不同能源类型密集烤房烘烤性能与应用效果分析

武圣江，杨双剑，黄 翔，刘 琼，刘明来，李德仑，韦克苏，彭隆基*，杨 磊

（1贵州省烟草科学研究院，贵州贵阳 550081；2贵州省烟草公司贵阳市公司，贵州贵阳 550000；3贵州省烟草公司毕节市公司，贵州毕节 551713；4云南农业大学烟草学院，云南昆明 650201；5湖南中烟工业有限责任公司，湖南长沙 410014）

0 引言

【研究意义】绿色生产和新能源开发与应用是我国建设生态文明的必由之路，是实现“碳达峰、碳中和”低碳经济发展目标的必然要求，是顺应全球经济发展的必然趋势（Wu et al.，2022）。过去，煤炭作为烤烟烘烤的主要能源，在烘烤过程中排放大量的二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳及烟尘等污染物，对生态环境造成一定的负面影响（Hussain et al.，2014；Wang et al.，2017；陈妍洁等，2019）。随着科技的不断发展和人们对生态环境保护的日益重视，开展清洁新能源烤烟烘烤已成为今后发展的重要方向。【前人研究进展】烤烟烘烤中应用的清洁新能源主要有电能（宫长荣和潘建斌，2003；潘建斌等，2006；仙立国等，2021）、生物质能源（Tippayawong et al.，2006；Wang et al.，2019a；Song et al.，2020；Liu et al.，2021）和太阳能（Hussain et al.，2014；Wang et al.，2020）等。其中，生物质能源被认为是一种可能的化石能源替代品（Hu and Zhu，2019；Wu et al.，2022）。与煤炭相比，利用生物质能源烘烤烟叶减工降本、提质增效显著（Tippayawong et al.，2006；Wang et al.，2019b；Song et al.，2020）；利用电能和太阳能辅助烟叶烘烤，能减工降本、提质增效，且生态效益好，但利用太阳能进行烤烟烘烤受天气因素的影响较大（张雨薇等，2019；Wang et al.，2020）。许跃奇等（2018）研究表明，太阳能烤房烤后烟叶多酚、绿原酸、苹果酸含量及非挥发性有机酸总量较高，经济效益较好。刘克等（2019）认为，电磁能热源烤房有利于提高上部烟叶烘烤等级质量，空气源热泵烤房有利于提高烤后烟叶化学成分协调性和感官质量。张雨薇等（2019）研究发现，气流下降式空气源热泵密集烤房提质效果最显著。仙立国等（2021）指出，空气源热泵密集烤房有利于烟叶变黄失水协调，降低淀粉含量，提高烟叶质量和效益。此外，罗贞宝等（2021）研究指出，新型内置一体式生物质密集烤房稳温性能优于燃煤密集烤房，与外置式生物质烤房性能相当，综合热效率分别提高12.54%和5.01%。【本研究切入点】目前，国内外对不同能源类型密集烤房的能耗用工、提质增效、烤后烟叶化学成分的协调性等方面研究较多（Tippayawong et al.，2006；许跃奇等，2018；张雨薇等，2019；Wang et al.，2019；罗贞宝等，2021），但针对内置式生物质加热新能源密集烤房和空气源热泵+太阳能辅助加热新能源密集烤房设备成本、烘烤过程中污染物排放量及烤后烟叶综合品质等方面的差异性研究尚不多见。【拟解决的关键问题】以燃煤密集烤房为对照，以内置式生物质加热新能源密集烤房和空气源热泵+太阳能辅助加热新能源密集烤房为处理，对比分析不同能源类型密集烤房设备成本、运行参数、故障率、烘烤性能、能耗用工、污染物排放量及烤后烟叶品质的差异，以期为烟草行业节能减工、提质增效和绿色可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020—2021年在贵州省威宁彝族回族苗族自治县黑石镇烟草科技园进行，供试烤烟品种为云烟87。按照当地优质烟叶生产理论进行规范化栽培管理，移栽后80 d取样，以中部正常成熟烟叶（第11～13位叶，从下往上）为试验材料。

