內循環(huán)烤房烘烤過程中煙葉的形態(tài)變化及烤后質量

楊 楠, 李俊營, 王明鑫, 常 棟, 張富生, 陰廣宇, 閻海濤

(河南省煙草公司 平頂山市公司煙葉生產技術中心, 河南 平頂山 467000)

0 引言

【研究意義】密集烤房具有節(jié)能省工、易于操控和提升烤后煙葉質量等優(yōu)勢,已在各大煙區(qū)得到廣泛推廣應用,成為我國現(xiàn)代煙草農業(yè)建設中煙葉烘烤領域的主要發(fā)展方向[1]。當前,我國密集烤房多為能源密集型,主要利用煤燃燒進行熱量供應,每年消耗燃煤約400萬t[2]。按國務院《2030年前碳達峰行動方案》要求,到2030年,非化石能源消費比重達25%左右。因此,探索清潔能源在煙葉烘烤中的應用已成為必然趨勢,而熱泵烤房以其對環(huán)境友好、溫濕度控制精準、干燥品質高等特點[3],已成為清潔能源烘烤的主要替代設備。目前,我國熱泵烤房一般采用開放式排濕的烘烤方式,即將烘烤出來且包含煙葉水分的熱濕氣流直接排向室外環(huán)境,因而存在烤房內熱能利用率低、烤后煙葉欠柔軟和香氣成分流失[4-6]等問題。而內循環(huán)烤房不設排濕口,是通過蒸發(fā)器或冷凝器將熱量抽入加熱室再次循環(huán)利用,烤房內多余的濕氣通過除濕熱泵以液態(tài)水的形式流出,達到煙葉烘烤的目的。因此,探明內循環(huán)烤房烘烤對煙葉形態(tài)及烤后煙葉質量的影響,對生產上推廣應用內循環(huán)烤房烘烤煙葉具有重要的意義。【前人研究進展】段紹米等[5]設計出全閉式熱風循環(huán)方式的煙葉密集烤房,建立了全閉式熱風循環(huán)密集烤房溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學模型,采用基于Sobol序列實數(shù)編碼遺傳算法的PID控制具有較好的穩(wěn)定性和動態(tài)特性,密集烤房溫度控制系統(tǒng)動態(tài)響應快、穩(wěn)態(tài)精度高、超調量小。謝金梅等[6]設計并搭建了一種以室外自然風為冷源的閉式熱風循環(huán)風冷式重力熱管冷凝除濕裝置,該系統(tǒng)燃料消耗量比對照降低0.57 kg/kg,煙葉烘烤成本降低 0.48元/kg,烤后上等煙比例平均提高 7.40%,烤后煙葉均價提高 0.87元/kg。田勇軍等[7]設計了基于內循環(huán)除濕的密集烤房烘烤控制系統(tǒng),該系統(tǒng)集成了3個結構和原理均一致的加熱除濕子系統(tǒng),具有烘烤成本低、能耗低、控制過程細致及無有害氣體排放等優(yōu)勢。李志國等[8]研究表明,熱泵加熱子系統(tǒng)和除濕子系統(tǒng)的平均性能系數(shù)分別為2.99和3.08,綜合系統(tǒng)平均性能系數(shù)為3.68,整個過程的除濕能耗比為2.41 kg/(kW·h),較生物質顆?？痉亢婵? kg干煙葉節(jié)約成本54.70%。【研究切入點】目前,已有研究多集中在內循環(huán)烤房的設計、除濕裝置的改造和烘烤能耗對比等方面,鮮見內循環(huán)烤房烘烤過程中煙葉形態(tài)變化和烤后煙葉質量方面的研究報道?！緮M解決的關鍵問題】以開放式排濕烤房為對照,探究內循環(huán)烤房對煙葉形態(tài)變化及烤后煙質量的影響,以期為內循環(huán)烤房烘烤煙葉的生產應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試品種 烤煙品種為中煙100,青島中煙種子有限責任公司提供。

