节能型远红外热辐射杀青机的设计与试验

任彩红，李 杰，宋志禹，杨 光，梅 松，蒋清海*

（1.农业农村部南京农业机械化研究所，江苏南京 210014；2.日照春茗机械制造有限公司，山东日照 276816）

0 引言

我国茶叶种植面积和总产量均为世界前列，出口量逐年提升，其中绿茶约占80%。杀青是绿茶加工中的关键环节之一，主要核心技术是通过短时高温破坏茶鲜叶中的多酚氧化酶的活性，防止发生褐变，减少出现红梗红叶的现象[1-3]。目前，市场上的茶叶杀青机械主要依靠热传导和热对流的方式进行作业，热效率普遍偏低，同时，杀青品质不稳定，高度依赖于操作工人的经验与操作水平。现有的近红外在线检测技术尚未达到实际生产应用水平，提高加工效率、降低劳动强度、提高自动化水平、降低能耗越来越被市场重视[4]。本文阐述了国内外茶叶杀青机的研究现状，分析了各种杀青技术优缺点，介绍了节能型远红外热辐射杀青机的主要机械构造及工作原理，并对作业效果进行了分析，并在此基础上指出了我国茶叶杀青机研究存在的不足和发展建议。

1 杀青机国内外研究现状

我国自20世纪50年代起便开始应用锅式杀青机，为了提高作业效率，实现连续化作业，70年代后成功研发出了滚筒式杀青机，并迅速在国内外推广应用，日本研发出了蒸汽杀青机并在日本推广应用至今，我国引进了一批但因为风味同国内传统炒青、烘青差异过大，目前只在湖北恩施保留了完整的蒸青加工工艺。21世纪新技术不断引入茶叶加工行业，农业农村部南京农业机械化研究所首创了茶叶微波杀青机，并迅速在全国茶区推广应用，浙江上洋茶机厂研发的热风杀青机解决了滚筒杀青机“水闷气”的问题，目前共有燃气式、燃油式、和燃电式多种形式热风杀青机。浙江余姚研发了一种电磁杀青机解决了传统电加热杀青机预热时间长、能耗高的问题，市场上已广泛应用，另外还有蒸汽加热杀青机、光波杀青机、杀青理条复合机等系列机型成功研发，为茶叶生产提供了多种选择。

目前，国内外杀青机主要有：滚筒杀青机（燃电、燃煤、燃气），微波杀青机、光波杀青机、电磁杀青机、热风杀青机和蒸青杀青机[5]等，如表1所示。滚筒杀青机结构简单、操作方便，是目前应用最广泛的杀青机，但其采用的是热传导式的加热方式，预热时间一般超过30 min，半敞开式结构保温性较差，杀青过程中极易出现“水闷气”和“鱼眼泡”现象，作业完冷却时间较长，能耗高、热效率低[6]。微波杀青机不需预热，杀青叶颜色翠绿、外观评分高，但普遍存在香气不足、不持久的现象，同时存在能耗高、发生器等元器件更换成本高、作业效率同滚筒相比较低等问题，故近年来应用数量逐渐减少。光波杀青机采用微波和红外复合作业，弥补单一微波杀青香气不足的问题，但因设备操作相对复杂、检修周期短，操作不便，故未得到大面积推广应用。电磁杀青机利用高频电场加热滚筒，具有预热速度快、操作简便的特点，能耗较传统电加热滚筒大幅降低，但成本较高。热风杀青机采用热对流的方式快速带走杀青叶表面水分，适合加工含水量大的鲜叶，目前大多数杀青机没有配备热量回收装置，故热效率较低，一般采用天然气或电加热，成本较高[7]。蒸青杀青机利用高温蒸汽穿透性强的特性，使鲜叶快速升温不易焦叶，生产效率高，但茶叶风味与传统加工方式差异较大，故只在部分茶区推广应用。主要杀青装备如图1所示。

