精益控制烤房對煙葉烘烤的影響研究

黃國強，陳道穎*，陳 娟，賈 健，謝揚軍，郭 松

(1.湖南省煙草公司 長沙市公司 寧鄉縣分公司，湖南 寧鄉 410600；2.長沙市驅動源電氣技術有限公司，湖南 長沙 410600；3.河南農業大學 煙草學院，河南 鄭州 450002)

精益控制烤房對煙葉烘烤的影響研究

黃國強1，陳道穎1*，陳 娟2，賈 健3，謝揚軍1，郭 松1

(1.湖南省煙草公司 長沙市公司 寧鄉縣分公司，湖南 寧鄉 410600；2.長沙市驅動源電氣技術有限公司，湖南 長沙 410600；3.河南農業大學 煙草學院，河南 鄭州 450002)

摘要：為進一步提高煙葉的烘烤質量和烤房的自動化烘烤水平，通過安裝自動變頻控制儀、自動煙囪閘火門和助燃風機保護器來提高密集烤房精益控制程度，改善烘烤質量。結果表明：使用精益控制烤房烘烤煙葉能顯著提高烤房對裝煙內溫濕度的控制精度和烤后煙葉的外觀質量，烘烤的能耗成本降低了13.40%，每千克干煙的烘烤收益增加了27.11%；助燃風機保護器能夠顯著降低助燃風機停機狀態下機殼表面的溫度，并大大減少風機的損耗率。

關鍵詞：密集烤房；自動變頻；自動煙囪閘火門；助燃風機保護器；節能；精益控制

煙葉烘烤是烤煙生產中的一個重要環節，煙葉烘烤質量決定著煙葉作為卷煙工業原料的可用性價值[1]。煙葉烘烤是一個大量耗熱的過程，煤炭是目前中國烤煙烘烤的最主要燃料，在中國每烘烤1 kg干煙葉，耗煤量一般為2.2～3.2 kg，熱能利用率僅為20%[2],能源浪費嚴重。然而太陽能烤房[3]和熱泵烤房[4]等新型能源烤房也成為了降低煙葉烘烤能耗的一個新的焦點，但由于這些烤房的建造或改造成本較高[5]，不可能大面積推廣。因此降低密集烤房的烘烤能耗、減少建造成本、提高烘烤的智能化水平，成了密集烤房的一個重要發展方向。然而在烤房變頻調速技術方面的研究較多[6-7]，但是通過變頻自控儀和自動煙囪閘火門對烤房實施精益控制的研究還很少。本研究從烤房的精益控制入手，通過革新技術設備、改善工藝和管理相結合的方式，探究一種能夠降低改造成本，同時能夠提高煙葉烘烤質量、降低能耗和設備損耗的新途徑。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗于2014年在湖南省長沙市寧鄉縣黃材富源合作社和大屯營鎮郁金合作社進行。供試品種為云煙97，試驗選用的煙葉來自同一農戶同一地塊長勢長相優良且成熟度好的煙葉。供試烤房為氣流下降式密集烤房,加熱系統為新型復合材料，裝煙室規格為8.0 m×2.7 m×3.5 m，裝煙3層2路。配置電機額定頻率為2.2 kW，最大轉速為1440 r/min。配置循環風機為7號軸流風機，葉片4個，轉速1440 r/min時風量15000 m3/h。

1.2試驗設計

選取鮮煙葉素質基本一致的成熟煙葉進行編竿，每個處理20竿，分別掛置在供試烤房和參照烤房中棚和下棚的中間位置，每層10竿，掛牌標記。烤房裝煙密度基本一致，每座裝煙480竿。

