果蔬烘干机在烟叶烘烤中的应用探讨

杨 闽，姜永雷，刘雄佩，唐国俊，周玉龙，朱艳梅

（1.北京航空航天大学云南创新研究院，云南 昆明 650233；2.云南省烟草农业科学研究院，云南 昆明 650021；3.云南省烟草公司文山州公司，云南 文山 663000）

0 引言

烟草为云南省的重要支柱产业，也是我国最重要的经济作物之一。在整个烟草农业生产中，烟叶烘烤是用工最多、耗时最久、人力物力投入最大的环节。烟叶烘烤一直是影响烤烟品质特性的重要工艺之一，与烟农的收入密切相关。

我国烤烟以分散种植方式为主导，特别是西南烟叶种植区地形特殊,单户种烟面积集中在0.2～0.3 hm2之间,种植区域分散不集中，存在很多制约规模化种植的因素，且烟叶烘烤对于烤烟价值的影响比重达到50%以上，导致烟叶生产对烤房的需求发生了改变[1]。近年来随着国家惠农政策的实施，果蔬烘干机进入了地方财政补贴名单，其发展势头迅猛，故在烟叶烘烤环节推广果蔬烘干设备显得十分必要[2-3]。各地政府围绕自身地域的烟叶种植情况，因势利导，积极加大应用果蔬烘干机进行烟叶烘烤的力度。果蔬烘干机用于烘烤烤烟既满足了烟叶烘烤的质量，又结合农户分散烘烤的实际需求，已被广大烟农所认可和接受，是目前较为理想的烤烟烘烤方式，是种烟农户提质增效的重要举措[4]。随着果蔬烘干机技术的推广应用，根据季节的差异，除烘烤烟叶外还可烘干辣椒、花椒、核桃和三七等农特产品，使果蔬烘干机能一机多用，以期获得较好的经济和社会效益[5]。

目前，果蔬烘干机已经并将继续在云南省山地烟区范围内高速推广应用，由于缺乏健全的产品标准，果树烘干设备质量参差不齐，其在烟叶烘烤中的应用还存在着许多不足。果蔬烘干机在烟草烘烤中适用与否是保证烘烤工艺能否正常进行的关键，设备不适合，工艺将无法实现，故需对果蔬烘干机应用在烟叶烘烤存在的问题进行讨论。

1 果蔬烘干机在烟叶烘烤中的应用现状

云南省由于山多地少，全省150 多万户烟农，种烟面积在0.33～0.67 hm2的约120 万户，烟叶以家庭种植模式为主，每炉烘烤能力在0.33～0.53 hm2的小型烤房仍然是承担烟叶烘烤的主要设施，果蔬烘干机在2011 年进入农机补贴名单，因占地少、离家近，烘烤值守、烟叶装卸方便，节本增效明显等特点，深受烟农欢迎。据相关统计，云南省果蔬烘干机2018 年补贴22 785 台，2019 年补贴25 654 台，2020 年补贴32 290 台[6]。

近年来云南省推广应用在烟叶烘烤中的果蔬烘干机绝大部分采用热风循环模式，以空气为干燥介质，以燃煤供热为主，供热设备普遍采用常规碳素钢焊接制作，烘干室采用箱体形式由聚苯乙烯保温板材拼装而成，烘烤容积可依据农户需求调整，常见为20～60 m3多种不同规格，烘烤层数为2～3 层，一般长4.0～6.0 m，宽2.4～2.8 m，高2.4～3.5 m，每炉可烘烤0.33～0.53 hm2左右的烟叶。果蔬烘干机已成为家庭种植最简单、最有效的烘烤手段，其在烟叶烘烤过程中的推广应用为我省烟叶生产和提质增效提供了可行措施。该项措施具有以下优点：一是节约能源，此类烘干机与传统自然通风烤房相比具有控温更精确的特点，可有效减少能源的使用；二是显著降低了成本，一家一户在房前屋后安装果蔬烘干机，方便管理，自由灵活掌握烘烤时间，避免集中烘烤排队现象，节约了部分运输成本和烘干费用；三是减少损失，提高品质，家庭种植能保证品种一致，长势一致，分类编烟标准一致，烘干机配置了通风、排湿、温湿度控制系统，可实现对烘烤过程中温湿度的精确控制，不会出现青筋霉筋现象，其烤出的烟叶光泽度好，烟叶质量等级有所提高，有效增加了烟农收入，同时果蔬烘干机闲置期亦可用于其他农特产品的烘干，提高其利用率。

