果蔬烘干機在煙葉烘烤中的應用探討

楊 閩，姜永雷，劉雄佩，唐國俊，周玉龍，朱艷梅

（1.北京航空航天大學云南創新研究院，云南 昆明 650233；2.云南省煙草農業科學研究院，云南 昆明 650021；3.云南省煙草公司文山州公司，云南 文山 663000）

0 引言

煙草為云南省的重要支柱產業，也是我國最重要的經濟作物之一。在整個煙草農業生產中，煙葉烘烤是用工最多、耗時最久、人力物力投入最大的環節。煙葉烘烤一直是影響烤煙品質特性的重要工藝之一，與煙農的收入密切相關。

我國烤煙以分散種植方式為主導，特別是西南煙葉種植區地形特殊,單戶種煙面積集中在0.2～0.3 hm2之間,種植區域分散不集中，存在很多制約規?；N植的因素，且煙葉烘烤對于烤煙價值的影響比重達到50%以上，導致煙葉生產對烤房的需求發生了改變[1]。近年來隨著國家惠農政策的實施，果蔬烘干機進入了地方財政補貼名單，其發展勢頭迅猛，故在煙葉烘烤環節推廣果蔬烘干設備顯得十分必要[2-3]。各地政府圍繞自身地域的煙葉種植情況，因勢利導，積極加大應用果蔬烘干機進行煙葉烘烤的力度。果蔬烘干機用于烘烤烤煙既滿足了煙葉烘烤的質量，又結合農戶分散烘烤的實際需求，已被廣大煙農所認可和接受，是目前較為理想的烤煙烘烤方式，是種煙農戶提質增效的重要舉措[4]。隨著果蔬烘干機技術的推廣應用，根據季節的差異，除烘烤煙葉外還可烘干辣椒、花椒、核桃和三七等農特產品，使果蔬烘干機能一機多用，以期獲得較好的經濟和社會效益[5]。

目前，果蔬烘干機已經并將繼續在云南省山地煙區范圍內高速推廣應用，由于缺乏健全的產品標準，果樹烘干設備質量參差不齊，其在煙葉烘烤中的應用還存在著許多不足。果蔬烘干機在煙草烘烤中適用與否是保證烘烤工藝能否正常進行的關鍵，設備不適合，工藝將無法實現，故需對果蔬烘干機應用在煙葉烘烤存在的問題進行討論。

1 果蔬烘干機在煙葉烘烤中的應用現狀

云南省由于山多地少，全省150 多萬戶煙農，種煙面積在0.33～0.67 hm2的約120 萬戶，煙葉以家庭種植模式為主，每爐烘烤能力在0.33～0.53 hm2的小型烤房仍然是承擔煙葉烘烤的主要設施，果蔬烘干機在2011 年進入農機補貼名單，因占地少、離家近，烘烤值守、煙葉裝卸方便，節本增效明顯等特點，深受煙農歡迎。據相關統計，云南省果蔬烘干機2018 年補貼22 785 臺，2019 年補貼25 654 臺，2020 年補貼32 290 臺[6]。

近年來云南省推廣應用在煙葉烘烤中的果蔬烘干機絕大部分采用熱風循環模式，以空氣為干燥介質，以燃煤供熱為主，供熱設備普遍采用常規碳素鋼焊接制作，烘干室采用箱體形式由聚苯乙烯保溫板材拼裝而成，烘烤容積可依據農戶需求調整，常見為20～60 m3多種不同規格，烘烤層數為2～3 層，一般長4.0～6.0 m，寬2.4～2.8 m，高2.4～3.5 m，每爐可烘烤0.33～0.53 hm2左右的煙葉。果蔬烘干機已成為家庭種植最簡單、最有效的烘烤手段，其在煙葉烘烤過程中的推廣應用為我省煙葉生產和提質增效提供了可行措施。該項措施具有以下優點：一是節約能源，此類烘干機與傳統自然通風烤房相比具有控溫更精確的特點，可有效減少能源的使用；二是顯著降低了成本，一家一戶在房前屋后安裝果蔬烘干機，方便管理，自由靈活掌握烘烤時間，避免集中烘烤排隊現象，節約了部分運輸成本和烘干費用；三是減少損失，提高品質，家庭種植能保證品種一致，長勢一致，分類編煙標準一致，烘干機配置了通風、排濕、溫濕度控制系統，可實現對烘烤過程中溫濕度的精確控制，不會出現青筋霉筋現象，其烤出的煙葉光澤度好，煙葉質量等級有所提高，有效增加了煙農收入，同時果蔬烘干機閑置期亦可用于其他農特產品的烘干，提高其利用率。