本試驗共設2個處理，每個處理重復5次。處理烤房(T)安裝長沙驅動源電氣技術有限公司研制的變頻烘烤控制儀，全程0～60 Hz(0～1440 r/min)連續自動變頻無極調節循環風機轉速；安裝自動啟閉煙囪閘火門(長沙市煙草公司寧鄉縣公司專利)，即根據裝煙室的溫度狀態，自控儀自動控制循環風機風量、風壓以及分步打開或關閉閘火門(在全關狀態下留有相應防爆安全空隙)；安裝助燃風機保護器(長沙市煙草公司寧鄉縣公司專利)機械方式阻止爐膛熱量倒串，保護助燃風機。對照烤房(CK)為原設備控制密集烤房，手動調節4/6級循環風機轉速，即變黃階段(42 ℃以前)為720 r/min,定色階段(43～54 ℃)為1440 r/min，干筋階段(55 ℃)為720 r/min。無閘火門和助燃風機保護器。各處理烤房均嚴格按照三段式烘烤工藝烘烤(表1)。

表1　三段式烘烤工藝技術參數

1.3測定項目和方法

1.3.1烤后煙葉的外觀質量由湖南中煙技術中心組織專家參照“GB 2635─1992 烤煙”標準[8]對掛牌標記的回潮后的試驗煙葉進行逐片分級，統計各個等級以及達不到等級的煙葉重量，計算出中上等煙和橘黃煙的比例。并以顏色、成熟度、結構、身份、油分和色度6項指標作為烤煙外觀質量評價指標，各指標權重分別為0.30、0.25、0.15、0.12、0.10、0.08。采用指數和法評價烤煙外觀質量狀況。

1.3.3煙葉烘烤能耗成本記錄每房烤煙從開始點火到最后烘烤完畢所消耗的煤炭量和電量，比較不同處理煙葉烘烤的千克干煙平均耗煤耗電量，計算出相應的能耗成本。

1.3.4裝煙室溫濕度控制精度每隔4 h記錄1次烤房干球和濕球的目標值和實際值，比較不同處理烤房的測量精度和控制精度。

1.3.5助燃風機保護器分別于每日9:00、15:00、21:00采集1次助燃風機的機殼溫度，分別統計助燃風機在停機和運轉狀態下的外殼溫度最大值。

1.4數據統計和分析

采用SPSS 21.0和Excel 2013對數據進行分析和處理。

2結果與分析

2.1不同處理烤房對裝煙室溫濕度的控制精度

由表2可以看出，不同處理烤房裝煙室內干球溫度的偏高和偏低值，以及濕球溫度的偏高和偏低值之間的差異都達到了極顯著水平。與普通密集烤房相比，精益控制烤房的裝煙室內干球溫度的偏高值和偏低值分別低0.41和0.30 ℃；濕球溫度的偏高值和偏低值分別低0.41和0.32 ℃，除濕球溫度偏高值的變異系數略高于對照烤房外，其他指標的變異系數都低于對照烤房。說明采用本項目的設備后，能顯著提高裝煙室的溫濕度控制精度，有利于精準執行烘烤工藝。這可能是因為全自動變頻控制儀能夠根據烤房裝煙室內的需要自動變頻調節循環風機、助燃風機、自動煙囪閘火門的運行狀態，因而能夠盡可能地保證裝煙室內的溫濕度狀態以較小的幅度波動。

