 智能化散烟密集烤房综合配套技术研究与应用项目技术报告智能化散烟密集烤房综合配套技术研究与应用项目技术报告
《智能化散烟密集烤房综合配套技术研究与应用》课题组
摘要 “智能化散烟密集烤房综合配套技术研究与应用”项目于2006年至2007年开展了较为系统的研究。经项目研究，完成了不同规格、不同类型散叶密集烤房的建筑结构设计、配套供热设备、通风设备及智能化温湿度自动控制设备的定型配套；散叶密集烤房在降低烤烟烘烤环节投入成本，提高烟叶烘烤质量方面效果显著；通过大量的测定分析，从烤烟烘烤工艺基础理论方面补充完善了散叶密集烘烤烟叶变化规律的技术参数；通过散叶密集烤房不同烘烤技术的配套研究试验，总结完成了智能化散叶密集烤房配套烤烟烘烤工艺规程。
1 研究目的
20世纪90年代后期，巴西苏萨.格鲁兹公司(Souza Cruz) 研究出来的一种新型密集烤房，并命名为LOOSE-LEAF BARN，即散叶密集烤房。由于散叶密集烤房在装炕过程不需要编烟，直接将散叶堆放在装烟隔板上烘烤，卸烟过程同样不需要解竿程序，因而与挂竿或烟夹式密集烤房比较更加节省了装卸烟用工成本。国内黑龙江、湖北、贵州等地自2002年开始引进散叶密集烤房进行试验研究。然而在采用散叶密集烤房烘烤过程中，还存在许多问题，导致该技术在推广应用中受到影响，如烤后烟叶容易因烤房排湿不畅出现烟叶变形、蒸片、褐片等现象。经前期试验分析，散叶密集烤房因装烟方式不同，烤房内烘烤环境发生一定改变，烟叶在烘烤过程中的变化规律与其它装烟方式的烘烤有明显差别，因而导致采用传统的烘烤工艺不适宜于散叶密集烘烤。
本项目研究的主要目的:一是设计不同类型、不同规格的散叶密集烤房，完善散叶密集烤房建造技术参数和操作原理，以及供热、通风排湿、智能化温湿度自动控制等配套设备技术；二是从烤烟烘烤基础理论方面进行试验研究，测定分析散叶密集烟叶的变化规律；三是根据散叶密集烘烤烟叶的变化规律，从降低烤烟烘烤环节投入成本，提高烟叶烘烤质量出发，研究完善与散叶密集烤房相配套的烤烟烘烤工艺。以期散叶密集烤房技术和散叶烘烤技术得以在生产中推广应用。
2 技术路线
首先从密集式烤房的建筑结构设计、供热通风设备及智能化密集烤房温湿度自动控制系统的配套研究入手，完善散叶密集烤房的结构及类型；根据不同装烟方式条件下烟叶烘烤环境发生的改变,对散叶密集烤房烘烤过程中烟叶的基本变化进行观察分析,包括烤房温湿度的变化、烘烤过程中烟叶水分变化、干物质变化、外观形态变化、物理性状变化以及烟叶主要化学成分的变化等，明确散叶密集烘烤烟叶的变化规律；在此基础上，结合烟叶的变化规律，有针对性地找出主要影响因素并进行烘烤对比试验研究，包括散叶密集烘烤的不同定色阶段湿度试验和烘烤温湿度因素正交试验研究；然后通过示范验证，从而完善散叶密集烤房的配套烘烤工艺。
3 研究内容与方法
3.1 试验地点
试验研究及测试分析主要在贵州省烟草科学研究所福泉烘烤培训基地进行。每年种植30-70亩烟叶供试验研究。
2006年至2007年,分别在遵义、麻江、施秉、安顺、威宁五个点进行对比烘烤试验及示范。
3.2 研究内容和方法
3.2.1 适度规模种植配套散烟密集烤房结构及设备的研究
3.2.1.1 散叶密集烤房及配套设备的设计
本项目根据密集式烤房的发展需要，结合贵州山区烤烟种植规模的特点，按适用于15-20亩、20-25亩和25-30亩种植规模分别设计了不同类型、不同规格的散叶密集烤房提供试验。
3.2.1.2 散叶密集烤房的性能测试
