煙葉烘烤新型能源和技術研究進展

李崢+譚方利+吳文信+張建文+劉小斌+李宏光+方明+賀帆

摘 要：從我國煙葉烘烤現狀著手，分析當前煙葉烘烤所用密集型烤房存在的問題和燃料的局限性。并以“節能、減排、省工、降本”為宗旨，對煙葉烘烤中使用的新型能源和技術進行系統闡述。并指出今后煙葉烘烤發展過程中應加強綠色能源的開放、軟件系統和硬件設施的改進以及烘烤技術人員體系的完善。

關鍵詞：煙葉烘烤；新型能源；技術；節能減排

中圖分類號：S572 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.11.017

Abstract：This paper started from the status of tobacco curing in China，and analyzed the existing problems and the limitations of the fuel in the intensive baking room which used tobacco baking in the current. The purpose was energy saving， emission reduction， saving labor. The new energy and technology used in tobacco leaf curing were systematically expounded. It was pointed out that the opening of green energy， the improvement of software system and hardware facilities and the improvement of the technical system of baking personnel should be strengthened during tobacco curing in the future.

Key words：tobacco curing；new energy；technology；energy saving and emission reductions

煙葉烘烤是煙葉生產的重要環節，煙葉烘烤作業需要投入大量的勞動力和燃料，例如美國生產烤煙成本的25%為燃料費用，我國需要投入大致相當的燃料費用進行煙葉生產。當前能源日趨緊張，燃料價格長期不斷上漲，任何國家較高的燃料成本都將削減煙草的產量[1]。而我國烤煙生產組織形式趨向規模化種植，烤房集中程度也不斷提升，煙葉生產與節能環保之間的矛盾日益突出。我國政府工作報告中也多處提及低碳和新能源，要努力建設資源節約型、環境友好型、低碳導向型社會，實現我國經濟社會又好又快發展。表明在煙葉烘烤中注入新型能源和技術以實現增質降本、節能減排，對實現我國煙草行業可持續發展具有重要意義。

1 我國烤煙烘烤現狀

1.1 密集烤房存在的問題

烤房是煙葉烘烤作業必不可少的專業設備。隨著生產力的不斷發展，我國烤房從最早期的明火烤房、自然通風式普通烤房發展為熱風循環式烤房、普改密烤房。20世紀末期，隨著我國科技和經濟的進步以及烤煙的規模化生產，密集烤房逐漸適應了我國烤煙生產可持續發展的新形勢，代表當前烤煙設備的發展方向。密集烤房的工作原理是以機械強制通風和熱風循環方式對裝煙室內的煙葉進行加熱，促進煙葉失水干燥，通過溫濕度控制設備調控煙葉內外觀質量。密集烤房雖然在裝煙量、煙葉烘烤質量、集約化程度方面體現出巨大優勢。但在應用過程中出現的一些問題仍需要進一步探究，一方面是經濟效益雖較傳統烤房有所提升，但成本依然較高，容量1.0 hm2左右的純板塊結構密集烤房，需3 萬元左右，混磚結構為1 萬元左右；若容量為1.6～2.0 hm2的純板塊結構密集烤房需要5 萬元左右，混磚結構大約為1.5萬～2萬元[2]；另一方面是烘烤自控設備和技術不夠成熟，主要體現在硬件設施不完善或不合理，以及軟件設計過于簡單。這就要求我國密集烤房發展在建造材質選用、硬件設備改造、自控設施完善等方面急需融入新的血液。

1.2 燃料的局限性

煙葉烘烤所要求的時間相對較短，因此烘烤過程中必須有足夠的熱量供給[3]。國外煙葉烘烤采用柴油、天然氣作為燃料[1，4]。而我國受制于經濟發展的影響[5]，國外使用的燃料并不適合我國國情，我國煙葉烘烤大多以煤炭、柴草為燃料，且烤房從早期的自然通風氣流上升式烤房至當前烘烤所使用的機械通風熱循環烤房普遍以煤炭為主要燃料[6]。表明我國目前煙葉烘烤是以消耗大量的不可再生能源為代價而進行煙葉生產的過程。同時使用煤炭能耗高，每千克干煙葉耗煤量一般為1.5～2.0 kg，利用效率只有30%左右[7]，且燃燒釋放大量的有害物質對環境會造成嚴重的污染，研究表明，使用煤炭進行煙葉烘烤，每千克煙葉會導致煤炭產生NOx 0.009 4 kg、SO2 0.013 2 kg和CO2 4.302 kg[8]。隨著全球對于燃料需求的不斷增長，煙葉烘烤所用成本不斷上升。此外，李克強總理在《國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要（草案）》中明確要加快改善生態環境，大幅提高能源資源開發利用效率，改善生態環境總體質量[9]。這些方面都激勵著煙葉烘烤過程中技術改革和替代燃料的研究和發展。

