移動式陶瓷厚膜熱源密集烤房應(yīng)用效果分析

摘要 ［目的］探明移動式陶瓷厚膜熱源密集烤房在解決普通燃煤密集烤房中存在的高能耗、高碳排放以及烤后煙葉質(zhì)量不穩(wěn)定等問題方面的效果。［方法］通過引入陶瓷厚膜發(fā)熱技術(shù)，研制出一種移動式陶瓷厚膜熱源密集烤房，并與普通燃煤密集烤房在烤煙能耗、溫控精度和煙葉烘烤效果等方面進(jìn)行對比。［結(jié)果］與普通燃煤密集烤房相比，移動式陶瓷厚膜熱源密集烤房平均成本降低1.52元/kg，節(jié)能增效顯著，烘烤溫度控制精度高，烤后煙葉糖堿比更加協(xié)調(diào)。［結(jié)論］移動式陶瓷厚膜熱源密集烤房具有可移動、省時省工、無污染等優(yōu)勢，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 烤煙；陶瓷厚膜熱源；移動式；密集烤房；節(jié)能增效

中圖分類號 TS43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）17-0181-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.17.042

Analysis for the Application Effect of Mobile Ceramic Thick-Film Heat Source Intensive Baking Room

WANG Wen-lun， XU Hong-gang， DUAN Ji-you et al

（Chuxiong Tobacco Company， Chuxiong， Yunnan 675000）

Abstract ［Objective］ The study aims to investigate the effect of mobile ceramic thick film heat source dense oven in solving the problems of high energy consumption， high carbon emission and unstable quality of tobacco leaves after drying in ordinary coal-fired intensive oven. ［Method］ A mobile dense oven was developed by introducing ceramic thick film heating technology， which was compared with the ordinary coal-fired intensive oven in terms of flue-cured tobacco energy consumption， temperature control accuracy and tobacco leaf baking effect. ［Result］ Compared with the ordinary coal-fired intensive oven， the mobile ceramic thick film heat source intensive oven reduced the average cost by 1.52 yuan/kg， the energy saving and efficiency increase were significant， the baking temperature control accuracy was high， and the sugar-alkali ratio of tobacco leaves after roasting was more harmonious. ［Conclusion］ The mobile ceramic thick film heat source dense baking room has the advantages of being mobile， time-saving， labor-saving， and pollution-free， and has a good prospect for popularization and application.

Key words Tobacco roasting;Ceramic thick film heat source;Mobile;Intensive roasting room;Energy saving and efficiency

基金項(xiàng)目 中國煙草總公司云南省公司科技項(xiàng)目（2021530000241037）。

作者簡介 王文倫（1978—），男，云南楚雄人，農(nóng)藝師，從事煙草農(nóng)業(yè)科技研究。

收稿日期 2023-10-31

我國是世界上烤煙產(chǎn)量最大的國家，常年種植烤煙約100萬hm2，年均產(chǎn)出烤煙葉200萬t以上［1］。長期以來，我國煙葉烘烤都是采用以燃煤為主的烤房。燃煤烤房大都采用熱功率≤140 kW的散煤燃燒熱風(fēng)爐，耗煤量大且烘烤燃料成本高，同時燃燒煤會產(chǎn)生大量二氧化碳（CO2）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NO）、硫化氫（H2S）和粉塵顆粒物等污染物，且這些污染物難以進(jìn)行集中的脫硫、脫硝、除塵處理，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，對煙區(qū)的生態(tài)環(huán)境也

產(chǎn)生嚴(yán)重破壞［2］。

為了順應(yīng)國家綠色低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新要求，推動供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，提升設(shè)施綜合利用水平，促進(jìn)綠色循環(huán)生產(chǎn)，增強(qiáng)煙農(nóng)增收的新動力，國家煙草專賣局近年來在全國范圍內(nèi)開展了新能源烤房的試點(diǎn)工作，并將其納入煙葉生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目［3］。目前，已經(jīng)研發(fā)試用的清潔能源介質(zhì)主要包括生物質(zhì)顆粒燃料、燃?xì)?、醇基燃料以及空氣能熱泵等?-6］，各類型烤房對比分析見表1。