2 果蔬烘干機在煙葉烘烤中存在的問題

2.1 保溫性能差，熱能損失嚴重

果蔬烘干機的箱體是由聚苯乙烯保溫板拼接而成的，相鄰夾心保溫板之間的接縫通常為平縫，接縫內往往是噴射發泡膠密封，發泡膠易在紫外線的作用下變黃、硬化，再加上外墻常承受風荷載的影響，發泡膠與夾心保溫板之間的粘結易出現松動，導致密封失效。烘干室內超過70 ℃時聚苯乙烯會開始收縮，尤其是接縫處的收縮現象最為嚴重，收縮現象會引發烘干室滲漏，出現墻體漏氣、房頂漏水，進而導致烘干機嚴重的熱能損失，一定程度上降低其保溫性能。

2.2 燃燒爐材質腐蝕嚴重

根據近年來煙農使用果蔬烘干機烘烤的反饋情況來看，果蔬烘干機中的鍋爐在高溫下出現裂縫，不僅導致熱量的有效性供應不足，還會發生煙氣中二氧化碳和二氧化硫等有毒煙氣流入烤房，致使烤煙中毒。

2.3 循環風機配置單一

果蔬烘干機大多采用220 V 循環風機，風機不穩定，風速單一。風機風量過大時會導致烤房過度排濕，煙葉吹干過快，風量不足時又會導致烤房排濕不暢，出現煙葉烤黑的問題，且烤房屬高溫高濕環境，普通風機在此環境下工作容易損壞或停機，影響煙葉的烘烤質量。

2.4 烘烤工藝執行不到位

果蔬烘干機中的很多設計標準和密集型煙葉烤房不一致，如烤房規格、所用材質和烘烤過程參數設定等。在烘烤工藝選擇上盲目的參考密集型烤房的工藝標準，導致煙葉在烘烤過程中溫濕度關鍵參數異常，進而引發烤壞煙葉的現象。據相關統計，采用常規煙葉烤房烘烤煙葉時損失率平均為6.7%，使用果蔬烘干機烘烤煙葉時損失率在10%～15%之間，高于常規烤房烘干煙葉時的損失率。

2.5 缺乏統一規范，質量參差不齊

云南省果蔬烘干機生產企業數量較多。由于相關補貼政策不夠完善，為滿足產品功能多樣化的需求，各企業研制了各式各樣的果蔬烘干機，其定價也無統一標準。并且，當前果蔬烘干機的生產沒有形成統一的國家標準和行業標準，云南省僅有團體標準，無地方標準，各企業都是按團體或企業標準進行生產，產品質量參差不齊。

3 解決方案和工藝路線的選擇

針對上述問題，本文通過對比果蔬與煙葉2 類烘干設備的不同之處，對果蔬烘干機在煙葉烘烤中需調整之處進行研究，并提出以下解決方案和工藝路線。

果蔬烘干機構造主要由供熱室（含供熱燃燒爐、助燃風機、循環風機、溫濕度控制箱、進風排濕系統）和烘干室2 部分組成。工作原理主要有升溫、排濕和控制三大過程，與煙草行業推廣的密集烤房烘烤原理完全一樣，果蔬烘干機結構如圖1 所示。

