機抽取10竿鮮煙稱重，折合每竿鮮煙重量。

干煙用煤量：烘烤時記錄試驗烤房每炕次用煤量，再根據各烤次回潮后干煙葉總量計算1 kg干煙平均耗煤量。

配套設施：余熱回收烤房和對照烤房均保留現有密集烤房配套設施，按照三段式煙葉烘烤工藝進行烘烤操作。

在煙葉不同成熟階段，分別采摘同一煙田中的煙葉，在下部、中部和上部煙葉烘烤過程中進行排濕余熱回收試驗，對余熱回收利用實際節煤量和節能效率進行測算，目的是對密集烤房排濕氣流余熱回收利用效果進行研究。

3 結果與分析

試驗結果如表1、2、3數據所示，分別反映了下部、中部、上部煙葉的烘烤試驗結果。從表1可以看出，下部煙葉烘烤結果為：余熱回收烤房的干煙耗煤量1.83 kg/kg，對照烤房的干煙耗煤量2.16 kg/kg；相比之下，余熱回收烤房節省燃煤125 kg/炕，1 kg干煙耗煤量減少0.33 kg，節能效率15.2%。

從表2可以看出，中部煙葉烘烤結果為：余熱回收烤房的干煙耗煤量1.49 kg/kg，對照烤房的干煙耗煤量1.75 kg/kg；相比之下，余熱回收烤房節省燃煤129 kg/炕，1 kg干煙耗煤量減少0.26 kg，節能效率為14.8%。

從表3可以看出，上部煙葉烘烤結果為：余熱回收烤房的干煙耗煤量1.12 kg/kg，對照烤房的干煙耗煤量1.31 kg/kg；相比之下，余熱回收烤房節省燃煤159 kg/炕，1 kg干煙耗煤量減少0.45 kg，節能效率14.5%。

4 討論

國內煙區鮮煙含水量通常在80%～90%，在煙葉烘烤過程中要移除鮮煙中90%以上的水分，這樣高的水分含量必須經過蒸發汽化才能向外移除，因此煙葉烘烤需要消耗大量熱能[12]。長期以來，國內密集烤房熱能利用效率普遍低于40%，排濕余熱無效流失是其中的一個重要因素之一。目前，襄城縣煙區有密集烤房5 000多座，若將現有密集烤房熱能利用效率提高15%左右，則每年可節省超過5 000 t燃煤的能量，煙葉密集烤房排濕余熱回收利用節能潛力巨大。

目前，國內大部分現有密集烤房都是按照國家煙草專賣局2009年國煙辦綜（2009）418 號文件的密集烤房技術規范建造的，技術規范詳細規定了密集烤房的基本結構、主要設備和技術參數，但是尚未涉及烤房余熱回收利用的相關技術設備。國內密集烤房節能措施的研究主要集中于提高供熱系統熱效率方面，但并不改變排濕余熱無效流失的運行模式，國內對排濕氣流余熱回收利用的研究較少，相關技術研究大多處于專利形式和理論研究狀態，鮮見相關的試驗研究報告，目前尚未見到成功的大規模應用案例。因此密集烤房排濕余熱回收利用技術還處于研究試驗和示范應用階段，仍然存在很大的潛力。

根據密集烤房排濕余熱回收技術的研究和應用現狀分析，目前密集烤房排濕余熱回收設備主要存在以下問題：

①整體式換熱設備在現有密集烤房基礎條件下的適用性較差，系統結構復雜，存在問題較多，余熱回收利用綜合效益較低，不適合現有密集烤房條件普及應用。

②風冷或水冷除濕裝置的工作效率不夠高，采用這些方式回收的余熱的形態和品位與密集烤房不匹配，密集烤房不能直接利用，需要經過二次工藝轉化，余熱回收利用率較低。

③吸濕材料對排濕熱空氣的干燥效果不夠好，吸濕材料吸水飽和后再生利用裝置存在問題，影響除濕效果。

④熱泵壓縮、連體余熱共享的密集烤房對技術要求較高，設備一次性投入太大、電網線路配套成本較高，推廣應用具有一定難度。

該研究提出的分離式熱管余熱回收機組與目前其他排濕熱回收設備相比占據有很大優勢：從分離式熱管的工作原理來說，它既有經典熱管的共性，即兩相流動、相變傳熱、自然循環等；同時也具有其鮮明的個性，即管內汽、液兩相同向流動。系統運行的驅動力主要來自于系統工作時工質的密度差，這個密度差提供的壓頭與系統形成的位勢差有密切相關，它用以平衡蒸汽和液體流動的壓力損失，維系系統的正常運行，不需外加任何動力，是其他熱回收方式所做不到的。

