基于物聯(lián)網(wǎng)的不同熱源烤房烘烤效果探究

何明興，靖軍領(lǐng)，白萬明，黃一蘭，黃錦山，許錫祥，趙云飛，姜占省，黃姍，段江平，陳濤，張發(fā)漢

(1.福建省煙草公司三明市公司，福建 三明 36500；2.福建奧托康能源科技有限公司，福建 三明 365000)

煙葉調(diào)制是獲得優(yōu)質(zhì)煙葉和提高工業(yè)可用性的關(guān)鍵基礎(chǔ)。近年來，密集烤房在各大煙區(qū)得到廣泛推廣與應(yīng)用，有效降低了煙葉的烘烤難度，減少了勞動強度，節(jié)約了烘烤成本，煙葉烘烤質(zhì)量得到提高，在促進適度規(guī)模種植、提高煙農(nóng)效益、節(jié)能降本方面發(fā)揮著重要的作用[1]，對推進現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。雖然各種新型燃料在不斷興起，但我國煙葉烘烤所使用的烤房依然還是普遍以煤炭為主要燃料,我國目前烤煙調(diào)制仍然還是以消耗大量不可再生能源為代價而進行的煙葉生產(chǎn)過程[2]。在煤燃燒的過程中，會釋放一定量的氮氧化物(NOx)、SO2、CO2及顆粒物等有害物質(zhì)，對環(huán)境造成傷害[3]，且隨著全球燃料需求的不斷增長，煙葉烘烤的燃煤成本在不斷增加。當(dāng)前，“綠水青山就是金山銀山”發(fā)展理念逐漸成為國際共識，為助力打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，滿足煙葉綠色烘烤要求，選擇利用生物顆粒燃料、空氣源熱泵及其他清潔能源提供熱源成為密集烘烤發(fā)展的主要方向和必然趨勢[4]。同時，隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化步伐的加快，農(nóng)村勞動力大量轉(zhuǎn)移，煙葉種植布局不斷發(fā)生變化，在煙農(nóng)老齡化、戶均種植規(guī)模不斷擴大以及工業(yè)企業(yè)對原料要求更高的情況下[5]，傳統(tǒng)燃煤密集烤房存在自動化水平低、控溫難、精度低、用工多、強度大、污染重等問題，研究安全智能、節(jié)能環(huán)保的煙葉烘烤模式迫在眉睫，以保證煙葉生產(chǎn)可持續(xù)健康發(fā)展。

翠碧一號是三明煙區(qū)的主栽品種，也是全國種植面積較大的特色煙葉品種之一，具有生育期長、淀粉含量高、含水量大、烘烤難度大等特點，對烘烤工藝、設(shè)備的要求較為嚴格[6]。本項目通過基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安裝運用，對比分析兩種類型熱泵烤房、生物顆?？痉?、燃煤烤房的烘烤成本、綜合成本、烘烤性能及烤后煙葉外觀質(zhì)量，以期為今后新能源烤房的推廣應(yīng)用及改進提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗于2020年5月—2021年7月在福建省三明市沙縣夏茂鎮(zhèn)儒元村烤房群進行。供試品種為翠碧一號，試驗田在三明市沙縣夏茂鎮(zhèn)儒元核心示范區(qū)，大田栽培水平、煙葉成熟落黃程度、鮮煙葉素質(zhì)相同。供試密集烤房為一座生物顆?？痉亢鸵蛔济嚎痉?，采用同一部位煙葉于同一時間進行采收，統(tǒng)一綁竿裝烤。

1.2 處理設(shè)計

以改造后的熱泵烤房作為試驗處理，傳統(tǒng)燃煤烤房和生物質(zhì)顆粒燃燒機烤房作為對照，烤房均為密集式烤房，供熱室為1 700 mm×2 700 mm×2 900 mm，裝煙室為8 000 mm×2 700 mm×3 500 mm，4次重復(fù)。處理A安裝福建奧托康熱泵設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)可視化烤煙控制系統(tǒng)；處理B安裝安徽中科熱泵設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)可視化烤煙控制系統(tǒng)；對照1以燃煤為熱源，安裝福建奧托康物聯(lián)網(wǎng)可視化烤煙控制系統(tǒng)；對照2安裝生物質(zhì)顆粒燃燒機，以生物顆粒燃料為熱源，安裝福建奧托康物聯(lián)網(wǎng)可視化烤煙控制系統(tǒng)。