圖1 燃煤加熱式熱風循環果蔬烘干機示意圖

“果蔬干制”與“煙葉調制”存在本質區別，前者是將果蔬內含水分脫出一部分，防止果蔬腐敗變質，最終加工成商品的過程[7]；后者是煙葉脫水干燥的物理變化過程和葉內生理生化變化過程的協調統一，是煙葉內碳素和氮素代謝及水分的協調變化，通過調制使煙葉朝高質量高品質的方向發展，達到烤黃、烤香和烤干的目的[8]。圖2 是煙葉烘烤過程中其變化及品質的形成關系。

圖2 煙葉在烘烤過程中各種變化及其品質形成的關系

熱風循環和強制通風是密集烤房的兩大特點，通過熱風提供煙葉變黃和干燥的科學溫度環境。目前果蔬烘干機應用于煙葉烘烤中應著重注意解決以下問題。

3.1 保溫材料選材配置

果蔬烘干機采用單層保溫層，當計算基準采用單位面積平壁時，因烘干室厚度與長寬度相比小很多，可將其看作無限大的平壁[9]，設烘干室室內介質（空氣）溫度為70℃，烘烤季節密集烤房外周圍溫度按夜間最低氣溫5℃，生產限定單位面積上熱損失不得超過50W，其保溫層厚度T按下列公式計算

式中：

T——保溫層厚度，m；

λ——保溫材料導熱系數，W/（m·K）；

q——單位面積上允許最大熱損失值，W/m2；

t1——保溫層內表面溫度，K（℃）；

t2——保溫層外表面溫度，K（℃）。

以硬質聚氨酯泡沫保溫層為例，得保溫層厚度為

若用其它材料作為保溫層，按相同公式可得出相應的T 值，結果見表1。

表1 保溫材料的主要技術指標及保溫層厚度

保溫層厚度選擇宜按10 mm 為分級單位，保溫層內外金屬保護層應采用厚0.3～0.8 mm 的鍍鋅薄鋼板，采用搭接或咬接對金屬護殼進行接縫，且嚴禁刺破防潮層。華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室對聚苯乙烯板、巖棉板、聚氨酯板3 種常用保溫材料進行保溫及耐溫性能分析[10]，測試結果如表2。

表2 不同材料的保溫參數

結果表明，當溫度超過80℃時，雖略高于烤房內干筋期溫度（68℃），但此時聚苯乙烯顆粒收縮情況嚴重，從安全角度考慮不宜選用；聚氨酯板導熱系數最低為0.02，保溫性能較好，耐溫極限可達150℃，遠高于烤房干筋期溫度，安全性較高，升溫性能和保溫性能也明顯優于常規磚混結構烤房[11]，具有安裝方便和成本低的優點，同時具有較好的防潮性和較長的使用壽命，符合目前煙葉烘烤保溫材料的性能需求。

3.2 金屬供熱設備材質

燃煤含硫量偏高，當煙氣處理系統處理含硫煙氣時，在露點溫度下易形成硫酸而腐蝕設備，這種現象稱之為“硫酸露點腐蝕”[12]。由于Q235 鋼和普通低合金鋼的耐硫酸腐蝕性能很差，硫酸會對接觸的金屬材料造成嚴重腐蝕，大幅縮短了設備的使用壽命。金屬供熱設備材質應選用厚度不小于4 mm 且耐硫酸腐蝕性能好的合金鋼[13]，延長金屬供熱設備的使用壽命，達到煙草烘烤設備要求。

3.3 循環風機選型設計

循環風機在密集烘烤中的作用是提供足夠的風量、風壓，并適當提高煙葉間隙風速，使煙葉達到脫水、變黃、定色和干燥的目的。為保證煙葉烘烤質量，烘烤過程中循環風機不可中途停機，不可風速過小或過大，更不可在烘烤過程中因高溫高濕環境下損壞或停機，因此要求循環風機耐溫耐濕、安全可靠且便于更換。

選擇風機時，其排風量應滿足裝煙室煙葉烘烤風量要求。根據試驗和調查，結合云南煙葉實際狀況，需選用風量15 000 m3/h 以上，全壓170～190 Pa，靜壓不低于70 Pa，整機最高全壓效率70%以上，非變頻調節裝置效率不低于58%的循環風機，且為提高循環風機在高溫高濕環境下的耐用性和可靠性，其電動機絕緣等級需在F 級以上，防護等級需在IP54級以上。