2 果蔬烘干机在烟叶烘烤中存在的问题

2.1 保温性能差，热能损失严重

果蔬烘干机的箱体是由聚苯乙烯保温板拼接而成的，相邻夹心保温板之间的接缝通常为平缝，接缝内往往是喷射发泡胶密封，发泡胶易在紫外线的作用下变黄、硬化，再加上外墙常承受风荷载的影响，发泡胶与夹心保温板之间的粘结易出现松动，导致密封失效。烘干室内超过70 ℃时聚苯乙烯会开始收缩，尤其是接缝处的收缩现象最为严重，收缩现象会引发烘干室渗漏，出现墙体漏气、房顶漏水，进而导致烘干机严重的热能损失，一定程度上降低其保温性能。

2.2 燃烧炉材质腐蚀严重

根据近年来烟农使用果蔬烘干机烘烤的反馈情况来看，果蔬烘干机中的锅炉在高温下出现裂缝，不仅导致热量的有效性供应不足，还会发生烟气中二氧化碳和二氧化硫等有毒烟气流入烤房，致使烤烟中毒。

2.3 循环风机配置单一

果蔬烘干机大多采用220 V 循环风机，风机不稳定，风速单一。风机风量过大时会导致烤房过度排湿，烟叶吹干过快，风量不足时又会导致烤房排湿不畅，出现烟叶烤黑的问题，且烤房属高温高湿环境，普通风机在此环境下工作容易损坏或停机，影响烟叶的烘烤质量。

2.4 烘烤工艺执行不到位

果蔬烘干机中的很多设计标准和密集型烟叶烤房不一致，如烤房规格、所用材质和烘烤过程参数设定等。在烘烤工艺选择上盲目的参考密集型烤房的工艺标准，导致烟叶在烘烤过程中温湿度关键参数异常，进而引发烤坏烟叶的现象。据相关统计，采用常规烟叶烤房烘烤烟叶时损失率平均为6.7%，使用果蔬烘干机烘烤烟叶时损失率在10%～15%之间，高于常规烤房烘干烟叶时的损失率。

2.5 缺乏统一规范，质量参差不齐

云南省果蔬烘干机生产企业数量较多。由于相关补贴政策不够完善，为满足产品功能多样化的需求，各企业研制了各式各样的果蔬烘干机，其定价也无统一标准。并且，当前果蔬烘干机的生产没有形成统一的国家标准和行业标准，云南省仅有团体标准，无地方标准，各企业都是按团体或企业标准进行生产，产品质量参差不齐。

3 解决方案和工艺路线的选择

针对上述问题，本文通过对比果蔬与烟叶2 类烘干设备的不同之处，对果蔬烘干机在烟叶烘烤中需调整之处进行研究，并提出以下解决方案和工艺路线。

果蔬烘干机构造主要由供热室（含供热燃烧炉、助燃风机、循环风机、温湿度控制箱、进风排湿系统）和烘干室2 部分组成。工作原理主要有升温、排湿和控制三大过程，与烟草行业推广的密集烤房烘烤原理完全一样，果蔬烘干机结构如图1 所示。