按贵州省地方标准—DB52/T364—92《烤烟烤房技术性能》测试烤房的火力强度、升温速度、平面温差、垂直温差、热风风速。测试设备：KFCS-1烤房测试数据处理仪、笔记本电脑、AR862A红外测温仪、烤烟密集烤房温湿度自动控制仪、温湿度传感器、便携式风速计。
3.2.1.3 散叶密集烤房的对比试验
采用对比试验方法，开展了(1)散叶密集烤房与普通烤房对比试验、(2)散叶密集烤房与挂竿密集烤房对比试验、(3)气流上升式散叶密集烤房与气流下降式散叶密集烤房对比试验。
3.2.2 散叶密集烤房配套智能化控制系统的研究
3.2.2.1 不同烤房类型智能控制设备的功能配置
3.2.2.2 智能化温湿度自动控制设备稳定性试验
3.2.2.3 智能化温湿度自动控制设备的控制参数精度试验
3.2.3 散叶密集烤房烘烤烟叶的变化规律研究
3.2.3.1 散叶密集烤房温湿度变化规律
在烘烤过程不同阶段对比观测散叶密集烤房与普通烤房的温湿度、 散叶密集烤房层间和烟堆中的温湿度。
3.2.3.2 散叶密集烘烤烟叶的变化规律
通过烘烤过程大量取样，观察及测定分析散叶密集烤房与普通烤房烟叶的颜色变化、水分变化、干物质变化、物理性状变化、以及主要化学成分变化。
3.3 散叶密集烤房配套烘烤工艺研究
3.3.1散叶密集烤房定色阶段不同湿球温度烘烤试验
试验方法：随机区组设计，三个处理，三次重复。
处理1：定色阶段湿球温度38℃，与常规湿球温度相同；
处理2：定色阶段湿球温度36℃，较常规湿球温度低2℃；
处理3：定色阶段湿球温度34℃，较常规湿球温度低4℃。
3.3.2 散叶密集烤房不同温湿度烘烤试验
试验方法：正交试验设计（表1），四因素三水平，L9(34)。
表1 烘烤温湿度正交试验因子水平表
试验将各因子顺序排在正交表的各列上，具体表头设计见表2。
表2 表头设计
正交设计的试验方案是各试验号所对应的该行参试因子所占列的水平组合，将各水平数据换成该水平所代表的具体干球温度和湿球温度，即为具体的试验实施方案（表3）。
表3 烘烤温湿度正交试验方案
3.4 取样分析
每次采烤取正常成熟的足量鲜烟叶按20片一组分成若干组，采用半叶法和全叶法，分别观察鲜烟叶的成熟度，分别称重，测定烟叶长、宽，挂牌后装入各试验处理烤房靠近取样窗附近，烘烤过程中每20h-25h取样1次至叶片干燥，观察烟叶的变黄程度、干燥程度，测定样品叶重、叶长、叶宽后杀青烘干称重保存。烘烤结束后采用近红外方法测定烟叶的主要化学成分，并做烟叶外观性状和物理性状测定。不同试验处理烤后烟叶采用流动注射法测定烟叶的主要化学成分，并做烟叶外观性状和物理性状测定。
4 研究结果
4.1 智能化散叶密集烤房的研究
4.1.1 散叶密集烤房的设计
供试散叶密集烤房设计见表4。
表4 散叶密集烤房设计
注： *为提供烘烤试验的气流下降式小型散叶密集烤房。
2004年和2005年，分别设计修建了装烟室为7m×2.7m、装烟两层的GZ20-04-01型气流上升式烤房和装烟三层的GZ20-05-02型气流上升式烤房。这种烤房的主排湿窗和进风口采用转换调节装置，设置在烤房加热室顶部。
2006年，对烤房的进风排湿转换调节装置进行了改进，设计出装烟室6m×2.7m、装烟三层的GZSM-06-03型气流上升式烤房，将进风口设置在加热室炉灶上方，将原设计在装烟室门顶的辅助排湿窗改为主排湿窗。同时根据下降式烤房原理，设计出装烟室6m×2.7m、装烟三层的GZSM-06-02型气流下降式烤房。