由表1可見，相較于傳統(tǒng)燃煤烤房，這些新能源烤房的熱效率提高了75%以上，烤煙外觀質(zhì)量和品質(zhì)也有所提升，降低了烤煙成本。雖然采用這些能源方式減少了有害氣體排放量，但仍存在環(huán)境污染問題。近年來，空氣能熱泵技術(shù)成為密集型烤房研究的新熱點(diǎn)。資靜云等［7-8］研究表明，熱泵密集烤房在節(jié)能、減排以及煙葉品質(zhì)主要化學(xué)成分的協(xié)調(diào)性上均發(fā)揮了良好作用。為進(jìn)一步提高節(jié)能效益，冉茂飛等［9］研究了太陽能輔助空氣能熱泵式密集烤房，能源利用率在80%以上。可見，使用電能作為新型烤房的能源介質(zhì)具有無污染、環(huán)保性好、保證烤后煙質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的共識。為解決現(xiàn)有烤房多為固定式、需要基礎(chǔ)安裝、安裝時間較長、后期維修技術(shù)難度較大的問題，筆者對研制出的可移動式陶瓷厚膜熱源密集烤房的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，為其推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。該研究以傳統(tǒng)燃煤密集烤房為對照，引入高科技發(fā)熱材料陶瓷厚膜（Ceramic Thick-Film，CTF）作為發(fā)熱源，以可移動式烤房為應(yīng)用示范，在原有烤房上進(jìn)行改造升級，旨在探索采用2種不同熱源模式、設(shè)備安裝方式在煙葉烘烤上的應(yīng)用效果。

1 材料與方法

1.1 陶瓷厚膜熱源技術(shù)原理

陶瓷厚膜（CTF）熱源技術(shù)采用高效、精準(zhǔn)且環(huán)保的陶瓷作為加熱輻射材料，具有快速升溫和熱焓極低的特點(diǎn)，其熱轉(zhuǎn)效率較高，不需要中間換熱裝置，加熱片對烤房內(nèi)循環(huán)空氣直接進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)了“零排放、無污染”［10］。陶瓷厚膜熱源技術(shù)的原理是將陶瓷膜作為熱源，通過熱量從熱源傳遞到陶瓷膜表面實(shí)現(xiàn)加熱和保溫的目的。陶瓷厚膜加熱元件由陶瓷基板組成，如圖1所示，基板上印有絕緣層，然后是一層電阻漿料，接著是接觸和連接層，將所有這些層覆蓋在一起。最后，在所有這些層上覆蓋一層頂部絕緣層保護(hù)層以防止機(jī)械損傷。各層均采用絲網(wǎng)印刷，每層都要經(jīng)過干燥和燒制。在整個生產(chǎn)過程中最大限度地防止灰塵和污垢進(jìn)入。

精確制造的陶瓷厚膜加熱元件具有升溫快、熱容量極低和溫度波動最小的特點(diǎn)，其效率高達(dá)99%，具體取決于運(yùn)行方式（直接或間接加熱）。

在具體應(yīng)用中，陶瓷厚膜熱源技術(shù)具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)［10］：

①節(jié)能高效。由于其導(dǎo)熱系數(shù)較高，能夠快速實(shí)現(xiàn)加熱和保溫，相比傳統(tǒng)的加熱方式，具有更高的熱效率。這一特點(diǎn)為能源消耗和成本控制帶來了顯著優(yōu)勢。

②耐高溫、耐腐蝕。陶瓷材料具有較高的耐高溫性能，能夠在高溫環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。同時，陶瓷材料還具有良好的耐腐蝕性能，能夠適應(yīng)各種腐蝕性環(huán)境，從而確保了加熱過程的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。

③安全性高。由于其表面溫度較低，不會出現(xiàn)燙傷等安全隱患。同時，陶瓷厚膜熱源也不會產(chǎn)生有害物質(zhì)，材料發(fā)熱層均勻穩(wěn)定、不易損壞，而且壽命達(dá)20年，具有較高的安全性和穩(wěn)定性。這一特點(diǎn)使得陶瓷厚膜熱源在許多領(lǐng)域，特別是需要安全控制和環(huán)保要求較高的領(lǐng)域，如化工、制藥、食品等，得到了廣泛的應(yīng)用。

④可定制化。根據(jù)具體使用需求，可以對陶瓷厚膜熱源進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不同的加熱和保溫需求。這一特點(diǎn)使得陶瓷厚膜熱源在應(yīng)用上具有更大的靈活性和廣泛性。

