果蔬烘干機在煙葉烘烤中的應(yīng)用探討

楊 閩，姜永雷，劉雄佩，唐國俊，周玉龍，朱艷梅

（1.北京航空航天大學云南創(chuàng)新研究院，云南 昆明 650233；2.云南省煙草農(nóng)業(yè)科學研究院，云南 昆明 650021；3.云南省煙草公司文山州公司，云南 文山 663000）

0 引言

煙草為云南省的重要支柱產(chǎn)業(yè)，也是我國最重要的經(jīng)濟作物之一。在整個煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，煙葉烘烤是用工最多、耗時最久、人力物力投入最大的環(huán)節(jié)。煙葉烘烤一直是影響烤煙品質(zhì)特性的重要工藝之一，與煙農(nóng)的收入密切相關(guān)。

我國烤煙以分散種植方式為主導，特別是西南煙葉種植區(qū)地形特殊,單戶種煙面積集中在0.2～0.3 hm2之間,種植區(qū)域分散不集中，存在很多制約規(guī)模化種植的因素，且煙葉烘烤對于烤煙價值的影響比重達到50%以上，導致煙葉生產(chǎn)對烤房的需求發(fā)生了改變[1]。近年來隨著國家惠農(nóng)政策的實施，果蔬烘干機進入了地方財政補貼名單，其發(fā)展勢頭迅猛，故在煙葉烘烤環(huán)節(jié)推廣果蔬烘干設(shè)備顯得十分必要[2-3]。各地政府圍繞自身地域的煙葉種植情況，因勢利導，積極加大應(yīng)用果蔬烘干機進行煙葉烘烤的力度。果蔬烘干機用于烘烤烤煙既滿足了煙葉烘烤的質(zhì)量，又結(jié)合農(nóng)戶分散烘烤的實際需求，已被廣大煙農(nóng)所認可和接受，是目前較為理想的烤煙烘烤方式，是種煙農(nóng)戶提質(zhì)增效的重要舉措[4]。隨著果蔬烘干機技術(shù)的推廣應(yīng)用，根據(jù)季節(jié)的差異，除烘烤煙葉外還可烘干辣椒、花椒、核桃和三七等農(nóng)特產(chǎn)品，使果蔬烘干機能一機多用，以期獲得較好的經(jīng)濟和社會效益[5]。

目前，果蔬烘干機已經(jīng)并將繼續(xù)在云南省山地煙區(qū)范圍內(nèi)高速推廣應(yīng)用，由于缺乏健全的產(chǎn)品標準，果樹烘干設(shè)備質(zhì)量參差不齊，其在煙葉烘烤中的應(yīng)用還存在著許多不足。果蔬烘干機在煙草烘烤中適用與否是保證烘烤工藝能否正常進行的關(guān)鍵，設(shè)備不適合，工藝將無法實現(xiàn)，故需對果蔬烘干機應(yīng)用在煙葉烘烤存在的問題進行討論。

1 果蔬烘干機在煙葉烘烤中的應(yīng)用現(xiàn)狀

云南省由于山多地少，全省150 多萬戶煙農(nóng)，種煙面積在0.33～0.67 hm2的約120 萬戶，煙葉以家庭種植模式為主，每爐烘烤能力在0.33～0.53 hm2的小型烤房仍然是承擔煙葉烘烤的主要設(shè)施，果蔬烘干機在2011 年進入農(nóng)機補貼名單，因占地少、離家近，烘烤值守、煙葉裝卸方便，節(jié)本增效明顯等特點，深受煙農(nóng)歡迎。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，云南省果蔬烘干機2018 年補貼22 785 臺，2019 年補貼25 654 臺，2020 年補貼32 290 臺[6]。

