煙葉密集烤房的研究應用進展與改進設計

段紹米 羅會龍 劉海鵬

摘要：對目前國內外密集烤房的研究進展進行了綜述，接著從密集烤房供熱系統及散熱材料、裝煙方式及經濟效益、溫濕度建模及控制等不同方面的研究進行了總結。針對目前使用的密集烤房采用開放式排濕方式，造成煙葉香氣成分的流失和大量排濕氣流余熱的損失問題，設計了一種采用全閉式熱風循環的密集烤房。該設計提高了煙葉烘烤質量且避免了密集烤房排濕氣流余熱的損失。

關鍵詞：煙葉;密集烤房;研究進展;全閉式熱風循環;除濕設備

中圖分類號： TS43 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）01-0202-05

烘烤決定煙葉品質和可用性;先進的烘烤設備，是準確實現科學的烘烤工藝、提高煙葉品質、降低勞動強度和生產成本的基礎。烤房是煙葉烘烤的專用設備，隨著生產力的發展，烤房也在不斷地更新換代，自烤煙生產以來，經歷了明火烤房、自然通風式普通烤房、熱風循環烤房、普改密烤房、密集烤房等形式。然而，目前的密集烤房也存在著許多不足，筆者在總結目前國內外密集烤房研究進展的基礎上，設計了一種采用全閉式熱風循環的密集烤房。

1 煙葉密集型烤房的國內外研究及應用進展

1.1 國外研究及應用進展

密集烤房的研究始于20世紀50年代中期，美國北卡羅萊納州立大學以減少煙葉烘烤人工投入、提高烤煙質量為目的，進行了密集烘烤（bulk-curing）試驗研究，引發了一場煙葉烘烤技術革命。1960年，Johnson發表了“煙葉密集供烤”的實驗報告，引起了世界各國煙草界的重視[1]。1963年，Long出于釆收、編煙和裝煙用工多的考慮，研制了鮮煙葉田間采收機械以及煙葉夾持設備[2]。1966年，Wilson研制出適宜于密集烤房的煙夾，解決節省編煙裝坑等環節用工的問題[3]。同年，Hassler研制出適于2層裝煙的密集烤房梳式煙夾并提出了適于該設備的密集供烤工藝，極大減少了編煙裝坑環節的用工量，使烤房的制造成本得到大幅降低[4]。1972年，Wilsion對密集供烤的送風裝置進行了改進，不僅使煙葉物質充分轉化，還有效防止了煙葉香氣物質在干筋期散失過多[5]。1974年，Taylor等對煙夾進行了改進，使煙夾不但具備將煙葉從煙田運輸到烤房的功能，而且使煙葉裝卸更加方便[6]。同年，Long研制出一種田間成熟鮮煙葉采收機械并配備相應的大箱式裝煙設備[7]。1976年，鮑威爾（Powell）公司成功研制了大箱式堆積供烤成套設備，實現了機械化和自動化[8]。同年，Azumano研制出一種溫濕度自動控制系統用于密集烘烤，使密集烘烤的自動化水平提升到一個新臺階[9]。1977年，Edwards等改進了大箱式裝煙的固定方式，避免了煙葉在烘烤過程中倒伏、干燥不均勻等現象[10]。同年，Griffin等先后對裝煙設備進行了改造，使裝煙更簡便快捷[11]。1978年，Fowler研制出一種廢氣循環利用和太陽能預熱空氣裝置，有效減少了烘烤耗能[12]。1979年，Wilson制造出一種便于組合的密集烤房[13]。

實踐證明，密集型烤房具有裝煙多、效率高、易操作、省工、省時等優勢，普通烤房無法比擬，其經濟效益尤為顯著，代表了現代煙草農業發展的方向。

1.2 國內研究及應用進展

我國最早是在20世紀60年代開始進行密集烤房研究。1963年，河南省煙草甜菜工業科學研究所進行了密集烤房試驗研究，并于1973—1974年設計出了第1代以煤為燃料、土木結構的密集烤房。20世紀60年代中期，密集型烤房普遍采用地面安裝進風管，頂部設置回風管的結構形式，燃料采用石油和天然氣。循環風機設在烤房外面的循環風管中，熱源在風機下面，在循環風機的牽引下實現熱風循環[14]。90年代初期，河南、云南等省分別從國外引進了多種密集烤房。進入21世紀后，隨著烤煙規模化生產的發展，密集烤房的研究又一次形成熱潮。2003年，安徽省成功研制出了使用懸浮式蜂窩煤爐的密集烤房，成為我國煙葉烘烤設備發展史上的一次革命。2004年，貴州省遵義市又成功地引進和研究了散葉烤房。隨后，河南農業大學成功地研究開發出了高效電熱式溫濕度自控密集烤房，到2004年底，全國共建造和應用的密集烤房達到1.4萬多座。

2003—2005年，是我國密集型烤房成功發展關鍵性階段。安徽省研制和推廣了AH系列烤煙密集型烤房。云南省推出了QJ-I型、QJ-II型和QJ-III型密集型烤房。湖南省研制成了長瀏2號烤煙密集型烤房。貴州省依次推出了 GZ-1型烤煙散葉堆積烤房及GZSM-06-02型氣流下降式和GZSM-06-03型氣流上升式2種定型散葉密集型烤房。2005年，我國主要煙區進行了密集型烤房的試驗、示范，并獲得初步成功。2007年，李曉燕等研制了熱風循環烤房[15];2008年，蔣篤忠等結合密集烤房的烘烤原理及我國烤房與煙葉生產現狀進行了改造，這些成果對由普通烤房向密集烤房過渡發揮了承上啟下的重要作用[16]。

