黃國(guó)強(qiáng)，陳道穎*，陳 娟，賈 健，謝揚(yáng)軍，郭 松

(1.湖南省煙草公司 長(zhǎng)沙市公司 寧鄉(xiāng)縣分公司，湖南 寧鄉(xiāng) 410600；2.長(zhǎng)沙市驅(qū)動(dòng)源電氣技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410600；3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，河南 鄭州 450002)

精益控制烤房對(duì)煙葉烘烤的影響研究

黃國(guó)強(qiáng)1，陳道穎1*，陳 娟2，賈 健3，謝揚(yáng)軍1，郭 松1

(1.湖南省煙草公司 長(zhǎng)沙市公司 寧鄉(xiāng)縣分公司，湖南 寧鄉(xiāng) 410600；2.長(zhǎng)沙市驅(qū)動(dòng)源電氣技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410600；3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院，河南 鄭州 450002)

摘要：為進(jìn)一步提高煙葉的烘烤質(zhì)量和烤房的自動(dòng)化烘烤水平，通過安裝自動(dòng)變頻控制儀、自動(dòng)煙囪閘火門和助燃風(fēng)機(jī)保護(hù)器來提高密集烤房精益控制程度，改善烘烤質(zhì)量。結(jié)果表明：使用精益控制烤房烘烤煙葉能顯著提高烤房對(duì)裝煙內(nèi)溫濕度的控制精度和烤后煙葉的外觀質(zhì)量，烘烤的能耗成本降低了13.40%，每千克干煙的烘烤收益增加了27.11%；助燃風(fēng)機(jī)保護(hù)器能夠顯著降低助燃風(fēng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下機(jī)殼表面的溫度，并大大減少風(fēng)機(jī)的損耗率。

關(guān)鍵詞：密集烤房；自動(dòng)變頻；自動(dòng)煙囪閘火門；助燃風(fēng)機(jī)保護(hù)器；節(jié)能；精益控制

煙葉烘烤是烤煙生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，煙葉烘烤質(zhì)量決定著煙葉作為卷煙工業(yè)原料的可用性價(jià)值[1]。煙葉烘烤是一個(gè)大量耗熱的過程，煤炭是目前中國(guó)烤煙烘烤的最主要燃料，在中國(guó)每烘烤1 kg干煙葉，耗煤量一般為2.2～3.2 kg，熱能利用率僅為20%[2],能源浪費(fèi)嚴(yán)重。然而太陽能烤房[3]和熱泵烤房[4]等新型能源烤房也成為了降低煙葉烘烤能耗的一個(gè)新的焦點(diǎn)，但由于這些烤房的建造或改造成本較高[5]，不可能大面積推廣。因此降低密集烤房的烘烤能耗、減少建造成本、提高烘烤的智能化水平，成了密集烤房的一個(gè)重要發(fā)展方向。然而在烤房變頻調(diào)速技術(shù)方面的研究較多[6-7]，但是通過變頻自控儀和自動(dòng)煙囪閘火門對(duì)烤房實(shí)施精益控制的研究還很少。本研究從烤房的精益控制入手，通過革新技術(shù)設(shè)備、改善工藝和管理相結(jié)合的方式，探究一種能夠降低改造成本，同時(shí)能夠提高煙葉烘烤質(zhì)量、降低能耗和設(shè)備損耗的新途徑。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2014年在湖南省長(zhǎng)沙市寧鄉(xiāng)縣黃材富源合作社和大屯營(yíng)鎮(zhèn)郁金合作社進(jìn)行。供試品種為云煙97，試驗(yàn)選用的煙葉來自同一農(nóng)戶同一地塊長(zhǎng)勢(shì)長(zhǎng)相優(yōu)良且成熟度好的煙葉。供試烤房為氣流下降式密集烤房,加熱系統(tǒng)為新型復(fù)合材料，裝煙室規(guī)格為8.0 m×2.7 m×3.5 m，裝煙3層2路。配置電機(jī)額定頻率為2.2 kW，最大轉(zhuǎn)速為1440 r/min。配置循環(huán)風(fēng)機(jī)為7號(hào)軸流風(fēng)機(jī)，葉片4個(gè)，轉(zhuǎn)速1440 r/min時(shí)風(fēng)量15000 m3/h。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取鮮煙葉素質(zhì)基本一致的成熟煙葉進(jìn)行編竿，每個(gè)處理20竿，分別掛置在供試烤房和參照烤房中棚和下棚的中間位置，每層10竿，掛牌標(biāo)記。烤房裝煙密度基本一致，每座裝煙480竿。