2007年，进一步对烤房建筑规格和热风循环系统进行改进和完善，设计出装烟室8m×2.7m、装烟三层的GZSM-07-04型气流下降式烤房和装烟室8m×2.7m、装烟三层的GZSM-07-05型气流上升式烤房。
本试验设计的散叶密集烤房配套设备如下：
加热设备：包括组合式铁制火炉、换热器、烟囱。加热设备总有效散热面积9.8-10.8m2
热风循环风机：采用轴流式风机,供应电源采用220V单相电。每座烤房配套两个风机，其中，2004-2006年设计的装烟室6-7m×2.7m烤房配套风机总功率1.5KW；2007年设计的装烟室8m×2.7m烤房配套风机总功率1.7-2.2KW。
温湿度控制设备：本试验烤房配套的温湿度自动控制系统采用贵阳恒浩电子科技开发有限公司设计的烤烟密集式烤房温湿度自动控制仪，包括具有烤房群无线集中检测控制功能的温湿度自动控制系统。
4.1.2 散叶密集烤房的性能测试
试验结果表明，本项目设计的各类型散叶密集烤房各项测试指标均达到或超过烤房性能标准要求，完全能满足烟叶正常变化对烘烤温湿度的需要。
（1）平面温度（要求烤房平面干球温度差≤3℃）
测试结果见表5，稳定烘烤时烤房前后平面干球温差为0-1℃，升温过程中最大温差3℃，较普通烤房平面温差小。其中，变黄阶段和定色阶段的温差相对较小，干筋初期的温差相对较大。金沙测试点定色阶段温差为3.5℃,略为偏高。
表5 散叶密集烤房不同烘烤时期平面温度 单位：℃ （2007年）
（2）层间温度（要求烤房垂直面干球温度差≤4℃）
测试结果见表6，稳定烘烤时层间温差为0-1℃，升温过程中最大为2.5℃，与普通烤房稳定烘烤时层间温差为1℃、升温过程中为3-5℃相比，散叶密集烤房的层间温差较小。
表6 散叶密集烤房不同烘烤时期层间温度 单位：℃ （2007年）
（3）烤房升温能力
空载烤房测试表明，点火温度21℃，点火后3个小时烤房内温度达到80℃，平均升温速度每小时达20℃，烤房内最高温度可升至88℃；实载烘烤测试表明，定色阶段每小时升温速度大于5℃。升温能力和火力强度均高于烤房性能指标。
（4）烤房排湿能力
散叶密集烤房排湿由自动控制系统操作，在强制通风条件下，烘烤各阶段的湿球温度控制均能达到操作设定的干湿差或湿球温度。在密闭状态（热风内循环）下，装烟室风速均以隔墙上下送风口和回风口的风速最大，装烟室后侧偏低。气流上升式烤房装烟室后侧的风速较气流下降式烤房略大。在定色阶段通风排湿状态下，排湿口的风速均达到4 m/s以上（表7），完全能满足烟叶排湿的需要。
表7 散叶密集烤房进风口和排湿口风速（空载测定） 单位： m/s（2007年）
注：烟科所和金沙测试点烤房为气流下降式，遵义测试点烤房为气流上升式。
4.1.3 散叶密集烤房的应用成本比较
由表8可知，散叶密集烤房应用成本明显降低，烘烤每公斤干烟较普通烤房平均降低费用1.1元。其中,散叶密集烤房烘烤每公斤干烟耗煤量为1.4kg,较普通烤房（耗煤量2～2.5kg）降低耗煤量40%左右,扣除耗电成本，耗能成本降低20%左右;散叶密集烤房装卸烟过程降低烟叶绑烟和解烟用工成本50%以上。
表8 散叶密集烤房与普通烤房应用成本对比（单位：kg；元.kg-1干烟）
注: 计算方法：每炕烘烤6个工，工值20元/个工；煤价，500元/吨；电价，0.45元/度。散叶密集烤房规格：6m×2.7m，装烟三层。
4.2 智能化温湿度自控仪的研究及应用效果