我國在不斷加強煙葉生產基礎設施建設的同時，全面推進煙葉生產的規模化、集約化、專業化和信息化，密集烤房也得到極大的發展，具體研究進展見表1。

2 煙葉密集烤房專項研究

目前，密集烤房在供熱系統和散熱材料、裝煙方式和經濟效益、溫濕度控制等多方面已經取得重大突破和創新，并在一些地區得到推廣[25]。

2.1 供熱系統和散熱材料研究

具體供熱系統和散熱材料方面的研究成果見表2。

2.2 裝煙方式和經濟效益

具體裝煙方式和經濟效益方面的研究成果見表3。

2.3 溫濕度、建模及控制

具體溫濕度及控制方面的研究成果見表4。

3 煙葉密集型烤房的比較與改進

盡管密集烤房在許多方面已經取得重大突破和創新，并在一些地區得到推廣，但目前密集烤房仍然有許多的不足，例如節能環保、溫濕度精準控制、煙葉香氣保留等，還有許多方面有待改進。本研究根據密集烤房的原理及結構，針對其節能環保及煙葉香氣保留方面設計了一種采用全閉式熱風循環的密集烤房。

3.1 傳統煙葉密集型烤房的原理和結構

（1）密集烤房基本結構和形式。密集烤房分為加熱室和裝煙室2個部分，由隔墻隔開，因為裝煙室內氣流方向不同分為氣流上升（圖1-a）和氣流下降2種形式（圖1-b）。氣流上升式密集烤房的裝煙室內空氣在風機作用下由下向上運動，而加熱室空氣運動方向是由上向下。氣流下降式密集烤房的裝煙室內空氣由上向下運動，加熱室空氣運動方向是由下向上。（2）密集烘烤的原理。裝煙后點燃燃燒器，加熱熱交換器，利用風機把熱風強制通過裝煙室下面的多孔板，熱風均勻地被壓入密集隔熱的裝煙室內，通過煙葉層，加熱煙葉帶走水分，向上流動。濕熱氣流一部分從排氣口排出，大部分與進氣口的新鮮空氣混合，再被熱交換器加熱，送入裝煙室。如此使熱氣流通道和煙葉間循環，帶走煙葉排出的水分，直到煙葉被烤干為止[69]。

3.2 煙葉密集型烤房的改進

目前使用的密集烤房采用開放式排濕方式，在煙葉烘烤的排濕階段，大量排濕氣流直接排向室外。云南省煙草農業科學研究院崔國民等的研究結果表明，這些排濕氣流中攜帶有大量的煙葉香氣成分及其他十余種有益于提高煙葉烘烤品質的氣體成分[70]。因而，目前使用的密集烤房烤后的煙葉容易出現顏色淺淡、光滑等現象，致使油分、香氣量等降低等，影響煙葉質量。此外，在烘烤耗能方面，目前使用的密集烤房采用開放式排濕方式，不僅造成大量的煙葉香氣成分的流失，同時也導致大量排濕氣流余熱的損失。因此，現階段的密集烤房的能量利用率普遍較低，使得煙葉烘烤的能耗居高不下，1 kg 干煙葉的耗煤量為1.5～2.0 kg。因此，針對以上問題，設計了一種采用全閉式熱風循環的密集烤房，不僅可提高煙葉烘烤質量，而且可避免密集烤房排濕氣流余熱的損失。全閉式熱風循環密集烤房見圖1-c。

圖2為全閉式熱風循環密集烤房，由裝煙室、加熱室、熱風送風口、烤房熱風循環風機、燃煤熱風爐、熱風回風口、溫度傳感器、濕度傳感器、控制器組成;在全閉式熱風循環密集烤房中增設間壁式風冷除濕器、除濕氣流出風管、新風出風管、除濕氣流風機、新風進風管、排水管、新風風機、新風風機進風口接頭、新風風機出風口接頭、除濕氣流風機進風口接頭、除濕氣流風機出風口接頭;同時并取消排濕口。間壁式風冷除濕器由保溫殼體、除濕氣流出口、間壁式換熱組件、新風入口、支架、水封、排水口、冷凝水集水盤、新風出口、除濕氣流入口構成;間壁式風冷除濕器為全自動控制的間壁式風冷除濕器，間壁式風冷除濕器結構連接示意見圖3。在全閉式熱風循環密集烤房中增設間壁式風冷除濕器、除濕氣流出風管、新風出風管、除濕氣流風機、新風進風管、排水管、新風風機;同時并取消排濕口。

全閉式熱風循環密集烤房工作原理：需要排濕時，其中一部分從裝煙室下部的熱風回風口返回的熱濕氣流，在除濕氣流風機的牽引下從除濕氣流出口進入并流經間壁式風冷除濕器;室外新風在新風風機的牽引下從新風進風管進入并流經間壁式風冷除濕器;在間壁式風冷除濕器的間壁式換熱組件內，熱濕氣流經過來自室外的新風冷卻后形成冷凝水，冷凝水通過冷凝水集水盤收集后由排水管排至室外;被除濕后的熱濕氣流進入加熱室2，經燃煤熱風爐5加熱后再次進入裝煙室1，以減少常規密集烤房排濕氣流余熱損失及煙葉香氣成分等有益成分損失。

此設計將煙葉烘烤過程中揮發出的煙葉香氣成分及其他有益于提高煙葉烘烤品質的氣體成分固定在密集烤房內，從而提高煙葉烘烤質量;并避免現行密集烤房排濕氣流余熱的損失，以實現煙葉烘烤的節能減排。此密集烤房的設計改進已經實現，已做出大量試驗數據，將會在今后的相關論文中發表。

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