1.3 測定項目

每個工人工作8 h為1個用工量，用工成本按每房采煙、編竿、上烤、下烤過程用工量×單價÷烤后干煙重計算。各處理烤房分別安裝電表，?；饡r電表讀數(shù)減去點火時電表讀數(shù)即為每個烤房耗電量，烘烤結(jié)束后累加單次加煤量或生物質(zhì)顆粒用量，能耗成本=耗煤(電)量×單價÷烤后干煙重。各處理按標(biāo)記的6竿代表煙葉，上中下各掛2竿，適度回潮后，同比計算每座烤房烤后干煙重。各處理烤后煙葉按烤煙標(biāo)準GB 2635—1992進行分級，計算煙葉等級比例、均價和效益等。

為驗證采集節(jié)點收集到的干/濕球溫度數(shù)據(jù)的精準性，以監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)為監(jiān)測值、標(biāo)準水銀溫度計顯示的數(shù)據(jù)為標(biāo)準值，每隔2 h分別記錄1次干/濕球溫度的標(biāo)準值和監(jiān)測值。

1.4 物聯(lián)網(wǎng)可視化烤煙控制系統(tǒng)構(gòu)架圖及功能

圖1是基于實時大數(shù)據(jù)的烤煙房在線監(jiān)控平臺，能夠應(yīng)用標(biāo)準化的接口技術(shù)整合各烤煙設(shè)備中的實時數(shù)據(jù)；利用大數(shù)據(jù)技術(shù)集中存儲、管控實時數(shù)據(jù)；利用云計算、移動互聯(lián)技術(shù)讓煙技員或煙農(nóng)在手機上監(jiān)視并且控制烤煙生產(chǎn)過程(可以遠程設(shè)定、修改溫濕度控制曲線)；提供曲線、柱狀圖、趨勢預(yù)警、搜索、大數(shù)據(jù)目錄、接口監(jiān)控管理等多種形式的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理工具。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)可視化烤煙控制系統(tǒng)

2 結(jié)果與分析

2.1 用工成本

從表1可以看出，各處理間用工成本各不相同。與傳統(tǒng)燃煤烤房相比，兩種熱泵烤房的用工時數(shù)、用工量、干煙用工成本較低，其中福建奧托康熱泵烤房最佳，安徽中科熱泵烤房次之；生物顆?？痉坑霉ご笥趦煞N熱泵烤房，低于燃煤烤房。干煙用工成本最多是普通燃煤烤房，燃煤烤房用工成本分別比生物顆?？痉?、安徽中科熱泵烤房、福建奧托康熱泵烤房高出0.53、0.86、1.19元·kg-1。

表1 不同處理的用工情況

2.2 能耗成本

由表2可知，每千克干煙能耗成本熱泵烤房最低，明顯低于普通燃煤烤房和生物顆?？痉浚渲懈＝▕W托康熱泵烤房最低，其次是安徽中科熱泵烤房；生物質(zhì)顆粒烤房能耗成本高于普通燃煤烤房。兩種熱泵烤房分別比常規(guī)燃煤烤房降低0.52、0.21元·kg-1。

表2 不同處理的能耗情況

2.3 外觀質(zhì)量評價

由表3可以看出，不同類型烤房會不同程度地影響烤后煙外觀質(zhì)量，智能熱泵密集烤房和生物質(zhì)顆粒密集烤房的烤后煙葉質(zhì)量總體評價較好，主要表現(xiàn)在煙葉顏色橘黃、油分較足、色度強，青筋煙率和雜色煙率均較低。外觀質(zhì)量表現(xiàn)最差的是常規(guī)燃煤烤房，最佳的是福建奧托康熱泵烤房，說明新能源熱泵烤房與生物顆粒燃料烤房的穩(wěn)溫控溫性能較好，烤出的煙葉外觀質(zhì)量好于溫度上下幅度較大的燃煤烤房。

表3 不同處理烤后煙葉的外觀評價

2.4 經(jīng)濟性狀

由表4可以看出，不同類型烤房的上等煙比例、均價和每667 m2產(chǎn)值有所不同，其中新能源熱泵烤房的三項指標(biāo)最高，其次為生物質(zhì)顆?？痉?，燃煤烤房最低。與燃煤烤房相比，兩種熱泵烤房的上等煙比例分別提高5.61和5.29百分點，均價分別提高1.93元·kg-1和1.65元·kg-1，每667 m2產(chǎn)值分別提高237.85元和181.31元，生物顆?？痉康臒熑~各項指標(biāo)也明顯提高。說明采用智能熱泵、生物質(zhì)顆粒提供熱源的烤房烤后煙葉效益較高，明顯好于普通燃煤烤房。