1.1.2 供試烤房 試驗烤房為燃煤烤房、熱泵烤房和內循環(huán)烤房,均為氣流下降式標準密集烤房,裝煙室內長8 m、寬2.7 m、高3.5 m,位于河南省郟縣李口鎮(zhèn)平頂山市現(xiàn)代煙草農業(yè)科技園內,其供熱原理、排濕方式和供熱能源見表1。

表1 不同烤房供熱原理、排濕方式和供熱能源烤房的基本狀況

1.2 方法

1.2.1 煙葉選擇 供試煙葉選取大田長勢正常、發(fā)育協(xié)調和落黃均勻的中部煙,按成熟標準挑選成熟度、大小基本一致的葉片編竿裝炕(煙苗于4月25日移栽,行距130 cm,株距55 cm,種植土壤類型為褐土,土壤有機質含量18.57 g/kg,堿解氮含量69.10 g/kg,速效磷含量23.00 mg/kg,速效鉀含量138.00 mg/kg,氯離子含量18.5 mg/kg,pH 7.02,田間管理按照標準化生產管理模式進行)。

1.2.2 試驗設計 試驗共設內循環(huán)烤房、熱泵烤房(CK1)和燃煤烤房(CK2)3個處理,每個處理取上部和中部葉各240片,按38 ℃末、42 ℃末、47 ℃末和54 ℃末4個溫度點每60片煙葉編為1竿,分別測量裝炕前的鮮煙葉,以及38 ℃末、42 ℃末、47 ℃末和 54 ℃末4個溫度點煙葉展平和自然卷曲時的長和寬。另取12竿正常編竿煙葉,分別放在內循環(huán)烤房和熱泵烤房的上、中、下棚各2竿(左、右倉各1竿),統(tǒng)計不同處理烤后上中等煙比例、煙葉均價和干煙能耗等。同烤房配烤煙葉為相同時間采收的同一小區(qū)和相同部位煙葉。

1.2.3 指標檢測 內循環(huán)烤房冷凝水排出速率采用文獻[9]的方法測定。鮮煙葉與不同溫度點煙葉產生的長度之差與鮮煙葉長度的比值稱為煙葉縱向收縮率,鮮煙葉與不同溫度點煙葉產生的寬度之差與鮮煙葉寬度的比值稱為煙葉橫向收縮率,鮮煙葉與不同溫度點煙葉卷曲后產生的縱向之差與鮮煙葉長度的比值稱為煙葉縱向卷曲度,鮮煙葉與不同溫度點煙葉卷曲后產生的橫向之差與鮮煙葉長度的比值稱為煙葉橫向卷曲度;煙葉的縱向收縮率、橫向收縮率、縱向卷曲度和橫向卷曲度參照文獻[10]的方法測量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010和SPSS 20.0對數(shù)據(jù)進行處理與差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 內循環(huán)烤房冷凝水的排出速率

從圖 1看出,內循環(huán)烤房冷凝水排出速率42 ℃時最高,為31.17 kg/h;36 ℃時最低,為7.5 kg/h。整個烘烤過程不同時期冷凝水排出速率呈先升后降趨勢,變黃期(36～40 ℃)、定色期(42～54 ℃)和干筋期(60 ℃)分別為19.1 kg/h、31.17 kg/h和11.9 kg/h。

圖1 內循環(huán)烤房烘烤過程中冷凝水的排出速率

2.2 不同烤房烘烤過程中煙葉形態(tài)變化

2.2.1 煙葉縱向收縮率 從表2看出,不同烤房各溫度點中部和上部煙葉縱向收縮率的變化。38 ℃末:不同烤房中部和上部煙葉的縱向收縮率分別為3.19%～4.10%和3.17%～4.45%,分別以熱泵烤房和燃煤烤房最大,均以內循環(huán)烤房最小,中部煙葉的內循環(huán)烤房與熱泵烤房間差異顯著,其余處理間差異不顯著;上部煙葉內循環(huán)烤房和熱泵烤房與燃煤烤房間差異顯著,內循環(huán)烤房與熱泵烤房間差異不顯著。42 ℃末:不同烤房中部和上部煙葉的縱向收縮率分別為5.01%～5.17%和4.90%～5.21%,均以燃煤烤房最大,內循環(huán)烤房最小;中部和上部煙葉不同烤房間差異均不顯著。48 ℃末:不同烤房中部和上部煙葉的縱向收縮率分別為7.93%～9.46%和7.66%～8.70%,分別以內循環(huán)烤房和熱泵烤房最大,燃煤烤房和內循環(huán)烤房最小,中部煙葉內循環(huán)烤房與燃煤烤房間差異顯著,內循環(huán)烤房與熱泵烤房間和熱泵烤房與燃煤烤房間差異不顯著,上部煙葉各處理間差異不顯著。54 ℃末:不同烤房中部和上部煙葉的縱向收縮率分別為10.03%～10.77%和10.24%～10.58%,均以內循環(huán)烤房最大,熱泵烤房和熱泵烤房/燃煤烤房最小,中部和上部煙葉不同烤房間差異均不顯著。