本試驗(yàn)共設(shè)2個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)5次。處理烤房(T)安裝長(zhǎng)沙驅(qū)動(dòng)源電氣技術(shù)有限公司研制的變頻烘烤控制儀，全程0～60 Hz(0～1440 r/min)連續(xù)自動(dòng)變頻無極調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；安裝自動(dòng)啟閉煙囪閘火門(長(zhǎng)沙市煙草公司寧鄉(xiāng)縣公司專利)，即根據(jù)裝煙室的溫度狀態(tài)，自控儀自動(dòng)控制循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)量、風(fēng)壓以及分步打開或關(guān)閉閘火門(在全關(guān)狀態(tài)下留有相應(yīng)防爆安全空隙)；安裝助燃風(fēng)機(jī)保護(hù)器(長(zhǎng)沙市煙草公司寧鄉(xiāng)縣公司專利)機(jī)械方式阻止?fàn)t膛熱量倒串，保護(hù)助燃風(fēng)機(jī)。對(duì)照烤房(CK)為原設(shè)備控制密集烤房，手動(dòng)調(diào)節(jié)4/6級(jí)循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，即變黃階段(42 ℃以前)為720 r/min,定色階段(43～54 ℃)為1440 r/min，干筋階段(55 ℃)為720 r/min。無閘火門和助燃風(fēng)機(jī)保護(hù)器。各處理烤房均嚴(yán)格按照三段式烘烤工藝烘烤(表1)。

表1　三段式烘烤工藝技術(shù)參數(shù)

1.3測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1烤后煙葉的外觀質(zhì)量由湖南中煙技術(shù)中心組織專家參照“GB 2635─1992 烤煙”標(biāo)準(zhǔn)[8]對(duì)掛牌標(biāo)記的回潮后的試驗(yàn)煙葉進(jìn)行逐片分級(jí)，統(tǒng)計(jì)各個(gè)等級(jí)以及達(dá)不到等級(jí)的煙葉重量，計(jì)算出中上等煙和橘黃煙的比例。并以顏色、成熟度、結(jié)構(gòu)、身份、油分和色度6項(xiàng)指標(biāo)作為烤煙外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，各指標(biāo)權(quán)重分別為0.30、0.25、0.15、0.12、0.10、0.08。采用指數(shù)和法評(píng)價(jià)烤煙外觀質(zhì)量狀況。

1.3.3煙葉烘烤能耗成本記錄每房烤煙從開始點(diǎn)火到最后烘烤完畢所消耗的煤炭量和電量，比較不同處理煙葉烘烤的千克干煙平均耗煤耗電量，計(jì)算出相應(yīng)的能耗成本。

1.3.4裝煙室溫濕度控制精度每隔4 h記錄1次烤房干球和濕球的目標(biāo)值和實(shí)際值，比較不同處理烤房的測(cè)量精度和控制精度。

1.3.5助燃風(fēng)機(jī)保護(hù)器分別于每日9:00、15:00、21:00采集1次助燃風(fēng)機(jī)的機(jī)殼溫度，分別統(tǒng)計(jì)助燃風(fēng)機(jī)在停機(jī)和運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的外殼溫度最大值。

1.4數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析

采用SPSS 21.0和Excel 2013對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

2結(jié)果與分析

2.1不同處理烤房對(duì)裝煙室溫濕度的控制精度

由表2可以看出，不同處理烤房裝煙室內(nèi)干球溫度的偏高和偏低值，以及濕球溫度的偏高和偏低值之間的差異都達(dá)到了極顯著水平。與普通密集烤房相比，精益控制烤房的裝煙室內(nèi)干球溫度的偏高值和偏低值分別低0.41和0.30 ℃；濕球溫度的偏高值和偏低值分別低0.41和0.32 ℃，除濕球溫度偏高值的變異系數(shù)略高于對(duì)照烤房外，其他指標(biāo)的變異系數(shù)都低于對(duì)照烤房。說明采用本項(xiàng)目的設(shè)備后，能顯著提高裝煙室的溫濕度控制精度，有利于精準(zhǔn)執(zhí)行烘烤工藝。這可能是因?yàn)槿詣?dòng)變頻控制儀能夠根據(jù)烤房裝煙室內(nèi)的需要自動(dòng)變頻調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)、自動(dòng)煙囪閘火門的運(yùn)行狀態(tài)，因而能夠盡可能地保證裝煙室內(nèi)的溫濕度狀態(tài)以較小的幅度波動(dòng)。

表2　不同處理烤房裝煙室內(nèi)干濕球溫度偏差值的獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)

注：*、**分別表示在0.05、0.01水平上的顯著性；F為L(zhǎng)evene檢驗(yàn)對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)值；Sig.為雙側(cè)檢驗(yàn)的顯著性。下同。