图1 燃煤加热式热风循环果蔬烘干机示意图

“果蔬干制”与“烟叶调制”存在本质区别，前者是将果蔬内含水分脱出一部分，防止果蔬腐败变质，最终加工成商品的过程[7]；后者是烟叶脱水干燥的物理变化过程和叶内生理生化变化过程的协调统一，是烟叶内碳素和氮素代谢及水分的协调变化，通过调制使烟叶朝高质量高品质的方向发展，达到烤黄、烤香和烤干的目的[8]。图2 是烟叶烘烤过程中其变化及品质的形成关系。

图2 烟叶在烘烤过程中各种变化及其品质形成的关系

热风循环和强制通风是密集烤房的两大特点，通过热风提供烟叶变黄和干燥的科学温度环境。目前果蔬烘干机应用于烟叶烘烤中应着重注意解决以下问题。

3.1 保温材料选材配置

果蔬烘干机采用单层保温层，当计算基准采用单位面积平壁时，因烘干室厚度与长宽度相比小很多，可将其看作无限大的平壁[9]，设烘干室室内介质（空气）温度为70℃，烘烤季节密集烤房外周围温度按夜间最低气温5℃，生产限定单位面积上热损失不得超过50W，其保温层厚度T按下列公式计算

式中：

T——保温层厚度，m；

λ——保温材料导热系数，W/（m·K）；

q——单位面积上允许最大热损失值，W/m2；

t1——保温层内表面温度，K（℃）；

t2——保温层外表面温度，K（℃）。

以硬质聚氨酯泡沫保温层为例，得保温层厚度为

若用其它材料作为保温层，按相同公式可得出相应的T 值，结果见表1。

表1 保温材料的主要技术指标及保温层厚度

保温层厚度选择宜按10 mm 为分级单位，保温层内外金属保护层应采用厚0.3～0.8 mm 的镀锌薄钢板，采用搭接或咬接对金属护壳进行接缝，且严禁刺破防潮层。华中科技大学煤燃烧国家重点实验室对聚苯乙烯板、岩棉板、聚氨酯板3 种常用保温材料进行保温及耐温性能分析[10]，测试结果如表2。

表2 不同材料的保温参数

结果表明，当温度超过80℃时，虽略高于烤房内干筋期温度（68℃），但此时聚苯乙烯颗粒收缩情况严重，从安全角度考虑不宜选用；聚氨酯板导热系数最低为0.02，保温性能较好，耐温极限可达150℃，远高于烤房干筋期温度，安全性较高，升温性能和保温性能也明显优于常规砖混结构烤房[11]，具有安装方便和成本低的优点，同时具有较好的防潮性和较长的使用寿命，符合目前烟叶烘烤保温材料的性能需求。

3.2 金属供热设备材质

燃煤含硫量偏高，当烟气处理系统处理含硫烟气时，在露点温度下易形成硫酸而腐蚀设备，这种现象称之为“硫酸露点腐蚀”[12]。由于Q235 钢和普通低合金钢的耐硫酸腐蚀性能很差，硫酸会对接触的金属材料造成严重腐蚀，大幅缩短了设备的使用寿命。金属供热设备材质应选用厚度不小于4 mm 且耐硫酸腐蚀性能好的合金钢[13]，延长金属供热设备的使用寿命，达到烟草烘烤设备要求。

3.3 循环风机选型设计

循环风机在密集烘烤中的作用是提供足够的风量、风压，并适当提高烟叶间隙风速，使烟叶达到脱水、变黄、定色和干燥的目的。为保证烟叶烘烤质量，烘烤过程中循环风机不可中途停机，不可风速过小或过大，更不可在烘烤过程中因高温高湿环境下损坏或停机，因此要求循环风机耐温耐湿、安全可靠且便于更换。

选择风机时，其排风量应满足装烟室烟叶烘烤风量要求。根据试验和调查，结合云南烟叶实际状况，需选用风量15 000 m3/h 以上，全压170～190 Pa，静压不低于70 Pa，整机最高全压效率70%以上，非变频调节装置效率不低于58%的循环风机，且为提高循环风机在高温高湿环境下的耐用性和可靠性，其电动机绝缘等级需在F 级以上，防护等级需在IP54级以上。