表2 不同烤房烘烤過程中中部與上部煙葉的縱向收縮率

2.2.2 煙葉橫向收縮率 從表3可知,不同烤房各溫度點中部和上部煙葉橫向收縮率的變化。38 ℃末:不同烤房中部和上部煙葉的縱向收縮率分別為7.80%～9.06%和4.18%～8.79%,分別以燃煤烤房和熱泵烤房最大,熱泵烤房和內循環(huán)烤房最小;中部煙葉各處理間差異不顯著;上部煙葉內循環(huán)烤房與熱泵烤房和燃煤烤房間差異極顯著,熱泵烤房與燃煤烤房間差異不顯著。42 ℃末:不同烤房中部和上部煙葉的縱向收縮率分別為15.48%～18.32%和13.74%～17.00%,分別以燃煤烤房和熱泵烤房最大,均以內循環(huán)烤房最小;中部煙葉的內循環(huán)烤房和熱泵烤房與燃煤烤房差異極顯著,內循環(huán)烤房與熱泵烤房差異不顯著;上部煙葉的內循環(huán)烤房和燃煤烤房與熱泵烤房差異極顯著,內循環(huán)烤房與燃煤烤房差異不顯著。48 ℃末:不同烤房中部和上部煙葉的縱向收縮率分別為27.34%～31.54%和21.79%～28.56%,分別以內循環(huán)烤房和熱泵烤房最大,均以燃煤烤房最小,中部煙葉內循環(huán)烤房與熱泵烤房和燃煤烤房差異極顯著,熱泵烤房與燃煤烤房間差異顯著;上部煙葉不同烤房間差異極顯著。54 ℃末:不同烤房中部和上部煙葉的縱向收縮率分別為32.06%～34.19%和28.12%～30.39%,均以熱泵烤房最大,燃煤烤房最小,中部煙葉熱泵烤房與燃煤烤房間差異顯著,內循環(huán)烤房與熱泵烤房間和內循環(huán)烤房與燃煤烤房間差異不顯著;上部煙葉內循環(huán)烤房和熱泵烤房與燃煤烤房間差異顯著,內循環(huán)烤房與熱泵烤房間差異不顯著。

表3 不同烤房烘烤過程中中部與上部葉的橫向收縮率

2.2.3 煙葉縱向卷曲度 從表4看出,不同烤房各溫度點中部和上部煙葉縱向卷曲度的變化。38 ℃末:不同烤房中部和上部煙葉的縱向卷曲度分別為5.38%～5.83%和4.93%～5.19%,均以熱泵烤房最大,內循環(huán)烤房最小,中部和上部煙葉不同烤房間差異均不顯著。42 ℃末:不同烤房中部和上部煙葉的縱向卷曲度分別為6.98%～9.76%和7.54%～9.95%,分別以燃煤烤房和熱泵烤房最大,內循環(huán)烤房和燃煤烤房最小;中部煙葉的內循環(huán)烤房和熱泵烤房與燃煤烤房間差異極顯著,內循環(huán)烤房與熱泵烤房間差異不顯著;上部煙葉的熱泵烤房與燃煤烤房間差異極顯著,內循環(huán)烤房與熱泵烤房間差異顯著,內循環(huán)烤房與燃煤烤房間差異不顯著。48 ℃末:不同烤房中部和上部煙葉的縱向卷曲度分別為10.64%～11.73%和10.49%～13.32%,分別以燃煤烤房和熱泵烤房最大,均以內循環(huán)烤房最小;中部煙葉不同烤房間差異均不顯著;上部煙葉熱泵烤房與內循環(huán)烤房和燃煤烤房間差異極顯著,內循環(huán)烤房與燃煤烤房間差異不顯著。54 ℃末:不同烤房中部和上部煙葉的縱向卷曲度分別為13.00%～14.71%和12.06%～13.62%,分別以燃煤烤房和熱泵烤房最大,熱泵烤房和內循環(huán)烤房最小;中部煙葉燃煤烤房與熱泵烤房間差異顯著,內循環(huán)烤房與熱泵烤房間和內循環(huán)烤房與燃煤烤房間差異不顯著;上部煙葉不同烤房間差異不顯著。

