不同能源類型密集烤房烘烤性能與應用效果分析

武圣江，楊雙劍，黃 翔，劉 瓊，劉明來，李德侖，韋克蘇，彭隆基*，楊 磊

（1貴州省煙草科學研究院，貴州貴陽 550081；2貴州省煙草公司貴陽市公司，貴州貴陽 550000；3貴州省煙草公司畢節(jié)市公司，貴州畢節(jié) 551713；4云南農(nóng)業(yè)大學煙草學院，云南昆明 650201；5湖南中煙工業(yè)有限責任公司，湖南長沙 410014）

0 引言

【研究意義】綠色生產(chǎn)和新能源開發(fā)與應用是我國建設生態(tài)文明的必由之路，是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”低碳經(jīng)濟發(fā)展目標的必然要求，是順應全球經(jīng)濟發(fā)展的必然趨勢（Wu et al.，2022）。過去，煤炭作為烤煙烘烤的主要能源，在烘烤過程中排放大量的二氧化硫、氮氧化合物、一氧化碳及煙塵等污染物，對生態(tài)環(huán)境造成一定的負面影響（Hussain et al.，2014；Wang et al.，2017；陳妍潔等，2019）。隨著科技的不斷發(fā)展和人們對生態(tài)環(huán)境保護的日益重視，開展清潔新能源烤煙烘烤已成為今后發(fā)展的重要方向?！厩叭搜芯窟M展】烤煙烘烤中應用的清潔新能源主要有電能（宮長榮和潘建斌，2003；潘建斌等，2006；仙立國等，2021）、生物質能源（Tippayawong et al.，2006；Wang et al.，2019a；Song et al.，2020；Liu et al.，2021）和太陽能（Hussain et al.，2014；Wang et al.，2020）等。其中，生物質能源被認為是一種可能的化石能源替代品（Hu and Zhu，2019；Wu et al.，2022）。與煤炭相比，利用生物質能源烘烤煙葉減工降本、提質增效顯著（Tippayawong et al.，2006；Wang et al.，2019b；Song et al.，2020）；利用電能和太陽能輔助煙葉烘烤，能減工降本、提質增效，且生態(tài)效益好，但利用太陽能進行烤煙烘烤受天氣因素的影響較大（張雨薇等，2019；Wang et al.，2020）。許躍奇等（2018）研究表明，太陽能烤房烤后煙葉多酚、綠原酸、蘋果酸含量及非揮發(fā)性有機酸總量較高，經(jīng)濟效益較好。劉克等（2019）認為，電磁能熱源烤房有利于提高上部煙葉烘烤等級質量，空氣源熱泵烤房有利于提高烤后煙葉化學成分協(xié)調性和感官質量。張雨薇等（2019）研究發(fā)現(xiàn)，氣流下降式空氣源熱泵密集烤房提質效果最顯著。仙立國等（2021）指出，空氣源熱泵密集烤房有利于煙葉變黃失水協(xié)調，降低淀粉含量，提高煙葉質量和效益。此外，羅貞寶等（2021）研究指出，新型內置一體式生物質密集烤房穩(wěn)溫性能優(yōu)于燃煤密集烤房，與外置式生物質烤房性能相當，綜合熱效率分別提高12.54%和5.01%?！颈狙芯壳腥朦c】目前，國內外對不同能源類型密集烤房的能耗用工、提質增效、烤后煙葉化學成分的協(xié)調性等方面研究較多（Tippayawong et al.，2006；許躍奇等，2018；張雨薇等，2019；Wang et al.，2019；羅貞寶等，2021），但針對內置式生物質加熱新能源密集烤房和空氣源熱泵+太陽能輔助加熱新能源密集烤房設備成本、烘烤過程中污染物排放量及烤后煙葉綜合品質等方面的差異性研究尚不多見?！緮M解決的關鍵問題】以燃煤密集烤房為對照，以內置式生物質加熱新能源密集烤房和空氣源熱泵+太陽能輔助加熱新能源密集烤房為處理，對比分析不同能源類型密集烤房設備成本、運行參數(shù)、故障率、烘烤性能、能耗用工、污染物排放量及烤后煙葉品質的差異，以期為煙草行業(yè)節(jié)能減工、提質增效和綠色可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020—2021年在貴州省威寧彝族回族苗族自治縣黑石鎮(zhèn)煙草科技園進行，供試烤煙品種為云煙87。按照當?shù)貎?yōu)質煙葉生產(chǎn)理論進行規(guī)范化栽培管理，移栽后80 d取樣，以中部正常成熟煙葉（第11～13位葉，從下往上）為試驗材料。

