專業(yè)化烘烤烤煙設備與工藝轉(zhuǎn)變研究進展

徐成龍，賀 帆，周 琳，王文超，王 濤，劉會杰，宮長榮

(河南農(nóng)業(yè)大學 煙草學院，河南 鄭州 450002)

專業(yè)化烘烤烤煙設備與工藝轉(zhuǎn)變研究進展

徐成龍，賀 帆，周 琳，王文超，王 濤，劉會杰，宮長榮

(河南農(nóng)業(yè)大學 煙草學院，河南 鄭州 450002)

從傳統(tǒng)烤房向密集烤房烘烤設備與工藝技術轉(zhuǎn)變的角度出發(fā)，論述新式烘烤設備與工藝技術的應用前景，及高能耗向低能耗烤房轉(zhuǎn)變的研究進展，最后提出專業(yè)化烘烤工廠模式的組建及運行。

烤煙;烘烤設備;專業(yè)化烘烤;工藝技術;烘烤工廠

烤煙的專業(yè)化烘烤是按照專業(yè)化分工、社會化服務、市場化運作、信息化管理的要求，把現(xiàn)代科技成果、管理方式與傳統(tǒng)烘烤模式精華相結(jié)合而建立起來的一套完整的經(jīng)濟組織管理和技術體系。它是由具有一定烘烤專業(yè)水平的操作人員專門運作，集中地指導若干種煙農(nóng)成熟采收、科學烘烤，按照不同品種、部位和煙葉素質(zhì)的鮮煙葉采取對應烘烤工藝，在確?？緹熧|(zhì)量的前提下，最大幅度地降低煙葉烘烤成本的烘烤模式［1］。在專業(yè)化烘烤進程中，既要完善烤房的建造結(jié)構、烘烤工藝及烤房設備，又要從節(jié)能減排角度出發(fā)，降低烘烤成本、提高燃煤利用率，在兩者基礎上，致力于提高煙葉的外觀品質(zhì)、內(nèi)在化學成分、物理特性、評析質(zhì)量及煙草的安全性［2－6］。

專業(yè)化烘烤是隨著烤煙種植規(guī)模化發(fā)展、密集烤房集群建設、密集烘烤技術日趨成熟及專業(yè)烘烤人才隊伍的建立而出現(xiàn)的一種新的烤煙生產(chǎn)模式，它整合了烘烤設備、烘烤技術及烘烤技術人員等各種烘烤資源，在烘烤各環(huán)節(jié)具有減工、節(jié)能、提質(zhì)、增效等特點。從我國專業(yè)化烘烤的發(fā)展現(xiàn)狀來看，煙葉種植戶均面積逐年遞增，2006－2007年全國規(guī)模化種植調(diào)查情況顯示，種煙面積0.67 hm2以上的煙農(nóng)占全國總煙農(nóng)的11.2%，占總種煙面積的32.5%，同比分別增長48.5%和38.2%。隨著種煙規(guī)?；潭鹊奶岣?，密集烤房得到大范圍推廣，2007年累計推廣密集烤房10萬余座，烘烤范圍占種煙總面積的兩成左右，烤房呈現(xiàn)聚群化發(fā)展;隨著專業(yè)化烘烤進程的不斷推進，與其配套的烘烤工藝日益完善［7］。在專業(yè)化烘烤進程中，烤房也在不斷更新與發(fā)展中，烤房正在逐步由傳統(tǒng)烤房向密集烤房轉(zhuǎn)變，高能耗向低能耗烤房轉(zhuǎn)變，以符合現(xiàn)代煙草產(chǎn)業(yè)對專業(yè)化烘烤提出的基本要求［8－11］。

1 傳統(tǒng)烤房向密集烤房烘烤設備的轉(zhuǎn)變

1.1 烤房供熱系統(tǒng)

20世紀70年代以來，農(nóng)用土烤房采用火管及臥式火爐供熱，熱量自下而上由空氣介質(zhì)的自然流動來加熱煙葉［12］。80年代以后，研究者對烤房的供熱設備進行了大量的研究與改進，將土坯火管改為水泥管、陶瓷管、磚瓦管等，并研發(fā)了立式火爐［13－15］、蜂窩煤火爐［16］以代替?zhèn)鹘y(tǒng)立式火爐，在節(jié)約能源消耗，提高熱能利用率方面作出突出貢獻。2008年，陳付軍研究表明，立式火爐和蜂窩煤火爐穩(wěn)溫效果持久，可穩(wěn)溫15 h以上，很大程度上提高了溫濕度的控制精度。相比而言，立式火爐對燃料要求范圍寬泛，適應性更強［17］。在新能源的利用方面，2010年，董賢春等［18］以電能熱泵加熱為主，輔助以太陽能加熱的方式對煙葉烘烤進行研究，結(jié)果表明，烘烤成本節(jié)約35%，耗能較低，干煙平均電耗能為2.68(kW·h)·kg－1。