1.2 试验设计

供试烤房为黑石镇烟草科技园设计的规格相同（长8.0 m、宽2.7 m、高3.5 m）的3座气流上升式试验专用密集烤房。烤房烘烤设备类型有3种，分别为常规燃煤密集烤房（CK）、内置式生物质加热新能源密集烤房（T1处理，由西安圣华农业科技股份有限公司负责改造）和空气源热泵+太阳能辅助加热新能源密集烤房（T2处理，由广州市宏希太阳能设备有限公司负责改造）。密集烤房的装烟方式为挂竿装烟，要求烟竿间距为10～12 cm，装烟密度平均为55 kg/m。烘烤结束后，从不同能源类型密集烤房对应位置取样6竿（距离加热室4 m垂直面的上中下3层各取2竿），对烤后烟叶等级结构及质量进行评价。重复3次。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 烤房设备成本、运行参数及故障率调查 烤房设备建造成本及运行参数由烤房设备公司提供。不同能源类型烤房运行中故障率调查内容主要包括电源、升温排湿控制系统等故障方面，调查烤房数量CK为42座，T1处理为5座，T2处理为3座，每座烤房平均每年烘烤4～5炕烟叶。

1.3.2 烤房烘烤性能测定 烤房烘烤性能以烘烤阶段实际温湿度（干球温度和湿球温度）与设定温湿度偏差范围表示，参照陈妍洁等（2019）的方法测定不同能源类型密集烤房的烘烤性能。分别在42 ℃（变黄后期）、54 ℃（定色后期）和67 ℃（干筋后期）稳温2 h后，每隔30 min记录烤房实际温湿度与设定温湿度的差值，连续3次，取其平均值。

1.3.3 烘烤能耗用工分析 统计烘烤试验所消耗的煤、电和生物质成本及用工量。记录每炕干烟重量、耗煤量、耗电量、生物质用料及加煤（生物质）次数和时间，分析不同能源类型烤房烘烤每千克干烟所需要的能耗和用工。

1.3.4 烤房烟囱污染物测定 在不同能源类型密集烤房烘烤过程中，42、54和67 ℃稳温2 h后，选取烟囱中部平面进行检测，烟道面积为0.04 m，每点测3次，取污染物实测浓度的平均值。由贵州跃庆谐环境监测服务有限公司采用崂应3012H型自动烟尘气测试仪YQX-107，参照《空气和废气监测分析方法》（国家环境保护总局和《空气和废气监测分析方法》编委会，2007），烟尘采取等速采样、重量法分析，SO、NO和NO排放量采用定点位电解法测定。烘烤过程中不同温度点总污染物（烟尘+SO+NO+NO）的平均排放量是不同处理在42、54和67 ℃的平均排放量之和。

1.3.5 烤后烟叶等级与外观颜色测定 烘烤结束后，每个处理取6竿干烟，按照国家标准GB 2635—92《烤烟》进行外观质量和等级结构评价，其中级外烟比例不包含在烟叶等级结构里。参考Wu等（2020b）的方法，每个处理测定15片烟叶颜色参数值，从亮度值L（从黑到白，0～100）、红度值a（从绿到红，-A～+A）和黄度值b（从蓝到黄，-B～+B）3个方向三维立体综合评价烟叶颜色，并自动计算彩度C和色相角H。C=（a+b），H=arctan（b/a）。

1.3.6 烤后烟叶柔软度测定 利用RH-R1000电脑软度仪（Softness Tester），参照武圣江（2020）、Wu等（2020a）的方法，每个处理测定24片烟叶的柔软度。

1.3.7 烤后烟叶常规化学成分测定 取不同处理烤后烟叶C3F样品1.0 kg，粉碎后过60目筛，参照王瑞新（2003）的方法进行烟碱、总糖、还原糖、总氮、蛋白质和淀粉含量测定。

1.3.8 烤后烟叶感官质量评价 取不同处理烤后烟叶C3F样品1.0 kg进行感官质量评价，依据YC/T 138—1998《烟草及烟草制品 感官评价方法》，由贵州省烟草科学研究院组织评吸专家进行评吸鉴定。按香气质、香气量、杂气、刺激性、劲头和燃烧性满分均为10分，吃味为12分，灰分为6分进行评价（武圣江等，2013）。

