精益控制烤房对烟叶烘烤的影响研究

黄国强，陈道颖*，陈 娟，贾 健，谢扬军，郭 松

(1.湖南省烟草公司 长沙市公司 宁乡县分公司，湖南 宁乡 410600；2.长沙市驱动源电气技术有限公司，湖南 长沙 410600；3.河南农业大学 烟草学院，河南 郑州 450002)

精益控制烤房对烟叶烘烤的影响研究

黄国强1，陈道颖1*，陈 娟2，贾 健3，谢扬军1，郭 松1

(1.湖南省烟草公司 长沙市公司 宁乡县分公司，湖南 宁乡 410600；2.长沙市驱动源电气技术有限公司，湖南 长沙 410600；3.河南农业大学 烟草学院，河南 郑州 450002)

摘要：为进一步提高烟叶的烘烤质量和烤房的自动化烘烤水平，通过安装自动变频控制仪、自动烟囱闸火门和助燃风机保护器来提高密集烤房精益控制程度，改善烘烤质量。结果表明：使用精益控制烤房烘烤烟叶能显著提高烤房对装烟内温湿度的控制精度和烤后烟叶的外观质量，烘烤的能耗成本降低了13.40%，每千克干烟的烘烤收益增加了27.11%；助燃风机保护器能够显著降低助燃风机停机状态下机壳表面的温度，并大大减少风机的损耗率。

关键词：密集烤房；自动变频；自动烟囱闸火门；助燃风机保护器；节能；精益控制

烟叶烘烤是烤烟生产中的一个重要环节，烟叶烘烤质量决定着烟叶作为卷烟工业原料的可用性价值[1]。烟叶烘烤是一个大量耗热的过程，煤炭是目前中国烤烟烘烤的最主要燃料，在中国每烘烤1 kg干烟叶，耗煤量一般为2.2～3.2 kg，热能利用率仅为20%[2],能源浪费严重。然而太阳能烤房[3]和热泵烤房[4]等新型能源烤房也成为了降低烟叶烘烤能耗的一个新的焦点，但由于这些烤房的建造或改造成本较高[5]，不可能大面积推广。因此降低密集烤房的烘烤能耗、减少建造成本、提高烘烤的智能化水平，成了密集烤房的一个重要发展方向。然而在烤房变频调速技术方面的研究较多[6-7]，但是通过变频自控仪和自动烟囱闸火门对烤房实施精益控制的研究还很少。本研究从烤房的精益控制入手，通过革新技术设备、改善工艺和管理相结合的方式，探究一种能够降低改造成本，同时能够提高烟叶烘烤质量、降低能耗和设备损耗的新途径。

1材料与方法

1.1试验材料

试验于2014年在湖南省长沙市宁乡县黄材富源合作社和大屯营镇郁金合作社进行。供试品种为云烟97，试验选用的烟叶来自同一农户同一地块长势长相优良且成熟度好的烟叶。供试烤房为气流下降式密集烤房,加热系统为新型复合材料，装烟室规格为8.0 m×2.7 m×3.5 m，装烟3层2路。配置电机额定频率为2.2 kW，最大转速为1440 r/min。配置循环风机为7号轴流风机，叶片4个，转速1440 r/min时风量15000 m3/h。

1.2试验设计

选取鲜烟叶素质基本一致的成熟烟叶进行编竿，每个处理20竿，分别挂置在供试烤房和参照烤房中棚和下棚的中间位置，每层10竿，挂牌标记。烤房装烟密度基本一致，每座装烟480竿。

本试验共设2个处理，每个处理重复5次。处理烤房(T)安装长沙驱动源电气技术有限公司研制的变频烘烤控制仪，全程0～60 Hz(0～1440 r/min)连续自动变频无极调节循环风机转速；安装自动启闭烟囱闸火门(长沙市烟草公司宁乡县公司专利)，即根据装烟室的温度状态，自控仪自动控制循环风机风量、风压以及分步打开或关闭闸火门(在全关状态下留有相应防爆安全空隙)；安装助燃风机保护器(长沙市烟草公司宁乡县公司专利)机械方式阻止炉膛热量倒串，保护助燃风机。对照烤房(CK)为原设备控制密集烤房，手动调节4/6级循环风机转速，即变黄阶段(42 ℃以前)为720 r/min,定色阶段(43～54 ℃)为1440 r/min，干筋阶段(55 ℃)为720 r/min。无闸火门和助燃风机保护器。各处理烤房均严格按照三段式烘烤工艺烘烤(表1)。