1.2 試驗設計

供試烤房為黑石鎮(zhèn)煙草科技園設計的規(guī)格相同（長8.0 m、寬2.7 m、高3.5 m）的3座氣流上升式試驗專用密集烤房?？痉亢婵驹O備類型有3種，分別為常規(guī)燃煤密集烤房（CK）、內置式生物質加熱新能源密集烤房（T1處理，由西安圣華農(nóng)業(yè)科技股份有限公司負責改造）和空氣源熱泵+太陽能輔助加熱新能源密集烤房（T2處理，由廣州市宏希太陽能設備有限公司負責改造）。密集烤房的裝煙方式為掛竿裝煙，要求煙竿間距為10～12 cm，裝煙密度平均為55 kg/m。烘烤結束后，從不同能源類型密集烤房對應位置取樣6竿（距離加熱室4 m垂直面的上中下3層各取2竿），對烤后煙葉等級結構及質量進行評價。重復3次。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 烤房設備成本、運行參數(shù)及故障率調查 烤房設備建造成本及運行參數(shù)由烤房設備公司提供。不同能源類型烤房運行中故障率調查內容主要包括電源、升溫排濕控制系統(tǒng)等故障方面，調查烤房數(shù)量CK為42座，T1處理為5座，T2處理為3座，每座烤房平均每年烘烤4～5炕煙葉。

1.3.2 烤房烘烤性能測定 烤房烘烤性能以烘烤階段實際溫濕度（干球溫度和濕球溫度）與設定溫濕度偏差范圍表示，參照陳妍潔等（2019）的方法測定不同能源類型密集烤房的烘烤性能。分別在42 ℃（變黃后期）、54 ℃（定色后期）和67 ℃（干筋后期）穩(wěn)溫2 h后，每隔30 min記錄烤房實際溫濕度與設定溫濕度的差值，連續(xù)3次，取其平均值。

1.3.3 烘烤能耗用工分析 統(tǒng)計烘烤試驗所消耗的煤、電和生物質成本及用工量。記錄每炕干煙重量、耗煤量、耗電量、生物質用料及加煤（生物質）次數(shù)和時間，分析不同能源類型烤房烘烤每千克干煙所需要的能耗和用工。

1.3.4 烤房煙囪污染物測定 在不同能源類型密集烤房烘烤過程中，42、54和67 ℃穩(wěn)溫2 h后，選取煙囪中部平面進行檢測，煙道面積為0.04 m，每點測3次，取污染物實測濃度的平均值。由貴州躍慶諧環(huán)境監(jiān)測服務有限公司采用嶗應3012H型自動煙塵氣測試儀YQX-107，參照《空氣和廢氣監(jiān)測分析方法》（國家環(huán)境保護總局和《空氣和廢氣監(jiān)測分析方法》編委會，2007），煙塵采取等速采樣、重量法分析，SO、NO和NO排放量采用定點位電解法測定。烘烤過程中不同溫度點總污染物（煙塵+SO+NO+NO）的平均排放量是不同處理在42、54和67 ℃的平均排放量之和。