從圖1可以看出，分離式熱管余熱回收機組的蒸發器與冷凝器是相互分開的，2個換熱器之間通過蒸汽上升管與液體下降管連通形成一個整體換熱系統，將系統形成真空后加注一定量的液體工質，構成一個自然循環回路。該系統工作時，當烤房排放的濕、熱空氣流經機組的蒸發器時，蒸發器腔體內的液體工質受熱蒸發汽化，蒸汽經氣體上升管進入冷凝器釋放潛熱凝結成液體，在重力作用下，經液體下降管返回蒸發器繼續吸熱，熱量被源源不斷地從烤房排濕出口傳送到烤房新風進口，在烤房新風進口新風氣流的作用下，以強制對流方式將熱量送入烤房，如此往復循環，完成工質的合理流動和熱量傳遞過程。

在密集烤房濕、熱氣流中的熱量被吸收和轉移的同時，濕、熱混合流體中的飽和蒸汽急劇產生溫降，排濕蒸汽很快結露形成冷凝水滴，冷凝水向下匯聚到蒸發器的底部，經排水管集中排放到指定位置，機組即完成排濕和余熱回收利用的工作循環。

從目前國內密集烤房排濕余熱回收利用研究與應用技術的對比分析和分離式熱管的工作原理可以看出，分離式熱管余熱回收機組具有以下幾大優點：

首先，環境適用性好。

由于分離式熱管余熱回收機組的蒸發器和冷凝器是分離的，具有結構上的優勢，可以方便地與密集烤房排濕出口與新風進口順利對接，實現冷、熱2種流體遠距離換熱，具有很好的環境適應性。

其次，有很高的傳熱能力。

由于分離式熱管余熱回收機組主要靠系統內部工作介質的汽、液相變傳熱，熱阻很小，不需要很大的蒸發量就能帶走大量的熱量，因此具有很高的傳熱能力。

第三，優良的等溫性能。

分離式熱管余熱回收機組是一個整體系統，腔體內的蒸汽處于飽和狀態，飽和蒸汽的壓力決定于飽和溫度，飽和蒸汽從蒸發器流向冷凝器所產生的壓降很小，溫降亦很小，所以蒸汽流動時蒸發器與冷凝器之間的溫度梯度很小，因此設備具有優良的等溫性能。

第四，余熱回收的利用率較高。

分離式熱管余熱回收機組回收熱量的形態與品位和密集烤房應用的能量等級相匹配，其余熱量的大小和攜帶余熱的物質形態符合技術經濟原則的條件，不需要二次工藝轉換就能直接利用，回收熱能的利用率較高。

第五，可以實現無功耗余熱回收利用。

分離式熱管余熱回收機組可以方便地與烤房排濕口和進風口對接，通過工作介質的蒸發與冷凝傳遞熱量，實現冷、熱2種流體遠距離傳輸，利用現有密集烤房熱風循環系統就可以完成熱量交換過程。由于不需要增加連接風筒和引流風機，所以不需要額外增加設備投資和運行費用，從而可以實現排濕氣流余熱無功耗回收利用。

第六，便于普及應用。

由于分離式余熱回收機組為分體式結構設計，體積和重量都相對減小，安裝布置比較靈活，安裝施工方便，能夠有效降低施工難度，提高施工效率，降低施工成本，使安裝施工變得更加簡單、靈活、方便、高效；可以實現施工安裝快捷化，安裝質量標準化，便于大面積普及應用。

從煙葉烘烤排濕余熱回收利用試驗結果或結果分析可以看出，下部煙葉烘烤排濕余熱回收試驗的節能效率達到15.2%；中部煙葉烘烤排濕余熱回收試驗的節能效率達到14.8%；上部煙葉烘烤排濕余熱回收試驗的節能效率達到14.5%；平均節能效率為14.83%。烤房排濕氣流熱損失通常為燃料發熱量的20%左右，嚴重時可達25%以上[3]，熱管換熱器的熱回收效率通常在60%～80%[13]。試驗結果表明，分離式熱管余熱回收機組的熱回收效率達到70%以上，與試驗設計目標基本吻合。但余熱回收以后外排的空氣仍有一定熱量，設備的熱回收效率仍有進一步提升的空間。

5 結論

通過對密集烤房排濕氣流余熱回收利用試驗和實測結果分析來看，在現有密集烤房條件下，分離式熱管余熱回收機組具有很好的環境適用性，在不影響煙葉烘烤正常進行的前提下，可以實現密集烤房排濕氣流余熱無功耗回收利用，是密集烤房排濕氣流余熱回收利用較佳的設備形式，節能效果顯著，具有較好的實用價值和普及應用前景。因此，進一步提高設備的熱回收效率是今后研究工作的重點。

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