近年來云南省推廣應(yīng)用在煙葉烘烤中的果蔬烘干機絕大部分采用熱風循環(huán)模式，以空氣為干燥介質(zhì)，以燃煤供熱為主，供熱設(shè)備普遍采用常規(guī)碳素鋼焊接制作，烘干室采用箱體形式由聚苯乙烯保溫板材拼裝而成，烘烤容積可依據(jù)農(nóng)戶需求調(diào)整，常見為20～60 m3多種不同規(guī)格，烘烤層數(shù)為2～3 層，一般長4.0～6.0 m，寬2.4～2.8 m，高2.4～3.5 m，每爐可烘烤0.33～0.53 hm2左右的煙葉。果蔬烘干機已成為家庭種植最簡單、最有效的烘烤手段，其在煙葉烘烤過程中的推廣應(yīng)用為我省煙葉生產(chǎn)和提質(zhì)增效提供了可行措施。該項措施具有以下優(yōu)點：一是節(jié)約能源，此類烘干機與傳統(tǒng)自然通風烤房相比具有控溫更精確的特點，可有效減少能源的使用；二是顯著降低了成本，一家一戶在房前屋后安裝果蔬烘干機，方便管理，自由靈活掌握烘烤時間，避免集中烘烤排隊現(xiàn)象，節(jié)約了部分運輸成本和烘干費用；三是減少損失，提高品質(zhì)，家庭種植能保證品種一致，長勢一致，分類編煙標準一致，烘干機配置了通風、排濕、溫濕度控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對烘烤過程中溫濕度的精確控制，不會出現(xiàn)青筋霉筋現(xiàn)象，其烤出的煙葉光澤度好，煙葉質(zhì)量等級有所提高，有效增加了煙農(nóng)收入，同時果蔬烘干機閑置期亦可用于其他農(nóng)特產(chǎn)品的烘干，提高其利用率。

2 果蔬烘干機在煙葉烘烤中存在的問題

2.1 保溫性能差，熱能損失嚴重

果蔬烘干機的箱體是由聚苯乙烯保溫板拼接而成的，相鄰夾心保溫板之間的接縫通常為平縫，接縫內(nèi)往往是噴射發(fā)泡膠密封，發(fā)泡膠易在紫外線的作用下變黃、硬化，再加上外墻常承受風荷載的影響，發(fā)泡膠與夾心保溫板之間的粘結(jié)易出現(xiàn)松動，導致密封失效。烘干室內(nèi)超過70 ℃時聚苯乙烯會開始收縮，尤其是接縫處的收縮現(xiàn)象最為嚴重，收縮現(xiàn)象會引發(fā)烘干室滲漏，出現(xiàn)墻體漏氣、房頂漏水，進而導致烘干機嚴重的熱能損失，一定程度上降低其保溫性能。

2.2 燃燒爐材質(zhì)腐蝕嚴重

根據(jù)近年來煙農(nóng)使用果蔬烘干機烘烤的反饋情況來看，果蔬烘干機中的鍋爐在高溫下出現(xiàn)裂縫，不僅導致熱量的有效性供應(yīng)不足，還會發(fā)生煙氣中二氧化碳和二氧化硫等有毒煙氣流入烤房，致使烤煙中毒。

2.3 循環(huán)風機配置單一

果蔬烘干機大多采用220 V 循環(huán)風機，風機不穩(wěn)定，風速單一。風機風量過大時會導致烤房過度排濕，煙葉吹干過快，風量不足時又會導致烤房排濕不暢，出現(xiàn)煙葉烤黑的問題，且烤房屬高溫高濕環(huán)境，普通風機在此環(huán)境下工作容易損壞或停機，影響煙葉的烘烤質(zhì)量。

2.4 烘烤工藝執(zhí)行不到位

果蔬烘干機中的很多設(shè)計標準和密集型煙葉烤房不一致，如烤房規(guī)格、所用材質(zhì)和烘烤過程參數(shù)設(shè)定等。在烘烤工藝選擇上盲目的參考密集型烤房的工藝標準，導致煙葉在烘烤過程中溫濕度關(guān)鍵參數(shù)異常，進而引發(fā)烤壞煙葉的現(xiàn)象。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，采用常規(guī)煙葉烤房烘烤煙葉時損失率平均為6.7%，使用果蔬烘干機烘烤煙葉時損失率在10%～15%之間，高于常規(guī)烤房烘干煙葉時的損失率。