1.3.5 烤后煙葉等級與外觀顏色測定 烘烤結束后，每個處理取6竿干煙，按照國家標準GB 2635—92《烤煙》進行外觀質量和等級結構評價，其中級外煙比例不包含在煙葉等級結構里。參考Wu等（2020b）的方法，每個處理測定15片煙葉顏色參數(shù)值，從亮度值L（從黑到白，0～100）、紅度值a（從綠到紅，-A～+A）和黃度值b（從藍到黃，-B～+B）3個方向三維立體綜合評價煙葉顏色，并自動計算彩度C和色相角H。C=（a+b），H=arctan（b/a）。

1.3.6 烤后煙葉柔軟度測定 利用RH-R1000電腦軟度儀（Softness Tester），參照武圣江（2020）、Wu等（2020a）的方法，每個處理測定24片煙葉的柔軟度。

1.3.7 烤后煙葉常規(guī)化學成分測定 取不同處理烤后煙葉C3F樣品1.0 kg，粉碎后過60目篩，參照王瑞新（2003）的方法進行煙堿、總糖、還原糖、總氮、蛋白質和淀粉含量測定。

1.3.8 烤后煙葉感官質量評價 取不同處理烤后煙葉C3F樣品1.0 kg進行感官質量評價，依據(jù)YC/T 138—1998《煙草及煙草制品 感官評價方法》，由貴州省煙草科學研究院組織評吸專家進行評吸鑒定。按香氣質、香氣量、雜氣、刺激性、勁頭和燃燒性滿分均為10分，吃味為12分，灰分為6分進行評價（武圣江等，2013）。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Excel 2017整理數(shù)據(jù)，SPSS 19.0的Oneway ANOVA單因素檢驗工具分析數(shù)據(jù)的顯著性差異水平。

2 結果與分析

2.1 不同能源類型密集烤房設備成本及運行參數(shù)的比較

由表1可知，CK燃煤烤房設備成本最低，T1處理生物質烤房設備成本居中，T2處理空氣源熱泵+太陽能輔助加熱新能源烤房設備成本和改造成本均最高；同時，T2處理配套設施要求較高，電壓要求380 V，額定輸入功率為13.50 kW。因此，從目前烤房設備成本和設施要求來看，空氣源熱泵+太陽能輔助加熱新能源密集烤房推廣難度相對較大，內置式生物質加熱新能源密集烤房推廣應用較容易。

2.2 不同能源類型密集烤房故障次數(shù)調查結果

在產(chǎn)區(qū)2個烘烤季節(jié)的調查結果（表2）表明，常規(guī)燃煤密集烤房故障發(fā)生2次，主要表現(xiàn)在進風門與排濕窗老化、生銹，以及溫濕度控制儀使用年限較長而出現(xiàn)的儀表顯示與運行不正常；內置式生物質加熱新能源密集烤房和空氣源熱泵+太陽能輔助加熱新能源密集烤房均發(fā)生1次故障，分別表現(xiàn)在電路和電容無法正常運行、受天氣影響出現(xiàn)升溫故障。相比燃煤密集烤房，新能源類型密集烤房發(fā)生故障次數(shù)相對較少。

2.3 不同能源類型密集烤房性能的比較

由表3可知，不同能源類型密集烤房穩(wěn)溫保濕性能均較好，目標干濕球溫度與實測干濕球溫度差異較小，溫濕度偏差值在-0.43～0.27 ℃范圍內，符合煙草行業(yè)對密集烤房溫濕度控制儀的有關要求（|干球溫度偏差|＜1.00 ℃，|濕球溫度偏差|＜0.50 ℃）。從溫濕度偏差值來看，烘烤過程中T2處理升溫相對較慢，與目標溫濕度差多為負值，T1處理實測溫濕度與目標值差相對較小。綜合來看，內置式生物質加熱新能源密集烤房烘烤性能較佳。