表2　不同處理烤房裝煙室內干濕球溫度偏差值的獨立樣本T檢驗

注：*、**分別表示在0.05、0.01水平上的顯著性；F為Levene檢驗對應的檢驗值；Sig.為雙側檢驗的顯著性。下同。

2.2不同處理烤房烤后煙葉的外觀質量

煙葉的外觀質量作為煙葉質量評價中的一個重要部分，可反映煙葉的商品等級質量[9]。由表3可以看出，在不同處理烤房烤后煙葉的外觀質量評價中，每個指標的Levene檢驗的F值均大于0.05，表明各個指標的方差均齊性。不同處理烤房烤出的煙葉葉片顏色和成熟度之間的差異不顯著，葉片色度之間無差異。但是，葉片結構和最終的加權得分之間的差異達到了極顯著差異水平；葉片身份和油分之間的差異也達到了顯著差異水平。實施精益控制烤房烤出來的煙葉的葉片結構的變異系數為3.19%，遠遠低于普通密集烤房烤出來的煙葉的葉片結構的變異系數，說明精益控制烤房烤出來的煙葉的葉片結構變化更加趨于穩定，這可能是由于精益控制烤房裝煙室內相對于普通密集烤房更加穩定的溫濕度狀態，更加有利于煙葉烘烤過程中葉片內部化學成分的轉化以及葉片外在物理形變的發生，也就有利減小葉片結構之間的差異。這種較為協調的內在化學成分狀態和較為穩定的葉片結構外化到煙葉外觀質量上的表現也較為穩定，所以使用精益控制烤房烤出來的煙葉外觀質量打分的變異系數低于普通密集烤房。

表3　不同處理烤房烤后煙葉外觀質量的差異分析

2.3不同處理烤房烘烤煙葉的能耗成本

由表4可以看出，與對照烤房相比，實施精益控制烤房烘烤煙葉的耗煤和耗電均較對照烤房節省。使用精益控制烤房烘烤煙葉的千克干煙耗電量較低，為0.29 kW·h，較對照節約了31%；千克干煙耗煤量為2.29 kg,較對照節約了9.2%。這可能是由于精益控制烤房的自控儀可以根據烤房裝煙室內的需要進行變頻調節循環風機以合適的頻率運行，從而減少了耗電量；穩溫時，自動煙囪閘火門逐步關閉來取消煙囪拔火，改善燃燒條件，從而減少溫度過沖，降低熱量浪費，相應地節省了烘烤過程中的燃煤用量。使用精益控制烤房烘烤的煤耗和電耗的總成本為940.8元/房，而對照烤房的能耗總成本為1086.6元/房，能耗成本減少145.8元/房，節約了13.4%；千克干煙烘烤的能耗成本也較對照烤房減少了0.31元，節約了13.03%。這說明采用使用精益控制烤房進行烘烤，能夠明顯降低煙葉烘烤過程中的煤耗和電耗，節約烘烤的能耗成本。

表4　不同處理烤房烘烤煙葉的能耗成本

注：本研究使用的燃煤種類為12孔蜂窩煤，平均重量為0.99 kg/塊(濕煤)。燃煤價格按800元/t、電費0.65元/kW·h計算。

2.4不同處理烤房烘烤煙葉的經濟效益

從表5可以看出，不同處理烤房烤后煙葉的上中等煙比例、橘黃煙比例以及均價也有差異。相對于普通密集烤房，實施精益控制烤房烤出的煙葉中上等煙比例提高了4.13%，橘黃煙比例提高了25.04%，均價增加了2.44元，較對照提升了16.94%。這可能是由于使用精益控制烤房烘烤煙葉的過程中，裝煙室內較為穩定的溫濕度狀態，有利于煙葉的變黃和失水干燥，進而有利于形成質量較優的烤后煙葉。不同處理烤房烤出煙葉的人工成本相差不大，但使用精益控制烤房烘烤的千克干煙能耗成本降低了13.03%，總體來說，精益控制烤房烘烤煙葉的千克干煙收益較對照烤房增加2.76元，提升了27.11%，有利于增加農民的收益。

表5　不同處理烤后烤房烘烤煙葉的經濟效益

注：每房烤煙的用工包含煙葉的采收、編竿、裝炕、烘烤、卸煙和最后分級扎把的整個過程，其中工價按每個工人80元/d計算。

2.5助燃風機保護器

從表6可以看出，不同處理烤房的助燃風機在運行狀態下，風機機殼表面溫度與環境溫度差值的平均值之間的差異沒有達到顯著水平，這是因為風機運轉時爐膛溫度無法倒竄，同時吹出的風也為風機進行散熱。在停機狀態下，精益控制烤房的助燃風機機殼表面的溫差值與對照烤房之間的差異達到了極顯著水平，這說明在停機時保護器能有效降低風機機殼表面的溫度，起到保護風機電機的作用。