3.4 烘烤工艺规范执行

排湿口面积与进风口面积的大小对密集烤房通风排湿能力及自动控制能力有着重要的影响，二者主要关系到烘干机通风排湿的顺畅性以及排湿控制的准确性。通过云南烟区试验及生产实际验证对比得知烘干机进风面积为0.06～0.08 m2/100 竿，排湿面积为0.08～0.11 m2/100 竿时，通风排湿顺畅性和排湿控制准确性都能得到保障。

换热器的散热面积大小、散热管的直径大小、烟囱的大小和出烟面积与烤房最大烘烤能力相关。密集烘烤设备在烟叶烘烤过程中每个阶段的热量消耗是不一致的，因此一般要求以烘烤过程中排湿量最大、烘烤季节室外温湿度最低、需热量最大时为设计基础。经过实际验证，换热器的散热面积一般为8.0～12.0 m2，散热管的直径大小一般为120～140 mm，烟囱的高度一般为5.8～6.0 m，出烟面积一般为0.022～0.030 m2。在推广果蔬烘干机进行烟叶烘烤时需根据烤房的实际大小和烟叶的烘烤量制定相应的烘烤工艺标准，避免烘烤工艺执行不到位造成烟叶的损失。

3.5 制定地方标准

云南省应根据果蔬烘干机生产现状制定统一的地方标准，完善相关补贴政策，规范定价标准。各果蔬烘干机生产企业可依据地方标准进行生产制造，提升和保证果蔬烘干机的质量，依据定价标准规范定价，促进果蔬烘干机的应用与推广。

3.6 推广鉴定

由于果蔬烘干机标准由各企业自行制定，故果蔬烘干机缺乏统一的产品质量标准，其各省分档标准也存在差异（如表3 所示），目前对果蔬烘干机统一分类存在难度，其作业质量的优劣也难以做出准确评价，对国家惠农政策的贯彻实施形成阻碍，甚至在一定程度上会造成农民的损失。

表3 各省市果蔬烘干机购置补贴分类归档统计表

制定统一的标准能促进我国果蔬产业的进一步发展，使我国果蔬烘干设备企业的布局和生产朝合理化和规范化方向发展，对果蔬烘干设备的质量也具有监督管理作用，为使用者的权益提供合法保障，并且能加快我国果蔬产品的商业化进程[14]。

使用有效度是对果蔬烘干机可靠性评价的指标，我国农机考核时间大多为18 h。烘干物料、烘干工艺和烘干作业时间不同，考核时间应根据烘干物料、工艺和周期进行调整。当考核时间过长时，评价结果对生产企业不利；当考核时间太短时，不仅无法体现相关问题，达不到考核目的，而且会对用户的后期使用造成不便。为保证试验的完整性，考核时间应为完整的干燥周期[15]。综合考虑设备、用户和操作实施等因素，将果蔬烘干机应用于烟叶烘烤考核时间定为连续烘干不少于2 个干燥周期，且累计作业时间不低于240 h。

4 结论与展望

目前，云南省烟叶烘烤设备需求逐年增加，果蔬烘干机在烟叶烘烤过程具备良好的应用与推广价值。针对目前果蔬烘干机在烟叶烘烤过程中存在的应用与推广问题，系统分析了云南省果蔬烘干机在烟叶烘烤工作过程中的使用情况和具体问题，基于此进行了果蔬烘干机的关键部件选型、设计和优化，建立了果蔬烘干机烟叶烘烤工艺标准。并且，为进一步提高果蔬烘干机对烟叶烘烤的适用性，根据上述调整方案对果蔬烘干机进行了工作和结构参数调整，严格按照制定好的烘烤工艺标准进行了果蔬烘干机烟叶烘烤试验，在文山州80 hm2烟叶烘烤试验中取得了良好的效果，得到了烟农的一致好评，促进了果蔬烘干机在烟叶烘烤过程中的应用与推广。