表4 不同烤房烘烤過程中中部與上部葉的縱向卷曲度

2.2.4 煙葉橫向卷曲度 從表5可知,不同烤房各溫度點中部和上部煙葉橫向卷曲度的變化。38 ℃末:不同烤房中部和上部煙葉的橫向卷曲度分別為44.18%～51.15%和38.04%～50.82%,均以燃煤烤房最大,內循環(huán)烤房最小,中部和上部煙葉的內循環(huán)烤房與熱泵烤房和燃煤烤房間差異極顯著,熱泵烤房與燃煤烤房間差異不顯著。42 ℃末:不同烤房中部和上部煙葉的橫向卷曲度分別為44.07%～58.98%和38.33%～53.45%,均以燃煤烤房最大,內循環(huán)烤房最小;中部和上部煙葉不同烤房間差異極顯著。48 ℃末:不同烤房中部和上部煙葉的橫向卷曲度分別為50.62%～57.28%和51.35%～53.41%,分別以內循環(huán)烤房和熱泵烤房最大,熱泵烤房和內循環(huán)烤房最小;中部煙葉熱泵烤房極顯著小于內循環(huán)烤房和燃煤烤房,內循環(huán)烤房與燃煤烤房間差異不顯著;上部煙葉不同烤房間差異均不顯著。54 ℃末:不同烤房中部和上部煙葉的橫向卷曲度分別為56.30%～65.06%和59.16%～62.62%,均以熱泵烤房最大,燃煤烤房和內循環(huán)烤房最小;中部煙葉熱泵烤房極顯著大于內循環(huán)烤房和燃煤烤房,內循環(huán)烤房與燃煤烤房間差異不顯著;上部煙葉熱泵烤房極顯著大于內循環(huán)烤房,內循環(huán)烤房與燃煤烤房間和熱泵烤房與燃煤烤房間差異不顯著。

表5 不同烤房烘烤過程中中部與上部葉的橫向卷曲度

2.3 不同烤房烘烤煙葉的經濟效益與能耗

從表6看出,不同烤房煙葉干鮮比、各等級占比、均價和干煙耗電量/成本的變化。干鮮比:內循環(huán)烤房和熱泵烤房分別為13.95和12.50,內循環(huán)烤房較熱泵烤房提高11.6%,可能原因:熱泵烤房在煙葉變黃后,通過連續(xù)不斷地直接對外排濕,煙葉內含物消耗過度,導致烤后煙葉干物質減少;而內循環(huán)烤房由于密閉式循環(huán)方式,熱氣在裝煙室和加熱室之間局部循環(huán),能將烘烤過程中煙葉生理生化反應維持在一定的穩(wěn)定狀態(tài),從而減少內含物的消耗。各等級占比:內循環(huán)烤房和熱泵烤房上等煙、中等煙和下等煙分別為68.82%和65.38%、21.86%和22.75%、9.32%和11.87%,其中,上等煙內循環(huán)烤房較熱泵烤房提高5.26%,中等煙和下等煙內循環(huán)烤房較熱泵烤房分別降低3.91%和2.15%。均價:內循環(huán)烤房和熱泵烤房分別為26.20元/kg和25.14元/kg,內循環(huán)烤房較熱泵烤房提高4.22%。干煙耗電量和成本:內循環(huán)烤房和熱泵烤房分別為2.51 (kW·h)/kg和1.38元/kg、2.61 (kW·h)/kg和1.44元/kg,內循環(huán)烤房較熱泵烤房分別降低0.1 (kW·h)/kg和0.06元/kg?？赡茉?一方面,內循環(huán)烤房通過冷凝除濕,使烤房內的熱氣充分利用,減少了熱量的散失;另一方面,內循環(huán)烤房的密閉循環(huán)方式,使烤房內煙葉極少受外界環(huán)境溫度的不利影響、不受外界風力的不利影響,從而節(jié)約電耗。

