不同置式生物質(zhì)供熱爐在煙葉烘烤中的應(yīng)用

盧 雨，古 力，詹吉平，吳永茂，邱志丹，王 鑫，陳 鈺，陳鄭盟*

(1.福建省煙草公司 龍巖市公司，福建 龍巖 364000; 2.福建農(nóng)林大學(xué)，福建 福州 350002)

烤煙是我國重要的經(jīng)濟作物，煙葉烘烤調(diào)制是決定煙葉最終質(zhì)量和可用性的一個重要環(huán)節(jié)[1]。隨著烤房技改的推進，烤房在溫控能力、裝煙容量、自動化水平等方面均得到大幅提高，對我國的煙葉生產(chǎn)起到了很大的推動作用[2-5]。目前，烤房溫濕度的控制雖然已經(jīng)實現(xiàn)智能可控，但在溫濕度轉(zhuǎn)換階段很大程度上仍受人工操作差異的影響，火大溫度降不下來、火小溫度升不上去的情況時有發(fā)生，導(dǎo)致煙葉的風(fēng)格特色弱化和黃而不香等問題[6-8]。同時，烘烤過程中加煤、掏渣等環(huán)節(jié)還存在工作量大、人工成本高、遭受危害和危險系數(shù)較高等問題。隨著全球能源危機以及溫室效應(yīng)的加劇，能源應(yīng)用向著經(jīng)濟、可再生循環(huán)利用的新能源方向發(fā)展，密集烤房研究也逐步轉(zhuǎn)向新能源烤房[9-10]。生物質(zhì)供熱爐作為新能源烤房研究的熱點之一，在實踐過程中不斷完善，已實現(xiàn)自動點火、單粒供料和自動清渣等功能[11-13]。關(guān)于生物質(zhì)供熱爐在煙葉烘烤中的研究多集中在自動化程度和熱量供應(yīng)等方面，鮮有其在煙葉質(zhì)量提升及能耗等方面的系統(tǒng)研究[14-16]。為此，研究內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐、外置式生物質(zhì)供熱爐和常規(guī)烤房優(yōu)質(zhì)燃煤爐(CK)對煙葉烘烤中的溫度曲線擬合度、能耗成本、烤后煙葉質(zhì)量和經(jīng)濟效益的影響，以期為生物質(zhì)供熱爐在煙葉烘烤過程中對溫度的精準(zhǔn)控制提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 煙葉 供試鮮煙葉為當(dāng)?shù)刂髟云贩N云煙87，由龍巖市煙草公司連城分公司提供。均取自同一田塊、施肥水平一致、中等肥力、生長整齊一致的植株。

1.1.2 儀器與設(shè)備 近紅外光譜測試儀，美國賽默飛AntarisⅡ；內(nèi)置式智能化單螺旋加坡送料生物質(zhì)供熱爐，龍巖市三佳冶金爐料有限公司生產(chǎn)；外置式手動雙螺旋送料生物質(zhì)供熱爐，龍巖市聚光新能源科技有限公司生產(chǎn)。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計 試驗于2017年5月19日至6月25日在福建省龍巖市連城縣羅坊鄉(xiāng)上羅村烤房群進行，所用密集烤房設(shè)施設(shè)備符合《密集烤房技術(shù)規(guī)范(試行)修訂版》的要求。試驗共設(shè)3個處理：處理1(A1)，內(nèi)置式智能化單螺旋加坡送料生物質(zhì)供熱爐；處理2(A2)，外置式手動雙螺旋送料生物質(zhì)供熱爐；處理3(CK)，常規(guī)烤房優(yōu)質(zhì)燃煤爐(對照)。各處理烘烤煙葉葉位相同，鮮煙素質(zhì)一致，裝煙數(shù)量相同，3次重復(fù)。烘烤結(jié)束后，對烤后煙葉進行質(zhì)量及經(jīng)濟效益分析。

1.2.2 項目測定

1) 耗能與耗時。對不同置式供熱爐在每烤(各烤次)煙葉烘烤過程中的平均能耗與操作耗時進行測定。試驗用煤炭價格為0.75元/kg，農(nóng)業(yè)用電價格為0.72元/度，生物質(zhì)顆粒燃料價格為0.9元/kg，烘烤用工價格為120元/d。采用電子稱測定煙葉和燃料的重量、采用數(shù)顯溫濕度計測定裝煙室的溫度和濕度(溫濕度計感溫探頭懸掛位置在裝煙室中間層，距離隔熱墻4 m)、采用數(shù)顯計時器測定操作耗時。

