烤煙烘烤能源的時代更迭與發展趨勢

武圣江，劉明來，婁元菲，劉 瓊，楊章樂，張長云，段 昶，郝 斌

（1.貴州省煙草科學研究院，貴州 貴陽 550081；2.云南農業大學 煙草學院，云南 昆明 650201；3.貴州中煙工業有限責任公司，貴州 貴陽 550003；4.貴州省煙草公司 畢節市公司，貴州 畢節 551700；5.華環國際煙草有限公司，安徽 滁州 231221；6.貴州省畢節市煙草公司 金沙縣分公司，貴州 金沙 551800）

目前，國內外烤煙烘烤能源以煤炭、石油、天然氣為主，烘烤能耗高、效率低，且烘烤過程中會排放大量有害氣體和塵渣，這已成為煙葉提質增效和綠色生產的短板，嚴重制約了我國生態文明的發展［1-3］。清潔綠色能源是指不排放污染物、能夠直接用于生產生活的能源，如水能、風能、太陽能、潮汐能等；新能源是指開始開發利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如風能、太陽能、地熱能、海洋能、氫能、生物質能和核能等［4-7］。隨著化石能源的日益緊缺和綠色生態文明建設的不斷推進，新型和清潔能源將成為國內外煙葉烘烤能源發展的新方向。與常規能源相比，新型清潔能源不僅在提質增效方面更有優勢，也更符合當前形勢下節能減排的新要求［6,8-9］。

目前，煙葉烘烤新能源主要有生物質燃料［10-13］、電能［14-16］、太陽能［17-18］等。從可持續發展的角度來看，利用生物質能、電能、太陽能等清潔可再生新能源，尤其是利用電能和太陽能替代煤炭、石油和天然氣，將是今后密集烤房實現節能減排目標的重要舉措，是今后密集烤房煙葉烘烤發展的重要趨勢。在此形勢下，回顧烤煙烘烤能源的發展歷史（表1），找出其存在的問題，探索今后清潔能源和新能源的發展方向，對促進生態文明建設和現代煙草農業發展具有重要的現實意義。

表1 烤煙烘烤能源發展簡史

1 常規能源

常規能源也稱為傳統能源，主要是指煤炭、石油、天然氣等化石燃料。1888年，Snidow設計了一種提高烤房系統熱效率的供熱設備，以煤炭作為烘烤燃料，但是直到1900年才陸續應用到煙葉烘烤中［6］。我國于1913年引進烤煙，引進的也有以煤炭作為燃料的烘烤設備［19,27］。從20世紀的自然通風氣流上升式普通烤房到21世紀的熱風循環密集烤房，我國烤煙烘烤能源都以煤炭作為主要燃料。

近些年來，國內95%以上的密集烤房都以煤炭為燃料，而國外煙葉烘烤主要采用液體油類、天然氣(主體為甲烷)作為燃料，國外液體油類燃料應用于煙葉烘烤始于20世紀20年代［20-21,27］。2011年，王進錄等［28］發明了天然氣加熱循環氣流煙葉烘烤室，烤房的烤煙效果良好，且降低了污染物的排放。2013年，任杰等［29］研究指出：天然氣水暖集中供熱密集烤房升溫準、控溫穩、提質降工減排的效果明顯，但煙葉烘烤能耗成本有所增加。2020年，邱道富等［30］指出：雙能源(煤炭和液化石油氣)密集烤房較燃煤密集式烤房升溫快、控溫精確、能耗低，烤后煙葉的外觀和內在品質均得到大幅度提升。隨著化石能源價格的提升和資源的緊缺，目前國外煙葉烘烤以天然氣為主要能源［6,31］。