3.4 烘烤工藝規范執行

排濕口面積與進風口面積的大小對密集烤房通風排濕能力及自動控制能力有著重要的影響，二者主要關系到烘干機通風排濕的順暢性以及排濕控制的準確性。通過云南煙區試驗及生產實際驗證對比得知烘干機進風面積為0.06～0.08 m2/100 竿，排濕面積為0.08～0.11 m2/100 竿時，通風排濕順暢性和排濕控制準確性都能得到保障。

換熱器的散熱面積大小、散熱管的直徑大小、煙囪的大小和出煙面積與烤房最大烘烤能力相關。密集烘烤設備在煙葉烘烤過程中每個階段的熱量消耗是不一致的，因此一般要求以烘烤過程中排濕量最大、烘烤季節室外溫濕度最低、需熱量最大時為設計基礎。經過實際驗證，換熱器的散熱面積一般為8.0～12.0 m2，散熱管的直徑大小一般為120～140 mm，煙囪的高度一般為5.8～6.0 m，出煙面積一般為0.022～0.030 m2。在推廣果蔬烘干機進行煙葉烘烤時需根據烤房的實際大小和煙葉的烘烤量制定相應的烘烤工藝標準，避免烘烤工藝執行不到位造成煙葉的損失。

3.5 制定地方標準

云南省應根據果蔬烘干機生產現狀制定統一的地方標準，完善相關補貼政策，規范定價標準。各果蔬烘干機生產企業可依據地方標準進行生產制造，提升和保證果蔬烘干機的質量，依據定價標準規范定價，促進果蔬烘干機的應用與推廣。

3.6 推廣鑒定

由于果蔬烘干機標準由各企業自行制定，故果蔬烘干機缺乏統一的產品質量標準，其各省分檔標準也存在差異（如表3 所示），目前對果蔬烘干機統一分類存在難度，其作業質量的優劣也難以做出準確評價，對國家惠農政策的貫徹實施形成阻礙，甚至在一定程度上會造成農民的損失。

表3 各省市果蔬烘干機購置補貼分類歸檔統計表

制定統一的標準能促進我國果蔬產業的進一步發展，使我國果蔬烘干設備企業的布局和生產朝合理化和規范化方向發展，對果蔬烘干設備的質量也具有監督管理作用，為使用者的權益提供合法保障，并且能加快我國果蔬產品的商業化進程[14]。

使用有效度是對果蔬烘干機可靠性評價的指標，我國農機考核時間大多為18 h。烘干物料、烘干工藝和烘干作業時間不同，考核時間應根據烘干物料、工藝和周期進行調整。當考核時間過長時，評價結果對生產企業不利；當考核時間太短時，不僅無法體現相關問題，達不到考核目的，而且會對用戶的后期使用造成不便。為保證試驗的完整性，考核時間應為完整的干燥周期[15]。綜合考慮設備、用戶和操作實施等因素，將果蔬烘干機應用于煙葉烘烤考核時間定為連續烘干不少于2 個干燥周期，且累計作業時間不低于240 h。

4 結論與展望

目前，云南省煙葉烘烤設備需求逐年增加，果蔬烘干機在煙葉烘烤過程具備良好的應用與推廣價值。針對目前果蔬烘干機在煙葉烘烤過程中存在的應用與推廣問題，系統分析了云南省果蔬烘干機在煙葉烘烤工作過程中的使用情況和具體問題，基于此進行了果蔬烘干機的關鍵部件選型、設計和優化，建立了果蔬烘干機煙葉烘烤工藝標準。并且，為進一步提高果蔬烘干機對煙葉烘烤的適用性，根據上述調整方案對果蔬烘干機進行了工作和結構參數調整，嚴格按照制定好的烘烤工藝標準進行了果蔬烘干機煙葉烘烤試驗，在文山州80 hm2煙葉烘烤試驗中取得了良好的效果，得到了煙農的一致好評，促進了果蔬烘干機在煙葉烘烤過程中的應用與推廣。