2) 化學(xué)成分。煙堿、總氮、總糖、還原糖、總氯和總鉀等內(nèi)在化學(xué)成分采用近紅外光譜測試儀測定。

1.3 烘烤工藝的吻合度

選擇第3～5烤次煙葉進行烘烤試驗，烘烤工藝均采用《龍巖市三長兩短保濕烘烤工藝》執(zhí)行，整個烘烤過程中每4 h記錄1次烤房的溫度、濕度、煙葉變化、操作情況和煙窗尾氣溫度等考察烘烤工藝的吻合度，烘烤工藝中的目標(biāo)溫度與實際溫度均為干球溫度。

1.5 經(jīng)濟效益

選擇對不同置式生物質(zhì)供熱爐的第3烤煙葉，根據(jù)烤后煙葉的外觀顏色、成熟度、葉片結(jié)構(gòu)、身份、油分、色度等質(zhì)量指標(biāo)，由分級技師參照GB2635-1992《烤煙》評定烤煙等級后對其進行計算。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007處理數(shù)據(jù)，SPSS 16.0進行統(tǒng)計與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 烘烤工藝的吻合度

從圖1看出，常規(guī)燃煤烤房在不同烤次烘烤過程中實際溫度與目標(biāo)溫度均存在偏離現(xiàn)象。其中，第3烤的變黃期/干筋期存在實際烘烤溫度偏低運行情況，第4烤的定色期/干筋期和第5烤的干筋期實際烘烤溫度運行不穩(wěn)。內(nèi)置式供熱爐在不同烤次烘烤過程中實際烘烤溫度與目標(biāo)溫度吻合度均較高。外置式供熱爐在第3烤和第5烤的干筋期實際烘烤溫度與目標(biāo)溫度均存在偏離現(xiàn)象，在第4烤的定色期擬合程度較高。總體上看，外置式生物質(zhì)供熱爐和內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐在烘烤過程中的實際烘烤溫度與目標(biāo)溫度的吻合程度均明顯優(yōu)于常規(guī)烤房優(yōu)質(zhì)燃煤爐(CK)。

從表1可知，在不同置式生物質(zhì)供熱爐烘烤過程中，內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐每烤消耗的燃料量顯著低于外置式生物質(zhì)供熱爐和CK，而外置式生物質(zhì)供熱爐與CK間無顯著差異；每烤消耗電量以外置式生物質(zhì)供熱爐最高，內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐次之，CK最低，三者間均存在顯著性差異。不同處理間每烤鮮/干煙重量無顯著性差異，干鮮比較為一致。干煙能耗成本以外置式生物質(zhì)供熱爐最高，內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐次之，CK最低。其中，外置式生物質(zhì)供熱爐每1 kg干煙能耗成本較CK增加21.82%，內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐較CK增加12.12%。

圖1 不同置式生物質(zhì)供熱爐烘烤工藝的吻合度曲線Fig.1 Matching curve of curing process of different biomass heating furnaces

表1 不同置式生物質(zhì)供熱爐烘烤的每烤能耗Table 1 Energy consumption of different biomass heating furnaces in tobacco curing process

注：同列不同的小寫字母表示差異顯著(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 每烤次耗時

從表2可知，不同置式生物質(zhì)供熱爐烘烤煙葉所耗時長均顯著低于常規(guī)烤房優(yōu)質(zhì)燃煤爐(CK)。其中，操作耗時，內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐和外置式生物質(zhì)供熱爐較CK分別降低74.98%和56.92%；設(shè)備維護耗時，內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐顯著優(yōu)于外置式生物質(zhì)供熱爐和CK；加料耗時，內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐和外置式生物質(zhì)供熱爐均顯著低于CK，分別降低71.97%和66.95%；清渣耗時，內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐和外置式生物質(zhì)供熱爐也顯著優(yōu)于CK，分別降低36.67%和24.67%。綜合來看，在每烤耗時方面，內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐烘烤煙葉的耗時最短，其次是外置式生物質(zhì)供熱爐，CK耗時最長，且各處理間差異性顯著(P<0.05)。