表1　三段式烘烤工艺技术参数

1.3测定项目和方法

1.3.1烤后烟叶的外观质量由湖南中烟技术中心组织专家参照“GB 2635─1992 烤烟”标准[8]对挂牌标记的回潮后的试验烟叶进行逐片分级，统计各个等级以及达不到等级的烟叶重量，计算出中上等烟和橘黄烟的比例。并以颜色、成熟度、结构、身份、油分和色度6项指标作为烤烟外观质量评价指标，各指标权重分别为0.30、0.25、0.15、0.12、0.10、0.08。采用指数和法评价烤烟外观质量状况。

1.3.3烟叶烘烤能耗成本记录每房烤烟从开始点火到最后烘烤完毕所消耗的煤炭量和电量，比较不同处理烟叶烘烤的千克干烟平均耗煤耗电量，计算出相应的能耗成本。

1.3.4装烟室温湿度控制精度每隔4 h记录1次烤房干球和湿球的目标值和实际值，比较不同处理烤房的测量精度和控制精度。

1.3.5助燃风机保护器分别于每日9:00、15:00、21:00采集1次助燃风机的机壳温度，分别统计助燃风机在停机和运转状态下的外壳温度最大值。

1.4数据统计和分析

采用SPSS 21.0和Excel 2013对数据进行分析和处理。

2结果与分析

2.1不同处理烤房对装烟室温湿度的控制精度

由表2可以看出，不同处理烤房装烟室内干球温度的偏高和偏低值，以及湿球温度的偏高和偏低值之间的差异都达到了极显著水平。与普通密集烤房相比，精益控制烤房的装烟室内干球温度的偏高值和偏低值分别低0.41和0.30 ℃；湿球温度的偏高值和偏低值分别低0.41和0.32 ℃，除湿球温度偏高值的变异系数略高于对照烤房外，其他指标的变异系数都低于对照烤房。说明采用本项目的设备后，能显著提高装烟室的温湿度控制精度，有利于精准执行烘烤工艺。这可能是因为全自动变频控制仪能够根据烤房装烟室内的需要自动变频调节循环风机、助燃风机、自动烟囱闸火门的运行状态，因而能够尽可能地保证装烟室内的温湿度状态以较小的幅度波动。

表2　不同处理烤房装烟室内干湿球温度偏差值的独立样本T检验

注：*、**分别表示在0.05、0.01水平上的显著性；F为Levene检验对应的检验值；Sig.为双侧检验的显著性。下同。

2.2不同处理烤房烤后烟叶的外观质量

烟叶的外观质量作为烟叶质量评价中的一个重要部分，可反映烟叶的商品等级质量[9]。由表3可以看出，在不同处理烤房烤后烟叶的外观质量评价中，每个指标的Levene检验的F值均大于0.05，表明各个指标的方差均齐性。不同处理烤房烤出的烟叶叶片颜色和成熟度之间的差异不显著，叶片色度之间无差异。但是，叶片结构和最终的加权得分之间的差异达到了极显著差异水平；叶片身份和油分之间的差异也达到了显著差异水平。实施精益控制烤房烤出来的烟叶的叶片结构的变异系数为3.19%，远远低于普通密集烤房烤出来的烟叶的叶片结构的变异系数，说明精益控制烤房烤出来的烟叶的叶片结构变化更加趋于稳定，这可能是由于精益控制烤房装烟室内相对于普通密集烤房更加稳定的温湿度状态，更加有利于烟叶烘烤过程中叶片内部化学成分的转化以及叶片外在物理形变的发生，也就有利减小叶片结构之间的差异。这种较为协调的内在化学成分状态和较为稳定的叶片结构外化到烟叶外观质量上的表现也较为稳定，所以使用精益控制烤房烤出来的烟叶外观质量打分的变异系数低于普通密集烤房。

表3　不同处理烤房烤后烟叶外观质量的差异分析

2.3不同处理烤房烘烤烟叶的能耗成本

由表4可以看出，与对照烤房相比，实施精益控制烤房烘烤烟叶的耗煤和耗电均较对照烤房节省。使用精益控制烤房烘烤烟叶的千克干烟耗电量较低，为0.29 kW·h，较对照节约了31%；千克干烟耗煤量为2.29 kg,较对照节约了9.2%。这可能是由于精益控制烤房的自控仪可以根据烤房装烟室内的需要进行变频调节循环风机以合适的频率运行，从而减少了耗电量；稳温时，自动烟囱闸火门逐步关闭来取消烟囱拔火，改善燃烧条件，从而减少温度过冲，降低热量浪费，相应地节省了烘烤过程中的燃煤用量。使用精益控制烤房烘烤的煤耗和电耗的总成本为940.8元/房，而对照烤房的能耗总成本为1086.6元/房，能耗成本减少145.8元/房，节约了13.4%；千克干烟烘烤的能耗成本也较对照烤房减少了0.31元，节约了13.03%。这说明采用使用精益控制烤房进行烘烤，能够明显降低烟叶烘烤过程中的煤耗和电耗，节约烘烤的能耗成本。

