刘锋涛，葛新锋

(1.许昌初心智能电气科技有限公司，河南 许昌 461000；2.许昌学院 工程训练中心，河南 许昌 461000)

鲜烟叶的烘烤是卷烟生产过程中的一个重要的工序，在长期的卷烟生产过程中已形成完整的烘烤工艺[1]，并依据这套工艺设计了密集烤房[2]，密集烤房以“烟叶容量大、烘烤质量高、能量消耗低”的优势被推广应用[3-4]，在烟叶的烘烤过程中发挥了重要的作用，因此，密集烤房技术也就成为相关领域专家关注的热点，相关专业根据我国的具体情况对密集烤房进行了改进[5]，王龙飞等[6]利用流场分析软件CFD对密集烤房的气流速度场进行了分析，优化了密集烤房的结构，虽然改进了烤房的结构，但密集烤房烘烤过程的能量提供方式仍然是采用燃煤燃烧。

燃煤作为一次能源，燃烧过程中烤房的温度无法精确控制，而且煤燃烧过程中会产生SO2，CO等有毒有害气体和粉尘，污染大气环境，劳动强度大；肖传友等[7]探讨了地沟油作为燃料对密集烤房进行加热的应用潜力，地沟油作为餐饮的废弃物，如能合理利用能降低烤烟生产过程的成本，但是地沟油在燃烧的过程中需要前处理，还要改进密集烤房的燃烧系统，这无疑提高了烤烟的成本，不利于密集烤房的推广；蒋笃忠等[8]提出用生物质能源作为能量的提供方式对密集烤房进行加热，生物质作为燃料在燃烧的过程中能够减少污染物的排放，尤其是SO2、CO等有毒有害气体的排放，但是生物质能源在燃烧之前加工的工艺过程复杂，热值小，在烟叶烘烤过程中，尤其是定色过程的稳温效果不好，而且增加劳动强度。红外加热是利用碳纤维在电能的作用下向外辐射能量加热的一种方式[9-10]，由碳纤维制成红外加热板，传热方式为面辐射，加热面积大，升温速度快，穿透能力强，能实现对加热温度的精确控制[11-12]。碳纤维红外加热板在农作物干燥过程中的应用已经有了广泛而深入的研究[13-15]，达到了比较好的效果。

因此，本研究根据碳纤维红外加热板的加热特点，设计并搭建基于碳纤维红外加热板的烤房，并对烟叶进行烘烤，从外观和一系列的化学指标对比，为基于碳纤维红外加热烤房的推广应用提供技术依据。

1 碳纤维红外加热烤房的结构和原理

1.1 烤房的整体结构

碳纤维红外加热烤烟房总体结构包括长方体形状的烤烟房体、吊烟架,、烘烤系统和控制系统构成。具体结构如图1所示。

图1 碳纤维红外加热烤房结构

烤烟架用来悬挂待烤的烟叶，加热系统核心部件是单层碳纤维红外加热板，由碳纤维红外加热板、单头钩、双头钩、耐高温绳索组成。单头钩一端固定在墙上，带钩的一头和双头钩的一头相连，双头钩(可以调节绳索的长度，由于重力和温升的原因绳索会伸长，碳纤维红外加热板会下垂)的另一头挂耐高温绳；另一侧对称一单头钩和双头钩，采用同样的连接方式。这样相邻的两条绳索构成碳纤维红外加热板的安装平台。

控制系统由单片机根据温度和湿度传感器检测的温度和湿度来控制碳纤维红外加热板开启和加热时间以及抽湿机和鼓风机的工作。当碳纤维红外加热板温度传感器测得温度达到极限温度，而烤烟室温度传感器测得的温度比较低时进行保温，启动鼓风机加速烤烟室的气流流动；当烤烟室的湿度传感器测得的湿度大于烤烟工艺要求的湿度时，抽湿机启动，在密封室进行干燥；当烤烟室温度传感器测得的温度大于烤烟工艺要求的温度时断开碳纤维红外加热板，启动鼓风机加速气流的流动；经过抽湿机干燥的空气经上底板重新回到烘烤室，避免热量的损失。

1.2 碳纤维红外加热板的结构和加热原理

碳纤维红外加热板如图2所示，由上基材层、下基材层、发热层依次经粘合剂粘贴，经高温密闭热压而成。

图2 碳纤维红外加热板的结构示意图

其中，上基层材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂、 下基层材质为环氧树脂玻璃纤维布。加热层由一层碳纤维导电纸构成，为非金属面状电阻体，通电后直接将电能转化为辐射热，而且整个面上均匀辐射，温度一致性好。碳纤维红外加热板在通电运行后，碳原子在电激条件下产生热反应，在面状电热板上产生高速布朗运动，相互撞击摩擦产生热量，发出远红外波，穿透介质，均匀散热[16]。一块碳纤维红外加热板长宽约 60 cm×90 cm，厚度 2～3 mm，升温后易形变，通电后发出 8～15 μm 远红外电磁波，发热面温度高可达 120 ℃。