2.5 缺乏統(tǒng)一規(guī)范，質(zhì)量參差不齊

云南省果蔬烘干機生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量較多。由于相關(guān)補貼政策不夠完善，為滿足產(chǎn)品功能多樣化的需求，各企業(yè)研制了各式各樣的果蔬烘干機，其定價也無統(tǒng)一標準。并且，當前果蔬烘干機的生產(chǎn)沒有形成統(tǒng)一的國家標準和行業(yè)標準，云南省僅有團體標準，無地方標準，各企業(yè)都是按團體或企業(yè)標準進行生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。

3 解決方案和工藝路線的選擇

針對上述問題，本文通過對比果蔬與煙葉2 類烘干設(shè)備的不同之處，對果蔬烘干機在煙葉烘烤中需調(diào)整之處進行研究，并提出以下解決方案和工藝路線。

果蔬烘干機構(gòu)造主要由供熱室（含供熱燃燒爐、助燃風機、循環(huán)風機、溫濕度控制箱、進風排濕系統(tǒng)）和烘干室2 部分組成。工作原理主要有升溫、排濕和控制三大過程，與煙草行業(yè)推廣的密集烤房烘烤原理完全一樣，果蔬烘干機結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 燃煤加熱式熱風循環(huán)果蔬烘干機示意圖

“果蔬干制”與“煙葉調(diào)制”存在本質(zhì)區(qū)別，前者是將果蔬內(nèi)含水分脫出一部分，防止果蔬腐敗變質(zhì)，最終加工成商品的過程[7]；后者是煙葉脫水干燥的物理變化過程和葉內(nèi)生理生化變化過程的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，是煙葉內(nèi)碳素和氮素代謝及水分的協(xié)調(diào)變化，通過調(diào)制使煙葉朝高質(zhì)量高品質(zhì)的方向發(fā)展，達到烤黃、烤香和烤干的目的[8]。圖2 是煙葉烘烤過程中其變化及品質(zhì)的形成關(guān)系。

圖2 煙葉在烘烤過程中各種變化及其品質(zhì)形成的關(guān)系

熱風循環(huán)和強制通風是密集烤房的兩大特點，通過熱風提供煙葉變黃和干燥的科學溫度環(huán)境。目前果蔬烘干機應(yīng)用于煙葉烘烤中應(yīng)著重注意解決以下問題。

3.1 保溫材料選材配置

果蔬烘干機采用單層保溫層，當計算基準采用單位面積平壁時，因烘干室厚度與長寬度相比小很多，可將其看作無限大的平壁[9]，設(shè)烘干室室內(nèi)介質(zhì)（空氣）溫度為70℃，烘烤季節(jié)密集烤房外周圍溫度按夜間最低氣溫5℃，生產(chǎn)限定單位面積上熱損失不得超過50W，其保溫層厚度T按下列公式計算

式中：

T——保溫層厚度，m；

λ——保溫材料導熱系數(shù)，W/（m·K）；

q——單位面積上允許最大熱損失值，W/m2；

t1——保溫層內(nèi)表面溫度，K（℃）；

t2——保溫層外表面溫度，K（℃）。

以硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫層為例，得保溫層厚度為

若用其它材料作為保溫層，按相同公式可得出相應(yīng)的T 值，結(jié)果見表1。

表1 保溫材料的主要技術(shù)指標及保溫層厚度

保溫層厚度選擇宜按10 mm 為分級單位，保溫層內(nèi)外金屬保護層應(yīng)采用厚0.3～0.8 mm 的鍍鋅薄鋼板，采用搭接或咬接對金屬護殼進行接縫，且嚴禁刺破防潮層。華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室對聚苯乙烯板、巖棉板、聚氨酯板3 種常用保溫材料進行保溫及耐溫性能分析[10]，測試結(jié)果如表2。