1.4 统计分析

采用Excel 2017整理数据，SPSS 19.0的Oneway ANOVA单因素检验工具分析数据的显著性差异水平。

2 结果与分析

2.1 不同能源类型密集烤房设备成本及运行参数的比较

由表1可知，CK燃煤烤房设备成本最低，T1处理生物质烤房设备成本居中，T2处理空气源热泵+太阳能辅助加热新能源烤房设备成本和改造成本均最高；同时，T2处理配套设施要求较高，电压要求380 V，额定输入功率为13.50 kW。因此，从目前烤房设备成本和设施要求来看，空气源热泵+太阳能辅助加热新能源密集烤房推广难度相对较大，内置式生物质加热新能源密集烤房推广应用较容易。

2.2 不同能源类型密集烤房故障次数调查结果

在产区2个烘烤季节的调查结果（表2）表明，常规燃煤密集烤房故障发生2次，主要表现在进风门与排湿窗老化、生锈，以及温湿度控制仪使用年限较长而出现的仪表显示与运行不正常；内置式生物质加热新能源密集烤房和空气源热泵+太阳能辅助加热新能源密集烤房均发生1次故障，分别表现在电路和电容无法正常运行、受天气影响出现升温故障。相比燃煤密集烤房，新能源类型密集烤房发生故障次数相对较少。

2.3 不同能源类型密集烤房性能的比较

由表3可知，不同能源类型密集烤房稳温保湿性能均较好，目标干湿球温度与实测干湿球温度差异较小，温湿度偏差值在-0.43～0.27 ℃范围内，符合烟草行业对密集烤房温湿度控制仪的有关要求（|干球温度偏差|＜1.00 ℃，|湿球温度偏差|＜0.50 ℃）。从温湿度偏差值来看，烘烤过程中T2处理升温相对较慢，与目标温湿度差多为负值，T1处理实测温湿度与目标值差相对较小。综合来看，内置式生物质加热新能源密集烤房烘烤性能较佳。

2.4 不同能源类型密集烤房烘烤耗能用工差异分析结果

由表4可知，CK消耗的能源是煤炭和电能，T1处理消耗的是生物质能和电能，T2处理消耗的是电能。在耗电量方面，T2处理显著大于T1处理和CK（＜0.05，下同）；在用工量方面，CK显著大于T1和T2处理，T1处理显著大于T2处理。不同能源类型密集烤房烤后干烟量无显著差异（＞0.05，下同），而能耗用工费用合计及每千克干烟烘烤成本大小均为：CK＞T1处理＞T2处理。表明燃煤密集烤房能耗用工烘烤成本最高，空气源热泵+太阳能辅助加热新能源密集烤房最低，内置式生物质加热新能源密集烤房居中。

2.5 不同能源类型密集烤房污染物排放量差异分析

由表5可知，不同能源类型密集烤房烘烤过程中，温度为42、54和67 ℃时T1处理烟尘浓度均显著大于CK，SO浓度则显著小于CK。NO和NO 2种氮氧化合物浓度在烘烤过程中的动态变化规律一致，即42 ℃时CK显著大于T1处理，54和67 ℃时CK显著小于T1处理。综合来看，不同能源类型密集烤房烘烤过程中（42、54和67 ℃）污染物排放量差异显著，不同温度点CK总污染物（烟尘+SO+NO+NO）平均排放量是T1处理的4.34倍，其中在42、54和67 ℃时分别是T1处理的7.74、3.46和3.28倍。T2处理以电能和太阳能作为能源，污染物排放量忽略不计。

2.6 不同能源类型密集烤房烤后烟叶经济性状分析结果

由表6可知，T1处理烤后烟叶的上等烟比例、橘黄烟比例和均价最高，杂色烟和级外烟（烘烤损失）比例最低，且T1处理上等烟比例显著高于CK和T2处理，增幅分别为8.01%和16.05%，而CK与T2处理间无显著差异。橘黄烟比例，CK和T1处理显著高于T2处理，分别较T2处理提高4.66%和6.00%；杂色烟比例，T2处理显著高于CK和T1处理，CK显著高于T1处理，其中T2处理分别是CK和T1处理的1.81和2.36倍；不同处理烤后烟叶均价无显著差异，级外烟比例中T1处理显著低于T2处理。综合来看，T1处理烤后烟叶等级结构和经济性状较好。

