煙葉烘烤密集烤房的箱式改造方法

王玉華 張成雙 王先偉 王桂榮 范增博 宋曉飛 杜傳印

（山東濰坊煙草有限公司，山東 濰坊 261205）

鮮煙葉的烘烤過程直接決定成品煙葉的質(zhì)量及經(jīng)濟效益。國家煙草專賣局于2009年頒布了密集烤煙房建設標準，極大地提高了國內(nèi)煙葉烘烤質(zhì)量水平，確保了煙農(nóng)的經(jīng)濟收入。近十年來，國內(nèi)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)得到了高速發(fā)展，從全程機械化到如今的物聯(lián)網(wǎng)感知農(nóng)業(yè)、“十四五”智慧農(nóng)業(yè)建設規(guī)劃，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)和裝備水平日新月異，生產(chǎn)效率呈指數(shù)級增長。在煙葉烘烤生產(chǎn)技術(shù)方面，許多新技術(shù)新工藝開始在煙葉烘烤作業(yè)中得到了驗證。箱式烘烤技術(shù)以煙箱為煙葉流轉(zhuǎn)裝備，可實現(xiàn)機械化裝煙、機械化裝房，構(gòu)成煙葉烘烤流程流水線作業(yè)。烘烤實踐證明，箱式烘烤可實現(xiàn)烤煙生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)型升級，提升生產(chǎn)效率，打破勞動力短缺瓶頸。目前全國掛桿式密集烤煙房有近40萬座，可以將掛桿式密集烤煙房改造為箱式密集烤煙房，從而實現(xiàn)全流程自動化的煙葉烘烤作業(yè)。

1.掛桿式密集烤房的構(gòu)成原理

掛桿式密集烤煙房由裝煙室和加熱室構(gòu)成，主要設備包括供熱設備、通風排濕設備、溫濕度控制設備等，如圖1所示。其中裝煙室是掛置煙葉的空間，設有裝煙架等裝置。加熱室內(nèi)安裝供熱設備、產(chǎn)生熱空氣的空間，在適當?shù)奈恢冒惭b循環(huán)風機。循環(huán)風機運行時，通過裝煙室隔熱墻上開設的通風口，向裝煙室輸送熱空氣。供熱設備，是熱空氣發(fā)生裝置，包括爐體和換熱器，按煙葉烘烤工藝要求加熱空氣。通風排濕設備，保持空氣在加熱室和裝煙室循環(huán)流動和實現(xiàn)烤房內(nèi)外空氣交換、維持裝煙室內(nèi)烘烤工藝要求濕度的裝置。包括循環(huán)風機、冷風進風門、百葉窗等排濕執(zhí)行器。

圖1 掛桿式密集烤煙房結(jié)構(gòu)示意圖

掛桿式烘烤技術(shù)目前比較成熟，需要由人工使用細繩將采摘運回的煙葉一片一片葉柄向上捆綁在竹竿或木棍上，每桿70片左右構(gòu)成一掛。人工抬放在裝煙室內(nèi)上中下三層支架上，一般每層架子上放100掛煙葉，合計300掛左右。這種烘烤技術(shù)在裝煙和卸煙時需要較多的人力參與，生產(chǎn)的自動化程度低。

2.箱式烤房的改造

箱式烘烤由裝煙機將煙葉直接均勻拋灑在煙箱內(nèi)，叉車將裝滿煙葉的煙箱直接放進烤煙房的裝煙室，烘烤完成后，再用叉車將裝煙大箱直接叉運出來進入下一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)。為實現(xiàn)以上工業(yè)化作業(yè)模式，將對傳統(tǒng)密集烤煙房進行整體升級改造。改造內(nèi)容包含，裝煙箱制作、裝煙室的整體升級、循環(huán)風機烤煙爐等關(guān)聯(lián)部分的評估升級。主要改造工作如下：

2.1 煙箱的設計制作方法

需要依據(jù)裝煙室的標準尺mm（長寬高8000x2700x3400），留出與裝煙室內(nèi)壁的合理間隙（利于進出作業(yè)）。

圖2 煙箱示意圖

設計裝煙量：

傳統(tǒng)密集烤煙房的設計烘烤能力為35000-4000kg鮮煙，而箱式烘烤，會提升烤房烘烤能力，增加裝煙量，裝煙量的增加提高單位時間烤房最大耗熱量，最大耗熱量不能超出傳統(tǒng)密集烤煙房匹配的立式烤煙爐供熱能力（烤房改造不更換烤煙爐），傳統(tǒng)密集烤煙房裝35000-4000kg鮮煙，最大耗熱量約為35325Kcal/Hr(大卡/小時），立式烤煙爐設計最大熱量輸出峰值能力為61818.75Kcal/Hr(大卡/小時），箱式烤煙房裝煙量不能超出7000kg。為方便安全作業(yè)，一個裝煙室使用10個煙箱，每個煙箱容積與煙葉裝箱實際密度相乘，得出實際裝煙量，計算公式如下。