2.4 不同能源類型密集烤房烘烤耗能用工差異分析結果

由表4可知，CK消耗的能源是煤炭和電能，T1處理消耗的是生物質能和電能，T2處理消耗的是電能。在耗電量方面，T2處理顯著大于T1處理和CK（＜0.05，下同）；在用工量方面，CK顯著大于T1和T2處理，T1處理顯著大于T2處理。不同能源類型密集烤房烤后干煙量無顯著差異（＞0.05，下同），而能耗用工費用合計及每千克干煙烘烤成本大小均為：CK＞T1處理＞T2處理。表明燃煤密集烤房能耗用工烘烤成本最高，空氣源熱泵+太陽能輔助加熱新能源密集烤房最低，內置式生物質加熱新能源密集烤房居中。

2.5 不同能源類型密集烤房污染物排放量差異分析

由表5可知，不同能源類型密集烤房烘烤過程中，溫度為42、54和67 ℃時T1處理煙塵濃度均顯著大于CK，SO濃度則顯著小于CK。NO和NO 2種氮氧化合物濃度在烘烤過程中的動態(tài)變化規(guī)律一致，即42 ℃時CK顯著大于T1處理，54和67 ℃時CK顯著小于T1處理。綜合來看，不同能源類型密集烤房烘烤過程中（42、54和67 ℃）污染物排放量差異顯著，不同溫度點CK總污染物（煙塵+SO+NO+NO）平均排放量是T1處理的4.34倍，其中在42、54和67 ℃時分別是T1處理的7.74、3.46和3.28倍。T2處理以電能和太陽能作為能源，污染物排放量忽略不計。

2.6 不同能源類型密集烤房烤后煙葉經(jīng)濟性狀分析結果

由表6可知，T1處理烤后煙葉的上等煙比例、橘黃煙比例和均價最高，雜色煙和級外煙（烘烤損失）比例最低，且T1處理上等煙比例顯著高于CK和T2處理，增幅分別為8.01%和16.05%，而CK與T2處理間無顯著差異。橘黃煙比例，CK和T1處理顯著高于T2處理，分別較T2處理提高4.66%和6.00%；雜色煙比例，T2處理顯著高于CK和T1處理，CK顯著高于T1處理，其中T2處理分別是CK和T1處理的1.81和2.36倍；不同處理烤后煙葉均價無顯著差異，級外煙比例中T1處理顯著低于T2處理。綜合來看，T1處理烤后煙葉等級結構和經(jīng)濟性狀較好。

2.7 不同能源類型密集烤房烤后煙葉顏色與柔軟度的比較

由表7可知，不同能源類型密集烤房烤后煙葉顏色參數(shù)和柔軟度值存在明顯差異。其中，CK和T1處理烤后煙葉顏色參數(shù)L值顯著大于T2處理，增幅分別為7.22%和6.32%；CK烤后煙葉顏色參數(shù)a值顯著小于T2處理，H值顯著大于T2處理；不同能源類型密集烤房烤后煙葉b和C顏色參數(shù)值差異不顯著，但CK和T1處理b值大于T2處理，增幅分別為1.24%和2.89%。不同處理烤后煙葉柔軟度值排序為：CK＞T1處理＞T2處理，其中T1和T2處理烤后煙葉柔軟度值分別是CK的73.01%和52.08%。表明烤后煙葉CK和T1處理亮度和黃色色彩較濃，T2處理橘色色彩較濃，且T1和T2處理煙葉柔軟性較好。

2.8 不同能源類型密集烤房對烤后煙葉常規(guī)化學成分的影響

由表8可知，不同能源類型密集烤房烤后煙葉煙堿含量T2處理顯著高于T1處理（增幅6.81%），還原糖含量T1處理顯著高于CK（增幅7.24%），蛋白質和淀粉含量CK顯著高于T1和T2處理（蛋白質含量增幅分別為28.22%和18.80%，淀粉含量增幅分別為34.88%和19.89%），氮堿比（總氮/煙堿）CK顯著高于T2處理，均在適宜值范圍內（0.8～0.9），糖堿比（還原糖/煙堿）T1處理顯著高于CK和T2處理，均在適宜值范圍內（一般為6～10，越接近10越好）。此外，不同能源類型密集烤房烤后煙葉總糖、總氮含量及兩糖比（還原糖/總糖）差異不顯著。綜合來看，T1處理烤后煙葉化學成分協(xié)調性最佳。

