不同置式生物质供热炉在烟叶烘烤中的应用

卢 雨，古 力，詹吉平，吴永茂，邱志丹，王 鑫，陈 钰，陈郑盟*

(1.福建省烟草公司 龙岩市公司，福建 龙岩 364000; 2.福建农林大学，福建 福州 350002)

烤烟是我国重要的经济作物，烟叶烘烤调制是决定烟叶最终质量和可用性的一个重要环节[1]。随着烤房技改的推进，烤房在温控能力、装烟容量、自动化水平等方面均得到大幅提高，对我国的烟叶生产起到了很大的推动作用[2-5]。目前，烤房温湿度的控制虽然已经实现智能可控，但在温湿度转换阶段很大程度上仍受人工操作差异的影响，火大温度降不下来、火小温度升不上去的情况时有发生，导致烟叶的风格特色弱化和黄而不香等问题[6-8]。同时，烘烤过程中加煤、掏渣等环节还存在工作量大、人工成本高、遭受危害和危险系数较高等问题。随着全球能源危机以及温室效应的加剧，能源应用向着经济、可再生循环利用的新能源方向发展，密集烤房研究也逐步转向新能源烤房[9-10]。生物质供热炉作为新能源烤房研究的热点之一，在实践过程中不断完善，已实现自动点火、单粒供料和自动清渣等功能[11-13]。关于生物质供热炉在烟叶烘烤中的研究多集中在自动化程度和热量供应等方面，鲜有其在烟叶质量提升及能耗等方面的系统研究[14-16]。为此，研究内置式生物质供热炉、外置式生物质供热炉和常规烤房优质燃煤炉(CK)对烟叶烘烤中的温度曲线拟合度、能耗成本、烤后烟叶质量和经济效益的影响，以期为生物质供热炉在烟叶烘烤过程中对温度的精准控制提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 烟叶 供试鲜烟叶为当地主栽品种云烟87，由龙岩市烟草公司连城分公司提供。均取自同一田块、施肥水平一致、中等肥力、生长整齐一致的植株。

1.1.2 仪器与设备 近红外光谱测试仪，美国赛默飞AntarisⅡ；内置式智能化单螺旋加坡送料生物质供热炉，龙岩市三佳冶金炉料有限公司生产；外置式手动双螺旋送料生物质供热炉，龙岩市聚光新能源科技有限公司生产。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验于2017年5月19日至6月25日在福建省龙岩市连城县罗坊乡上罗村烤房群进行，所用密集烤房设施设备符合《密集烤房技术规范(试行)修订版》的要求。试验共设3个处理：处理1(A1)，内置式智能化单螺旋加坡送料生物质供热炉；处理2(A2)，外置式手动双螺旋送料生物质供热炉；处理3(CK)，常规烤房优质燃煤炉(对照)。各处理烘烤烟叶叶位相同，鲜烟素质一致，装烟数量相同，3次重复。烘烤结束后，对烤后烟叶进行质量及经济效益分析。

1.2.2 项目测定

1) 耗能与耗时。对不同置式供热炉在每烤(各烤次)烟叶烘烤过程中的平均能耗与操作耗时进行测定。试验用煤炭价格为0.75元/kg，农业用电价格为0.72元/度，生物质颗粒燃料价格为0.9元/kg，烘烤用工价格为120元/d。采用电子称测定烟叶和燃料的重量、采用数显温湿度计测定装烟室的温度和湿度(温湿度计感温探头悬挂位置在装烟室中间层，距离隔热墙4 m)、采用数显计时器测定操作耗时。

2) 化学成分。烟碱、总氮、总糖、还原糖、总氯和总钾等内在化学成分采用近红外光谱测试仪测定。

1.3 烘烤工艺的吻合度

选择第3～5烤次烟叶进行烘烤试验，烘烤工艺均采用《龙岩市三长两短保湿烘烤工艺》执行，整个烘烤过程中每4 h记录1次烤房的温度、湿度、烟叶变化、操作情况和烟窗尾气温度等考察烘烤工艺的吻合度，烘烤工艺中的目标温度与实际温度均为干球温度。

1.5 经济效益

选择对不同置式生物质供热炉的第3烤烟叶，根据烤后烟叶的外观颜色、成熟度、叶片结构、身份、油分、色度等质量指标，由分级技师参照GB2635-1992《烤烟》评定烤烟等级后对其进行计算。

1.6 数据处理

采用Excel 2007处理数据，SPSS 16.0进行统计与分析。

2 结果与分析

2.1 烘烤工艺的吻合度

从图1看出，常规燃煤烤房在不同烤次烘烤过程中实际温度与目标温度均存在偏离现象。其中，第3烤的变黄期/干筋期存在实际烘烤温度偏低运行情况，第4烤的定色期/干筋期和第5烤的干筋期实际烘烤温度运行不稳。内置式供热炉在不同烤次烘烤过程中实际烘烤温度与目标温度吻合度均较高。外置式供热炉在第3烤和第5烤的干筋期实际烘烤温度与目标温度均存在偏离现象，在第4烤的定色期拟合程度较高。总体上看，外置式生物质供热炉和内置式生物质供热炉在烘烤过程中的实际烘烤温度与目标温度的吻合程度均明显优于常规烤房优质燃煤炉(CK)。