表4　不同处理烤房烘烤烟叶的能耗成本

注：本研究使用的燃煤种类为12孔蜂窝煤，平均重量为0.99 kg/块(湿煤)。燃煤价格按800元/t、电费0.65元/kW·h计算。

2.4不同处理烤房烘烤烟叶的经济效益

从表5可以看出，不同处理烤房烤后烟叶的上中等烟比例、橘黄烟比例以及均价也有差异。相对于普通密集烤房，实施精益控制烤房烤出的烟叶中上等烟比例提高了4.13%，橘黄烟比例提高了25.04%，均价增加了2.44元，较对照提升了16.94%。这可能是由于使用精益控制烤房烘烤烟叶的过程中，装烟室内较为稳定的温湿度状态，有利于烟叶的变黄和失水干燥，进而有利于形成质量较优的烤后烟叶。不同处理烤房烤出烟叶的人工成本相差不大，但使用精益控制烤房烘烤的千克干烟能耗成本降低了13.03%，总体来说，精益控制烤房烘烤烟叶的千克干烟收益较对照烤房增加2.76元，提升了27.11%，有利于增加农民的收益。

表5　不同处理烤后烤房烘烤烟叶的经济效益

注：每房烤烟的用工包含烟叶的采收、编竿、装炕、烘烤、卸烟和最后分级扎把的整个过程，其中工价按每个工人80元/d计算。

2.5助燃风机保护器

从表6可以看出，不同处理烤房的助燃风机在运行状态下，风机机壳表面温度与环境温度差值的平均值之间的差异没有达到显著水平，这是因为风机运转时炉膛温度无法倒窜，同时吹出的风也为风机进行散热。在停机状态下，精益控制烤房的助燃风机机壳表面的温差值与对照烤房之间的差异达到了极显著水平，这说明在停机时保护器能有效降低风机机壳表面的温度，起到保护风机电机的作用。

表6　不同处理烤房助燃风机机壳表面与环境温差值的差异分析

注：温差值为风机机壳表面温度与采集时风机所处环境温度的差值。

从表7可以看出，在2014年使用助燃风机保护器之后，相比较于2013年，风机损坏的数量大大降低，故障率也由34.1%降低到了2.4%，大大延长了助燃风机的使用寿命。

表7　助燃风机保护器的保护性能统计表

3结论与讨论

烟叶烘烤是一个烟叶失水和烟叶变黄相互协调的过程[10-14]。烤房装烟室内的温度和湿度状态会影响烟叶的变黄和失水的速度以及他们的协调程度，进而影响烟叶的烘烤质量[15-18]。因此，精确地控制烤房内的温、湿度状态是使用密集烤房烘烤的重要内容。

精益控制烤房通过自控仪和变频器的无极变频控制循环风机的风速、风压和风量，配合闸火门的自动启闭，显著提高了装烟室的温湿度控制精度，能显著改善烟叶外观质量，烤后烟叶均价提高了16.94%、耗煤减少9.6%、耗电节约31.3%、烘烤能耗成本降低13.4%、千克干烟烘烤的能耗成本降低了13.03%、千克干烟的烘烤收益增加了27.11%。使用助燃风机保护器后，能够显著降低助燃风机在停机时风机机壳外表温度，平均降低4.71 ℃。另外，还能很好地阻隔炉膛高温高湿空气传导到风机，有效保护风机，延长了风机的使用寿命。

煤炭烘烤时排放的尾气给环境造成的压力也不容忽视，所以太阳能辅助烤房、热泵烤房等相继而生并成为行业研究的焦点，然而这些烤房的建造成本太高，无法大面积推广。此外，炉膛火力取决燃煤的发热量，自控仪不能直接控制，限制了精益控制烤房控温精度的进一步提高。如何设计减污装置或选用清洁燃料如生物质燃料[11-15]，降低烘烤的污染，提高烤房对于加热系统的控制精度将是密集烤房精益控制的重要方向，笔者也将积极开展有益的探索。

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(责任编辑：曾小军)

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

基金项目：湖南省烟草公司长沙市公司科技项目(CYKJ2014-09)。

作者简介：黄国强，男，湖南宁乡人，从事烟叶烘烤工艺研究。*通讯作者：陈道颖。

中图分类号：S572

文献标志码：A

文章编号：1001-8581(2016)04-0053-04