1.2 CTF烤房原型機(jī)設(shè)計(jì)

CTF加熱模組如圖2所示，CTF元件組可根據(jù)需要開展元件成膜、元件封裝、嵌入傳感器、CTF加熱模組設(shè)計(jì)制作。圖3為移動式陶瓷厚膜熱源烤房的3D效果圖，采用強(qiáng)化“熱氣流加熱原理”，熱氣流采取氣流下降式，達(dá)到“電飯煲”烘烤方式、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、減工降本、提質(zhì)增效；另一種采購模塊化方式可簡便組裝、拆卸、可移動式的新型能源CTF烤房原型機(jī)，設(shè)計(jì)長度以4 m為基礎(chǔ)，可以組裝為6、8 m長的烤房，實(shí)現(xiàn)烤房長度可伸縮、可擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)可組裝、拆卸，真正達(dá)到模塊化、可移動的便捷效果。

1.3 CTF熱源改造試驗(yàn)

該試驗(yàn)在云南楚雄進(jìn)行，通過拆除原來的燃煤加熱室爐體，加裝陶瓷厚膜熱源模組3套，同時加裝余熱回收裝置（圖4）。此次改造用工2個，改造成本約3萬元。同時，完成烘烤AI控制器的優(yōu)化及升級工作，達(dá)到“溫度/濕度 ”雙曲線智能精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)整個煙葉烘烤過程智能控制。移動式CTF烤房具體參數(shù)：

煙房規(guī)格為8 m 4臺；

功率配置為20～26 kW/座;

實(shí)時屏顯為溫度/濕度/耗電（數(shù)據(jù)/曲線）;

進(jìn)氣與排濕為AI雙控，全過程智能化;

電壓配置為220、380 V均能滿足;

余熱回收為配余熱回收模塊，可降能30%以上;

耗電指標(biāo)為2 000～2 500 kW·h/爐，達(dá)到1 kg干煙葉耗電3～5 kW·h。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

全爐裝煙量約為4 500 kg，分別進(jìn)行了上部煙、中部煙和下部煙的烤煙烘烤測試，烘烤工藝曲線參照云南煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院2018烘烤工藝掛圖［11-12］。測試過程中，從烤煙能耗、溫控精度和煙葉烘烤效果等方面進(jìn)行考察。為了準(zhǔn)確監(jiān)控各項(xiàng)烘烤指標(biāo)，在烤房內(nèi)部的不同位置安裝了干濕球溫度傳感器、稱重傳感器、攝像頭等儀器設(shè)備。經(jīng)過烤煙烘烤后，對烤后煙葉主要內(nèi)在化學(xué)成分進(jìn)行分析，從而對烘烤質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)評估。

2 結(jié)果與分析

2.1 煙葉初烤成本及質(zhì)量對比

由表2可知，在煙葉分級方面，CTF烤房在烘烤后上等煙和中等煙的比例均高于傳統(tǒng)燃煤烤房，CTF烤房烘烤出的煙葉上中等煙比例提高2.6%；在成本方面，CTF烤房的總成本明顯低于傳統(tǒng)燃煤烤房耗煤成本，CTF烤房平均總成本為1.45元/kg，相比于傳統(tǒng)燃煤烤房，平均總成本下降了1.52元/kg。其中由于采用智能烘

烤系統(tǒng)，用工成本降低0.46元/kg，同時CTF烤房采用了余

熱回收模塊，能源利用效率提高，進(jìn)一步降低了平均總成本。

2.2 烘烤溫度

移動式CTF熱源烤房采用AI控制器，如圖5所示，實(shí)現(xiàn)了烘烤過程的精確控制及優(yōu)化。通過“溫度/濕度”雙曲線智能精準(zhǔn)控制，確保了整個煙葉烘烤過程的智能控制。

從圖6綜合來看，CTF熱源烤房煙葉烘烤全過程的實(shí)時溫度與變化幅度相對較小，與標(biāo)準(zhǔn)曲線較為接近，溫度控制更加精準(zhǔn)。在變黃期、定色期和干筋期的平均溫差分別控制在2.3、2.5、1.8 ℃以內(nèi)，傳統(tǒng)燃煤烤房則分別為4.1、5.2、2.7 ℃。顯然，CTF熱源烤房升溫靈敏、升溫速度快、排濕順暢，可滿足烘烤不同階段溫度和濕度的需要，為整個烤房煙葉干燥提供強(qiáng)有力保障。

