基于物聯網的不同熱源烤房烘烤效果探究

何明興，靖軍領，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)

煙葉調制是獲得優質煙葉和提高工業可用性的關鍵基礎。近年來，密集烤房在各大煙區得到廣泛推廣與應用，有效降低了煙葉的烘烤難度，減少了勞動強度，節約了烘烤成本，煙葉烘烤質量得到提高，在促進適度規模種植、提高煙農效益、節能降本方面發揮著重要的作用[1]，對推進現代煙草農業發展具有重要的現實意義。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，對環境造成傷害[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。當前，“綠水青山就是金山銀山”發展理念逐漸成為國際共識，為助力打贏藍天保衛戰，響應國家節能減排的號召，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展的主要方向和必然趨勢[4]。同時，隨著社會經濟的高速發展和城鎮化步伐的加快，農村勞動力大量轉移，煙葉種植布局不斷發生變化，在煙農老齡化、戶均種植規模不斷擴大以及工業企業對原料要求更高的情況下[5]，傳統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、節能環保的煙葉烘烤模式迫在眉睫，以保證煙葉生產可持續健康發展。

翠碧一號是三明煙區的主栽品種，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、設備的要求較為嚴格[6]。本項目通過基于物聯網系統安裝運用，對比分析兩種類型熱泵烤房、生物顆粒烤房、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量，以期為今后新能源烤房的推廣應用及改進提供科學的參考依據。

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儒元核心示范區，大田栽培水平、煙葉成熟落黃程度、鮮煙葉素質相同。供試密集烤房為一座生物顆粒烤房和一座燃煤烤房，采用同一部位煙葉于同一時間進行采收，統一綁竿裝烤。

1.2 處理設計

以改造后的熱泵烤房作為試驗處理，傳統燃煤烤房和生物質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。處理A安裝福建奧托康熱泵設備和物聯網可視化烤煙控制系統；處理B安裝安徽中科熱泵設備和物聯網可視化烤煙控制系統；對照1以燃煤為熱源，安裝福建奧托康物聯網可視化烤煙控制系統；對照2安裝生物質顆粒燃燒機，以生物顆粒燃料為熱源，安裝福建奧托康物聯網可視化烤煙控制系統。

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，停火時電表讀數減去點火時電表讀數即為每個烤房耗電量，烘烤結束后累加單次加煤量或生物質顆粒用量，能耗成本=耗煤(電)量×單價÷烤后干煙重。各處理按標記的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。

為驗證采集節點收集到的干/濕球溫度數據的精準性，以監測系統采集到的數據為監測值、標準水銀溫度計顯示的數據為標準值，每隔2 h分別記錄1次干/濕球溫度的標準值和監測值。

1.4 物聯網可視化烤煙控制系統構架圖及功能

圖1是基于實時大數據的烤煙房在線監控平臺，能夠應用標準化的接口技術整合各烤煙設備中的實時數據；利用大數據技術集中存儲、管控實時數據；利用云計算、移動互聯技術讓煙技員或煙農在手機上監視并且控制烤煙生產過程(可以遠程設定、修改溫濕度控制曲線)；提供曲線、柱狀圖、趨勢預警、搜索、大數據目錄、接口監控管理等多種形式的數據分析、數據管理工具。

圖1 物聯網可視化烤煙控制系統

2 結果與分析

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。與傳統燃煤烤房相比，兩種熱泵烤房的用工時數、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；生物顆粒烤房用工大于兩種熱泵烤房，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粒烤房、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粒烤房，其中福建奧托康熱泵烤房最低，其次是安徽中科熱泵烤房；生物質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量，智能熱泵密集烤房和生物質顆粒密集烤房的烤后煙葉質量總體評價較好，主要表現在煙葉顏色橘黃、油分較足、色度強，青筋煙率和雜色煙率均較低。外觀質量表現最差的是常規燃煤烤房，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溫控溫性能較好，烤出的煙葉外觀質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產值有所不同，其中新能源熱泵烤房的三項指標最高，其次為生物質顆粒烤房，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產值分別提高237.85元和181.31元，生物顆粒烤房的煙葉各項指標也明顯提高。說明采用智能熱泵、生物質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，其次為生物質顆粒密集烤房，且兩者都高于常規密集式烤房，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、香氣量、細膩度、余味均表現較佳，其中總體表現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，低于評分數字相同的燃煤烤房和生物顆粒烤房；福建奧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粒烤房；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。總體來看，兩種新能源電烤房處理的風格特征和質量特征評價的分值明顯高于燃煤及生物顆粒處理，感官質量評吸表現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 溫濕度精確統計