1.2 烤房排濕系統(tǒng)

排濕程度決定著烤房內(nèi)濕度的高低，在較大程度上制約著煙葉的變黃與干燥，是烘烤煙葉的重要技術措施。農(nóng)用土烤房起初采取增設天窗和地洞的方式進行排濕，由于在排除濕氣的同時，將烤房大量的熱量帶走從而導致熱能無效損失，后改冷風洞為多種形式的熱風洞［19］。20世紀90年代以來，溫濕度自控設備的投入使用，使得天窗和地洞手動控制變?yōu)樽詣涌刂?，便于烤房溫濕度的實時和均衡控制。2005年，張保占等［20］對冷熱結(jié)合下排濕技術進行研究，結(jié)果應用該技術煙葉主要化學成分有所變化，煙堿降低0.14～0.52個百分點，還原糖提高1.35～1.55個百分點，質(zhì)量有較大改善，提高煙葉有效產(chǎn)量5%。2006年，徐增漢等［21］將烤煙自動控溫強制排濕裝置增設在普通烤房后，烤后煙葉在中上等煙比例、均價、收益等方面都有明顯提高，且能夠縮短烘烤時間，降低烘烤強度。

1.3 烤房熱風循環(huán)系統(tǒng)

強制通風熱風循環(huán)烤房構造為依火爐一方的墻外側(cè)砌筑一條回風管道，上接墻頂部的回風洞(回風洞高于頂棚煙葉)，下接火爐兩側(cè)地洞。回風管道分為上 (單條管道)、下兩段，下段改為“∧”分支。在煙葉烘烤過程中，選用合適的熱風循環(huán)風機可以明顯降低房內(nèi)縱向溫差，使平面溫度均勻，并及時排除煙葉表面水分和促進煙葉內(nèi)部水分蒸發(fā)，提高煙葉烤后質(zhì)量。2008年，王勇軍等做了關于不同風機、電機配置對密集烤房烘烤特性的研究，結(jié)果表明，當煙竿距為12 cm時，使用6號風機+1.5/1.1 kW電機時，風速大小適宜，烤房溫差較小，烤后煙葉香氣質(zhì)較好，大幅提高煙葉中上等煙比例，且烘烤過程中能夠降低能耗，經(jīng)濟效益顯著［22］。2009年，王建安等［23］研究普改密式烤房適宜循環(huán)風機，通過分析烤房垂直和平面溫差以及烤后煙葉的內(nèi)外品質(zhì)，得出風量為5 600 m3·h－1、功率250 W軸流風機效果最佳。從烘烤工藝的角度出發(fā)，密集烤房最佳風速控制為定色前期(42～47℃)保持風機轉(zhuǎn)速1 450 r·min－1，從47℃升溫至60℃逐漸減小風機轉(zhuǎn)速，宜在960 r·min－1，60 ℃以后風機轉(zhuǎn)速保持在 720 r·min－1直至烘烤結(jié)束。

1.4 烤房溫濕度自控系統(tǒng)

精準的溫濕度控制，是煙葉烤好的關鍵。溫濕度自控系統(tǒng)是根據(jù)煙葉不同部位的烘烤規(guī)律，制定烘烤適合溫濕度和時間控制即專家曲線，并將其寫入芯片，由溫濕度儀根據(jù)設定曲線，自動調(diào)節(jié)烤房內(nèi)的溫濕度。2009年，李仁政等［24］對各種溫濕度自控設備進行對比分析，試驗表明，從穩(wěn)定性、能耗、烤后煙葉質(zhì)量等方面綜合評價，設備QZK-3000-82和ARC-Ⅲ表現(xiàn)較為突出，但其實用性和穩(wěn)定性仍有待提高。同年，王暑［25］應用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡原理開發(fā)出煙葉烘烤溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合智能化控制理論，充分利用神經(jīng)算法和模糊算法的優(yōu)點，逐步實現(xiàn)對煙葉烘烤的智能化控制，對提高煙葉的綜合生產(chǎn)轉(zhuǎn)化能力有重要意義。

2 傳統(tǒng)烤房向密集烤房工藝技術的轉(zhuǎn)變

2.1 傳統(tǒng)烤房與密集烤房的烘烤原理比較

傳統(tǒng)烤房的烘烤原理是通過火管加熱烘烤，在煙層下的地面，有一套間接加熱的火管設備，在烤房外面設置煙囪和燒火爐口，利用加熱設備表面散熱來提高烤房的空氣溫度，通過煙層的熱空氣自下而上的自然上升，逐步把煙葉加熱。