表1 国内外典型杀青机技术装备特点

图1 国内外典型杀青机技术装备

目前，市场应用的茶叶杀青装备普遍存在一些问题：①热效率低。滚筒杀青机热效率只有35%左右。②热惯性大，预热和冷却时间长，只能实现简单的通断，金属滚筒加热后无法实现温度精确控制。③数字化程度低。设备加工工艺不标准，同一批设备、统一位置测温不一致，加工过程中各项指标数字化难度大，茶叶杀青品质的高低主要取决于操作工人的经验与操作水平提高生产效率[8-9]。降低加工成本，茶叶杀青设备的连续性、自动化程度越来越受到重视，低能耗、智能化控制的连续型茶叶杀青机的研制是当前茶叶初制作业中急需解决的问题，对现实生产的意义非常重大。针对上述杀青作业难题，本项目研发了一种节能型远红外热辐射杀青机，采用远红外热源，较传统滚筒杀青机节能30%以上。

2 节能型远红外热辐射杀青机主要结构及原理

2.1 主要结构

节能型远红外热辐射杀青机主要由杀青滚筒、排湿风机、远红外辐射板、取电滑环、托辊、出料装置、降温风扇、机架、驱动装置、上料装置构成（见图2）。外部装有隔热材料，不锈钢包裹，采用滑环—碳刷装置为排湿风扇、远红外辐射板持续供电，远红外辐射板安装在顺时针方向45°～55°之间（可调），作业时直接照射茶叶，预热时间短。自动控制系统通过调节远红外辐射装备的输出功率和传动装置的速率，满足不同茶叶加工工艺要求。节能型远红外热辐射杀青机与传统同类型电加热滚筒杀青机主要性能参数对比见表2。

图2 节能型远红外热辐射杀青机结构示意图

表2 主要性能参数对比表

2.2 工作原理

作业时，茶鲜叶由上料装置进入滚筒，沿螺旋导叶板连续抛翻，远红外辐射板直接照射茶鲜叶，使其迅速升温。第一排湿风扇安装在滚筒的表面并随着滚筒同步旋转，控制器控制第一排湿风扇启停；第一排湿风扇在一个旋转周内经历一次开启和一次关闭，开启位置对应滚筒内茶叶的起抛点或者起抛点之后，避免第一排湿风扇吸附茶叶，能够提高排湿效果，防止出现“水闷气”。杀青过程中自动控制系统调节远红外辐射装备的输出功率和传动装置的速率，保持杀青品质一致，完成杀青作业（见图3）。

图3 节能型远红外热辐射杀青机

2.3 茶叶运动轨迹及热源布置

杀青作业时，杀青叶在自身重力，惯性离心力，筒体正压力，杀青叶间及与筒体间的摩擦力的共同作用下，沿滚筒顺时针旋转，远红外热辐射加热板安装在右上方，茶叶到达抛落点后，右上方有一个真空区域，茶叶不会堵塞（见图4）。同时，在抛落过程中，茶叶比较松散，容易接受热量和散发水汽，保证茶叶品质[10]。

图4 远红外辐射板安装位置示意图

茶叶在筒体内运动状况的决定性因素是筒体转速和筒体半径。若筒体半径为R，A点为杀青叶抛出点，抛出点A与筒体轴心O的连线OA与铅垂线的脱离角为β（见图5）。

图5 茶叶运动轨迹示意图

由式（1）可以看出：筒体内不同半径处叶层内茶叶质点在同一转速下，脱离角不同。处于相同半径叶层内的茶叶质点脱离角相同，脱离角大小决定于转速[11]。

2.4 全排湿装置

全排湿指在加工过程中，实现杀青滚筒全过程、全腔体排湿，解决传统单出料口排湿出现的“水闷气”问题，提高茶叶品质。间隔180°安装2组排湿风扇，各组在滚筒旋转至抛落点后启动，旋转180°后暂停。此时，另外一组正好到达抛落点，通电启动，一方面避免排湿过程中吸附茶叶，另一方面实现作业过程中的全滚筒排湿。