從表7可知，新能源熱泵烤房溫濕度控制靈敏，穩溫控穩性能明顯優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，干球溫度與目標值的差值范圍在0.9 ℃以內，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，多數情況兩個熱泵烤房的干球溫度與目標值的差值范圍在0.3 ℃以內；濕球溫度與目標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，生物顆粒燃料烤房在1.1 ℃范圍內，燃煤烤房在1.5 ℃以內。根據手機APP干濕球監測值與實際溫度來看，福建奧托康的可視化監測系統的靈敏度最高，與實際溫度的差值范圍在0.9 ℃以內，安徽中科的可視化系統的干濕球監測值與實際溫濕度的差值在1 ℃以內。

表7 不同處理溫濕度的統計情況

3 討論

當前，我國絕大部分密集烤房依然還是以煤作為燃料，對人員的操作技術要求較高，特別是燒火的技術，會不會控火直接關系著能不能烤出好煙，勞動強度也比較大。本研究結果初步說明，兩種熱泵烤房和生物質顆粒烤房均能夠減少用工和降低勞動強度，發揮了熱泵、生物顆粒供熱的優勢，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，充分發揮“烘烤師”小組長的優勢，集中管理生產單元內7～9座烤房，煙農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、可調的手機APP操作系統，具有自動報警提示功能，當實際溫濕度值與目標值相差超過一定范圍后，會自動提示煙農做出相應的調整，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。隨著科學技術的進步，智能手機的普及，這種可視、可控、可調的手機APP操作系統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。

在烤后煙葉質量方面，本研究表明，兩種類型的熱泵烤房和生物顆粒烤房的初烤煙葉總體外觀質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，當需要升溫時，燃煤烤房會出現滯后，短時間內燃燒慢，升溫慢；穩溫時，已經燃燒的煤炭難以得到快速控制，導致實際溫度值與目標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，穩溫性能好，烤后煙葉油分較足、色澤鮮亮、青雜煙數量較少，與王攀等[7]研究新能源熱泵烤房與燃煤烤房、生物質烤房烘烤效果比較的結果基本一致。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，表現為結構疏松，身份適宜，油分更多，色度更強，各指標均衡性較高，主要化學成分含量均在適宜范圍內，濃度、勁頭適中，香氣質、香氣量、透發性較高，雜氣、刺激性較少，感官質量較好，整體質量均衡性較高。

在成本投入方面，生物質顆粒來源不穩定，受價格波動較大，質量也好壞不一，在推廣上受原料影響較大，但改造方法相對簡單，政府和行業補貼較大，改造成本較低，只需在原有烤房添加生物質燃燒機和自控儀即可，且烘烤過程中升溫、穩溫性能好，燃燒充分，對空氣污染小，節能環保，在生物質顆粒來源供應充足、價格穩定的情況下，具有較大的推廣前景[9]。新能源熱泵烤房具有提質、增效、減工、降本、操作簡捷的優勢，隨著國家藍天保衛戰的打響，國內烤煙電價持續穩定，設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年內陸續實現“電代炭”，省市和行業補助80%，福建三明市工信局、三明煙草專賣局、三明供電公司聯合在寧化試點推行全電智能烤煙技術，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展趨勢，有利于實現烤煙綠色烘烤和推進煙葉可持續健康發展。

綜合以上不同類型密集烤房用工、能耗、烤后煙葉質量與效益比較，新能源熱泵密集烤房和生物質顆粒密集烤房具有明顯優勢。同時，發展適度規模種植是穩定規模、穩定煙農的重要舉措，新型煙葉經營主體的生產組織方式必須由傳統模式走向現代化[10]，煙葉烘烤作為煙葉生產的最后一個環節，基于可控、可視、可調物聯網下的新能源熱泵烘烤和生物顆粒燃料供熱是替代常規燃煤密集烤房的必然趨勢。鑒于熱泵設備成本高、改造費用多、牽扯部門廣、維保、基礎設施保障要求高，目前國家和行業尚未出臺明確的補貼政策，大部分煙區還處于試點推廣階段，但它是推動煙葉生產走向智能環保、綠色安全的主要方向，未來具有較大的推廣運用價值。