密集烘烤中遠紅外碳纖維電熱加熱技術研究進展

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(1 湖南農業大學農學院，長沙 410128； 2 貴州省煙草科學研究所，貴陽 550081)

2012-06-10

姜 均(1982—)，男，貴州遵義人，碩士研究生，主要從事煙草調制等研究，Email:nesser555@vip.qq.com。*通信作者，Email: yishuxie@sina.corn。

貴州省煙草公司資助項目(黔科合農G字(2009)4012)。

密集烘烤中遠紅外碳纖維電熱加熱技術研究進展

姜均1,2，謝已書2*，李國彬2，盧賢仁2

(1 湖南農業大學農學院，長沙 410128； 2 貴州省煙草科學研究所，貴陽 550081)

概述了烤煙烘烤加熱方式的研究現狀, 介紹了遠紅外加熱技術的特點及工作原理，展望了烤煙烘烤加熱方式的發展趨勢。

烤煙；密集烘烤；遠紅外碳纖維；電熱加熱技術

烤煙的烘烤調制是確定煙葉最終質量和可用性的一個重要組成部分。經多年的研究，烤煙的烘烤調制基本已形成了一套完整的技術體系。烤煙烘烤設備已從傳統的自然通風烤房發展到目前全面推廣應用的密集烤房[1]。與傳統烤房相比，密集烤房采用強制通風熱風循環，并配有溫濕度自動控制系統，具有提高裝煙容量、減工降本、節約能源、烤后煙葉質量較好等優點[2～5]，已在生產中發揮出重要的作用。然而，目前我國的煙葉烘烤設備的加熱方式依然是建立在傳統燃料直接供熱的基礎之上，不但消耗了大量的不可再生能源，而且生產過程中勞動強度大，優質煙葉烘烤工藝要求的溫濕度不易控制，并且煤燃燒產生大量的二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳等氣體容易對加熱設備造成腐蝕，且污染環境。因此，開發低碳排放、高效利用的清潔環保加熱技術成了一個熱門課題。

1 國內外烤房遠紅外加熱技術研究現狀

紅外輻射一般稱為紅外線或紅外，也叫熱輻射。遠紅外輻射技術具有如下特點：1)輻射率高，黑度大，接近黑體黑度。2)具有與多種物質吸收紅外線光譜相匹配的輻射能譜的分布。只要輻射器發射的輻射能全部或大部分集中在物料的吸收峰帶，輻射能就會大部分被吸收，實現良好的匹配，達到節能的效果。3)由于物料表層和表層以下同時吸收遠紅外線，因此加熱較均勻，制品的物理性能較好。4)遠紅外輻射沒有熱慣性，在很短時間內可以開始工作，也可以在很短時間內就停止工作，易于實現智能控制。另外，遠紅外還具有設備規模小、投資少、操作維修方便等優點。

紅外線光波和輻射技術在國內外已廣泛應用于食品、醫療衛生等諸多部門和領域[9～22]。美國早在70年代將遠紅外技術應用于烤煙的烘烤工藝，改善了煙葉外觀和內在質量，提高了煙葉的香氣味，節省了能源[23]。

20世紀90年代，針對傳統烘烤加熱方式速度慢，煙葉受熱不均勻，熱效率低等問題，我國煙草行業利用遠紅外的光波和輻射能力，先后研制了一系列的遠紅外烤煙涂料[24～30]。使用遠紅外涂料烤煙，其各個烘烤階段溫度均比未涂遠紅外涂料的烤房低 3～5℃。因此，烤出的煙葉油分、香氣質好，香氣量相應增加，顏色多呈枯黃色，煙葉的經濟效益得到了提高[31～33]。但是由于涂料使用期只有一年，次年烤煙時需重新涂刷，所以烤煙烘烤仍然以傳統能源(煤)作燃料。因此，發展高效、節能的烤煙烘烤加熱技術仍是我國煙草行業面臨的一個技術瓶頸。

2 烤房遠紅外電熱加熱技術的應用

在煙葉的烘烤調制中，將烤房原有的加熱設備去除，保留循環風機，在加熱室和裝煙室內安裝多組遠紅外線碳纖維電熱管，組成遠紅外電熱加熱體系，用溫濕度自動控制器和電源控制器進行控制。遠紅外碳纖維電熱管通電發出熱量，由風機將熱量送入烤房裝煙室，從而達到烘烤的目的。