电刷机构由集电环和碳刷等组成，用于给动态旋转部件供电。解决滚筒旋转过程中排湿风扇的供电问题。

3 应用效果

2022年5月在日照市东港区后村镇进行性能试验（详见表3）。此次试验主要内容是测试设备的节能效果、杀青品质，同时与传统电加热滚筒、微波杀青机做了对照实验。实验用茶树品种为福鼎大白，鲜叶等级为一芽三叶。试验茶样由江苏省农业科学院检测并出具检测报告。

表3 能耗试验记录表

加工后的茶样分别取3份，共计9份茶样，送至江苏省农业科学院检测并出具检测报告，内含物检测和感官评审结果如表4、5所示，其中同一种工艺设备加工的3份茶样取平均值。

表4 内含物检测报告

4 结果分析

从三种杀青试验设备能耗数据可以看出，在相同茶鲜叶量（50 kg）等条件下，CSW-30型微波杀青机能耗44.4 kW，预热4.5 min，杀青耗时94 min，6CS-100（D）滚筒杀青机能耗196.1 kW，预热30 min，杀青耗时70 min。6CS-100（Y）远红外热辐射杀青机能耗41.6 kW，预热5 min，杀青耗时35 min，6CS-100（Y）远红外热辐射杀青机预热时间仅需5 min，仅为6CS-100（D）滚筒杀青机的16.7%；较CSW-30型微波杀青机和6CS-100（D）滚筒杀青机分别节约能耗6.3%和78.7%。

从内含物检测报告中可以看出，茶样中游离氨基酸、咖啡碱、维生素C和叶绿素（a、b）含量基本不变、而茶多酚含量波动变化较大。其中，远红外辐射杀青机处理的茶叶茶多酚含量最低16.4%，不经热辐射处理的茶样茶多酚含量为达21.8%，相差5.4%，茶多酚含量降低显著。

从茶叶感官审评检测报告可以看出，茶样中6CS-100（Y）远红外热辐射杀青机处理的加工的茶叶总分（最高89.85）较CSW-30型微波杀青机处理的茶叶总分（最低86.7）要高3.5%，远红外辐射杀青机加工的茶叶香气分数高达92，远红外辐射杀青装备对提高茶叶品质具有显著效果。

5 结论

6CS-100（Y）远红外热辐射杀青机节能效果显著，对降低夏秋茶苦涩味有显著作用，茶叶茶多酚含量普遍降低5%左右，游离氨基酸、咖啡碱、维生素C和叶绿素（a、b）等内含物含量基本不变，不破坏茶叶中其它营养物质，对提高茶叶品质，降低苦涩味有显著作用；6CS-100（Y）远红外热辐射杀青机处理后的茶叶香气提高5%左右，茶叶品质提高明显，感官审评总体提高3%左右。

表5 内含物检测报告

6 发展建议

茶叶杀青装备是茶叶加工中不可或缺的装备之一，随着“碳中和”“碳达峰”等相关政策的要求，节能减排势在必行，其中能耗较高的杀青装备的提档升级迫在眉睫，针对现有装备技术现状和发展需求，提出茶叶杀青技术装备发展建议：

1）加大政策引导，集中优势资源突破“卡脖子”技术。茶叶杀青过程中的各项技术参数数字化问题一直没有解决，受限于制造工艺不标准，在线检测技术精确度低，现有能源形式无法精准调控等，因此未来应制定统一制造标准，重点突破在线检测和高精度传感器等技术，促进茶叶杀青等加工环节实现数字化、标准化、自动化。

2）加大智能化、模块化、标准化单机研发。目前市场上装备普遍为定制化，不同厂家设备不通用，以杀青机为例，不同厂家生产的设备进出料高度、开口尺寸等参数差异过大，容易造成浪费。加强基础结构与理论研究，探索节能技术与装置，优化作业参数，加强自动化、智能化设计，实现杀青装备单机智能化、模块化和标准化，提升作业质量与效益。