基于碳纖維紅外加熱板的烤煙房設計研究

劉鋒濤，葛新鋒

(1.許昌初心智能電氣科技有限公司，河南 許昌 461000；2.許昌學院 工程訓練中心，河南 許昌 461000)

鮮煙葉的烘烤是卷煙生產過程中的一個重要的工序，在長期的卷煙生產過程中已形成完整的烘烤工藝[1]，并依據這套工藝設計了密集烤房[2]，密集烤房以“煙葉容量大、烘烤質量高、能量消耗低”的優勢被推廣應用[3-4]，在煙葉的烘烤過程中發揮了重要的作用，因此，密集烤房技術也就成為相關領域專家關注的熱點，相關專業根據我國的具體情況對密集烤房進行了改進[5]，王龍飛等[6]利用流場分析軟件CFD對密集烤房的氣流速度場進行了分析，優化了密集烤房的結構，雖然改進了烤房的結構，但密集烤房烘烤過程的能量提供方式仍然是采用燃煤燃燒。

燃煤作為一次能源，燃燒過程中烤房的溫度無法精確控制，而且煤燃燒過程中會產生SO2，CO等有毒有害氣體和粉塵，污染大氣環境，勞動強度大；肖傳友等[7]探討了地溝油作為燃料對密集烤房進行加熱的應用潛力，地溝油作為餐飲的廢棄物，如能合理利用能降低烤煙生產過程的成本，但是地溝油在燃燒的過程中需要前處理，還要改進密集烤房的燃燒系統，這無疑提高了烤煙的成本，不利于密集烤房的推廣；蔣篤忠等[8]提出用生物質能源作為能量的提供方式對密集烤房進行加熱，生物質作為燃料在燃燒的過程中能夠減少污染物的排放，尤其是SO2、CO等有毒有害氣體的排放，但是生物質能源在燃燒之前加工的工藝過程復雜，熱值小，在煙葉烘烤過程中，尤其是定色過程的穩溫效果不好，而且增加勞動強度。紅外加熱是利用碳纖維在電能的作用下向外輻射能量加熱的一種方式[9-10]，由碳纖維制成紅外加熱板，傳熱方式為面輻射，加熱面積大，升溫速度快，穿透能力強，能實現對加熱溫度的精確控制[11-12]。碳纖維紅外加熱板在農作物干燥過程中的應用已經有了廣泛而深入的研究[13-15]，達到了比較好的效果。

因此，本研究根據碳纖維紅外加熱板的加熱特點，設計并搭建基于碳纖維紅外加熱板的烤房，并對煙葉進行烘烤，從外觀和一系列的化學指標對比，為基于碳纖維紅外加熱烤房的推廣應用提供技術依據。

1 碳纖維紅外加熱烤房的結構和原理

1.1 烤房的整體結構

碳纖維紅外加熱烤煙房總體結構包括長方體形狀的烤煙房體、吊煙架,、烘烤系統和控制系統構成。具體結構如圖1所示。

圖1 碳纖維紅外加熱烤房結構

烤煙架用來懸掛待烤的煙葉，加熱系統核心部件是單層碳纖維紅外加熱板，由碳纖維紅外加熱板、單頭鉤、雙頭鉤、耐高溫繩索組成。單頭鉤一端固定在墻上，帶鉤的一頭和雙頭鉤的一頭相連，雙頭鉤(可以調節繩索的長度，由于重力和溫升的原因繩索會伸長，碳纖維紅外加熱板會下垂)的另一頭掛耐高溫繩；另一側對稱一單頭鉤和雙頭鉤，采用同樣的連接方式。這樣相鄰的兩條繩索構成碳纖維紅外加熱板的安裝平臺。

控制系統由單片機根據溫度和濕度傳感器檢測的溫度和濕度來控制碳纖維紅外加熱板開啟和加熱時間以及抽濕機和鼓風機的工作。當碳纖維紅外加熱板溫度傳感器測得溫度達到極限溫度，而烤煙室溫度傳感器測得的溫度比較低時進行保溫，啟動鼓風機加速烤煙室的氣流流動；當烤煙室的濕度傳感器測得的濕度大于烤煙工藝要求的濕度時，抽濕機啟動，在密封室進行干燥；當烤煙室溫度傳感器測得的溫度大于烤煙工藝要求的溫度時斷開碳纖維紅外加熱板，啟動鼓風機加速氣流的流動；經過抽濕機干燥的空氣經上底板重新回到烘烤室，避免熱量的損失。

1.2 碳纖維紅外加熱板的結構和加熱原理

碳纖維紅外加熱板如圖2所示，由上基材層、下基材層、發熱層依次經粘合劑粘貼，經高溫密閉熱壓而成。

圖2 碳纖維紅外加熱板的結構示意圖

其中，上基層材質為聚對苯二甲酸乙二醇酯樹脂、 下基層材質為環氧樹脂玻璃纖維布。加熱層由一層碳纖維導電紙構成，為非金屬面狀電阻體，通電后直接將電能轉化為輻射熱，而且整個面上均勻輻射，溫度一致性好。碳纖維紅外加熱板在通電運行后，碳原子在電激條件下產生熱反應，在面狀電熱板上產生高速布朗運動，相互撞擊摩擦產生熱量，發出遠紅外波，穿透介質，均勻散熱[16]。一塊碳纖維紅外加熱板長寬約 60 cm×90 cm，厚度 2～3 mm，升溫后易形變，通電后發出 8～15 μm 遠紅外電磁波，發熱面溫度高可達 120 ℃。