表2 不同材料的保溫參數(shù)

結(jié)果表明，當溫度超過80℃時，雖略高于烤房內(nèi)干筋期溫度（68℃），但此時聚苯乙烯顆粒收縮情況嚴重，從安全角度考慮不宜選用；聚氨酯板導熱系數(shù)最低為0.02，保溫性能較好，耐溫極限可達150℃，遠高于烤房干筋期溫度，安全性較高，升溫性能和保溫性能也明顯優(yōu)于常規(guī)磚混結(jié)構(gòu)烤房[11]，具有安裝方便和成本低的優(yōu)點，同時具有較好的防潮性和較長的使用壽命，符合目前煙葉烘烤保溫材料的性能需求。

3.2 金屬供熱設(shè)備材質(zhì)

燃煤含硫量偏高，當煙氣處理系統(tǒng)處理含硫煙氣時，在露點溫度下易形成硫酸而腐蝕設(shè)備，這種現(xiàn)象稱之為“硫酸露點腐蝕”[12]。由于Q235 鋼和普通低合金鋼的耐硫酸腐蝕性能很差，硫酸會對接觸的金屬材料造成嚴重腐蝕，大幅縮短了設(shè)備的使用壽命。金屬供熱設(shè)備材質(zhì)應(yīng)選用厚度不小于4 mm 且耐硫酸腐蝕性能好的合金鋼[13]，延長金屬供熱設(shè)備的使用壽命，達到煙草烘烤設(shè)備要求。

3.3 循環(huán)風機選型設(shè)計

循環(huán)風機在密集烘烤中的作用是提供足夠的風量、風壓，并適當提高煙葉間隙風速，使煙葉達到脫水、變黃、定色和干燥的目的。為保證煙葉烘烤質(zhì)量，烘烤過程中循環(huán)風機不可中途停機，不可風速過小或過大，更不可在烘烤過程中因高溫高濕環(huán)境下?lián)p壞或停機，因此要求循環(huán)風機耐溫耐濕、安全可靠且便于更換。

選擇風機時，其排風量應(yīng)滿足裝煙室煙葉烘烤風量要求。根據(jù)試驗和調(diào)查，結(jié)合云南煙葉實際狀況，需選用風量15 000 m3/h 以上，全壓170～190 Pa，靜壓不低于70 Pa，整機最高全壓效率70%以上，非變頻調(diào)節(jié)裝置效率不低于58%的循環(huán)風機，且為提高循環(huán)風機在高溫高濕環(huán)境下的耐用性和可靠性，其電動機絕緣等級需在F 級以上，防護等級需在IP54級以上。

3.4 烘烤工藝規(guī)范執(zhí)行

排濕口面積與進風口面積的大小對密集烤房通風排濕能力及自動控制能力有著重要的影響，二者主要關(guān)系到烘干機通風排濕的順暢性以及排濕控制的準確性。通過云南煙區(qū)試驗及生產(chǎn)實際驗證對比得知烘干機進風面積為0.06～0.08 m2/100 竿，排濕面積為0.08～0.11 m2/100 竿時，通風排濕順暢性和排濕控制準確性都能得到保障。

換熱器的散熱面積大小、散熱管的直徑大小、煙囪的大小和出煙面積與烤房最大烘烤能力相關(guān)。密集烘烤設(shè)備在煙葉烘烤過程中每個階段的熱量消耗是不一致的，因此一般要求以烘烤過程中排濕量最大、烘烤季節(jié)室外溫濕度最低、需熱量最大時為設(shè)計基礎(chǔ)。經(jīng)過實際驗證，換熱器的散熱面積一般為8.0～12.0 m2，散熱管的直徑大小一般為120～140 mm，煙囪的高度一般為5.8～6.0 m，出煙面積一般為0.022～0.030 m2。在推廣果蔬烘干機進行煙葉烘烤時需根據(jù)烤房的實際大小和煙葉的烘烤量制定相應(yīng)的烘烤工藝標準，避免烘烤工藝執(zhí)行不到位造成煙葉的損失。