2005年，项目组在贵阳恒浩电子科技公司配合下，将定型的ＷＳ－３型密集烤房温湿度自控仪配套于试验和示范中，经试验不断改进，温湿度自控仪在控温控湿方面精确度完全能满足烘烤工艺对温湿度变化的要求，配套散叶密集烤房试验示范大大减轻了技术人员和烘烤人员的劳动强度。
2006年和2007年，经改进设计出WS-4型密集烤房温湿度自控仪配套于试验烤房并在全省密集烤房试验示范中推广。项目组在散叶密集烘烤试验过程中采用了烤房群中央无线监控系统，由一台电脑同时监控15间密集烤房（包括试验设计的14间散叶密集烤房和一间普改密烤房），烘烤试验过程自控仪控制执行机构准确灵敏，密集烘烤工艺操作及试验设计方案得到准确实施。
2008年4月,中国烟叶公司委托华中科技大学煤燃烧国家重点实验室依据《密集烤房技术规范（试行）》对全国范围内的密集烤房设备（供热设备、自控设备、风机电机及执行器）进行全面检测。对密集烤房设备的使用寿命、使用效果和经济性进行充分分析。分析结果表明,本项目配套的贵阳恒浩电子科技开发有限公司密集烤房智能化温湿度自动控制设备17项检测项目中15项评为优,2项评为良，均达到技术规范要求。
5 散叶密集烤房推广应用效果
5.1 散叶密集烤房修建安装成本
2006年，调查了麻江示范点31间散叶密集烤房的修建详细成本。一间散叶密集烤房修建材料及用工费合计为10850元，配置全套供热通风及控制设备为7108元，每座烤房一次性总成本为17958元。
2007年，调查了金沙示范点350间散叶密集烤房的修建详细成本。墙体采用普通火砖砌筑，每间烤房的建筑成本为6680元，加上全套供热通风及控制设备为每套7500元、辅助装烟架、门窗等设备约2500元，合计每间烤房成本16680元。如果墙体用水泥空心砖砌筑，每间烤房的建筑成本为5730元，合计每间烤房成本仅为15730元。
5.2 散叶密集烤房节能及降低用工费用的效果
根据2006年对示范点不同烤房烘烤环节应用成本比较（表31）,散叶密集烤房平均烘烤每公斤干烟耗煤成本较普通烤房降低40%，但由于散叶密集烤房增加了耗电成本，因而总耗能成本降低不明显。散叶密集烤房在降低烘烤环节用工成本方面极为显著,每公斤干烟用工费较普通烤房降低50%以上,因而平均烘烤每公斤干烟可节省成本1.17元。
表31 散叶密集烤房与普通烤房应用成本比较
注: 成本计算方法: 煤炭:平均400元/吨,电价,平均0.45元/度,用工,平均25元/个工
5.3 散叶密集烤房示范应用效果
贵州省散叶密集烤房通过不断试验示范总结，烤房设备的配套逐渐完善,散叶密集烘烤技术不断提高,加上智能化烤烟密集烤房温湿度自动控制设备的推广应用，烘烤烟叶质量逐年提高。根据2005年和2006年的示范结果(表32)，散叶密集烤房烘烤与普通烤房比较，烤后烟叶均价平均提高1.26元/kg，上等烟率增加10.5个百分点，桔黄烟率平均增加12.4个百分点，杂色烟率降低8.5个百分点。
表32 散叶密集烤房示范应用效果
6 结论与讨论
散叶密集烤房的应用改变了传统烤房的装烟方式，省去了烤烟绑竿上炕的过程，在提高烟叶烘烤质量的基础上，有效地降低了烤烟烘烤环节的用工成本，烘烤效率大大提高。作为烤烟密集式烤房类型之一，散叶密集烤房烘烤技术逐渐成熟，在烤烟生产中劳动力成本和燃料价格不断上涨的情况下，散叶密集烤房的应用在烤烟烘烤环节减工降本、提高烟叶质量等方面的优势对烤烟生产逐步向集约化、专业化的发展具有十分重要的意义。
