内循环烤房烘烤过程中烟叶的形态变化及烤后质量

杨 楠, 李俊营, 王明鑫, 常 栋, 张富生, 阴广宇, 阎海涛

(河南省烟草公司 平顶山市公司烟叶生产技术中心, 河南 平顶山 467000)

0 引言

【研究意义】密集烤房具有节能省工、易于操控和提升烤后烟叶质量等优势,已在各大烟区得到广泛推广应用,成为我国现代烟草农业建设中烟叶烘烤领域的主要发展方向[1]。当前,我国密集烤房多为能源密集型,主要利用煤燃烧进行热量供应,每年消耗燃煤约400万t[2]。按国务院《2030年前碳达峰行动方案》要求,到2030年,非化石能源消费比重达25%左右。因此,探索清洁能源在烟叶烘烤中的应用已成为必然趋势,而热泵烤房以其对环境友好、温湿度控制精准、干燥品质高等特点[3],已成为清洁能源烘烤的主要替代设备。目前,我国热泵烤房一般采用开放式排湿的烘烤方式,即将烘烤出来且包含烟叶水分的热湿气流直接排向室外环境,因而存在烤房内热能利用率低、烤后烟叶欠柔软和香气成分流失[4-6]等问题。而内循环烤房不设排湿口,是通过蒸发器或冷凝器将热量抽入加热室再次循环利用,烤房内多余的湿气通过除湿热泵以液态水的形式流出,达到烟叶烘烤的目的。因此,探明内循环烤房烘烤对烟叶形态及烤后烟叶质量的影响,对生产上推广应用内循环烤房烘烤烟叶具有重要的意义。【前人研究进展】段绍米等[5]设计出全闭式热风循环方式的烟叶密集烤房,建立了全闭式热风循环密集烤房温度控制系统的数学模型,采用基于Sobol序列实数编码遗传算法的PID控制具有较好的稳定性和动态特性,密集烤房温度控制系统动态响应快、稳态精度高、超调量小。谢金梅等[6]设计并搭建了一种以室外自然风为冷源的闭式热风循环风冷式重力热管冷凝除湿装置,该系统燃料消耗量比对照降低0.57 kg/kg,烟叶烘烤成本降低 0.48元/kg,烤后上等烟比例平均提高 7.40%,烤后烟叶均价提高 0.87元/kg。田勇军等[7]设计了基于内循环除湿的密集烤房烘烤控制系统,该系统集成了3个结构和原理均一致的加热除湿子系统,具有烘烤成本低、能耗低、控制过程细致及无有害气体排放等优势。李志国等[8]研究表明,热泵加热子系统和除湿子系统的平均性能系数分别为2.99和3.08,综合系统平均性能系数为3.68,整个过程的除湿能耗比为2.41 kg/(kW·h),较生物质颗粒烤房烘烤1 kg干烟叶节约成本54.70%。【研究切入点】目前,已有研究多集中在内循环烤房的设计、除湿装置的改造和烘烤能耗对比等方面,鲜见内循环烤房烘烤过程中烟叶形态变化和烤后烟叶质量方面的研究报道。【拟解决的关键问题】以开放式排湿烤房为对照,探究内循环烤房对烟叶形态变化及烤后烟质量的影响,以期为内循环烤房烘烤烟叶的生产应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试品种 烤烟品种为中烟100,青岛中烟种子有限责任公司提供。

1.1.2 供试烤房 试验烤房为燃煤烤房、热泵烤房和内循环烤房,均为气流下降式标准密集烤房,装烟室内长8 m、宽2.7 m、高3.5 m,位于河南省郏县李口镇平顶山市现代烟草农业科技园内,其供热原理、排湿方式和供热能源见表1。

表1 不同烤房供热原理、排湿方式和供热能源烤房的基本状况

1.2 方法

1.2.1 烟叶选择 供试烟叶选取大田长势正常、发育协调和落黄均匀的中部烟,按成熟标准挑选成熟度、大小基本一致的叶片编竿装炕(烟苗于4月25日移栽,行距130 cm,株距55 cm,种植土壤类型为褐土,土壤有机质含量18.57 g/kg,碱解氮含量69.10 g/kg,速效磷含量23.00 mg/kg,速效钾含量138.00 mg/kg,氯离子含量18.5 mg/kg,pH 7.02,田间管理按照标准化生产管理模式进行)。

