基于物联网的不同热源烤房烘烤效果探究

何明兴，靖军领，白万明，黄一兰，黄锦山，许锡祥，赵云飞，姜占省，黄姗，段江平，陈涛，张发汉

(1.福建省烟草公司三明市公司，福建 三明 36500；2.福建奥托康能源科技有限公司，福建 三明 365000)

烟叶调制是获得优质烟叶和提高工业可用性的关键基础。近年来，密集烤房在各大烟区得到广泛推广与应用，有效降低了烟叶的烘烤难度，减少了劳动强度，节约了烘烤成本，烟叶烘烤质量得到提高，在促进适度规模种植、提高烟农效益、节能降本方面发挥着重要的作用[1]，对推进现代烟草农业发展具有重要的现实意义。虽然各种新型燃料在不断兴起，但我国烟叶烘烤所使用的烤房依然还是普遍以煤炭为主要燃料,我国目前烤烟调制仍然还是以消耗大量不可再生能源为代价而进行的烟叶生产过程[2]。在煤燃烧的过程中，会释放一定量的氮氧化物(NOx)、SO2、CO2及颗粒物等有害物质，对环境造成伤害[3]，且随着全球燃料需求的不断增长，烟叶烘烤的燃煤成本在不断增加。当前，“绿水青山就是金山银山”发展理念逐渐成为国际共识，为助力打赢蓝天保卫战，响应国家节能减排的号召，满足烟叶绿色烘烤要求，选择利用生物颗粒燃料、空气源热泵及其他清洁能源提供热源成为密集烘烤发展的主要方向和必然趋势[4]。同时，随着社会经济的高速发展和城镇化步伐的加快，农村劳动力大量转移，烟叶种植布局不断发生变化，在烟农老龄化、户均种植规模不断扩大以及工业企业对原料要求更高的情况下[5]，传统燃煤密集烤房存在自动化水平低、控温难、精度低、用工多、强度大、污染重等问题，研究安全智能、节能环保的烟叶烘烤模式迫在眉睫，以保证烟叶生产可持续健康发展。

翠碧一号是三明烟区的主栽品种，也是全国种植面积较大的特色烟叶品种之一，具有生育期长、淀粉含量高、含水量大、烘烤难度大等特点，对烘烤工艺、设备的要求较为严格[6]。本项目通过基于物联网系统安装运用，对比分析两种类型热泵烤房、生物颗粒烤房、燃煤烤房的烘烤成本、综合成本、烘烤性能及烤后烟叶外观质量，以期为今后新能源烤房的推广应用及改进提供科学的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

本试验于2020年5月—2021年7月在福建省三明市沙县夏茂镇儒元村烤房群进行。供试品种为翠碧一号，试验田在三明市沙县夏茂镇儒元核心示范区，大田栽培水平、烟叶成熟落黄程度、鲜烟叶素质相同。供试密集烤房为一座生物颗粒烤房和一座燃煤烤房，采用同一部位烟叶于同一时间进行采收，统一绑竿装烤。

1.2 处理设计

以改造后的热泵烤房作为试验处理，传统燃煤烤房和生物质颗粒燃烧机烤房作为对照，烤房均为密集式烤房，供热室为1 700 mm×2 700 mm×2 900 mm，装烟室为8 000 mm×2 700 mm×3 500 mm，4次重复。处理A安装福建奥托康热泵设备和物联网可视化烤烟控制系统；处理B安装安徽中科热泵设备和物联网可视化烤烟控制系统；对照1以燃煤为热源，安装福建奥托康物联网可视化烤烟控制系统；对照2安装生物质颗粒燃烧机，以生物颗粒燃料为热源，安装福建奥托康物联网可视化烤烟控制系统。

1.3 测定项目

每个工人工作8 h为1个用工量，用工成本按每房采烟、编竿、上烤、下烤过程用工量×单价÷烤后干烟重计算。各处理烤房分别安装电表，停火时电表读数减去点火时电表读数即为每个烤房耗电量，烘烤结束后累加单次加煤量或生物质颗粒用量，能耗成本=耗煤(电)量×单价÷烤后干烟重。各处理按标记的6竿代表烟叶，上中下各挂2竿，适度回潮后，同比计算每座烤房烤后干烟重。各处理烤后烟叶按烤烟标准GB 2635—1992进行分级，计算烟叶等级比例、均价和效益等。

为验证采集节点收集到的干/湿球温度数据的精准性，以监测系统采集到的数据为监测值、标准水银温度计显示的数据为标准值，每隔2 h分别记录1次干/湿球温度的标准值和监测值。

1.4 物联网可视化烤烟控制系统构架图及功能

图1是基于实时大数据的烤烟房在线监控平台，能够应用标准化的接口技术整合各烤烟设备中的实时数据；利用大数据技术集中存储、管控实时数据；利用云计算、移动互联技术让烟技员或烟农在手机上监视并且控制烤烟生产过程(可以远程设定、修改温湿度控制曲线)；提供曲线、柱状图、趋势预警、搜索、大数据目录、接口监控管理等多种形式的数据分析、数据管理工具。