密集烤房的烘烤原理是通過燃料燃燒產(chǎn)生的熱量來加熱散熱管，散熱管加熱供熱室內(nèi)部的空氣，在循環(huán)風機的作用下，形成熱氣流，通過出風口進入烤房，使煙葉受熱、失水、變黃、干燥。熱氣流加熱煙葉之后，溫度降低，通過回風口，進入供熱室加熱。與傳統(tǒng)烤房相比，密集烤房具有裝煙密度大，強制通風，熱風循環(huán)，溫濕度均勻，排濕順暢，用工量少等優(yōu)點。

2.2 裝煙密度的增加

標準密集烤房裝煙的適宜密度為每烤4 000～5 000 kg，其裝煙密度為傳統(tǒng)烤房的1.6～2倍。烤房裝煙密度是衡量密集烤房烘烤能力大小的重要因素，編煙方式和裝煙竿距的不同組合，不僅影響烤房烘烤質(zhì)量，還影響到勞動力的合理分配。2004年，王松峰等對密集烤房裝煙密度與煙葉主要生理指標進行研究，結(jié)果表明，裝煙密度為55～65 kg· m－3時，煙葉過氧化物酶、淀粉酶、抗壞血酸酶具有較高的活性，且葉綠素含量最低［26］。2007年，王建安等［27］研究表明，普改密式烤房以1.5 m長的煙竿為標竿，每竿50束捆綁 (每束3片煙葉)，竿距14～16 cm時煙葉烘烤效果較好。在橫向裝煙密度增加的基礎上，疊層加密技術即在縱向裝煙密度上也進行了研究，2010年，湖北省煙草科研所對3棚的密集烤房進行4棚改造，結(jié)果發(fā)現(xiàn)烤房棚數(shù)的增加并未對煙葉外觀質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響，其烤房裝煙容量提高15%，與傳統(tǒng)分層裝煙相比，煤耗降低約3%，1 kg干煙從0.29 kW·h降低至0.257 kW·h，電耗降低11.38%。

2.3 烘烤溫濕度工藝的改進

傳統(tǒng)烤房烘烤工藝階段劃分較多，各個階段溫差較小且持續(xù)時間短，升溫迅速。因其干球溫度曲線成多階段分布，故稱之為多段式烘烤工藝。但由于階段劃分復雜，根據(jù)煙葉變化及時升溫降濕，憑主觀經(jīng)驗烘烤比重較大，這樣從某種程度上縮短了各個溫度階段的轉(zhuǎn)化時間，致使葉內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化不夠充分，香氣吃味欠佳，其烘烤關鍵溫濕度指標和煙葉變化程度如表1。

表1 傳統(tǒng)烤房烘烤過程關鍵溫濕度指標和煙葉變化程度

密集烤房烘烤工藝在傳統(tǒng)烤房烘烤工藝基礎上，對烘烤階段劃分進行簡化，對各個階段溫濕度進行精準控制，側(cè)重提高對濕球溫度的重視程度。密集烤房烘烤工藝是以“低溫中濕變黃，中濕定色，相對高濕干筋，控制烘烤各階段風量風速”為技術核心，其關鍵溫濕度指標和煙葉變化程度如表2。

表2 密集烤房烘烤過程關鍵溫濕度指標和煙葉變化程度

針對密集烤房各個烘烤階段溫濕度控制，科研人員分別在不同溫濕度點，對烘烤過程中煙葉內(nèi)在物質(zhì)轉(zhuǎn)化、各種酶類活性及致香成分進行研究。2007年，宮長榮等［28］深入研究密集烘烤工藝與煙葉品質(zhì)的關系，從不同溫濕度條件下在變黃期和定色期對煙草各種酶類和MDA含量變化進行分析得出低溫中濕變黃和中濕定色烘烤工藝技術能夠明顯提高烤后煙葉質(zhì)量。對定色期煙葉類胡蘿卜素降解及相關酶活性變化，2008年，宋朝鵬等［29］研究表明，慢速升溫定色能夠使細胞內(nèi)氧化還原反應達到動態(tài)平衡，較好地調(diào)控各種酶類的活性變化，充分降解類胡蘿卜素，避免酶促棕色化反應的發(fā)生。2008年，代麗等［30］對密集烤房變黃期溫濕度進行研究，結(jié)果表明，在低溫中濕 (干球溫度38℃，相對濕度85% ～30%)變黃條件下，能夠顯著提高煙草草酸、蘋果酸等酸性致香成分以及一些中性致香物質(zhì)如苯甲醇、巨豆三烯酮、茄酮等的含量，對提高煙葉香氣質(zhì)、香氣量有重要影響。2009年，張曉遠等［31］對變黃期溫濕度及持續(xù)時間對上部煙葉呼吸速率和化學成分影響進行分析，研究結(jié)果表明，變黃期不同溫濕度及持續(xù)時間處理的上部煙葉呼吸速率在44 h和64～68 h出現(xiàn)2個高峰，進而得出變黃期濕球球溫度分別為37.5℃和40～42℃，且持續(xù)24 h，能夠使煙葉保持較高的呼吸速率，促進煙葉內(nèi)含物質(zhì)充分轉(zhuǎn)化，提高中性致香物質(zhì)含量，降低煙葉淀粉含量。