煙葉烘烤存在的主要問題：(1)烘烤成本較高，在一定程度上降低了煙農的收益［6,28,31］；(2)燃燒過程產生的有害氣體和煙塵對環境污染較大，不僅威脅到了人類健康，而且影響了全球氣候的穩定［32-33］；(3)煤燃料烤房溫度和濕度的控制精度低，煤燃燒效率低、浪費大、勞動強度大，加煤量不易精準掌握，容易造成升溫過急、掉溫、烤壞煙葉的現象［34-35］。傳統能源制約了煙草綠色生產的長效發展，已經引起了各級政府及煙草行業的高度重視。目前，煙葉烘烤能源的技術改革和替代燃料的研究和發展已成為趨勢。通過技術革新，應用煤化氣技術可降低煤燃燒產生的污染，其次是加入二氧化氯脫硫劑或通過富氧燃燒等技術也是脫除二氧化硫、氮氧化物或汞等污染物的有效辦法［36-37］。盡管如此，傳統能源仍無法從根本上解決污染問題。因此，減少污染物的排放，加強新能源的開發利用已成為中國乃至世界保護生態環境的重大課題。

2 新型與清潔能源

2.1 生物質能源

生物質能源是指綠色植物直接或間接地通過光合作用，把太陽能轉化為化學能后固定和貯藏在生物體內的能量。生物質來源廣泛、成本低廉、可再生，隨著人們對環境保護和能源危機的日益關注，生物質能源被認為是一種可能的化石燃料替代品，如作物秸稈、林木、生活和工業有機廢棄物等［8］。根據生物質能源的形態，可分為3類，即固體、液體和氣體生物質能源。

2.1.1 固體生物質能源 利用固體成型技術制成顆粒燃料或壓塊，加工后的固體生物質能源密度熱值升高，便于運輸和儲藏，可直接取代燃煤，或與煤混合燃燒，近些年在烤煙烘烤中應用較多［38］。最初應用于煙葉烘烤的生物質是柴草。1492年，哥倫布在美洲新大陸發現煙草并傳播至全世界。在此之前，美洲新大陸的土著印第安人就已經使用木柴進行明火烤煙，也稱熏煙［23］。1831年，美國弗吉尼亞州的Davis C Tuck獲得了“用火管或火爐干燥煙葉的方法”的專利，但是火管烤煙在美國普遍推廣應用始于1839年Stephen Slade發明的煙葉烘烤方法［23］。我國烤煙試種和生產始于1913年，起步相對較晚［19］。國內在中華人民共和國成立前以柴草為主要能源進行煙葉烘烤，近些年來，國內外仍有將木柴直接作為能源進行烤煙烘烤的［6,39］。

2005年安徽省煙草公司研究表明，“秸稈壓塊”生物質替代煤炭烤煙的效率高、升溫快、控制靈敏、易調控，可以滿足烤煙工藝要求，且降低了烘 烤 成 本［10］。2006年，Tippayawong等［40］研 究 指出，目前泰國使用稻谷殼與玉米蕊作為烘烤燃料。2010年，孫建鋒等［41］將生物質、原煤與固硫劑、粘合劑、助燃劑等壓制成生物質型煤應用于烤煙烘烤，其能耗明顯降低。2012年，馬延坡等［42］公開了一種生物質成型燃料配方。2016年，郭全偉［43］研究指出，3種燃料中以生物質粉末較好，用普通生物質烤煙比用煤炭烤煙每千克干煙節約費用0.574元，但是秸稈壓塊成本較高，原料的來源及數量難以保證，大面積推廣使用有一定的局限性。2019年，Wang等［44］使用固體燃燒與氣化一體的燃燒設備對生物質燃料的直接燃燒進行了改進，大大提高了生物質燃料的熱效率，污染物的排放也顯著減小。2019年，莫靜之［24］指出：混合生物質顆粒燃料(70%煙稈+10%木屑+20%咖啡殼)較煤炭烘烤的煙葉物理和化學指標較優、烤后煙葉等級和經濟效益較好、污染性氣體(CO、SO2)排放量較低。2020年，Song等［45］采用現代機電技術和計算機技術，研制了一種以生物質成型能源為燃料的烤煙烘烤加熱裝置，實現了對溫度和濕度的精準控制，降低了環境污染和烘烤燃料及用工成本。