图1 物联网可视化烤烟控制系统

2 结果与分析

2.1 用工成本

从表1可以看出，各处理间用工成本各不相同。与传统燃煤烤房相比，两种热泵烤房的用工时数、用工量、干烟用工成本较低，其中福建奥托康热泵烤房最佳，安徽中科热泵烤房次之；生物颗粒烤房用工大于两种热泵烤房，低于燃煤烤房。干烟用工成本最多是普通燃煤烤房，燃煤烤房用工成本分别比生物颗粒烤房、安徽中科热泵烤房、福建奥托康热泵烤房高出0.53、0.86、1.19元·kg-1。

表1 不同处理的用工情况

2.2 能耗成本

由表2可知，每千克干烟能耗成本热泵烤房最低，明显低于普通燃煤烤房和生物颗粒烤房，其中福建奥托康热泵烤房最低，其次是安徽中科热泵烤房；生物质颗粒烤房能耗成本高于普通燃煤烤房。两种热泵烤房分别比常规燃煤烤房降低0.52、0.21元·kg-1。

表2 不同处理的能耗情况

2.3 外观质量评价

由表3可以看出，不同类型烤房会不同程度地影响烤后烟外观质量，智能热泵密集烤房和生物质颗粒密集烤房的烤后烟叶质量总体评价较好，主要表现在烟叶颜色橘黄、油分较足、色度强，青筋烟率和杂色烟率均较低。外观质量表现最差的是常规燃煤烤房，最佳的是福建奥托康热泵烤房，说明新能源热泵烤房与生物颗粒燃料烤房的稳温控温性能较好，烤出的烟叶外观质量好于温度上下幅度较大的燃煤烤房。

表3 不同处理烤后烟叶的外观评价

2.4 经济性状

由表4可以看出，不同类型烤房的上等烟比例、均价和每667 m2产值有所不同，其中新能源热泵烤房的三项指标最高，其次为生物质颗粒烤房，燃煤烤房最低。与燃煤烤房相比，两种热泵烤房的上等烟比例分别提高5.61和5.29百分点，均价分别提高1.93元·kg-1和1.65元·kg-1，每667 m2产值分别提高237.85元和181.31元，生物颗粒烤房的烟叶各项指标也明显提高。说明采用智能热泵、生物质颗粒提供热源的烤房烤后烟叶效益较高，明显好于普通燃煤烤房。

表4 不同处理烤后烟叶的经济性状

2.5 净均价

由表5可以看出，不同类型烤房烘烤总成本不同，对烤后烟叶净均价有一定影响。新能源热泵密集烤房烤后烟叶净均价最高，其次为生物质颗粒密集烤房，且两者都高于常规密集式烤房，烤后烟叶净均价比燃煤密集式烤房分别提高3.64、2.72、0.79元·kg1。新能源热泵密集烤房和生物质颗粒密集烤房烤后烟叶效益较高。

表5 不同处理烤后烟叶的净均价

2.6 感官评价

从表6可以看出，香型只有燃煤处理会出现淡淡的焦香，评分最低；两种新能源热泵烤房的烟叶甜感、香气质、香气量、细腻度、余味均表现较佳，其中总体表现最好的为福建奥托康，其他依次是安徽中科、生物颗粒燃料、燃煤烤房；两种新能源电烤房烟叶的杂气评分一样，低于评分数字相同的燃煤烤房和生物颗粒烤房；福建奥托康烤房的烟气浓度与燃煤烤房一样且最大，高于评分一样的安徽中科烤房与生物颗粒烤房；刺激性最大的为安徽中科烤房处理，最小为燃煤烤房，福建奥托康烤房处理与生物颗粒处理评分一样，处在前者的最大值和最小值之间。总体来看，两种新能源电烤房处理的风格特征和质量特征评价的分值明显高于燃煤及生物颗粒处理，感官质量评吸表现为福建奥托康处理综合评分最高，其次是安徽中科处理，生物颗粒处理次之，整体评分最低为燃煤处理。

表6 不同处理单料烟的感官评吸分值

2.7 温湿度精确统计

从表7可知，新能源热泵烤房温湿度控制灵敏，稳温控稳性能明显优于燃煤烤房和生物颗粒燃料烤房。福建奥托康热泵烤房的温湿度控制最好，干球温度与目标值的差值范围在0.9 ℃以内，安徽中科热泵烤房、生物颗粒燃料、燃煤烤房烤房则分别在1.0、1.3、3.0 ℃以内，多数情况两个热泵烤房的干球温度与目标值的差值范围在0.3 ℃以内；湿球温度与目标值的差值范围依然是福建奥托康热泵烤房和安徽中科热泵烤房最小，均在0.5 ℃以内，生物颗粒燃料烤房在1.1 ℃范围内，燃煤烤房在1.5 ℃以内。根据手机APP干湿球监测值与实际温度来看，福建奥托康的可视化监测系统的灵敏度最高，与实际温度的差值范围在0.9 ℃以内，安徽中科的可视化系统的干湿球监测值与实际温湿度的差值在1 ℃以内。