M1——裝煙室煙箱數(shù)量（本設計數(shù)量為10箱/房）L——大箱內(nèi)長(mm)W——大箱內(nèi)寬(mm)H——大箱內(nèi)高(mm)D——煙葉密度（200KG/m3）鮮煙葉自然堆放實測10次，取平均值。

單箱裝煙量Z1裝煙室裝煙量Z2

本設計單箱最大裝煙量為：657KG（圖2所示）

使用本設計煙箱，裝煙室最大裝煙量為：6570KG

2.2 裝煙室升級方法

拆除裝煙室內(nèi)原有架體；在合適高度敷設煙箱輪子軌道，方便煙箱進出作業(yè)，軌距與煙箱輪距一致；裝煙室熱風上升分布均勻，敷設分風板，分風板強度滿足人員操作踩踏強度；為避免熱循環(huán)短路，在煙箱與墻體間增設擋風板，確保上升熱風完全從煙箱通過，整體如圖3所示。

圖3 箱式密集烤煙房示意圖

2.2.1 分風板的制作和安裝方法

如圖3所示，以熱進風口高度為標準，水平搭建分風板架體，在架體上鋪放風風板，當熱循環(huán)風由熱進風口進入裝煙室區(qū)域，首先在裝煙室地面和分風板區(qū)域形成一個沖壓區(qū)，沖壓區(qū)熱風再從分風板風孔均勻進入煙葉箱底部，保證了10個煙葉箱由下向上的穿透風壓和吸收的熱量均勻一致。

分風板由鍍鋅鋼板制作，依據(jù)裝煙室內(nèi)水平尺寸，制作出橫向鋪放尺寸一致的分風板小件，若干小件緊密銜接鋪放在分風板架體上，鋪滿裝煙室整個水平面，構(gòu)成有效的風壓層。采用折彎結(jié)構(gòu)工藝，分風板小件具備對應的承重能力，在高強度架體支撐下，成為大箱進出和工作人員行走作業(yè)面。

圖4 小片分風板示意圖

圖5 小片分風板緊密排列平鋪示意圖

過高的透風率，熱空氣沒有充滿全部分風板下底層空間時，就全部透過了裝煙室前部分風板孔，熱氣流不能到達裝煙室門端，造成上升氣流不均衡，達不到均衡上升氣流的標準。過低的透風率，增加了熱氣流在裝煙室的風阻，降低了循環(huán)風機工作效率，導致能耗的增加。在保持良好均衡性和不增加風阻的條件下，透風孔總的透風面積應等于裝煙室熱風入口橫截面面積，透風率的計算是熱風入口橫截面與裝煙室水平面面積的比值，如下計算公式所示。

L1——熱回風口長W1——熱回風口寬L2——裝煙室內(nèi)長W2——裝煙室內(nèi)寬K——透風率最小極限值

2.2.2 擋風板的制作和安裝方法

為方便煙箱進出裝煙室，裝煙室與煙箱之間將保留合理的空隙，由叉車將堆滿煙葉的煙箱放置于裝煙室煙箱軌道時，煙箱不會與裝煙室墻壁碰撞；叉車將裝滿煙葉煙箱依次放置于裝煙室門口的煙箱軌道，并由作業(yè)人員將煙箱依次沿軌道推進裝煙室最里面，只至10個煙箱緊貼擺滿整個裝煙室。煙箱與墻壁的空隙，在煙葉進入烘烤階段時需要進行封閉，保證由分風板進入的熱氣流全部與煙箱煙葉接觸，并由逐漸脫水的煙葉間間隙通過，提升熱效率和穿透壓差。

擋風板采用一定寬度的韌性工業(yè)化纖編織帶制作，沿裝煙室內(nèi)側(cè)墻壁安裝，安裝高度以分風板作業(yè)面起1.5米。將擋風板裝訂在等高的內(nèi)墻壁水平線上，烘烤沒進行時，擋風部分自然垂落，以不阻礙煙箱進出為標準。10個煙箱進入裝煙室后，進入烘烤階段時，循環(huán)風機啟動，加熱室熱氣流由底部風道進入裝煙室，煙箱新鮮煙葉阻礙了熱氣流通過，造成裝煙室煙箱底部空間與煙箱頂部空間氣壓差，當熱氣流從墻壁與煙箱間隙高速通過時，推動擋風板向上展開，瞬間將墻壁與煙箱間的空隙關(guān)閉，并在壓差的作用下，平時垂落部分緊貼在煙箱側(cè)壁，保證該空隙的封閉強度。