表6　不同處理烤房助燃風機機殼表面與環境溫差值的差異分析

注：溫差值為風機機殼表面溫度與采集時風機所處環境溫度的差值。

從表7可以看出，在2014年使用助燃風機保護器之后，相比較于2013年，風機損壞的數量大大降低，故障率也由34.1%降低到了2.4%，大大延長了助燃風機的使用壽命。

表7　助燃風機保護器的保護性能統計表

3結論與討論

煙葉烘烤是一個煙葉失水和煙葉變黃相互協調的過程[10-14]。烤房裝煙室內的溫度和濕度狀態會影響煙葉的變黃和失水的速度以及他們的協調程度，進而影響煙葉的烘烤質量[15-18]。因此，精確地控制烤房內的溫、濕度狀態是使用密集烤房烘烤的重要內容。

精益控制烤房通過自控儀和變頻器的無極變頻控制循環風機的風速、風壓和風量，配合閘火門的自動啟閉，顯著提高了裝煙室的溫濕度控制精度，能顯著改善煙葉外觀質量，烤后煙葉均價提高了16.94%、耗煤減少9.6%、耗電節約31.3%、烘烤能耗成本降低13.4%、千克干煙烘烤的能耗成本降低了13.03%、千克干煙的烘烤收益增加了27.11%。使用助燃風機保護器后，能夠顯著降低助燃風機在停機時風機機殼外表溫度，平均降低4.71 ℃。另外，還能很好地阻隔爐膛高溫高濕空氣傳導到風機，有效保護風機，延長了風機的使用壽命。

煤炭烘烤時排放的尾氣給環境造成的壓力也不容忽視，所以太陽能輔助烤房、熱泵烤房等相繼而生并成為行業研究的焦點，然而這些烤房的建造成本太高，無法大面積推廣。此外，爐膛火力取決燃煤的發熱量，自控儀不能直接控制，限制了精益控制烤房控溫精度的進一步提高。如何設計減污裝置或選用清潔燃料如生物質燃料[11-15]，降低烘烤的污染，提高烤房對于加熱系統的控制精度將是密集烤房精益控制的重要方向，筆者也將積極開展有益的探索。

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(責任編輯：曾小軍)

Effect of Lean Controlled Curing Barn on Tobacco Curing

HUANG Guo-qiang1, CHEN Dao-ying1*, CHEN Juan2, JIA Jian3, XIE Yang-jun1, GUO Song1

(1. Ningxiang Branch of Changsha Municipal Tobacco Company in Hunan Province, Ningxiang 410600, China; 2. Changsha Municipal Drive Source Electrical Technology Limited Company, Changsha 410600, China; 3. College of Tobacco Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

Abstract：In order to improve the curing quality of tobacco leaves and automatic curing level of curing barn, installed automatic frequency control instrument, automatic chimney gate door and combustion supporting wind machine protector to improve the degree of bulk curing barn lean control and improve the baking quality. The results showed that cured by lean controlled curing barn significantly improved the control precision of temperature and humidity inside the loading room, significantly improved the appearance quality of the flue-cured tobacco leaves, and the cost of energy consumption was reduced by 13.40%, and the earnings of per kg tobacco leaves after curing increased by 27.11%. Combustion fan protector significantly lowered the temperature of the surface casing when combustion fan stopped, and greatly reduced the attrition rate of the fan.

Key words：Bulk curing barn; Automatic frequency conversion; Automatic chimney gate door; Combustion fan protector; Energy saving; Lean control

收稿日期：2015-09-26

基金項目：湖南省煙草公司長沙市公司科技項目(CYKJ2014-09)。

作者簡介：黃國強，男，湖南寧鄉人，從事煙葉烘烤工藝研究。*通訊作者：陳道穎。

中圖分類號：S572

文獻標志碼：A

文章編號：1001-8581(2016)04-0053-04