2 碳纖維紅外加熱烤房的煙葉烘烤工藝

烘烤在烤煙房進行，供烘烤的品種為豫煙11號，選中部成熟葉為烘烤對象。煙葉烘烤的基本要求分變黃、定色、干筋3個階段，總時長約 140 h。根據煙葉的烘烤要求變黃分兩步：第一步，煙葉裝滿烤房后，鼓風機低速運行，抽濕機處于停機狀態，碳纖維紅外加熱板以每小時升溫 1℃的速度將烤房溫度升到 34～38℃，直到煙葉80%以上變到八成黃。第二步，將烤房溫度升高到 40～42℃。抽濕機處于工作狀態，使煙葉達到既變黃又變軟。定色階段烤房內溫度以平均2～3 h升溫1℃的速度提高到54～55℃。干筋階段以1℃·h-1的升溫速度使烤房溫度提高到 67～69℃，抽濕機停止工作。

根據烘烤要求設置控制程序，烤房內需要升到某個溫度段時，通過溫濕度傳感器測得的溫濕度數據傳給單片機進行判斷然后控制碳纖維紅外電熱板加熱程序開關自動打開進行加熱； 當達到所需溫度時，關閉碳纖維紅外加熱板的程序開關，立即停止加熱。在變黃期只啟用熱風循環，進入排濕階段后同時用啟用碳纖維紅外加熱板和鼓風機進行熱風循環。

3 碳纖維紅外加熱烤房的煙葉烘烤效果

3.1 外觀表現

選同一塊煙田的中部成熟葉在許昌某鄉煙葉烘烤工場進行，該鄉共建碳纖維紅外加熱烤房600多座。其中2座采用密集烤房(烤房規格2.7 m×4 m，裝煙量100～120桿)和58座采用碳纖維紅外加熱烤房(烤房規格2.7 m×4 m，裝煙量100～120桿)烘烤兩批煙葉，圖3是煤作為燃料的密集烤房烘烤出來的煙葉，圖4是碳纖維紅外加熱板烤房烘烤出來的煙葉。

整體來看傳統煤烘烤出的煙葉比較皺，不平坦，顏色比較暗淡，組織結構致密，葉片干枯，葉片有破損，焦邊現象。采用碳纖維紅外加熱板烘烤出的煙葉葉面比較平坦，顏色整體比較亮，整體呈檸檬黃色，組織結構比較疏松，葉片比較豐滿、厚實、油潤，葉片比較完整，沒有破損，焦邊。

從表1可以看出，采用碳纖維紅外加熱板烘烤出來的煙葉橘黃色和檸檬黃色的比例都高于，青雜煙的比例低于傳統煤作為燃料烘烤的方式，而且采用碳纖維加熱板烘烤出的煙葉片疏松，用工成本和烘烤總成本都有不同程度的降低。

圖3 傳統煤烘烤出的煙葉

圖4 碳纖維紅外加熱板烘烤出的煙葉

表1 傳統煤烘烤的煙葉和碳纖維紅外加熱板烘烤的煙葉外觀質量和成本對比

3.2 化學指標

煙葉的化學成分是決定煙葉的內在品質因素之一，目前已發現的化學成分多達5 295種，很多化學成分的含量都很低，對煙草質量的影響都很小，這里主要探討對煙草質量影響較大，含量相對較高的化學成分的影響[17]。

從表2可以看出，采用碳纖維紅外加熱板烘烤的煙葉中總糖和還原糖含量比采用傳統的煤加熱烘烤的煙葉中總糖和還原糖含量有所降低，說明在碳纖維紅外加熱板烘烤煙葉過程中淀粉的轉化更加充分；K2O(助燃)的含量有一定程度的提高，Cl(阻燃)含量有一定程度的降低，說明采用碳纖維紅外加熱板烘烤出來的煙葉更能充分燃燒，煙葉的化學成分有明顯的提高。

表2 傳統煤烘烤的煙葉和碳纖維紅外加熱板烘烤的煙葉主要化學成分對比 g·kg-1

由表3可知，采用碳纖維紅外加熱板烘烤煙葉質量要優于采用煤加熱烘烤的煙葉，其香氣質、香氣量、余味都有所提高。

表3 傳統煤烘烤的煙葉和碳纖維紅外加熱板烘烤中部煙葉的質量檢測表

4 結 論

根據碳纖維紅外加熱板溫度易控制、無污染的特點，設計了一種基于碳纖維紅外加熱板烤煙房。并進行了煙葉的烘烤試驗。

(1)結合碳纖維紅外加熱板外形結構，設計了支撐平臺和控制系統，根據煙葉的烘烤工藝進行烘烤。

(2)通過和傳統煤作為燃料進行烘烤對比，結果表明，采用碳纖維紅外加熱板進行烘烤的煙葉在外觀上橘黃色煙葉和檸檬黃色煙葉的比例分別提高4.1%和4.5%，青雜煙降低9%，用工成本每公斤降低1.3元，總成本每公斤降低3.5元。

(3)通過和傳統煤作為燃料進行烘烤對比，結果表明，采用碳纖維紅外加熱板進行烘烤的煙葉總糖和還原糖分別低于傳統煤作為燃料的烤房2 g·kg-1和6 g·kg-1，香氣質、香氣量分別提高0.5和0.4，總體化學成分更加適宜，而且碳纖維紅外加熱板溫度容易實現精確控制，無污染。