6.1 散叶密集烤房与挂竿密集烤房的装烟量基本相同，烘烤能力达到普通烤房的2～3倍，烤房各项性能测试指标均优于普通烤房，智能化烤烟密集烤房温湿度控制系统操作简便、温湿度控制灵敏，能确保优质烟烘烤工艺的实施，从而可以提高烟叶的烘烤质量。本试验设计的散叶密集烤房既能应用于散叶装烟烘烤，也能适应挂竿或烟夹方式装烟烘烤，可以满足不同烟区在密集烤房发展过程中的需要。其中，气流下降式散叶密集烤房在建筑成本和安装成本方面有所降低，在降低耗煤量和提高上部烟叶的烘烤质量方面比气流上升式散叶密集烤房更具有明显优点。
6.2 散叶密集烘烤变黄阶段烟叶的变化类似于早期使用的堆黄烘烤法烟叶的堆黄过程，竖立堆放的烟叶将在失水过程中叶尖至叶片自由下垂产生倒伏现象，导致烟层间的空隙逐渐加大，而烟堆中的空隙则逐渐降低，烟叶的排湿主要是靠烟层表面与内部产生水分差和叶间细小空隙水分蒸发来完成，排湿速度相对较慢，在变黄阶段后期和定色阶段，常用的干湿球温度差不能够正确反映散叶密集烤房烟堆中的相对湿度。
6.3从烤后烟叶的外观形态变化来看，散叶密集烤房烤后烟叶表现出叶长的收缩率增加，叶宽的收缩率降低。下部烟叶通常因装烟量不足叶宽的收缩率降低的现象较为明显，以致烤后叶片常有不收张的现象。中部烟叶和上部烟叶在足量装烟的条件下，叶形变化的差别不大。因此，通过适当加大装烟量可以解决下部烟叶不收张的问题。根据散叶密集烘烤烟叶的变化特征，以及在变黄后期失水速度较快、定色阶段失水速度较慢的特点，散叶密集烘烤过程温湿度控制需要掌握的关键技术是变黄后期提前少量排湿和定色阶段适当降低烘烤湿度。
6.4 研究结果表明,烘烤过程中的变黄阶段是烟叶优良品质形成的关键时期，变黄阶段的干湿球温度高低不仅影响烟叶的外观质量，同时对烟叶的吸食品质产生影响。低温变黄有利于烟叶香气质量的形成和积累，过高的温度不利于烟叶质量的形成；同样，变黄阶段湿球温度在较低的32-34℃范围内烘烤，烤后烟叶的外观等级质量和烟叶的吸食品质均可达到协调提高的效果。无论是单因素分析还是组合处理分析，变黄阶段湿球温度高于36℃，烤后烟叶的外观质量和吸食品质都较差。这一结果与过去采用的堆积烘烤方法和传统烘烤工艺有较大差别，而与津巴布韦烟叶烘烤温湿度指标较为接近。
6.5 根据研究结果，采用湿球温度34℃低湿定色方法烤后烟叶的均价和单叶重最高，杂色烟率最低，但烤后烟叶的化学成分和感观吸食质量较差；湿球温度38℃的定色方法烤后烟叶的外观质量最差，其中，均价、上等烟率、桔黄烟率最低，杂色烟率最高，但烤后烟叶的化学成分比较协调，感观吸食质量较好；湿球温度36℃偏低湿定色方法烘烤效果最好，其中，烤后烟叶的上等烟率和桔黄色烟率最高，均价和单叶重虽然略低于34℃低湿定色方法，但高于38℃低湿定色方法，烤后烟叶的化学成分比较协调。综合分析认为，散叶密集烘烤定色阶段采用35-37℃湿球湿度定色的方法能够使烤后烟叶的外观质量与内在品质达到协调。结合散叶密集烤房烘烤特点，具体烘烤方法可采用定色阶段前期湿球温度34-35℃，主要定色阶段湿球温度35-37℃。
6.6 散叶密集烤房烤后烟叶回潮相对较慢，容易导致卸烟时机械破损的问题，需要进一步完善解决。对散叶烘烤的卸烟回潮技术进行了初步摸索，人工常规加湿回潮虽然具有一定效果，但与挂竿烘烤的烟叶比较，回潮过程相对仍较慢，特别是在气候干燥的上部烟叶烘烤时期。项目结束后，我们继续开展了筐式散叶装烟和密集烤房回潮机的试验，初步认为，散叶密集烤房采用筐式散叶装烟方法并配套应用加湿回潮机，既可降低装卸烟用工成本，又可解决上部烟叶因回潮慢容易导致卸烟时机械破损的问题。
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