从表1可知，在不同置式生物质供热炉烘烤过程中，内置式生物质供热炉每烤消耗的燃料量显著低于外置式生物质供热炉和CK，而外置式生物质供热炉与CK间无显著差异；每烤消耗电量以外置式生物质供热炉最高，内置式生物质供热炉次之，CK最低，三者间均存在显著性差异。不同处理间每烤鲜/干烟重量无显著性差异，干鲜比较为一致。干烟能耗成本以外置式生物质供热炉最高，内置式生物质供热炉次之，CK最低。其中，外置式生物质供热炉每1 kg干烟能耗成本较CK增加21.82%，内置式生物质供热炉较CK增加12.12%。

图1 不同置式生物质供热炉烘烤工艺的吻合度曲线Fig.1 Matching curve of curing process of different biomass heating furnaces

表1 不同置式生物质供热炉烘烤的每烤能耗Table 1 Energy consumption of different biomass heating furnaces in tobacco curing process

注：同列不同的小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significance of difference atP<0.05 level.The same below.

2.2 每烤次耗时

从表2可知，不同置式生物质供热炉烘烤烟叶所耗时长均显著低于常规烤房优质燃煤炉(CK)。其中，操作耗时，内置式生物质供热炉和外置式生物质供热炉较CK分别降低74.98%和56.92%；设备维护耗时，内置式生物质供热炉显著优于外置式生物质供热炉和CK；加料耗时，内置式生物质供热炉和外置式生物质供热炉均显著低于CK，分别降低71.97%和66.95%；清渣耗时，内置式生物质供热炉和外置式生物质供热炉也显著优于CK，分别降低36.67%和24.67%。综合来看，在每烤耗时方面，内置式生物质供热炉烘烤烟叶的耗时最短，其次是外置式生物质供热炉，CK耗时最长，且各处理间差异性显著(P<0.05)。

表2 不同置式生物质供热炉每烤次的耗时Table 2 Time consumption of different biomass heating furnaces in tobacco curing process h

2.3 经济效益

从表3看出，单叶重，内置式生物质供热炉烘烤烟叶的单叶重最高，为9.04 g；其次是外置式生物质供热炉，为为8.92 g；常规烤房优质燃煤炉(CK)最低，为8.88 g；内置式生物质供热炉与CK间差异显著(P<0.05)。上等烟比例，内置式生物质供热炉最高，外置式生物质供热炉次之，CK最低，三者间差异显著(P<0.05)。均价，内置式生物质供热炉和外置式生物质供热炉均高于CK，每1 kg烟叶分别较CK高5.14%和1.95%。

表3 不同置式生物质供热炉第3烤烟叶的经济效益Table 3 Economic benefit of tobacco leaves cured by different biomass heating furnaces during third curing process

2.4 烟叶内在化学成分的含量

从表4可知，内置式生物质供热炉烘烤的上部叶和中部叶烟碱含量均低于常规烤房优质燃煤炉(CK)，中部叶烟碱含量与CK差异显著，但上部叶和中部叶烟碱含量均在优质烟标准范围内。内置式生物质燃料炉能够显著提高中部叶的总糖含量。3个处理的总氮、氯和钾含量均在适宜范围，以内置式生物质燃料炉效果较好。

表4 不同置式生物质供热炉烘烤烟叶的内在化学成分Table 4 Internal chemical components of tobacco leaves cured by different biomass heating furnaces %

3 结论与讨论

随着科学技术的发展及环保意识的提升，生物质颗粒燃料作为清洁能源，已经逐步走入人们的生产和生活中。大量研究表明，使用生物质颗粒燃料能够有效改善烤后烟叶的质量，提高烟叶可用性[17-21]。研究结果表明，内置式生物质供热炉更加符合目标工艺温度，在烟叶烘烤过程中的变黄期和干筋期其效果尤为明显，避免了常规烤房优质燃煤炉变黄期因温度波动导致的烤青烟、变黄不充分或硬变黄的现象，定色期温度波动导致挂灰现象，以及干筋期温度过高或过低导致的烤红烟或洇筋烟现象[22-25]。由于生物质供热炉比常规烤房优质燃煤炉用电量高以及生物质作为新兴燃料，尚未实现规模化生产造成价格偏高等原因，目前生物质供热炉在烟叶烘烤过程中能耗较常规烤房优质燃煤炉高。然而，生物质供热炉在烘烤耗时上充分体现其自身优势，内置式生物质供热炉和外置式生物质供热炉较常规烤房优质燃煤炉分别降低69.71%和43.51%，大大缩短了操作耗时。同时，更重要的是降低了燃料添加的频度，彻底解决了烘烤过程中频繁加煤的工序，使烟农在烘烤过程中节省了大量时间从事其他农事操作。此外，采用生物质燃料炉还可提高烟叶的品质和经济效益。

综合来看，使用生物质供热炉能够确保烘烤工艺的温度要求，显著缩短烘烤操作时长，提升烤后烟叶质量与内在化学成分的协调性，有效提高烤后烟叶经济效益，以内置式智能化单螺旋加坡送料生物质供热炉烘烤效果最好。

致谢：感谢福建农林大学布素红老师在数据统计分析过程中的指导！