2.1.2 液體生物質能源 醇基燃料是以醇類物質(如甲醇、乙醇、丁醇等)為主體配置的燃料，主要產物為二氧化碳和水，且煙氣中硫氧化物生成較少，是僅次于氫氣的清潔能源之一［6,12-13］。作物秸稈的纖維、半纖維、藻類通過微生物發酵，可轉化為乙醇生物質燃料［46-47］。國內對醇基燃料的研究開始于20世紀80年代，但最早作為烤煙烘烤能源的報道卻是在2013年［4,25］。2013年，段美珍等［25］認為，甲醇密集烤房控溫精準，能夠滿足煙葉烘烤，降低了勞動強度，省工提質明顯，且操作更方便、更快捷。2015年，徐成龍［12］、Zhan［48］等研究指出，醇基燃料烤煙烤房的性能和烤后煙葉的質量均較好。2016年，高強［49］、郭大仰［50］等研究表明，醇基燃料烤煙提質、增效、減排的效果明顯，但醇基燃料綜合成本約為褐煤的2.4倍。2018年王建安［6］研究指出，醇基燃料的供熱設備自動化程度高，烤房溫度、濕度控制精度高，具有較高的系統熱效率，烤后煙葉的外觀質量和感官質量較好，用工成本低，但烘烤燃料成本比燃煤高1.22元/kg干煙。同年，李崢等［51］認為，在燃煤烤房、生物質烤房、醇基烤房和熱泵烤房中，醇基烤房對于煙葉產值變化的敏感性最強。2019年，陳妍潔等［13］指出，醇基燃料作為煙葉烘烤的一種新能源，可縮短烘烤時間，使煙葉干物質損失減少，烤煙質量得到很大幅度的提高，且對環境污染小。近些年來，美國和巴西的醇基燃料發展勢頭尤為迅猛，有不斷替代常規燃料的趨勢，但并沒有關于醇基燃料用于煙葉烘烤的報道［52］。目前，醇基能源烘烤設備一次性投資成本和燃料成本較高，是大面積推廣亟需解決的主要問題［12-13,25］。

生物柴油是指植物油(如菜籽油、大豆油、花生油、玉米油、棉籽油等)、動物油(如魚油、豬油、牛油、羊油等)、廢棄油脂或微生物油脂與甲醇或乙醇經酯轉化而形成的脂肪酸甲酯或乙酯，是典型的“綠色能源”，具有環保、燃燒性能好、原料來源廣泛、可再生等特性。目前，歐盟是世界上最主要的生物柴油生產地，生產原料主要是菜籽油［52］。利用微藻可生產生物柴油，生產過程還可對化石燃料廢氣起固定作用［53-54］。生物質木質纖維素通過一系列的催化轉化作用，可獲得許多小分子含氧化合物，而含氧化合物的加氫轉化是合成各類液體燃料和精細化學品的關鍵技術之一［55］。目前，生物柴油是國內外研究的熱點課題之一，利用儲量巨大、可再生的生物質資源經綠色精煉工藝生產高品質生物柴油是一條重要途徑，而且生物柴油在煙葉烘烤中的應用前景十分廣闊［56-58］。

2.1.3 氣體生物質能源 生物質氣化是一種很有前途的生物質能源、生物燃料化學轉化技術［59］。氣體生物質燃料主要有2種：一種是利用動物糞便、工業有機廢水和城市生活垃圾等通過厭氧消化技術生成沼氣，目前已得到了廣泛的推廣應用；另一種是將作物秸稈或林木高溫熱解轉化為可燃氣體（如氫氣），汽化后能明顯提高生物質燃料的熱效率［60-61］。生物質作為一種清潔能源，荷蘭在20世紀70年代初、我國于80年代初研制出生物質廢棄物氣化裝置［62］。1991年，葉經緯等［5］研制出了生物質氣化燃燒爐，將煙葉烘烤能源利用效率提高了50%。2002年，河南農業大學設計了一套BTC-1型生物質氣化烤煙機，大大提高了煙葉烘烤效率［63］。2010年，張無敵等［26］指出，沼氣替代煤炭烤煙，烤房的溫度、濕度易于控制，有利于提高烘烤煙葉的質量與等級，可實現清潔生產和節能減排。生物質熱化學轉化技術是實現其能量轉化最有效的方式之一，尤其是熱解和氣化將其轉化為高品位的氣體燃料，能有效改善生態環境和緩解能源危機［64-65］。