2 新型能源燃料

2.1 生物質能源

生物質能源是一種安全、清潔、可靠的可持續發展能源[10]。農業部早在2000年就針對生物質氣化燃料在煙葉烘烤中的應用開展了研究，并以生物質燃氣為能源設計出烘烤控制系統。楊世關等[11]以生物質氣化燃料進行煙葉烘烤，并將傳統間接換熱式烤煙設備改良為間接換熱式與直接換熱結合的供熱方式，結果表明，改良供熱系統的熱效率為58.3%，明顯高于傳統間接換熱式烤房，且煙葉質量較傳統烤房提升一個等級。王漢文等[12]將“秸稈壓塊”燃料應用于煙葉烘烤，結果表明，較對照蜂窩煤燃料，使用秸稈壓塊作為燃料每公頃煙葉可降低成本18 562.5 元，且每公頃煙葉的秸稈壓塊基本可以保障每公頃煙葉的烘烤。但生物質秸稈具有不易運輸、不易儲存、能量密度低的特點[13]，在推廣和使用方面具有局限性。而生物質型煤可以彌補生物質秸稈的不足，生物質型煤是由生物質、原煤和固硫劑混合壓制而成，具有熱效率高、無煙環保、灰分少、生產成本低的優點[14]。徐成龍等[15]進行了生物質型煤與無煙散煤的對比研究，表明生物質型煤在烘烤過程中的變黃期和定色期升溫均衡，烘烤至關鍵溫度點38 ℃和47 ℃時穩溫效果好，燃燒效率高出對照無煙散煤4.0%，經濟效益方面高出無煙散煤9.8%，每100 kg干煙葉凈利潤可增收95 元。endprint

2.2 熱泵能源

自1950年熱泵干燥技術在美國獲得專利權后，憑借其環保高效的優勢在各個領域迅速發展[16]。宮長榮等[17]將熱泵加熱和冷凝除濕原理初次應用于煙葉烘烤，設計建造熱泵加熱式溫、濕度自控烤煙設備并進行煙葉烘烤，結果表明，煙葉烘烤過程中溫濕度環境和煙葉變化均衡，可有效提高烤后煙葉質量，冷凝除濕效率為15%左右，產出1 kg干煙葉平均耗電量約為2.0 kW·h，且在工作過程中不會產生廢水、廢氣而造成污染。孫曉軍等[18]對熱泵烤房也進行了設計開發和煙葉烘烤對比試驗，結果表明，熱泵烤房烘烤過程中可有效利用空氣中的熱能代替煤炭，而且可以有效提高烤后煙葉質量，顯著降低烘烤成本。田效園等[19]研究表明，熱泵烤房實現了煙葉烘烤CO2零排放，每座熱泵烤房每年可節約用工成本約2 756.00 元，降低能耗324.80 元，煙葉等級提升增收2 800元。潘建斌等[20]對熱泵型煙葉自控密集烤房與普通烤房在性能和烤后煙品質方面進行對比，結果表明，熱泵型烤房烘烤過程中各位點基本不存在溫濕度梯度，葉間風速適宜，通風排濕順暢，垂直溫差和平面溫差較小，熱能利用效率高，降低了烘烤成本；烤后煙外觀質量和內在化學成分協調性較好，具有良好的工業可用性。呂君等[21]設計了一種新型熱泵烤煙系統，兼顧升溫和除濕兩種功能，烘烤試驗結果表明，烤房內溫濕度均勻，控溫準確性較高，系統制熱系數可達3.25，整個烘烤過程除濕能耗比為2.42 kg·（kW·h）-1，且產出每千克干煙較使用燃煤烤房可節省成本0.85 元。