1.2.2 试验设计 试验共设内循环烤房、热泵烤房(CK1)和燃煤烤房(CK2)3个处理,每个处理取上部和中部叶各240片,按38 ℃末、42 ℃末、47 ℃末和54 ℃末4个温度点每60片烟叶编为1竿,分别测量装炕前的鲜烟叶,以及38 ℃末、42 ℃末、47 ℃末和 54 ℃末4个温度点烟叶展平和自然卷曲时的长和宽。另取12竿正常编竿烟叶,分别放在内循环烤房和热泵烤房的上、中、下棚各2竿(左、右仓各1竿),统计不同处理烤后上中等烟比例、烟叶均价和干烟能耗等。同烤房配烤烟叶为相同时间采收的同一小区和相同部位烟叶。

1.2.3 指标检测 内循环烤房冷凝水排出速率采用文献[9]的方法测定。鲜烟叶与不同温度点烟叶产生的长度之差与鲜烟叶长度的比值称为烟叶纵向收缩率,鲜烟叶与不同温度点烟叶产生的宽度之差与鲜烟叶宽度的比值称为烟叶横向收缩率,鲜烟叶与不同温度点烟叶卷曲后产生的纵向之差与鲜烟叶长度的比值称为烟叶纵向卷曲度,鲜烟叶与不同温度点烟叶卷曲后产生的横向之差与鲜烟叶长度的比值称为烟叶横向卷曲度;烟叶的纵向收缩率、横向收缩率、纵向卷曲度和横向卷曲度参照文献[10]的方法测量。

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2010和SPSS 20.0对数据进行处理与差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 内循环烤房冷凝水的排出速率

从图 1看出,内循环烤房冷凝水排出速率42 ℃时最高,为31.17 kg/h;36 ℃时最低,为7.5 kg/h。整个烘烤过程不同时期冷凝水排出速率呈先升后降趋势,变黄期(36～40 ℃)、定色期(42～54 ℃)和干筋期(60 ℃)分别为19.1 kg/h、31.17 kg/h和11.9 kg/h。

图1 内循环烤房烘烤过程中冷凝水的排出速率

2.2 不同烤房烘烤过程中烟叶形态变化

2.2.1 烟叶纵向收缩率 从表2看出,不同烤房各温度点中部和上部烟叶纵向收缩率的变化。38 ℃末:不同烤房中部和上部烟叶的纵向收缩率分别为3.19%～4.10%和3.17%～4.45%,分别以热泵烤房和燃煤烤房最大,均以内循环烤房最小,中部烟叶的内循环烤房与热泵烤房间差异显著,其余处理间差异不显著;上部烟叶内循环烤房和热泵烤房与燃煤烤房间差异显著,内循环烤房与热泵烤房间差异不显著。42 ℃末:不同烤房中部和上部烟叶的纵向收缩率分别为5.01%～5.17%和4.90%～5.21%,均以燃煤烤房最大,内循环烤房最小;中部和上部烟叶不同烤房间差异均不显著。48 ℃末:不同烤房中部和上部烟叶的纵向收缩率分别为7.93%～9.46%和7.66%～8.70%,分别以内循环烤房和热泵烤房最大,燃煤烤房和内循环烤房最小,中部烟叶内循环烤房与燃煤烤房间差异显著,内循环烤房与热泵烤房间和热泵烤房与燃煤烤房间差异不显著,上部烟叶各处理间差异不显著。54 ℃末:不同烤房中部和上部烟叶的纵向收缩率分别为10.03%～10.77%和10.24%～10.58%,均以内循环烤房最大,热泵烤房和热泵烤房/燃煤烤房最小,中部和上部烟叶不同烤房间差异均不显著。

表2 不同烤房烘烤过程中中部与上部烟叶的纵向收缩率

2.2.2 烟叶横向收缩率 从表3可知,不同烤房各温度点中部和上部烟叶横向收缩率的变化。38 ℃末:不同烤房中部和上部烟叶的纵向收缩率分别为7.80%～9.06%和4.18%～8.79%,分别以燃煤烤房和热泵烤房最大,热泵烤房和内循环烤房最小;中部烟叶各处理间差异不显著;上部烟叶内循环烤房与热泵烤房和燃煤烤房间差异极显著,热泵烤房与燃煤烤房间差异不显著。42 ℃末:不同烤房中部和上部烟叶的纵向收缩率分别为15.48%～18.32%和13.74%～17.00%,分别以燃煤烤房和热泵烤房最大,均以内循环烤房最小;中部烟叶的内循环烤房和热泵烤房与燃煤烤房差异极显著,内循环烤房与热泵烤房差异不显著;上部烟叶的内循环烤房和燃煤烤房与热泵烤房差异极显著,内循环烤房与燃煤烤房差异不显著。48 ℃末:不同烤房中部和上部烟叶的纵向收缩率分别为27.34%～31.54%和21.79%～28.56%,分别以内循环烤房和热泵烤房最大,均以燃煤烤房最小,中部烟叶内循环烤房与热泵烤房和燃煤烤房差异极显著,热泵烤房与燃煤烤房间差异显著;上部烟叶不同烤房间差异极显著。54 ℃末:不同烤房中部和上部烟叶的纵向收缩率分别为32.06%～34.19%和28.12%～30.39%,均以热泵烤房最大,燃煤烤房最小,中部烟叶热泵烤房与燃煤烤房间差异显著,内循环烤房与热泵烤房间和内循环烤房与燃煤烤房间差异不显著;上部烟叶内循环烤房和热泵烤房与燃煤烤房间差异显著,内循环烤房与热泵烤房间差异不显著。