2.9 不同能源類型密集烤房對烤后煙葉感官質量的影響

由表9可知，不同能源類型密集烤房烤后煙葉感官質量評價指標香氣量得分和評價總分T1處理顯著高于T2處理（增幅分別為1.57%和1.70%），T2處理顯著高于CK（增幅分別為3.75%和2.96%）；香氣質、吃味和雜氣得分T1處理顯著高于CK（增幅分別為5.55%、5.02%和5.33%）；不同處理烤后煙葉感官質量評價指標刺激性、勁頭、燃燒性和灰分得分差異不顯著，表明T1處理烤后煙葉感官質量最佳。

3 討論

本研究結果表明，空氣源熱泵+太陽能輔助加熱新能源密集烤房的設備成本、改造成本和設施條件要求較高，推廣難度相對較大，內置式生物質加熱新能源密集烤房設備設施成本較低，推廣應用較容易。從烤房設備性能來看，新能源類型密集烤房T1和T2處理發(fā)生故障次數(shù)相對較少，且內置式生物質加熱新能源密集烤房烘烤性能較佳。但空氣源熱泵+太陽能輔助加熱新能源烤房受天氣影響較大，陰雨天氣或晚上無法獲取充足的熱能，導致烤房溫度偏差和煙葉烘烤損失相對較大（聶榮邦等，2010；Wang et al.，2020）。從能耗用工成本來看，燃煤密集烤房能耗用工烘烤成本最高（2.63元/kg），空氣源熱泵+太陽能輔助加熱新能源密集烤房最低（1.19元/kg），內置式生物質加熱新能源密集烤房居中（2.32元/kg）。表明空氣源熱泵+太陽能輔助加熱新能源密集烤房烘烤過程中將太陽能轉化為熱能進行煙葉烘烤，在一定程度上降低了能耗；生物質成本價格較煤低，且生物質新能源密集烤房安裝了生物質顆粒自動加料裝置，在一定程度上實現(xiàn)了省工降本（張雨薇等，2019；Wang et al.，2020；羅貞寶等，2021）。

據(jù)報道（Mysliwiec and Kleeman，2002），與其他公共健康威脅相比，空氣污染帶來的公共健康風險更加顯著。煤炭、石油和天然氣能源的消耗是大氣污染物產(chǎn)生的主要原因，其中SO和氮氧化物是我國主要的大氣污染物（Meng et al.，2016；Du et al.，2019）。控制和減少污染物的排放是當前新能源和生態(tài)環(huán)境保護領域研究的熱點課題，而綠色清潔新能源的應用是控制污染物排放的重要途徑（Chu et al.，2001；Jin et al.，2006；Pisupati and Bhalla，2008；Wang et al.，2019a）。本研究結果表明，烘烤過程中不同溫度點燃煤密集烤房的總污染物（煙塵+SO+NO+NO）平均排放量是內置式生物質加熱新能源密集烤房的4.34倍，其中在42、54和67 ℃時分別是生物質加熱密集烤房的7.74、3.46和3.28倍，但烘烤中42、54和67 ℃時生物質加熱密集烤房煙塵濃度顯著大于CK。烘烤過程中燃煤密集烤房SO和氮氧化物排放量較大，而空氣源熱泵+太陽能輔助加熱新能源密集烤房煙囪中無污染物排放，是綠色發(fā)展的重要方向（Wang et al.，2017，2020）。因此，在生物質加工的過程中應適當增加吸附劑和除硫固氮劑等，以減少生物質煙塵和氣體污染物排放；而煤炭燃料應加強除硫固氮技術的研發(fā)，以減少廢氣污染物排放。此外，減少化石能源燃料的利用、開發(fā)綠色清潔新能源及有機肥料的推廣應用也是提高烤煙烘烤生態(tài)效益的重要途徑（Hussain et al.，2014）。