3 高能耗向低能耗烤房的轉(zhuǎn)變

煙葉烘烤的實質(zhì)就是煙葉脫水干燥的物理過程和生物化學變化過程的統(tǒng)一，煙葉在進行物理變化和化學變化的同時，需要從外界環(huán)境攝取大量熱量。在烘烤的各個階段，其熱能消耗程度是不同的，變黃期、定色期的消耗占總熱能的60%，此期對煙葉品質(zhì)的形成起主導作用;干筋期消耗40%的熱能，但對煙葉香氣物質(zhì)形成只有較小的影響。從節(jié)能烤房的角度出發(fā)，對烤房結(jié)構進行優(yōu)化從而減少熱散失，提高有效熱，減少無效熱。煤炭作為主要供能物質(zhì)，提高煤炭利用率，降低污染物質(zhì)排放，一直是研究的重點。密集烤房的逐漸普及使得烘烤1 kg干煙原來需消耗2.5 kg標煤降低為現(xiàn)在的 1.5～2.0 kg，煤炭利用率提高了 20%～ 30%［32］。

3.1 提高煤爐效率，降低燃煤能耗

傳統(tǒng)烤房采用臥式散煤火爐，在結(jié)構與性能上存在諸多不足之處，燃燒散煤不僅用工量大、勞動強度高，而且溫度難以掌控，常導致烤房溫度高低不定，烤房內(nèi)不均衡的溫度變化影響各個烘烤階段煙葉內(nèi)部物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，從而降低烤煙的產(chǎn)量和品質(zhì)。傳統(tǒng)烤房火爐要經(jīng)常進行加煤、撥火、撿渣等作業(yè)，致使沒有完全燃燒的煤炭多數(shù)掉為爐渣，其不可燃成分比例高達15%。2004年，蔣篤忠等［33］研制的多方式燃燒爐應用效果顯著，其燃料類型與方式可多樣化，與傳統(tǒng)臥式散煤爐相比，多方式燃燒爐燃料燃燒完全，在降低燃煤量的同時，烤房溫度更容易控制，統(tǒng)計得出1 kg干煙耗煤量降低0.38 kg，節(jié)約燃煤12.38%。同年，李春喬等分別對立式爐兩側(cè)分火烤房、立式爐正面分火烤房、韓國式烤爐、巴西式烤爐和舊式烤爐的烘烤特性進行對比研究，結(jié)果表明，巴西式烤爐對下部煙葉烘烤效果最好，在中上等煙比例、均價等方面都顯著優(yōu)于其他烤房，但因其烤房建造成本高，耗煤量大而不能廣泛推廣。綜合評價，立式正面分火烤房在各方面總體較好，節(jié)煤性能優(yōu)，尤其對上部煙葉烘烤效果最好，提高了上部煙葉的可用性［34］。2009年，秦明剛等［35］充分利用熱風爐廢煙氣的余熱資源來烘烤焦炭，降低焦炭中的水分，打破了以焦比上升，產(chǎn)量下降為代價來保證爐火穩(wěn)定的格局，節(jié)能降耗。