表2 不同置式生物質(zhì)供熱爐每烤次的耗時Table 2 Time consumption of different biomass heating furnaces in tobacco curing process h

2.3 經(jīng)濟效益

從表3看出，單葉重，內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐烘烤煙葉的單葉重最高，為9.04 g；其次是外置式生物質(zhì)供熱爐，為為8.92 g；常規(guī)烤房優(yōu)質(zhì)燃煤爐(CK)最低，為8.88 g；內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐與CK間差異顯著(P<0.05)。上等煙比例，內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐最高，外置式生物質(zhì)供熱爐次之，CK最低，三者間差異顯著(P<0.05)。均價，內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐和外置式生物質(zhì)供熱爐均高于CK，每1 kg煙葉分別較CK高5.14%和1.95%。

表3 不同置式生物質(zhì)供熱爐第3烤煙葉的經(jīng)濟效益Table 3 Economic benefit of tobacco leaves cured by different biomass heating furnaces during third curing process

2.4 煙葉內(nèi)在化學(xué)成分的含量

從表4可知，內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐烘烤的上部葉和中部葉煙堿含量均低于常規(guī)烤房優(yōu)質(zhì)燃煤爐(CK)，中部葉煙堿含量與CK差異顯著，但上部葉和中部葉煙堿含量均在優(yōu)質(zhì)煙標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。內(nèi)置式生物質(zhì)燃料爐能夠顯著提高中部葉的總糖含量。3個處理的總氮、氯和鉀含量均在適宜范圍，以內(nèi)置式生物質(zhì)燃料爐效果較好。

表4 不同置式生物質(zhì)供熱爐烘烤煙葉的內(nèi)在化學(xué)成分Table 4 Internal chemical components of tobacco leaves cured by different biomass heating furnaces %

3 結(jié)論與討論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及環(huán)保意識的提升，生物質(zhì)顆粒燃料作為清潔能源，已經(jīng)逐步走入人們的生產(chǎn)和生活中。大量研究表明，使用生物質(zhì)顆粒燃料能夠有效改善烤后煙葉的質(zhì)量，提高煙葉可用性[17-21]。研究結(jié)果表明，內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐更加符合目標(biāo)工藝溫度，在煙葉烘烤過程中的變黃期和干筋期其效果尤為明顯，避免了常規(guī)烤房優(yōu)質(zhì)燃煤爐變黃期因溫度波動導(dǎo)致的烤青煙、變黃不充分或硬變黃的現(xiàn)象，定色期溫度波動導(dǎo)致掛灰現(xiàn)象，以及干筋期溫度過高或過低導(dǎo)致的烤紅煙或洇筋煙現(xiàn)象[22-25]。由于生物質(zhì)供熱爐比常規(guī)烤房優(yōu)質(zhì)燃煤爐用電量高以及生物質(zhì)作為新興燃料，尚未實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)造成價格偏高等原因，目前生物質(zhì)供熱爐在煙葉烘烤過程中能耗較常規(guī)烤房優(yōu)質(zhì)燃煤爐高。然而，生物質(zhì)供熱爐在烘烤耗時上充分體現(xiàn)其自身優(yōu)勢，內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐和外置式生物質(zhì)供熱爐較常規(guī)烤房優(yōu)質(zhì)燃煤爐分別降低69.71%和43.51%，大大縮短了操作耗時。同時，更重要的是降低了燃料添加的頻度，徹底解決了烘烤過程中頻繁加煤的工序，使煙農(nóng)在烘烤過程中節(jié)省了大量時間從事其他農(nóng)事操作。此外，采用生物質(zhì)燃料爐還可提高煙葉的品質(zhì)和經(jīng)濟效益。

綜合來看，使用生物質(zhì)供熱爐能夠確保烘烤工藝的溫度要求，顯著縮短烘烤操作時長，提升烤后煙葉質(zhì)量與內(nèi)在化學(xué)成分的協(xié)調(diào)性，有效提高烤后煙葉經(jīng)濟效益，以內(nèi)置式智能化單螺旋加坡送料生物質(zhì)供熱爐烘烤效果最好。

致謝：感謝福建農(nóng)林大學(xué)布素紅老師在數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析過程中的指導(dǎo)！