本研究中，內置式生物質加熱新能源密集烤房烤后煙葉上等煙比例、橘黃煙比例和均價最高，雜色煙和烘烤損失比例最低；燃煤密集烤房和內置式生物質加熱新能源密集烤房烤后煙葉的亮度和黃色色彩較濃，空氣源熱泵+太陽能輔助加熱新能源密集烤房烤后煙葉的橘色色彩較濃，且2種新能源類型密集烤房的烤后煙葉柔軟性較好；內置式生物質加熱新能源密集烤房烤后煙葉化學成分較協(xié)調，感官質量評分最高。內置式生物質加熱新能源密集烤房烤后煙葉經(jīng)濟性狀和綜合品質（顏色、柔軟度、化學成分和感官質量）較好，與羅貞寶等（2021）的研究結果基本一致?？諝庠礋岜?太陽能輔助加熱新能源密集烤房對提升煙葉外觀品質和柔軟性具有重要意義，但其受天氣和時間因素影響較大，導致升溫穩(wěn)溫和排濕具有一定的滯后性；同時也給烘烤過程中煙葉足夠長的物質轉化時間，從而提升其橘色色彩和柔軟性品質（許躍奇等，2018）。

不同國家和地區(qū)煙葉烘烤煤炭、木材、石油或天然氣能源的選擇不同，取決于當?shù)啬茉丛系目色@得性、成本和相對效率（Lee et al.，2016；Wang et al.，2019b）。Tippayawong等（2006）指出，泰國從低成本、多種類型燃料可共用、簡化燃料加工、方便使用和維護以及能夠吸引煙農(nóng)等方面出發(fā)，不斷開發(fā)和完善烘烤設施設備，改變了以化石燃料為主的烤煙烘烤現(xiàn)狀，實現(xiàn)了廢木材、稻殼和玉米芯等可再生生物質能源在烤煙烘烤中的充分應用。Liu 等（2021）分析認為，生物質能在中國農(nóng)村并未得到廣泛的利用，而農(nóng)村生物質能源的發(fā)展主要受農(nóng)戶對國家能源戰(zhàn)略的認知、生物質利用的相關成本以及家庭成員和村委會態(tài)度的影響。從當前我國國情來看，生物質烤房宜在適宜地區(qū)推廣應用，應綜合考慮生物質燃料成本及相關配套設施條件要求等（Wang et al.，2019b）；而空氣源熱泵+太陽能輔助加熱新能源密集烤房大面積推廣應用技術尚待進一步提高。隨著太陽能空間站的建立和開發(fā)使用（太陽能傳輸?shù)降孛娌辉偈芴鞖夂蜁r間等因素的影響），鄉(xiāng)村配套設施的不斷完善，以及烤房設備成本的不斷降低，太陽能輔助加熱新能源密集烤房可能是未來發(fā)展的一個重要方向。

4 結論

內置式生物質加熱新能源密集烤房的設備成本、改造成本和設施條件要求較低，發(fā)生故障次數(shù)相對較少，烘烤性能較佳，能耗用工成本和烘烤過程中總污染物排放量小，烤后煙葉經(jīng)濟性狀和綜合品質較好，在生物質燃料與相關基礎設施配套齊全的地區(qū)適宜推廣，是當前替代燃煤密集烤房的主要類型之一?？諝庠礋岜?太陽能輔助加熱新能源密集烤房的設備成本和配套設施與技術參數(shù)要求較高，發(fā)生故障次數(shù)相對較少，能耗用工成本最小，生態(tài)效益好，烤后煙葉橘色較濃，柔軟性較好，是未來烤煙烘烤發(fā)展的重要方向。