2.3 初烤煙葉主要化學(xué)成分

由表3可知，2種烤房烤出的煙葉主要化學(xué)成分差異不大。相比于傳統(tǒng)燃煤烤房，CTF烤房烤出的煙葉淀粉含量和蛋白質(zhì)含量較低、總糖和還原糖含量較高；同時，CTF烤房烤出的煙葉的糖堿比更加協(xié)調(diào)，煙葉內(nèi)在質(zhì)量更好，這表明CTF烤房烘烤能改善煙葉內(nèi)在品質(zhì)各項(xiàng)化學(xué)指標(biāo)，使煙葉化學(xué)成分更加趨于協(xié)調(diào)。

3 結(jié)論與討論

（1）陶瓷厚膜熱源（CTF）電烤房可大幅降低烘烤成本，1 kg干煙葉耗能可控制在1.6元以內(nèi)，通過優(yōu)化和升級烘烤AI控制器，煙草管理人員、烘烤技師以及煙農(nóng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制和調(diào)整，從而減少了煙草烘烤技師和煙農(nóng)的勞動力支出，降低用工成本，相對于傳統(tǒng)燃煤密集烤房，成本可以降低50%。

（2）陶瓷厚膜（CTF）加熱源體積小、重量輕，烤房采用模塊化單元結(jié)構(gòu)和可拆卸組裝方式，可以迅速升溫，即開即熱，即關(guān)即冷。同時，它具備防水絕緣性能，可在煙葉烘烤過程中實(shí)現(xiàn)精確的溫度控制。

（3）陶瓷厚膜熱源（CTF）電烤房通過實(shí)現(xiàn)煙葉烘烤過程中的精確溫度控制，提高了煙葉質(zhì)量和煙葉的合格率，改善了煙葉內(nèi)在品質(zhì)，從而增加了煙農(nóng)的收入。

該研究結(jié)果表明，移動式陶瓷厚膜熱源密集烤房在節(jié)能和提高效率方面表現(xiàn)出顯著效果，同時具有較高的烘烤溫度控制精度，烤后煙葉品質(zhì)好。此外，該結(jié)果僅為改造前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，烤煙工藝參數(shù)的優(yōu)化與余熱回收裝置的改進(jìn)等還需要進(jìn)行更深入的研究和驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

［1］ 趙浩賓，胡永濤，李芳芳，等.不同供熱能源烤煙經(jīng)濟(jì)效益對比分析［J］.農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào)，2021，11（11）：61-65.

［2］ 武圣江，楊雙劍，黃翔，等.不同能源類型密集烤房烘烤性能與應(yīng)用效果分析［J］.南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2022，53（6）：1586-1594.

［3］ 王行，文志強(qiáng)，何振峰，等.生物質(zhì)能在密集烤房上應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展方向［J］.中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2020，36（35）：139-142.

［4］ 徐秀紅，孫福山，王永，等.我國密集烤房研究應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向探討［J］.中國煙草科學(xué)，2008，29（4）：54-56，61.

［5］ 許錫祥，陳承亮，呂作新，等.幾種新型密集烤房烘烤效果比較［J］.中國煙草科學(xué)，2017，38（5）：82-86.

［6］ 徐成龍，蘇家恩，張聰輝，等.不同能源類型密集烤房烘烤效果對比研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（2）：264-266.

［7］ 資靜云，楊敏婕，高海芬.電熱泵烤房與普通密集烤房烤煙烘烤對比試驗(yàn)［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2020（9）：224，227.

［8］ 孟智勇，宗勝杰，高相彬，等.熱泵密集烤房不同烘烤工藝效果比較［J］.江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（22）：247-251.

［9］ 冉茂飛，武紹斌，秦治明，等.空氣能熱泵+太陽能輔助烤房試驗(yàn)示范效果［J］.中國高新科技，2021（21）：131-132，156.

［10］ 朱罡，張紹敏，葉磊，等.新型電加熱膜密集烤房成本分析及效果評價［J］.黑龍江科學(xué)，2023，14（8）：138-139，143.

［11］ 陳崗，董繼翠，李文標(biāo)，等.楚雄煙區(qū)不同烘烤工藝對紅花大金元品種產(chǎn)質(zhì)量的影響［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2022，50（12）：130-134.

［12］ 王文倫，汪應(yīng)華，劉羿男，等.密集烘烤干筋期最高溫度對煙葉致香物質(zhì)的影響［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2022，50（16）：130-134.