氣體生物質能源的優點：（1）屬于可再生能源，降低了成本，提高了烤煙烘烤質量，降低了勞動強度；（2）生態效益顯著，生物質燃燒可明顯減少SO2與NOx的排放［66］；（3）生物質成型燃料的燃燒性好、耐燃燒、可控性強［67］；（4）能發揮密集烤房技術的優勢，保證烘烤工藝流程的順利實施，滿足優質煙烘烤需要。其不足之處：原料供應不穩定、設備成本高、技術創新不足、自動化程度不高、勞動強度大、烘烤效果不佳等問題［11,25,42,44,68］。

我國是世界第一秸稈大國，生物質約占全球一次能源需求的10%，但全國近50%的秸稈資源分布于全國百分之十幾的土地上［69-70］。因此，生物質能源宜在適宜產區大力推廣應用。

2.2 電能

電能烘烤設備主要有電熱泵和電熱式烤房（箱），其中以電熱泵烤房為主。電熱泵烤房是用熱泵將烤房外的熱能轉移至烤房內的一種設備，原理是通過物理制冷，釋放熱量加熱空氣，使熱空氣在烤房內循環，實現烘烤的目的。根據低溫熱源不同，電熱泵烤房可分為空氣源、地源和水源熱泵烤房，其中空氣源電熱泵烤房在烤煙烘烤中應用較多［71］。熱泵技術于1930年在德國問世［72］，2003年宮長榮等［14］基于熱泵技術率先設計出熱泵型煙葉自控烘烤設備，顯著提高了熱能的利用率。2004年潘建斌等［15］研究認為，電熱泵烤房減少了環境污染，自控性能較好，能耗明顯降低，煙葉質量較普通烤房得到明顯提高。2010年，孫曉軍等［16］指出，電熱泵烤房烘烤能明顯降低烘烤成本和勞動強度，進而提高烤煙的經濟效益及生態效益。2013年以來，河南省逐步加大熱泵烤房的推廣應用。2014年，烤煙烘烤實現了熱泵除濕與余熱的循環利用［73］。2017年，李世軍［74］認為，熱泵烤房烘烤過程實現了全自動控制，內除濕裝置有效避免了煙葉香氣損失，提高了煙葉的烘烤質量，降低了勞動強度。2019年，趙新帥［75］研究認為，閉式熱風循環熱泵除濕型密集烤房在烘烤成本、能耗、烤后煙葉外觀質量、煙葉主要化學成分、評吸結果、等級結構等方面均優于生物質型密集烤房，并且動態投資回收期僅為4.3年，經濟效益顯著提升。同年，劉克［76］指出，與燃煤密集烤房相比，空氣能熱泵烤房進行烤煙烘烤可實現降本增收，電磁能熱源烤房烤后煙葉等級質量更好、中下部煙葉化學成分更為協調。

目前，電熱式烤煙烘烤設備在生產中推廣應用相對較少。1999年，聶榮邦［77］研究指出，微電熱烤房的熱效率高、操作方便，減輕了勞動強度，提質增效明顯。2012年，張宗錦［78］研究指出，新型電烤煙房的能耗低于傳統烤房，而烤煙品質上無明顯差異。同年，遠紅外碳纖維電加熱技術在貴州應用于煙葉烘烤中的效果顯著［79］。2012年，田春燕［80］公開了一種太陽能輔助加熱的電烤房的專利。2020年，張得平等［81］公開了板房式電熱烤房的專利，既能用于常規煙葉生產時的烘烤，也能用于小規模煙葉的烘烤試驗，且煙葉烘烤效果較好。