2.7 不同能源类型密集烤房烤后烟叶颜色与柔软度的比较

由表7可知，不同能源类型密集烤房烤后烟叶颜色参数和柔软度值存在明显差异。其中，CK和T1处理烤后烟叶颜色参数L值显著大于T2处理，增幅分别为7.22%和6.32%；CK烤后烟叶颜色参数a值显著小于T2处理，H值显著大于T2处理；不同能源类型密集烤房烤后烟叶b和C颜色参数值差异不显著，但CK和T1处理b值大于T2处理，增幅分别为1.24%和2.89%。不同处理烤后烟叶柔软度值排序为：CK＞T1处理＞T2处理，其中T1和T2处理烤后烟叶柔软度值分别是CK的73.01%和52.08%。表明烤后烟叶CK和T1处理亮度和黄色色彩较浓，T2处理橘色色彩较浓，且T1和T2处理烟叶柔软性较好。

2.8 不同能源类型密集烤房对烤后烟叶常规化学成分的影响

由表8可知，不同能源类型密集烤房烤后烟叶烟碱含量T2处理显著高于T1处理（增幅6.81%），还原糖含量T1处理显著高于CK（增幅7.24%），蛋白质和淀粉含量CK显著高于T1和T2处理（蛋白质含量增幅分别为28.22%和18.80%，淀粉含量增幅分别为34.88%和19.89%），氮碱比（总氮/烟碱）CK显著高于T2处理，均在适宜值范围内（0.8～0.9），糖碱比（还原糖/烟碱）T1处理显著高于CK和T2处理，均在适宜值范围内（一般为6～10，越接近10越好）。此外，不同能源类型密集烤房烤后烟叶总糖、总氮含量及两糖比（还原糖/总糖）差异不显著。综合来看，T1处理烤后烟叶化学成分协调性最佳。

2.9 不同能源类型密集烤房对烤后烟叶感官质量的影响

由表9可知，不同能源类型密集烤房烤后烟叶感官质量评价指标香气量得分和评价总分T1处理显著高于T2处理（增幅分别为1.57%和1.70%），T2处理显著高于CK（增幅分别为3.75%和2.96%）；香气质、吃味和杂气得分T1处理显著高于CK（增幅分别为5.55%、5.02%和5.33%）；不同处理烤后烟叶感官质量评价指标刺激性、劲头、燃烧性和灰分得分差异不显著，表明T1处理烤后烟叶感官质量最佳。

3 讨论

本研究结果表明，空气源热泵+太阳能辅助加热新能源密集烤房的设备成本、改造成本和设施条件要求较高，推广难度相对较大，内置式生物质加热新能源密集烤房设备设施成本较低，推广应用较容易。从烤房设备性能来看，新能源类型密集烤房T1和T2处理发生故障次数相对较少，且内置式生物质加热新能源密集烤房烘烤性能较佳。但空气源热泵+太阳能辅助加热新能源烤房受天气影响较大，阴雨天气或晚上无法获取充足的热能，导致烤房温度偏差和烟叶烘烤损失相对较大（聂荣邦等，2010；Wang et al.，2020）。从能耗用工成本来看，燃煤密集烤房能耗用工烘烤成本最高（2.63元/kg），空气源热泵+太阳能辅助加热新能源密集烤房最低（1.19元/kg），内置式生物质加热新能源密集烤房居中（2.32元/kg）。表明空气源热泵+太阳能辅助加热新能源密集烤房烘烤过程中将太阳能转化为热能进行烟叶烘烤，在一定程度上降低了能耗；生物质成本价格较煤低，且生物质新能源密集烤房安装了生物质颗粒自动加料装置，在一定程度上实现了省工降本（张雨薇等，2019；Wang et al.，2020；罗贞宝等，2021）。