表6 不同烤房烘烤煙葉的經濟效益與能耗

3 討論

內循環(huán)烤房內的濕氣以液態(tài)水的形式通過排水管排出,其有序的集中排放方式一方面規(guī)避了開式排濕烤房的無序排濕方式,另一方面也有利于通過收集冷凝水進行烤房的排濕速率和排濕量的研究。研究結果表明,內循環(huán)烤房冷凝水排出速率以42 ℃時最高和36 ℃時最低,分別為31.17 kg/h和7.5 kg/h,烘烤過程中的變黃期(36～40 ℃)、定色期(42～54 ℃)和干筋期(60 ℃)分別為19.1 kg/h、31.17 kg/h和11.9 kg/h。48 ℃末中部煙葉、54 ℃末中部和上部煙葉的縱向收縮率分別為9.46%、10.77%和10.58%,均大于相同溫度點的熱泵烤房和燃煤烤房; 48 ℃末中部煙葉的橫向收縮率為31.54%,大于相同溫度點的熱泵烤房和燃煤烤房; 48 ℃末中部煙葉的橫向卷曲度為57.28%,大于相同溫度點的熱泵烤房和燃煤烤房。與熱泵烤房相比,內循環(huán)烤房烘烤煙葉的均價較熱泵烤房提高4.22%,上等煙比例提高5.26%,中等煙和下等煙比例分別下降3.91%和2.15%;干煙耗電量減少0.1 (kW·h)/kg。

烘烤過程中,變黃后期至定色前期煙葉形態(tài)變化較大,原因是變黃后期煙葉的變黃程度已滿足該目標階段的基本需求,烤房開始有序排濕,煙葉由于失水干燥發(fā)生形態(tài)變化,至定色前期失水最多所致。至定色后期,煙葉基本干燥,煙葉形態(tài)變化趨緩。與樊軍輝等[10]的研究結果基本一致,但該研究的形態(tài)變化數(shù)值較大,可能是由于烤煙品種、編竿方式和烘烤工藝不同所致。烘烤過程中煙葉橫向收縮率大于縱向收縮率和橫向卷曲幅度大于縱向卷曲幅度,與武圣江等[11]的研究結果一致。原因是煙葉在烤房中一般豎立懸掛,烘烤過程中隨著煙葉含水量逐漸減少,煙葉一直在重力的作用下保持著縱向延展,從而導致縱向形變小于橫向形變。內循環(huán)烤房干鮮比較熱泵烤房提高,可能是熱泵烤房在煙葉變黃后,通過連續(xù)不斷地直接對外排濕,煙葉內含物消耗過度,導致烤后煙葉干物質減少;而內循環(huán)烤房由于密閉式循環(huán)方式,熱氣在裝煙室和加熱室之間局部循環(huán),能將烘烤過程中煙葉生理生化反應維持在一定的穩(wěn)定狀態(tài),從而減少內含物的消耗。內循環(huán)烤房干煙耗電量降低,一方面,可能是內循環(huán)烤房通過冷凝除濕,使烤房內的熱氣充分利用,減少了熱量的散失;另一方面,可能是內循環(huán)烤房的密閉循環(huán)方式,使烤房內煙葉極少受外界環(huán)境溫度的不利影響、不受外界風力的不利影響,從而節(jié)約電耗[12]。

4 結論

內循環(huán)烤房整個烘烤過程中冷凝水排出速率呈先升后降趨勢,烘烤煙葉的綜合效果優(yōu)于開放排濕烤房,烤后煙葉上等煙比例和均價提高,成本降低。