2.3 太陽能

太陽能資源顯著優勢為清潔、可持續利用，另一方面因其存在間歇性和分散性，目前煙葉烘烤中無法僅僅以太陽能作為熱源。一般在烘烤過程中將太陽能供熱系統和煤燃燒供熱系統相結合達到節能減排、省工降本的目的[22]。為進一步降低煙葉烘烤能耗，近年來主要將太陽能和高溫熱泵能源結合進行煙葉烘烤試驗，王剛等[23]研究表明太陽能熱泵密集型烤房烘烤性能好，較普通密集烤房每千克干煙葉調制成本可降低5%～15%。張家征等[24]對太陽能烤房和普通密集烤房做了對比試驗，結果表明，太陽能和高溫熱泵結合的烤房能耗比普通密集烤房降低34%，太陽能和普通密集烤房相結合的經濟太陽能烤房能耗比普通密集烤房降低24%。

2.4 醇基能源

我國醇基燃料在近十多年來未能得到高速發展，一方面是早期使用的醇基燃料為提高熱值，添加組分多，增加了燃料的復雜性，且生產過程中的安全問題和功能問題有待進一步改善；另一方面是甲醇的毒性、熱值、腐蝕性未能得到科學認知[25]。但因醇基燃料獲取途徑廣泛、燃燒綠色無污染且資源重復利用率高的優勢，開發利用新型的醇基燃料和相應設備勢在必行。目前煙葉烘烤所用醇基燃料多數為以甲醇為主要成分的液體燃料，高強等[26]進行了醇基燃料烤房的研制與應用的研究，烘烤試驗結果表明可以提升烤后煙內外觀質量，同時減輕污染排放。郭大仰等[27]研究表明，醇基燃料烤房烘烤過程中各穩溫點控溫精準性高，可縮短烘烤時間6～14 h，醇基燃燒排出氣體中總污染物（除CO2）排放較褐煤燃燒減少2 655.40 mg·L-1，烤后煙交售價較褐煤提升8.6%，但由于醇基燃料成本較高，其綜合成本約為褐煤的2.4倍，經濟效益方面有待改善。

3 新型技術

3.1 物聯網技術

隨著現代科技水平的進步與人們日益追求高品質工作生活的需要，在工作生活中自動化程度要求也越來越高。而物聯網技術在精細農業領域得到了廣泛的應用，例如美國、澳大利亞、法國、加拿大等一些國家將物聯網技術廣泛應用于田間糧食作物種植精準作業、設施農業環境監測和灌溉施肥控制、果園生產的信息采集和灌溉控制、畜禽水產精細化養殖監測網絡和精細養殖等方面[28-30]。迄今，“物聯網”技術的應用在我國還處于初期階段，尤其在設施農業方面還主要停留在監測與初步分析環節，主要包括監測設施內土壤溫濕度、CO2濃度等環境狀況[31]，依據監測數據指導農事操作，其中存在的共同問題就是雖然利用了傳感器技術，但是采集到的數據主要還是一種展示或統計分析，沒有與相關控制設備進行聯動，沒有真正意義實現科學決策和智能控制。煙草作為我國農業生產的一部分其自動化程度依舊處于起步階段，特別是煙葉烘烤作業需要耗費大量的人力、物力，同時煙草是一種經濟作物，快速準確的應變烘烤技術和烘烤智能化研究是提升煙葉經濟收入的解決方法之一。因此，建立煙葉精準烘烤控制模型，將控制模型和現有的自控設備整合，構建基于物聯網技術信息采集、處理與控制的實時烘烤決策系統，形成基于物聯網的專業化烘烤精準調控與管理系統，對實現煙葉烘烤的精準控制具有重要意義（圖1）。

3.2 余熱利用與共享

當前煙葉烘烤作業使用的烤房中無論是烤房群還是單體烤房，定色排濕期烤煙室中的濕熱水汽和干筋期烤煙室內的高溫空氣均以直排形式排出烤煙室外，造成了能源的較大浪費[32]。Danford[33]設計了一種新型密集型煙葉烘烤和干燥設備，該設備中的逆流余熱回收換熱器可從廢氣中回收熱量，同時結合太陽能集熱器收集的熱量對進入的新鮮空氣進行預熱，可以節省大量的能源。Dinh[34]在之前研究基礎上進行改進，采用熱回收管回收熱量，結果表明，在回收70%的普通能量損失的同時，可以使燃燒煙氣、干氣與濕廢氣隔離，是一種更經濟健康的煙葉烘烤和干燥方式。同時余熱共享烤房群的建造也降低了熱量損耗，余熱共享烤房實現共享的實質是通過連體烤房群之間的相互作用，單個烤房產生的濕熱水汽和高溫空氣在烤房之間循環利用，進而達到合理利用熱量的目的。宗樹林等[35]在使用余熱共享連體烤房群時將每組烤煙室的裝煙和烘烤交錯進行，可以將干筋期排出的剩余熱量用于鮮煙葉變黃前期溫濕度的需求，還可以有效提升特殊素質煙葉烘烤質量，同時可以促進烤后干煙葉的回潮，減少煙葉破損率。