2 碳纤维红外加热烤房的烟叶烘烤工艺

烘烤在烤烟房进行，供烘烤的品种为豫烟11号，选中部成熟叶为烘烤对象。烟叶烘烤的基本要求分变黄、定色、干筋3个阶段，总时长约 140 h。根据烟叶的烘烤要求变黄分两步：第一步，烟叶装满烤房后，鼓风机低速运行，抽湿机处于停机状态，碳纤维红外加热板以每小时升温 1℃的速度将烤房温度升到 34～38℃，直到烟叶80%以上变到八成黄。第二步，将烤房温度升高到 40～42℃。抽湿机处于工作状态，使烟叶达到既变黄又变软。定色阶段烤房内温度以平均2～3 h升温1℃的速度提高到54～55℃。干筋阶段以1℃·h-1的升温速度使烤房温度提高到 67～69℃，抽湿机停止工作。

根据烘烤要求设置控制程序，烤房内需要升到某个温度段时，通过温湿度传感器测得的温湿度数据传给单片机进行判断然后控制碳纤维红外电热板加热程序开关自动打开进行加热； 当达到所需温度时，关闭碳纤维红外加热板的程序开关，立即停止加热。在变黄期只启用热风循环，进入排湿阶段后同时用启用碳纤维红外加热板和鼓风机进行热风循环。

3 碳纤维红外加热烤房的烟叶烘烤效果

3.1 外观表现

选同一块烟田的中部成熟叶在许昌某乡烟叶烘烤工场进行，该乡共建碳纤维红外加热烤房600多座。其中2座采用密集烤房(烤房规格2.7 m×4 m，装烟量100～120杆)和58座采用碳纤维红外加热烤房(烤房规格2.7 m×4 m，装烟量100～120杆)烘烤两批烟叶，图3是煤作为燃料的密集烤房烘烤出来的烟叶，图4是碳纤维红外加热板烤房烘烤出来的烟叶。

整体来看传统煤烘烤出的烟叶比较皱，不平坦，颜色比较暗淡，组织结构致密，叶片干枯，叶片有破损，焦边现象。采用碳纤维红外加热板烘烤出的烟叶叶面比较平坦，颜色整体比较亮，整体呈柠檬黄色，组织结构比较疏松，叶片比较丰满、厚实、油润，叶片比较完整，没有破损，焦边。

从表1可以看出，采用碳纤维红外加热板烘烤出来的烟叶橘黄色和柠檬黄色的比例都高于，青杂烟的比例低于传统煤作为燃料烘烤的方式，而且采用碳纤维加热板烘烤出的烟叶片疏松，用工成本和烘烤总成本都有不同程度的降低。

图3 传统煤烘烤出的烟叶

图4 碳纤维红外加热板烘烤出的烟叶

表1 传统煤烘烤的烟叶和碳纤维红外加热板烘烤的烟叶外观质量和成本对比

3.2 化学指标

烟叶的化学成分是决定烟叶的内在品质因素之一，目前已发现的化学成分多达5 295种，很多化学成分的含量都很低，对烟草质量的影响都很小，这里主要探讨对烟草质量影响较大，含量相对较高的化学成分的影响[17]。

从表2可以看出，采用碳纤维红外加热板烘烤的烟叶中总糖和还原糖含量比采用传统的煤加热烘烤的烟叶中总糖和还原糖含量有所降低，说明在碳纤维红外加热板烘烤烟叶过程中淀粉的转化更加充分；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，说明采用碳纤维红外加热板烘烤出来的烟叶更能充分燃烧，烟叶的化学成分有明显的提高。

表2 传统煤烘烤的烟叶和碳纤维红外加热板烘烤的烟叶主要化学成分对比 g·kg-1

由表3可知，采用碳纤维红外加热板烘烤烟叶质量要优于采用煤加热烘烤的烟叶，其香气质、香气量、余味都有所提高。

表3 传统煤烘烤的烟叶和碳纤维红外加热板烘烤中部烟叶的质量检测表

4 结 论

根据碳纤维红外加热板温度易控制、无污染的特点，设计了一种基于碳纤维红外加热板烤烟房。并进行了烟叶的烘烤试验。

(1)结合碳纤维红外加热板外形结构，设计了支撑平台和控制系统，根据烟叶的烘烤工艺进行烘烤。

(2)通过和传统煤作为燃料进行烘烤对比，结果表明，采用碳纤维红外加热板进行烘烤的烟叶在外观上橘黄色烟叶和柠檬黄色烟叶的比例分别提高4.1%和4.5%，青杂烟降低9%，用工成本每公斤降低1.3元，总成本每公斤降低3.5元。

(3)通过和传统煤作为燃料进行烘烤对比，结果表明，采用碳纤维红外加热板进行烘烤的烟叶总糖和还原糖分别低于传统煤作为燃料的烤房2 g·kg-1和6 g·kg-1，香气质、香气量分别提高0.5和0.4，总体化学成分更加适宜，而且碳纤维红外加热板温度容易实现精确控制，无污染。