据报道（Mysliwiec and Kleeman，2002），与其他公共健康威胁相比，空气污染带来的公共健康风险更加显著。煤炭、石油和天然气能源的消耗是大气污染物产生的主要原因，其中SO和氮氧化物是我国主要的大气污染物（Meng et al.，2016；Du et al.，2019）。控制和减少污染物的排放是当前新能源和生态环境保护领域研究的热点课题，而绿色清洁新能源的应用是控制污染物排放的重要途径（Chu et al.，2001；Jin et al.，2006；Pisupati and Bhalla，2008；Wang et al.，2019a）。本研究结果表明，烘烤过程中不同温度点燃煤密集烤房的总污染物（烟尘+SO+NO+NO）平均排放量是内置式生物质加热新能源密集烤房的4.34倍，其中在42、54和67 ℃时分别是生物质加热密集烤房的7.74、3.46和3.28倍，但烘烤中42、54和67 ℃时生物质加热密集烤房烟尘浓度显著大于CK。烘烤过程中燃煤密集烤房SO和氮氧化物排放量较大，而空气源热泵+太阳能辅助加热新能源密集烤房烟囱中无污染物排放，是绿色发展的重要方向（Wang et al.，2017，2020）。因此，在生物质加工的过程中应适当增加吸附剂和除硫固氮剂等，以减少生物质烟尘和气体污染物排放；而煤炭燃料应加强除硫固氮技术的研发，以减少废气污染物排放。此外，减少化石能源燃料的利用、开发绿色清洁新能源及有机肥料的推广应用也是提高烤烟烘烤生态效益的重要途径（Hussain et al.，2014）。

本研究中，内置式生物质加热新能源密集烤房烤后烟叶上等烟比例、橘黄烟比例和均价最高，杂色烟和烘烤损失比例最低；燃煤密集烤房和内置式生物质加热新能源密集烤房烤后烟叶的亮度和黄色色彩较浓，空气源热泵+太阳能辅助加热新能源密集烤房烤后烟叶的橘色色彩较浓，且2种新能源类型密集烤房的烤后烟叶柔软性较好；内置式生物质加热新能源密集烤房烤后烟叶化学成分较协调，感官质量评分最高。内置式生物质加热新能源密集烤房烤后烟叶经济性状和综合品质（颜色、柔软度、化学成分和感官质量）较好，与罗贞宝等（2021）的研究结果基本一致。空气源热泵+太阳能辅助加热新能源密集烤房对提升烟叶外观品质和柔软性具有重要意义，但其受天气和时间因素影响较大，导致升温稳温和排湿具有一定的滞后性；同时也给烘烤过程中烟叶足够长的物质转化时间，从而提升其橘色色彩和柔软性品质（许跃奇等，2018）。

不同国家和地区烟叶烘烤煤炭、木材、石油或天然气能源的选择不同，取决于当地能源原料的可获得性、成本和相对效率（Lee et al.，2016；Wang et al.，2019b）。Tippayawong等（2006）指出，泰国从低成本、多种类型燃料可共用、简化燃料加工、方便使用和维护以及能够吸引烟农等方面出发，不断开发和完善烘烤设施设备，改变了以化石燃料为主的烤烟烘烤现状，实现了废木材、稻壳和玉米芯等可再生生物质能源在烤烟烘烤中的充分应用。Liu 等（2021）分析认为，生物质能在中国农村并未得到广泛的利用，而农村生物质能源的发展主要受农户对国家能源战略的认知、生物质利用的相关成本以及家庭成员和村委会态度的影响。从当前我国国情来看，生物质烤房宜在适宜地区推广应用，应综合考虑生物质燃料成本及相关配套设施条件要求等（Wang et al.，2019b）；而空气源热泵+太阳能辅助加热新能源密集烤房大面积推广应用技术尚待进一步提高。随着太阳能空间站的建立和开发使用（太阳能传输到地面不再受天气和时间等因素的影响），乡村配套设施的不断完善，以及烤房设备成本的不断降低，太阳能辅助加热新能源密集烤房可能是未来发展的一个重要方向。

4 结论

内置式生物质加热新能源密集烤房的设备成本、改造成本和设施条件要求较低，发生故障次数相对较少，烘烤性能较佳，能耗用工成本和烘烤过程中总污染物排放量小，烤后烟叶经济性状和综合品质较好，在生物质燃料与相关基础设施配套齐全的地区适宜推广，是当前替代燃煤密集烤房的主要类型之一。空气源热泵+太阳能辅助加热新能源密集烤房的设备成本和配套设施与技术参数要求较高，发生故障次数相对较少，能耗用工成本最小，生态效益好，烤后烟叶橘色较浓，柔软性较好，是未来烤烟烘烤发展的重要方向。