3.2 熱濕回收利用，提高熱能利用率

熱濕回收能夠有效提高烤房熱能利用率，是節(jié)能的重要方法之一。烘烤過程中，干燥方式是利用熱空氣給煙葉提供能量使其內(nèi)部水分蒸發(fā)，通過濕熱空氣的不斷流動將水分蒸發(fā)。在傳統(tǒng)烤房基礎上增設熱風循環(huán)系統(tǒng)，在烘烤的各個階段，顯著提高有效熱的利用程度，降低無效熱，減少無效熱的比率為19.6%。提高濕熱回收利用率，對烘烤設備做如下改進:一是提高烘烤設備溫濕度控制的準確性與自動化程度;二是提高烤房的密閉性，減少熱散失［36］。2010年，孫賠和等［37］對高溫熱泵烤房的研究表明，熱泵在把電能轉(zhuǎn)換為熱能的同時，能夠回收排濕散失的熱量，在燃煤的利用方面可節(jié)煤10%以上，烤后煙葉色澤好，油分足，能改善煙葉外觀質(zhì)量，提高煙葉內(nèi)在品質(zhì)。根據(jù)烘烤過程中烤房熱濕的排放特點，可通過烤房熱風循環(huán)、熱濕階梯利用等方式，直接利用烤房熱濕，亦可通過換熱器、熱泵的濕熱回收作用，間接回收利用烤房的熱濕空氣。

3.3 煤轉(zhuǎn)氣集中供能，減少熱能損失

煤轉(zhuǎn)氣集中供能系統(tǒng)由熱源、熱傳輸通道和烤房3個部分組成。煤轉(zhuǎn)氣是一個熱化學過程，它以煤為原料，以空氣與蒸汽的混合氣體為氣化劑，在高溫條件下通過化學反應將煤中的可燃部分轉(zhuǎn)化為氣體燃料的過程。煤轉(zhuǎn)氣技術已在鋼鐵高效燃燒冶煉技術中得以廣泛應用［38］，在煙葉烘烤集中供熱方面，正在不斷研究與探索。煤轉(zhuǎn)氣集中供能技術的應用，將顯著降低烘烤過程中的勞動強度，從而節(jié)約勞動力。

4 專業(yè)化烘烤工廠的組建及運行

2007－2008年曾提出，烤房建設，起點要高、定位要準、規(guī)模推進、系統(tǒng)設計、流程生產(chǎn)、標準作業(yè)、規(guī)范管理、創(chuàng)新發(fā)展［39］。密集烤房的廣泛推廣，在提高煙葉品質(zhì)、減輕用工、節(jié)約能耗等諸多方面成效顯著。但與我國煙草產(chǎn)業(yè)的專業(yè)化服務、規(guī)?；l(fā)展的要求還存在很大距離。在此形勢下，實現(xiàn)從傳統(tǒng)烘烤向?qū)I(yè)烘烤的過渡正是我國烘烤工作發(fā)展的必然趨勢［40］。

現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展方向是適度規(guī)?；?、集約化、專業(yè)化和信息化，專業(yè)化烘烤工廠的組建勢在必行。隨著煙區(qū)勞動力轉(zhuǎn)移、戶均種煙面積、土地資源流轉(zhuǎn)的不斷變化，我國烤房建造形式也進行著不斷更新?？痉拷ㄔ煜群蠼?jīng)歷了4個發(fā)展階段，分別為傳統(tǒng)土烤房、標準化普通烤房、熱風循環(huán)式烤房和密集式烤房。隨著種煙規(guī)模的不斷擴大，原有烘烤規(guī)模和烘烤工藝技術已不能滿足發(fā)展的需要，專業(yè)化烘烤工廠的組建已成為發(fā)展的趨勢。專業(yè)化烘烤工廠的組建及運行需具有一定的體系結(jié)構，即“六隊四組”，六隊包括采收專業(yè)隊、運輸專業(yè)隊、編煙專業(yè)隊、裝爐專業(yè)隊、烘烤專業(yè)隊、分級專業(yè)隊，四組包括標準監(jiān)管組、質(zhì)量監(jiān)評組、后勤保障組和費用結(jié)算組。當?shù)卣蜔煵莨韭?lián)合對烘烤工廠的籌建、運行，煙葉質(zhì)量進行監(jiān)督管理。烘烤工廠根據(jù)生產(chǎn)實際，確立烘烤各環(huán)節(jié)的操作標準，建立完善的崗位責任制、績效考核辦法和綜合評價體系，以績定酬、按勞分配，實行標準化、規(guī)范化管理，通過一系列有效措施提高烘烤各環(huán)節(jié)的工作效率和烘烤技術到位率，降低烘烤成本，提升烤房資源利用率和煙葉質(zhì)量，增加經(jīng)濟效益。

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A

0528-9017(2011)03-0601-05

文獻著錄格式:徐成龍，賀帆，周琳，等.專業(yè)化烘烤烤煙設備與工藝轉(zhuǎn)變研究進展 ［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學，2011(3):601－605.

2011-03-08

徐成龍 (1988－)，男，錫伯族，河南洛陽人，在讀研究生，主要研究煙草調(diào)制等。E-mail:wwdzxcl@126.com。

注:宮長榮系通信作者。E-mail:gongchr009@126.com。

(責任編輯:張才德)