3.3 節能材料與技術endprint

開發和利用各種高品質節能材料與新型技術是我國經濟和社會實現可持續性發展的迫切需求。20世紀90年代我國煙草行業就將紅外輻射技術應用于煙葉烘烤，雖然在烤后煙經濟效益方面有所提升，但開發研制的遠紅外涂料使用期限短，因此發展簡便節能的煙葉烘烤加熱技術任重而道遠。姜均等[36]利用遠紅外碳纖維電熱管具有升溫速度快、輻射效果好、壽命長的優點，將其替代原有加熱裝置進行煙葉烘烤，結果表明，烘烤效果好，運行成本低。21世紀以來，納米材料逐漸在煙葉生產中得到應用。利用納米顆粒的電磁輻射傳熱特性，納米復合涂料在改善烤房性能、提升煙葉品質、降低烘烤成本等方面有顯著效果。宋朝鵬等[37]將納米涂料噴涂于密集烤房裝煙室內壁，和未做處理的烤房進行對比，結果表明，納米涂料處理的烤房烘烤每千克干煙葉可節電12.5%、節煤21.96%；整體熱效率提升10.75%，縮短烘烤時間16 h；烤后煙上中等比例增加10.12%，每667 m2煙田煙農增收1 976.25 元。王建安等[38]研究表明，使用納米涂料烤房可優化烤煙環境，烤房內垂直溫差和平面溫差分別降低1.5 ℃和 1.7 ℃，且明顯改善了上部葉的外觀質量。盧軍等[39]在密集烤房中添加泡沫保溫材料，可縮短烘烤時間26 h，節電率和節煤率分別為17.8%和19.6%，每千克烤后煙葉均價提升0.3 元。近年來我國煙草行業在烤房硬件設施的改革與創新方面也取得了重大進展。劉添毅等[40]使用陶火管散熱系統代替傳統鋼制材料散熱系統，對比試驗結果表明，使用陶火管散熱系統每座烤房設備可降低成本2 400 元，烤房使用壽命增加6～10 年，烤房運行成本、烘烤性能、烤后煙品質較優。裴曉東等[41]用無機復合材料改進散熱器，與鋼制材料散熱系統烤房進行對比，發現每座烤房設備可降低成本975 元，延長使用壽命7 年左右，每千克干煙葉降低用煤量0.31 kg，減少用電量0.034 kW·h，烤后上等煙比例提升1.57%，雜色煙比例降低3.69%。楊威等[42]對新型無機非金屬材料烤房進行了研究，對比試驗表明，新材料密集烤房抗逆性強、烘烤效果好，節約能耗成本可達30.4%，烤后煙內外觀品質優于普通密集烤房。王傳義等[43]在烤房墻體所用材料方面進行試驗，發現聚氨酯材料墻體保溫性和烘烤效果優于混磚結構墻體，每烘烤1 kg干煙葉可降低成本0.26 元。

4 展 望

隨著我國對科研投入的增大和能源節約優先戰略的實施，煙草行業應抓住機遇，對煙葉烘烤的研究應重點突出以下三個方面。

（1）將更多的綠色能源用于煙葉烘烤的燃料，我國各煙區要因地制宜，依據當地產區自然條件，著重風能、太陽能、水利能等清潔、可持續利用能源的開發，輔以生物質能源、醇基能源、熱泵能源等環保燃料，堅持走煙葉烘烤低成本、高效益、污染物零排放的道路。

（2）烤房軟件系統和硬件設施改進，基于物聯網技術的煙葉烘烤精準調控和管理系統推動煙葉烘烤向集約化、專業化、智能化的方向發展；加強余熱利用與共享、紅外輻射等技術以及各種新型低成本、高壽命、性能高的材料與烤房的結合。

（3）煙葉烘烤不是單一的農業生產過程，其中溫濕度自控系統涉及到計算機行業，烤房硬件設備涵蓋更多領域，要實現煙葉烘烤“節能、減排、減工、降本”的目標，一方面煙草行業內烘烤技術人員體系需不斷完善，另一方面煙草行業應加強和其他行業的交流，及時應用適于煙葉烘烤的新型能源和技術，推動煙葉烘烤現代化的發展。

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