電能烘烤的優點：電烤房降低了能耗用工成本，減少了環境污染，易實現自動化和精準控制，減小勞動強度，烤后煙葉工業可用性明顯提高［71,82-83］。其不足之處：電烤房(群)對電網保障的要求較高，前期建設或現有烤房投入和改造成本較高；烤房加熱設備不易移動，且放置在地面存在安全隱患［13-15］。盡管存在這些不足之處，但隨著人們對生態環境保護的不斷重視，利用電能烤煙將是我國煙葉烘烤發展的重點方向之一。

2.3 太陽能

太陽能是一種清潔、安全的能源，無需開采和運輸，開發利用極為方便，被廣泛應用于各種生產生活中，而且太陽每秒輻射到地球上的能量就相當于500萬t煤燃燒產生的能量［84］。目前，太陽能在烤煙烘烤上的利用主要有2種形式：一是光伏發電轉變為電能，利用電能進行加熱；二是直接通過太陽能集熱裝置加熱空氣，將熱空氣引入烤房進行煙葉烘烤，這也是目前太陽能的主要利用形式。15世紀，美洲印第安人最初利用太陽能將煙葉曬干。20世紀70年代嚴浩然發明了太陽能收集器［22］。1981年，楊樹申［85］設計了平板型太陽能集熱器加熱空氣進行烘烤。同年，Danford［86］申報了太陽能集熱器和余熱回收輔助新型煙葉烘烤和干燥設備的專利。1991年，陳繼峰等［17］研制出TF式小型太陽能烤房，由烘烤房和集熱室組成，以太陽能為主要能源，燃煤為輔助能源。隨后的20年，太陽能在烤煙烘烤中的利用發展相對緩慢。

進入21世紀，太陽能在烤煙烘烤應用中獲得了快速發展。2009年，聶榮邦等［87］研制出了一種智能化集熱太陽能密集烤房，在與其他熱源協調好的狀態下能夠滿足煙葉烘烤工藝的要求，且節能減排、提質增效顯著。2010年，王剛［88］、董賢春［89］等將電熱泵技術與太陽能相結合，發現太陽能的利用率較高，且具有一定的節能減排效果。同年，謝德平等［90］研究指出，烤房干燥區頂部安裝太陽能采集板，烘烤1 kg干煙的耗煤量降低12.35%，烘烤費用降低12.72%。2011年，太陽能輔助烤房研發與烘烤效果的報道較多，利用太陽能烘烤的烤后煙葉質量好，節能減排效果顯著［91-96］。2012年，徐增漢［97］、張之礬［98］等分別指出，單體密集烤房太陽能集熱器或太陽能光伏發電輔助密集烤房的節能減排效果顯著，煙葉烘烤質量有所提高。2013年，關于太陽能光伏發電及集熱器輔助烤煙烘烤效果的報道也較多［99-101］。2015年，黃寶瑞等［102］指出，不同類型密集烤房集溫室集熱效果表現為太陽能集熱+余熱回收烤房＞太陽能集熱烤房＞余熱回收烤房＞普通密集烤房。2016年，李絢陽［103］建立了太陽能輔助烘烤烤房的煙葉含水率變化模型。2017年，韋建玉等［104］建成了太陽能和化石能聯合供熱的密集烤房，提質節能減排效果顯著。2018年，許躍奇等［105］認為，在5種不同能源類型烤房中，太陽能輔助熱泵烤房的烘烤效果最佳。2019年，劉亮［106］通過對比分析指出，太陽能、排風熱回收技術輔助熱泵技術供熱的新型烤房的節能效果明顯，運行成本只有燃煤烤房的39.2%，每年減排污染物量近6萬t。2020年，Wang等［107］設計了一種太陽能熱水集熱裝置，太陽能日轉換效率在65%~67%之間，整個烘烤過程可節約用煤18.4%，碳排放絕對值降低10%以上。太陽能集熱輔助烘烤能夠降低烘烤成本、減少污染物排放、提高煙葉烘烤質量，且對多種類型烤房均可以實現輔助加熱［108］（圖1）。