表4 不同處理烤后煙葉的經(jīng)濟性狀

2.5 凈均價

由表5可以看出，不同類型烤房烘烤總成本不同，對烤后煙葉凈均價有一定影響。新能源熱泵密集烤房烤后煙葉凈均價最高，其次為生物質(zhì)顆粒密集烤房，且兩者都高于常規(guī)密集式烤房，烤后煙葉凈均價比燃煤密集式烤房分別提高3.64、2.72、0.79元·kg1。新能源熱泵密集烤房和生物質(zhì)顆粒密集烤房烤后煙葉效益較高。

表5 不同處理烤后煙葉的凈均價

2.6 感官評價

從表6可以看出，香型只有燃煤處理會出現(xiàn)淡淡的焦香，評分最低；兩種新能源熱泵烤房的煙葉甜感、香氣質(zhì)、香氣量、細膩度、余味均表現(xiàn)較佳，其中總體表現(xiàn)最好的為福建奧托康，其他依次是安徽中科、生物顆粒燃料、燃煤烤房；兩種新能源電烤房煙葉的雜氣評分一樣，低于評分數(shù)字相同的燃煤烤房和生物顆?？痉浚桓＝▕W托康烤房的煙氣濃度與燃煤烤房一樣且最大，高于評分一樣的安徽中科烤房與生物顆?？痉?；刺激性最大的為安徽中科烤房處理，最小為燃煤烤房，福建奧托康烤房處理與生物顆粒處理評分一樣，處在前者的最大值和最小值之間?？傮w來看，兩種新能源電烤房處理的風(fēng)格特征和質(zhì)量特征評價的分值明顯高于燃煤及生物顆粒處理，感官質(zhì)量評吸表現(xiàn)為福建奧托康處理綜合評分最高，其次是安徽中科處理，生物顆粒處理次之，整體評分最低為燃煤處理。

表6 不同處理單料煙的感官評吸分值

2.7 溫濕度精確統(tǒng)計

從表7可知，新能源熱泵烤房溫濕度控制靈敏，穩(wěn)溫控穩(wěn)性能明顯優(yōu)于燃煤烤房和生物顆粒燃料烤房。福建奧托康熱泵烤房的溫濕度控制最好，干球溫度與目標(biāo)值的差值范圍在0.9 ℃以內(nèi)，安徽中科熱泵烤房、生物顆粒燃料、燃煤烤房烤房則分別在1.0、1.3、3.0 ℃以內(nèi)，多數(shù)情況兩個熱泵烤房的干球溫度與目標(biāo)值的差值范圍在0.3 ℃以內(nèi)；濕球溫度與目標(biāo)值的差值范圍依然是福建奧托康熱泵烤房和安徽中科熱泵烤房最小，均在0.5 ℃以內(nèi)，生物顆粒燃料烤房在1.1 ℃范圍內(nèi)，燃煤烤房在1.5 ℃以內(nèi)。根據(jù)手機APP干濕球監(jiān)測值與實際溫度來看，福建奧托康的可視化監(jiān)測系統(tǒng)的靈敏度最高，與實際溫度的差值范圍在0.9 ℃以內(nèi)，安徽中科的可視化系統(tǒng)的干濕球監(jiān)測值與實際溫濕度的差值在1 ℃以內(nèi)。

表7 不同處理溫濕度的統(tǒng)計情況

3 討論

當(dāng)前，我國絕大部分密集烤房依然還是以煤作為燃料，對人員的操作技術(shù)要求較高，特別是燒火的技術(shù)，會不會控火直接關(guān)系著能不能烤出好煙，勞動強度也比較大。本研究結(jié)果初步說明，兩種熱泵烤房和生物質(zhì)顆粒烤房均能夠減少用工和降低勞動強度，發(fā)揮了熱泵、生物顆粒供熱的優(yōu)勢，省去了加煤、出渣等勞動強度較大的勞動操作，且借助三明市全面開展“種采烤分”一體化工作的契機，充分發(fā)揮“烘烤師”小組長的優(yōu)勢，集中管理生產(chǎn)單元內(nèi)7～9座烤房，煙農(nóng)烘烤成本將會大幅下降。

本項目的4種類型的烤房均安裝了可視、可控、可調(diào)的手機APP操作系統(tǒng)，具有自動報警提示功能，當(dāng)實際溫濕度值與目標(biāo)值相差超過一定范圍后，會自動提示煙農(nóng)做出相應(yīng)的調(diào)整，熱泵烤房通過增大或者減小功率來促使實際溫度接近目標(biāo)溫度，生物顆粒燃料烤房會自動增加或者減少熱源來控制溫度，燃煤烤房則需要人工加煤或減煤來控制溫度。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，智能手機的普及，這種可視、可控、可調(diào)的手機APP操作系統(tǒng)在未來具有很大的運用前景，這是煙葉烘烤走向智能化便捷化的一個方向。