2.2不同處理烤房烤后煙葉的外觀質(zhì)量

煙葉的外觀質(zhì)量作為煙葉質(zhì)量評(píng)價(jià)中的一個(gè)重要部分，可反映煙葉的商品等級(jí)質(zhì)量[9]。由表3可以看出，在不同處理烤房烤后煙葉的外觀質(zhì)量評(píng)價(jià)中，每個(gè)指標(biāo)的Levene檢驗(yàn)的F值均大于0.05，表明各個(gè)指標(biāo)的方差均齊性。不同處理烤房烤出的煙葉葉片顏色和成熟度之間的差異不顯著，葉片色度之間無差異。但是，葉片結(jié)構(gòu)和最終的加權(quán)得分之間的差異達(dá)到了極顯著差異水平；葉片身份和油分之間的差異也達(dá)到了顯著差異水平。實(shí)施精益控制烤房烤出來的煙葉的葉片結(jié)構(gòu)的變異系數(shù)為3.19%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通密集烤房烤出來的煙葉的葉片結(jié)構(gòu)的變異系數(shù)，說明精益控制烤房烤出來的煙葉的葉片結(jié)構(gòu)變化更加趨于穩(wěn)定，這可能是由于精益控制烤房裝煙室內(nèi)相對(duì)于普通密集烤房更加穩(wěn)定的溫濕度狀態(tài)，更加有利于煙葉烘烤過程中葉片內(nèi)部化學(xué)成分的轉(zhuǎn)化以及葉片外在物理形變的發(fā)生，也就有利減小葉片結(jié)構(gòu)之間的差異。這種較為協(xié)調(diào)的內(nèi)在化學(xué)成分狀態(tài)和較為穩(wěn)定的葉片結(jié)構(gòu)外化到煙葉外觀質(zhì)量上的表現(xiàn)也較為穩(wěn)定，所以使用精益控制烤房烤出來的煙葉外觀質(zhì)量打分的變異系數(shù)低于普通密集烤房。

表3　不同處理烤房烤后煙葉外觀質(zhì)量的差異分析

2.3不同處理烤房烘烤煙葉的能耗成本

由表4可以看出，與對(duì)照烤房相比，實(shí)施精益控制烤房烘烤煙葉的耗煤和耗電均較對(duì)照烤房節(jié)省。使用精益控制烤房烘烤煙葉的千克干煙耗電量較低，為0.29 kW·h，較對(duì)照節(jié)約了31%；千克干煙耗煤量為2.29 kg,較對(duì)照節(jié)約了9.2%。這可能是由于精益控制烤房的自控儀可以根據(jù)烤房裝煙室內(nèi)的需要進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)機(jī)以合適的頻率運(yùn)行，從而減少了耗電量；穩(wěn)溫時(shí)，自動(dòng)煙囪閘火門逐步關(guān)閉來取消煙囪拔火，改善燃燒條件，從而減少溫度過沖，降低熱量浪費(fèi)，相應(yīng)地節(jié)省了烘烤過程中的燃煤用量。使用精益控制烤房烘烤的煤耗和電耗的總成本為940.8元/房，而對(duì)照烤房的能耗總成本為1086.6元/房，能耗成本減少145.8元/房，節(jié)約了13.4%；千克干煙烘烤的能耗成本也較對(duì)照烤房減少了0.31元，節(jié)約了13.03%。這說明采用使用精益控制烤房進(jìn)行烘烤，能夠明顯降低煙葉烘烤過程中的煤耗和電耗，節(jié)約烘烤的能耗成本。

表4　不同處理烤房烘烤煙葉的能耗成本

注：本研究使用的燃煤種類為12孔蜂窩煤，平均重量為0.99 kg/塊(濕煤)。燃煤價(jià)格按800元/t、電費(fèi)0.65元/kW·h計(jì)算。

2.4不同處理烤房烘烤煙葉的經(jīng)濟(jì)效益

從表5可以看出，不同處理烤房烤后煙葉的上中等煙比例、橘黃煙比例以及均價(jià)也有差異。相對(duì)于普通密集烤房，實(shí)施精益控制烤房烤出的煙葉中上等煙比例提高了4.13%，橘黃煙比例提高了25.04%，均價(jià)增加了2.44元，較對(duì)照提升了16.94%。這可能是由于使用精益控制烤房烘烤煙葉的過程中，裝煙室內(nèi)較為穩(wěn)定的溫濕度狀態(tài)，有利于煙葉的變黃和失水干燥，進(jìn)而有利于形成質(zhì)量較優(yōu)的烤后煙葉。不同處理烤房烤出煙葉的人工成本相差不大，但使用精益控制烤房烘烤的千克干煙能耗成本降低了13.03%，總體來說，精益控制烤房烘烤煙葉的千克干煙收益較對(duì)照烤房增加2.76元，提升了27.11%，有利于增加農(nóng)民的收益。