圖1 太陽能集熱輔助烤房系統的工作原理

目前，光伏發電在國內外各領域都有一定規模的應用，如太陽能汽車、太陽能電動車、電動自行車等；利用光伏發電設備將太陽能直接轉換為電能，儲存于蓄電池中進行供電［15］(圖2)。從目前情況來看，太陽能光伏發電系統與其他熱源供熱系統相結合，推廣混合能源密集烤房對我國現代煙草農業建設具有積極的促進作用［9］。

圖2 光伏發電應用系統的工作原理

太陽能烘烤的優點：太陽能資源豐富，屬于清潔無污染能源；利用太陽能集熱和光伏發電裝置輔助烘烤能明顯降低燃煤消耗量，節約烘烤成本；利用太陽能集熱器還可以實現烤房的綜合利用，在非烤煙烘烤季節可干燥其他農產品等［84,109-110］。其局限性：太陽能具有間歇性和難收集性，受天氣影響較大；光伏發電烤煙烘烤系統前期投入較大、成本較高、太陽能集熱裝置的集熱效率不高、蓄電池的電能轉換效率低，太陽能與其他供熱系統相結合才能滿足烘烤等［22,45,107］。

3 前景與展望

國內生物質如作物秸稈、木柴來源和儲量豐富，但是山區生物質回收難、利用難的問題也十分突出。利用生物質加工技術、微生物發酵技術等不僅可以實現烤煙能源替代和創新，而且能減緩全球性氣候變暖趨勢，對保護生態環境和維持綠色發展有著重要的意義。隨著科學技術的不斷發展，煙草種子和葉片等將成為液體生物燃料(如脂肪酸和三酰基甘油)的重要來源之一。隨著生物質能源加工技術的進步和配套烘烤設備的不斷完善和改進，生物質能源宜在適應產區推廣應用。醇基燃料對烤房溫度、濕度的控制精準，但是生產成本高。因此，降低生物柴油生產成本是其在烤煙烘烤中廣泛應用的前提條件。

電能烤房具有升溫快、熱效率高、自動化程度高、綠色環保、節能省工的優點。我國積極應對全球氣候變化，努力實現碳達峰目標與碳中和愿景，大力開發風力、太陽能等清潔電力能源。面對新形勢，在國內電力設施配套齊全的地區推廣應用電熱泵密集烤房是可行的。太陽能具有清潔、無污染、輻射功率大、取之不盡等優點，開發和利用太陽能是人類社會可持續發展的重要舉措，是實現能源替代、保護生態和降低成本的重要途徑。近些年，太陽能已經應用到煙葉烘烤中，但應用力度不大、存在烤房升溫困難等問題。隨著人們環保意識的逐漸增強、光伏發電成本的不斷下降，以及太空太陽能電站的逐步建立，將太陽能傳輸到地球并轉化為電能是一條經濟效益、生態效益和社會效益共同發展之路。未來，太空太陽能空間電站的建立，不僅能實現太陽能的不間斷利用、擺脫天氣的限制，還將大大降低對環境的污染。利用太陽能烤煙，不斷降低烤房烘烤設備成本是重中之重，研制高效、經濟、實用的太陽能加熱密集烤房并推廣應用已成為重要的發展趨勢。

烤煙烘烤新型能源發展空間巨大、前景廣闊，但新能源在烤煙烘烤中的應用體系還不夠完善。在高科技支持、烤房設備以及鄉村配套設施等方面，仍需要得到國家和行業的重視和大力支持。共同推進全球能源互聯網發展，促進標準化、智能化生產，保障充足科研經費，積極研發太陽能、電能(風力、水力)、地熱能、海洋能、化工能、生物質能等新能源和清潔能源，提高新能源烘烤的技術成熟性和智能化程度，健全完善市場競爭機制，主動應對能源危機，減少污染物的排放，實現常態化的綠色可持續發展。隨著電能、太陽能等清潔新能源在煙葉烘烤中的逐步推廣，將大大推進節能環保進程，從而推動煙葉烘烤的可持續發展。