圖6 安裝位置示意圖

圖7 安裝位置示意圖

圖8 循環(huán)風機參數(shù)圖表

2.2.3 擋風板的寬度W(mm)計算方法

為保證擋風板安裝強度，擋風板內(nèi)面貼墻面，外面壓上金屬片狀物，用膨脹螺絲固定。其余部分自然搭垂在墻面和煙箱側(cè)面空間，當循環(huán)風機啟動，受上升氣流的托舉，封閉墻面和煙箱側(cè)壁空隙。擋風板下料寬度，由搭垂部分（一般是墻壁與煙箱空隙的1.5倍）和墻面固定部分構(gòu)成，這兩部分的和就是下料寬度，如下計算公式。

W1——裝煙室內(nèi)寬(mm)L——煙箱的長度(mm) C——墻體定裝折疊尺寸(mm)S——間隙系數(shù)（擋風板有效寬度與間隙寬度的比例）

2.2.4 擋風板瞬時峰值受力T(kg)

循環(huán)氣流托舉擋風板搭垂部分的上升力，與風壓作用在單位面積氣壓成正比，在循環(huán)風機啟動時，由于鮮煙裝滿整個水平面空間，理論上瞬時風阻值為無窮大，循環(huán)風機從裝煙室上部回風口抽吸氣流，向裝煙室下部循環(huán)進風口壓入氣流，造成裝煙室下部和上部的最大壓差，壓差作用在墻壁和煙箱側(cè)壁空隙間的擋風板上，擋風板懸空搭垂部分將會抬起封閉空隙，擋風板總的受力計算是，擋風板面積乘以下部和上部的氣壓差，具體計算如下：

W2——間隙寬度(mm)間隙長度——8000mm Pa1——裝煙室下部氣壓(Pa)Pa2——裝煙室上部氣壓(Pa)

3.循環(huán)風機的升級方法

裝煙作業(yè)采用工業(yè)化煙箱裝煙作業(yè)模式，依據(jù)煙箱容積，10個煙箱鮮煙葉裝煙量為6.5噸左右（傳統(tǒng)掛桿或煙夾裝煙作業(yè)模式的裝煙量為300掛或夾，標準重量為3.6噸左右）。裝煙作業(yè)的改變，會改變裝煙密度，風阻、風速和熱氣流流量都會發(fā)生變化。烘烤品質(zhì)是依據(jù)烘烤工藝曲線，分為變色、定色、干莖等烘烤階段，每階段的溫度和濕度按烘烤工藝嚴格控制，在固定的時間段內(nèi)，通過熱氣流精確蒸發(fā)排放葉片水分、提升煙葉烘烤溫度（精確到+0.1℃），實時參數(shù)與烘烤工藝曲線對應的溫度、濕度完全一致，確保烘烤品質(zhì)。

新的裝煙模式密集烤煙房，鮮煙裝煙量大幅增加（鮮煙葉水分含量80%，相比傳統(tǒng)裝煙作業(yè)模式，裝煙室增加的2噸鮮煙裝煙量，相當于增加1.6噸水分，增加烘烤階段蒸發(fā)負荷），需要更換循環(huán)風機，增加循環(huán)氣流的流速和流量，在相同的烘烤工藝時間段內(nèi)，在保證溫度一致的前提下，需蒸發(fā)帶走增加的更多水分，再由排濕系統(tǒng)排除。

依據(jù)裝煙增量，通過基本換算，將原有8號風機替換（依據(jù)國煙辦2009 418號）。

圖9 掛桿式烤煙房裝煙示意圖

圖10 箱式烤煙房裝煙示意圖

需更換的循環(huán)風機最小功率

改造后的裝煙量會增加，需要增加循環(huán)風機的功率，加快熱氣流的循環(huán)速度，滿足裝煙室更高的熱值消耗需求，以蒸發(fā)攜帶更多的水分。需要更換的循環(huán)風機功率計算方法，依據(jù)裝煙量，煙葉實際占用的體積，換算出實際裝煙密度，改造后煙箱模式的密度與傳統(tǒng)掛桿模式的密度比，再乘以傳統(tǒng)密集烤房的循環(huán)風機功率，就能得出新的需要更換循環(huán)風機功率。

P1——8號風機功率Z1——傳統(tǒng)裝煙量Z2——大箱式裝煙量V1——300掛煙葉在裝煙室的體積V2——10大箱煙葉在裝煙室的體積P——需更換的循環(huán)風機最小功率。

4.結(jié)束語

在轉(zhuǎn)型升級的過程中，能有效地利用好原有基礎設施，可以減少大拆大建的資源耗費，還能極大推進轉(zhuǎn)型升級的進程。傳統(tǒng)密集烤房的改造，可以實現(xiàn)工業(yè)化作業(yè)模式，還能達到減工降本的效果。