表3 不同烤房烘烤过程中中部与上部叶的横向收缩率

2.2.3 烟叶纵向卷曲度 从表4看出,不同烤房各温度点中部和上部烟叶纵向卷曲度的变化。38 ℃末:不同烤房中部和上部烟叶的纵向卷曲度分别为5.38%～5.83%和4.93%～5.19%,均以热泵烤房最大,内循环烤房最小,中部和上部烟叶不同烤房间差异均不显著。42 ℃末:不同烤房中部和上部烟叶的纵向卷曲度分别为6.98%～9.76%和7.54%～9.95%,分别以燃煤烤房和热泵烤房最大,内循环烤房和燃煤烤房最小;中部烟叶的内循环烤房和热泵烤房与燃煤烤房间差异极显著,内循环烤房与热泵烤房间差异不显著;上部烟叶的热泵烤房与燃煤烤房间差异极显著,内循环烤房与热泵烤房间差异显著,内循环烤房与燃煤烤房间差异不显著。48 ℃末:不同烤房中部和上部烟叶的纵向卷曲度分别为10.64%～11.73%和10.49%～13.32%,分别以燃煤烤房和热泵烤房最大,均以内循环烤房最小;中部烟叶不同烤房间差异均不显著;上部烟叶热泵烤房与内循环烤房和燃煤烤房间差异极显著,内循环烤房与燃煤烤房间差异不显著。54 ℃末:不同烤房中部和上部烟叶的纵向卷曲度分别为13.00%～14.71%和12.06%～13.62%,分别以燃煤烤房和热泵烤房最大,热泵烤房和内循环烤房最小;中部烟叶燃煤烤房与热泵烤房间差异显著,内循环烤房与热泵烤房间和内循环烤房与燃煤烤房间差异不显著;上部烟叶不同烤房间差异不显著。

表4 不同烤房烘烤过程中中部与上部叶的纵向卷曲度

2.2.4 烟叶横向卷曲度 从表5可知,不同烤房各温度点中部和上部烟叶横向卷曲度的变化。38 ℃末:不同烤房中部和上部烟叶的横向卷曲度分别为44.18%～51.15%和38.04%～50.82%,均以燃煤烤房最大,内循环烤房最小,中部和上部烟叶的内循环烤房与热泵烤房和燃煤烤房间差异极显著,热泵烤房与燃煤烤房间差异不显著。42 ℃末:不同烤房中部和上部烟叶的横向卷曲度分别为44.07%～58.98%和38.33%～53.45%,均以燃煤烤房最大,内循环烤房最小;中部和上部烟叶不同烤房间差异极显著。48 ℃末:不同烤房中部和上部烟叶的横向卷曲度分别为50.62%～57.28%和51.35%～53.41%,分别以内循环烤房和热泵烤房最大,热泵烤房和内循环烤房最小;中部烟叶热泵烤房极显著小于内循环烤房和燃煤烤房,内循环烤房与燃煤烤房间差异不显著;上部烟叶不同烤房间差异均不显著。54 ℃末:不同烤房中部和上部烟叶的横向卷曲度分别为56.30%～65.06%和59.16%～62.62%,均以热泵烤房最大,燃煤烤房和内循环烤房最小;中部烟叶热泵烤房极显著大于内循环烤房和燃煤烤房,内循环烤房与燃煤烤房间差异不显著;上部烟叶热泵烤房极显著大于内循环烤房,内循环烤房与燃煤烤房间和热泵烤房与燃煤烤房间差异不显著。