表5　不同處理烤后烤房烘烤煙葉的經(jīng)濟(jì)效益

注：每房烤煙的用工包含煙葉的采收、編竿、裝炕、烘烤、卸煙和最后分級(jí)扎把的整個(gè)過程，其中工價(jià)按每個(gè)工人80元/d計(jì)算。

2.5助燃風(fēng)機(jī)保護(hù)器

從表6可以看出，不同處理烤房的助燃風(fēng)機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)機(jī)殼表面溫度與環(huán)境溫度差值的平均值之間的差異沒有達(dá)到顯著水平，這是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)爐膛溫度無法倒竄，同時(shí)吹出的風(fēng)也為風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱。在停機(jī)狀態(tài)下，精益控制烤房的助燃風(fēng)機(jī)機(jī)殼表面的溫差值與對(duì)照烤房之間的差異達(dá)到了極顯著水平，這說明在停機(jī)時(shí)保護(hù)器能有效降低風(fēng)機(jī)機(jī)殼表面的溫度，起到保護(hù)風(fēng)機(jī)電機(jī)的作用。

表6　不同處理烤房助燃風(fēng)機(jī)機(jī)殼表面與環(huán)境溫差值的差異分析

注：溫差值為風(fēng)機(jī)機(jī)殼表面溫度與采集時(shí)風(fēng)機(jī)所處環(huán)境溫度的差值。

從表7可以看出，在2014年使用助燃風(fēng)機(jī)保護(hù)器之后，相比較于2013年，風(fēng)機(jī)損壞的數(shù)量大大降低，故障率也由34.1%降低到了2.4%，大大延長(zhǎng)了助燃風(fēng)機(jī)的使用壽命。

表7　助燃風(fēng)機(jī)保護(hù)器的保護(hù)性能統(tǒng)計(jì)表

3結(jié)論與討論

煙葉烘烤是一個(gè)煙葉失水和煙葉變黃相互協(xié)調(diào)的過程[10-14]。烤房裝煙室內(nèi)的溫度和濕度狀態(tài)會(huì)影響煙葉的變黃和失水的速度以及他們的協(xié)調(diào)程度，進(jìn)而影響煙葉的烘烤質(zhì)量[15-18]。因此，精確地控制烤房?jī)?nèi)的溫、濕度狀態(tài)是使用密集烤房烘烤的重要內(nèi)容。

精益控制烤房通過自控儀和變頻器的無極變頻控制循環(huán)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、風(fēng)壓和風(fēng)量，配合閘火門的自動(dòng)啟閉，顯著提高了裝煙室的溫濕度控制精度，能顯著改善煙葉外觀質(zhì)量，烤后煙葉均價(jià)提高了16.94%、耗煤減少9.6%、耗電節(jié)約31.3%、烘烤能耗成本降低13.4%、千克干煙烘烤的能耗成本降低了13.03%、千克干煙的烘烤收益增加了27.11%。使用助燃風(fēng)機(jī)保護(hù)器后，能夠顯著降低助燃風(fēng)機(jī)在停機(jī)時(shí)風(fēng)機(jī)機(jī)殼外表溫度，平均降低4.71 ℃。另外，還能很好地阻隔爐膛高溫高濕空氣傳導(dǎo)到風(fēng)機(jī)，有效保護(hù)風(fēng)機(jī)，延長(zhǎng)了風(fēng)機(jī)的使用壽命。

煤炭烘烤時(shí)排放的尾氣給環(huán)境造成的壓力也不容忽視，所以太陽能輔助烤房、熱泵烤房等相繼而生并成為行業(yè)研究的焦點(diǎn)，然而這些烤房的建造成本太高，無法大面積推廣。此外，爐膛火力取決燃煤的發(fā)熱量，自控儀不能直接控制，限制了精益控制烤房控溫精度的進(jìn)一步提高。如何設(shè)計(jì)減污裝置或選用清潔燃料如生物質(zhì)燃料[11-15]，降低烘烤的污染，提高烤房對(duì)于加熱系統(tǒng)的控制精度將是密集烤房精益控制的重要方向，筆者也將積極開展有益的探索。

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(責(zé)任編輯：曾小軍)

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

基金項(xiàng)目：湖南省煙草公司長(zhǎng)沙市公司科技項(xiàng)目(CYKJ2014-09)。

作者簡(jiǎn)介：黃國(guó)強(qiáng)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，從事煙葉烘烤工藝研究。*通訊作者：陳道穎。

中圖分類號(hào)：S572

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-8581(2016)04-0053-04