3.5 制定地方標準

云南省應(yīng)根據(jù)果蔬烘干機生產(chǎn)現(xiàn)狀制定統(tǒng)一的地方標準，完善相關(guān)補貼政策，規(guī)范定價標準。各果蔬烘干機生產(chǎn)企業(yè)可依據(jù)地方標準進行生產(chǎn)制造，提升和保證果蔬烘干機的質(zhì)量，依據(jù)定價標準規(guī)范定價，促進果蔬烘干機的應(yīng)用與推廣。

3.6 推廣鑒定

由于果蔬烘干機標準由各企業(yè)自行制定，故果蔬烘干機缺乏統(tǒng)一的產(chǎn)品質(zhì)量標準，其各省分檔標準也存在差異（如表3 所示），目前對果蔬烘干機統(tǒng)一分類存在難度，其作業(yè)質(zhì)量的優(yōu)劣也難以做出準確評價，對國家惠農(nóng)政策的貫徹實施形成阻礙，甚至在一定程度上會造成農(nóng)民的損失。

表3 各省市果蔬烘干機購置補貼分類歸檔統(tǒng)計表

制定統(tǒng)一的標準能促進我國果蔬產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，使我國果蔬烘干設(shè)備企業(yè)的布局和生產(chǎn)朝合理化和規(guī)范化方向發(fā)展，對果蔬烘干設(shè)備的質(zhì)量也具有監(jiān)督管理作用，為使用者的權(quán)益提供合法保障，并且能加快我國果蔬產(chǎn)品的商業(yè)化進程[14]。

使用有效度是對果蔬烘干機可靠性評價的指標，我國農(nóng)機考核時間大多為18 h。烘干物料、烘干工藝和烘干作業(yè)時間不同，考核時間應(yīng)根據(jù)烘干物料、工藝和周期進行調(diào)整。當考核時間過長時，評價結(jié)果對生產(chǎn)企業(yè)不利；當考核時間太短時，不僅無法體現(xiàn)相關(guān)問題，達不到考核目的，而且會對用戶的后期使用造成不便。為保證試驗的完整性，考核時間應(yīng)為完整的干燥周期[15]。綜合考慮設(shè)備、用戶和操作實施等因素，將果蔬烘干機應(yīng)用于煙葉烘烤考核時間定為連續(xù)烘干不少于2 個干燥周期，且累計作業(yè)時間不低于240 h。

4 結(jié)論與展望

目前，云南省煙葉烘烤設(shè)備需求逐年增加，果蔬烘干機在煙葉烘烤過程具備良好的應(yīng)用與推廣價值。針對目前果蔬烘干機在煙葉烘烤過程中存在的應(yīng)用與推廣問題，系統(tǒng)分析了云南省果蔬烘干機在煙葉烘烤工作過程中的使用情況和具體問題，基于此進行了果蔬烘干機的關(guān)鍵部件選型、設(shè)計和優(yōu)化，建立了果蔬烘干機煙葉烘烤工藝標準。并且，為進一步提高果蔬烘干機對煙葉烘烤的適用性，根據(jù)上述調(diào)整方案對果蔬烘干機進行了工作和結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整，嚴格按照制定好的烘烤工藝標準進行了果蔬烘干機煙葉烘烤試驗，在文山州80 hm2煙葉烘烤試驗中取得了良好的效果，得到了煙農(nóng)的一致好評，促進了果蔬烘干機在煙葉烘烤過程中的應(yīng)用與推廣。