表7 不同处理温湿度的统计情况

3 讨论

当前，我国绝大部分密集烤房依然还是以煤作为燃料，对人员的操作技术要求较高，特别是烧火的技术，会不会控火直接关系着能不能烤出好烟，劳动强度也比较大。本研究结果初步说明，两种热泵烤房和生物质颗粒烤房均能够减少用工和降低劳动强度，发挥了热泵、生物颗粒供热的优势，省去了加煤、出渣等劳动强度较大的劳动操作，且借助三明市全面开展“种采烤分”一体化工作的契机，充分发挥“烘烤师”小组长的优势，集中管理生产单元内7～9座烤房，烟农烘烤成本将会大幅下降。

本项目的4种类型的烤房均安装了可视、可控、可调的手机APP操作系统，具有自动报警提示功能，当实际温湿度值与目标值相差超过一定范围后，会自动提示烟农做出相应的调整，热泵烤房通过增大或者减小功率来促使实际温度接近目标温度，生物颗粒燃料烤房会自动增加或者减少热源来控制温度，燃煤烤房则需要人工加煤或减煤来控制温度。随着科学技术的进步，智能手机的普及，这种可视、可控、可调的手机APP操作系统在未来具有很大的运用前景，这是烟叶烘烤走向智能化便捷化的一个方向。

在烤后烟叶质量方面，本研究表明，两种类型的热泵烤房和生物颗粒烤房的初烤烟叶总体外观质量明显好于普通燃煤烤房。原因是在烟叶烘烤过程中，煤炭燃烧需要时间，当需要升温时，燃煤烤房会出现滞后，短时间内燃烧慢，升温慢；稳温时，已经燃烧的煤炭难以得到快速控制，导致实际温度值与目标值会存在一定的差值。热泵密集烤房可以自动控制功率，生物质颗粒燃烧炉可自动控制投料量，温度较易控制且精度高，升温平稳，稳温性能好，烤后烟叶油分较足、色泽鲜亮、青杂烟数量较少，与王攀等[7]研究新能源热泵烤房与燃煤烤房、生物质烤房烘烤效果比较的结果基本一致。仙立国[8]研究表明，新能源热泵烤房烤后烟叶的外观颜色、成熟度相对于燃煤烤房和生物燃料烤房更加均匀，表现为结构疏松，身份适宜，油分更多，色度更强，各指标均衡性较高，主要化学成分含量均在适宜范围内，浓度、劲头适中，香气质、香气量、透发性较高，杂气、刺激性较少，感官质量较好，整体质量均衡性较高。

在成本投入方面，生物质颗粒来源不稳定，受价格波动较大，质量也好坏不一，在推广上受原料影响较大，但改造方法相对简单，政府和行业补贴较大，改造成本较低，只需在原有烤房添加生物质燃烧机和自控仪即可，且烘烤过程中升温、稳温性能好，燃烧充分，对空气污染小，节能环保，在生物质颗粒来源供应充足、价格稳定的情况下，具有较大的推广前景[9]。新能源热泵烤房具有提质、增效、减工、降本、操作简捷的优势，随着国家蓝天保卫战的打响，国内烤烟电价持续稳定，设备成本将因政策补贴而大幅度下降，如河南省2.7万多座烤房3年内陆续实现“电代炭”，省市和行业补助80%，福建三明市工信局、三明烟草专卖局、三明供电公司联合在宁化试点推行全电智能烤烟技术，将有序推进2.8万座烤烟房实施“煤改电”改造，新能源逐渐取代烤烟用煤是必然的发展趋势，有利于实现烤烟绿色烘烤和推进烟叶可持续健康发展。

综合以上不同类型密集烤房用工、能耗、烤后烟叶质量与效益比较，新能源热泵密集烤房和生物质颗粒密集烤房具有明显优势。同时，发展适度规模种植是稳定规模、稳定烟农的重要举措，新型烟叶经营主体的生产组织方式必须由传统模式走向现代化[10]，烟叶烘烤作为烟叶生产的最后一个环节，基于可控、可视、可调物联网下的新能源热泵烘烤和生物颗粒燃料供热是替代常规燃煤密集烤房的必然趋势。鉴于热泵设备成本高、改造费用多、牵扯部门广、维保、基础设施保障要求高，目前国家和行业尚未出台明确的补贴政策，大部分烟区还处于试点推广阶段，但它是推动烟叶生产走向智能环保、绿色安全的主要方向，未来具有较大的推广运用价值。