在烤后煙葉質(zhì)量方面，本研究表明，兩種類型的熱泵烤房和生物顆?？痉康某蹩緹熑~總體外觀質(zhì)量明顯好于普通燃煤烤房。原因是在煙葉烘烤過程中，煤炭燃燒需要時間，當(dāng)需要升溫時，燃煤烤房會出現(xiàn)滯后，短時間內(nèi)燃燒慢，升溫慢；穩(wěn)溫時，已經(jīng)燃燒的煤炭難以得到快速控制，導(dǎo)致實際溫度值與目標(biāo)值會存在一定的差值。熱泵密集烤房可以自動控制功率，生物質(zhì)顆粒燃燒爐可自動控制投料量，溫度較易控制且精度高，升溫平穩(wěn)，穩(wěn)溫性能好，烤后煙葉油分較足、色澤鮮亮、青雜煙數(shù)量較少，與王攀等[7]研究新能源熱泵烤房與燃煤烤房、生物質(zhì)烤房烘烤效果比較的結(jié)果基本一致。仙立國[8]研究表明，新能源熱泵烤房烤后煙葉的外觀顏色、成熟度相對于燃煤烤房和生物燃料烤房更加均勻，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)疏松，身份適宜，油分更多，色度更強，各指標(biāo)均衡性較高，主要化學(xué)成分含量均在適宜范圍內(nèi)，濃度、勁頭適中，香氣質(zhì)、香氣量、透發(fā)性較高，雜氣、刺激性較少，感官質(zhì)量較好，整體質(zhì)量均衡性較高。

在成本投入方面，生物質(zhì)顆粒來源不穩(wěn)定，受價格波動較大，質(zhì)量也好壞不一，在推廣上受原料影響較大，但改造方法相對簡單，政府和行業(yè)補貼較大，改造成本較低，只需在原有烤房添加生物質(zhì)燃燒機和自控儀即可，且烘烤過程中升溫、穩(wěn)溫性能好，燃燒充分，對空氣污染小，節(jié)能環(huán)保，在生物質(zhì)顆粒來源供應(yīng)充足、價格穩(wěn)定的情況下，具有較大的推廣前景[9]。新能源熱泵烤房具有提質(zhì)、增效、減工、降本、操作簡捷的優(yōu)勢，隨著國家藍天保衛(wèi)戰(zhàn)的打響，國內(nèi)烤煙電價持續(xù)穩(wěn)定，設(shè)備成本將因政策補貼而大幅度下降，如河南省2.7萬多座烤房3年內(nèi)陸續(xù)實現(xiàn)“電代炭”，省市和行業(yè)補助80%，福建三明市工信局、三明煙草專賣局、三明供電公司聯(lián)合在寧化試點推行全電智能烤煙技術(shù)，將有序推進2.8萬座烤煙房實施“煤改電”改造，新能源逐漸取代烤煙用煤是必然的發(fā)展趨勢，有利于實現(xiàn)烤煙綠色烘烤和推進煙葉可持續(xù)健康發(fā)展。

綜合以上不同類型密集烤房用工、能耗、烤后煙葉質(zhì)量與效益比較，新能源熱泵密集烤房和生物質(zhì)顆粒密集烤房具有明顯優(yōu)勢。同時，發(fā)展適度規(guī)模種植是穩(wěn)定規(guī)模、穩(wěn)定煙農(nóng)的重要舉措，新型煙葉經(jīng)營主體的生產(chǎn)組織方式必須由傳統(tǒng)模式走向現(xiàn)代化[10]，煙葉烘烤作為煙葉生產(chǎn)的最后一個環(huán)節(jié)，基于可控、可視、可調(diào)物聯(lián)網(wǎng)下的新能源熱泵烘烤和生物顆粒燃料供熱是替代常規(guī)燃煤密集烤房的必然趨勢。鑒于熱泵設(shè)備成本高、改造費用多、牽扯部門廣、維保、基礎(chǔ)設(shè)施保障要求高，目前國家和行業(yè)尚未出臺明確的補貼政策，大部分煙區(qū)還處于試點推廣階段，但它是推動煙葉生產(chǎn)走向智能環(huán)保、綠色安全的主要方向，未來具有較大的推廣運用價值。