表5 不同烤房烘烤过程中中部与上部叶的横向卷曲度

2.3 不同烤房烘烤烟叶的经济效益与能耗

从表6看出,不同烤房烟叶干鲜比、各等级占比、均价和干烟耗电量/成本的变化。干鲜比:内循环烤房和热泵烤房分别为13.95和12.50,内循环烤房较热泵烤房提高11.6%,可能原因:热泵烤房在烟叶变黄后,通过连续不断地直接对外排湿,烟叶内含物消耗过度,导致烤后烟叶干物质减少;而内循环烤房由于密闭式循环方式,热气在装烟室和加热室之间局部循环,能将烘烤过程中烟叶生理生化反应维持在一定的稳定状态,从而减少内含物的消耗。各等级占比:内循环烤房和热泵烤房上等烟、中等烟和下等烟分别为68.82%和65.38%、21.86%和22.75%、9.32%和11.87%,其中,上等烟内循环烤房较热泵烤房提高5.26%,中等烟和下等烟内循环烤房较热泵烤房分别降低3.91%和2.15%。均价:内循环烤房和热泵烤房分别为26.20元/kg和25.14元/kg,内循环烤房较热泵烤房提高4.22%。干烟耗电量和成本:内循环烤房和热泵烤房分别为2.51 (kW·h)/kg和1.38元/kg、2.61 (kW·h)/kg和1.44元/kg,内循环烤房较热泵烤房分别降低0.1 (kW·h)/kg和0.06元/kg。可能原因:一方面,内循环烤房通过冷凝除湿,使烤房内的热气充分利用,减少了热量的散失;另一方面,内循环烤房的密闭循环方式,使烤房内烟叶极少受外界环境温度的不利影响、不受外界风力的不利影响,从而节约电耗。

表6 不同烤房烘烤烟叶的经济效益与能耗

3 讨论

内循环烤房内的湿气以液态水的形式通过排水管排出,其有序的集中排放方式一方面规避了开式排湿烤房的无序排湿方式,另一方面也有利于通过收集冷凝水进行烤房的排湿速率和排湿量的研究。研究结果表明,内循环烤房冷凝水排出速率以42 ℃时最高和36 ℃时最低,分别为31.17 kg/h和7.5 kg/h,烘烤过程中的变黄期(36～40 ℃)、定色期(42～54 ℃)和干筋期(60 ℃)分别为19.1 kg/h、31.17 kg/h和11.9 kg/h。48 ℃末中部烟叶、54 ℃末中部和上部烟叶的纵向收缩率分别为9.46%、10.77%和10.58%,均大于相同温度点的热泵烤房和燃煤烤房; 48 ℃末中部烟叶的横向收缩率为31.54%,大于相同温度点的热泵烤房和燃煤烤房; 48 ℃末中部烟叶的横向卷曲度为57.28%,大于相同温度点的热泵烤房和燃煤烤房。与热泵烤房相比,内循环烤房烘烤烟叶的均价较热泵烤房提高4.22%,上等烟比例提高5.26%,中等烟和下等烟比例分别下降3.91%和2.15%;干烟耗电量减少0.1 (kW·h)/kg。

烘烤过程中,变黄后期至定色前期烟叶形态变化较大,原因是变黄后期烟叶的变黄程度已满足该目标阶段的基本需求,烤房开始有序排湿,烟叶由于失水干燥发生形态变化,至定色前期失水最多所致。至定色后期,烟叶基本干燥,烟叶形态变化趋缓。与樊军辉等[10]的研究结果基本一致,但该研究的形态变化数值较大,可能是由于烤烟品种、编竿方式和烘烤工艺不同所致。烘烤过程中烟叶横向收缩率大于纵向收缩率和横向卷曲幅度大于纵向卷曲幅度,与武圣江等[11]的研究结果一致。原因是烟叶在烤房中一般竖立悬挂,烘烤过程中随着烟叶含水量逐渐减少,烟叶一直在重力的作用下保持着纵向延展,从而导致纵向形变小于横向形变。内循环烤房干鲜比较热泵烤房提高,可能是热泵烤房在烟叶变黄后,通过连续不断地直接对外排湿,烟叶内含物消耗过度,导致烤后烟叶干物质减少;而内循环烤房由于密闭式循环方式,热气在装烟室和加热室之间局部循环,能将烘烤过程中烟叶生理生化反应维持在一定的稳定状态,从而减少内含物的消耗。内循环烤房干烟耗电量降低,一方面,可能是内循环烤房通过冷凝除湿,使烤房内的热气充分利用,减少了热量的散失;另一方面,可能是内循环烤房的密闭循环方式,使烤房内烟叶极少受外界环境温度的不利影响、不受外界风力的不利影响,从而节约电耗[12]。

4 结论

内循环烤房整个烘烤过程中冷凝水排出速率呈先升后降趋势,烘烤烟叶的综合效果优于开放排湿烤房,烤后烟叶上等烟比例和均价提高,成本降低。