2.1 遠紅外碳纖維電熱加熱技術工作原理

根據烘烤程序的控制，烤房內需要升到某個溫度段時，通過溫濕度自動控制器控制的遠紅外線碳纖維電熱管加熱程序開關自動打開進行加熱；當達到所需溫度時，通過溫濕度自動控制器控制的遠紅外線碳纖維電熱管加熱程序開關自動關閉，立即停止加熱。在變黃期只啟用加熱室內的遠紅外線碳纖維電熱管加熱，進入排濕階段后同時啟用裝煙室和熱風循環道內的遠紅外線碳纖維電熱管加熱。該技術適用于氣流上升式密集烤房和氣流下降式密集烤房，其差異為裝煙室遠紅外線碳纖維電熱管安裝的位置不同。氣流上升式密集烤房遠紅外線碳纖維電熱管安裝在裝煙室四周的墻腳，氣流下降式密集烤房遠紅外線碳纖維電熱管安裝在裝煙室四周頂部。

2.2 遠紅外碳纖維電熱管在烤煙中的應用

遠紅外碳纖維電熱管主要有以下優點：1)升溫速度快；2)遠紅外輻射效果好，具有顯著的保健功能[34，35]；3)使用壽命長，其壽命(連續工作)≥6 000 h以上；4)有極高的熱穩定性；

當遠紅外線輻射到煙葉后，一部分能量被煙葉吸收產生熱能，一部分穿透煙葉而輻射到其他煙葉。因此利用遠紅外線烤煙傳熱速度快，溫度均勻，保溫性能好，具有縮短烘烤時間，節約燃料的優點。在煙葉變黃期和定型期，遠紅外線能增強煙葉酶類活性，葉綠素活性酶提高，從而促進葉綠素的分解，使煙葉實現光學催黃，可大幅度減少青煙的產生，而且能有效防止煙葉的棕色化反應。煙葉的油份和香氣保存較好，提高了煙葉的烘烤質量。再加上溫濕度、時間由自控儀自動控制，這樣即省時、省力、省心，又能提高烘烤質量。整個烘烤過程不用燒煤，達到了節能減排、保護環境、省工降本的目的，促進了烤煙生產的可持續發展。

2010年，貴州省煙草科學研究所應用遠紅外碳纖維電熱加熱技術在烤煙密集烘烤中進行了試驗研究，試驗結果表明該技術完全能夠滿足烤煙密集烘烤，且具有顯著的省工和烘烤溫濕度精準控制的效果。

2.2.1 不同加熱方式烘烤過程溫濕度控制的有效性

由表1、2、3的結果可見，以煤炭作燃料加熱烘烤，干球溫度，在變黃階段和定色階段，實測溫度與目標溫度的偏差值為0.8～2.1℃，干筋階段實測溫度與目標溫度偏差相對較小0～0.8℃；濕球溫度，變黃階段和定色階段，實測溫度與目標溫度的偏差值為0.2～0.9℃，干筋階段實測溫度與目標溫度相對較小0.1～0.3℃。

采用遠紅外碳纖維電熱加熱烘烤：干球溫度，在變黃階段，實測溫度與目標溫度的偏差值為0～0.6℃；定色階段，實測溫度與目標溫度的偏差值為0～0.3℃；干筋階段實測溫度偏差較小，為0～0.2℃，控制精度比較準確。濕球溫度，在變黃階段和定色階段，實測溫度與目標溫度的偏差值為0～0.2℃，干筋階段實測濕球溫度與目標溫度一樣沒有偏差，控制精度準確。

表1 不同加熱方式烘烤變黃階段的溫濕度狀態(控制偏差)

表2 不同加熱方式烘烤定色階段的溫濕度狀態

表 3 不同加熱方式烘烤干筋階段的溫濕度狀態(控制偏差)

2.2.2 不同加熱方式烘烤的成本比較

由表4可見，相同烤房采用不同加熱方式烘烤對比，超導熱管電熱加熱和遠紅外碳纖維電熱加熱烘烤煙葉的耗電成本是高于以煤炭加熱的成本的，但由于無烘烤操作用工，因而運行成本明顯低于煤炭加熱烘烤，降低了煙葉烘烤的勞動強度。

表4 不同加熱方式烘烤的成本比較

*注：當地電價0.5元/度、煤價1 200元/噸(無煙煤)。表中超導熱管電熱加熱和遠紅外碳纖維電熱加熱耗電量包括循環風機不間斷的耗電量(2.2kW)。用工成本60元/工。

3 結語

煙葉的烘烤調制過程需要消耗大量的熱能，以煤碳為加熱能源的密集烤房熱量利用率低，能耗高，通常每千克干煙葉的耗煤量為1.5～2.5 kg，熱能利用率僅為15%～20%[36，37]，并且產生大量的廢氣，對環境的污染比較嚴重。遠紅外碳纖維電熱加熱烘烤煙葉所需能源是電能，隨著我國電力產業的快速發展，電力資源已越來越充裕，這項煙葉烘烤調制的技術革新和推廣將能給國家和煙農帶來巨大的社會效益和經濟效益。

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S572.092

A

1001-5280(2012)07-0167-04

10.3969/j.issn.1001-5280.2012.07.48

責任編輯：黃燕妮