李峥+谭方利+吴文信+张建文+刘小斌+李宏光+方明+贺帆

摘 要：从我国烟叶烘烤现状着手，分析当前烟叶烘烤所用密集型烤房存在的问题和燃料的局限性。并以“节能、减排、省工、降本”为宗旨，对烟叶烘烤中使用的新型能源和技术进行系统阐述。并指出今后烟叶烘烤发展过程中应加强绿色能源的开放、软件系统和硬件设施的改进以及烘烤技术人员体系的完善。

关键词：烟叶烘烤；新型能源；技术；节能减排

中图分类号：S572 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.11.017

Abstract：This paper started from the status of tobacco curing in China，and analyzed the existing problems and the limitations of the fuel in the intensive baking room which used tobacco baking in the current. The purpose was energy saving， emission reduction， saving labor. The new energy and technology used in tobacco leaf curing were systematically expounded. It was pointed out that the opening of green energy， the improvement of software system and hardware facilities and the improvement of the technical system of baking personnel should be strengthened during tobacco curing in the future.

Key words：tobacco curing；new energy；technology；energy saving and emission reductions

煙叶烘烤是烟叶生产的重要环节，烟叶烘烤作业需要投入大量的劳动力和燃料，例如美国生产烤烟成本的25%为燃料费用，我国需要投入大致相当的燃料费用进行烟叶生产。当前能源日趋紧张，燃料价格长期不断上涨，任何国家较高的燃料成本都将削减烟草的产量[1]。而我国烤烟生产组织形式趋向规模化种植，烤房集中程度也不断提升，烟叶生产与节能环保之间的矛盾日益突出。我国政府工作报告中也多处提及低碳和新能源，要努力建设资源节约型、环境友好型、低碳导向型社会，实现我国经济社会又好又快发展。表明在烟叶烘烤中注入新型能源和技术以实现增质降本、节能减排，对实现我国烟草行业可持续发展具有重要意义。

1 我国烤烟烘烤现状

1.1 密集烤房存在的问题

烤房是烟叶烘烤作业必不可少的专业设备。随着生产力的不断发展，我国烤房从最早期的明火烤房、自然通风式普通烤房发展为热风循环式烤房、普改密烤房。20世纪末期，随着我国科技和经济的进步以及烤烟的规模化生产，密集烤房逐渐适应了我国烤烟生产可持续发展的新形势，代表当前烤烟设备的发展方向。密集烤房的工作原理是以机械强制通风和热风循环方式对装烟室内的烟叶进行加热，促进烟叶失水干燥，通过温湿度控制设备调控烟叶内外观质量。密集烤房虽然在装烟量、烟叶烘烤质量、集约化程度方面体现出巨大优势。但在应用过程中出现的一些问题仍需要进一步探究，一方面是经济效益虽较传统烤房有所提升，但成本依然较高，容量1.0 hm2左右的纯板块结构密集烤房，需3 万元左右，混砖结构为1 万元左右；若容量为1.6～2.0 hm2的纯板块结构密集烤房需要5 万元左右，混砖结构大约为1.5万～2万元[2]；另一方面是烘烤自控设备和技术不够成熟，主要体现在硬件设施不完善或不合理，以及软件设计过于简单。这就要求我国密集烤房发展在建造材质选用、硬件设备改造、自控设施完善等方面急需融入新的血液。

1.2 燃料的局限性

烟叶烘烤所要求的时间相对较短，因此烘烤过程中必须有足够的热量供给[3]。国外烟叶烘烤采用柴油、天然气作为燃料[1，4]。而我国受制于经济发展的影响[5]，国外使用的燃料并不适合我国国情，我国烟叶烘烤大多以煤炭、柴草为燃料，且烤房从早期的自然通风气流上升式烤房至当前烘烤所使用的机械通风热循环烤房普遍以煤炭为主要燃料[6]。表明我国目前烟叶烘烤是以消耗大量的不可再生能源为代价而进行烟叶生产的过程。同时使用煤炭能耗高，每千克干烟叶耗煤量一般为1.5～2.0 kg，利用效率只有30%左右[7]，且燃烧释放大量的有害物质对环境会造成严重的污染，研究表明，使用煤炭进行烟叶烘烤，每千克烟叶会导致煤炭产生NOx 0.009 4 kg、SO2 0.013 2 kg和CO2 4.302 kg[8]。随着全球对于燃料需求的不断增长，烟叶烘烤所用成本不断上升。此外，李克强总理在《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要（草案）》中明确要加快改善生态环境，大幅提高能源资源开发利用效率，改善生态环境总体质量[9]。这些方面都激励着烟叶烘烤过程中技术改革和替代燃料的研究和发展。

2 新型能源燃料

2.1 生物质能源

生物质能源是一种安全、清洁、可靠的可持续发展能源[10]。农业部早在2000年就针对生物质气化燃料在烟叶烘烤中的应用开展了研究，并以生物质燃气为能源设计出烘烤控制系统。杨世关等[11]以生物质气化燃料进行烟叶烘烤，并将传统间接换热式烤烟设备改良为间接换热式与直接换热结合的供热方式，结果表明，改良供热系统的热效率为58.3%，明显高于传统间接换热式烤房，且烟叶质量较传统烤房提升一个等级。王汉文等[12]将“秸秆压块”燃料应用于烟叶烘烤，结果表明，较对照蜂窝煤燃料，使用秸秆压块作为燃料每公顷烟叶可降低成本18 562.5 元，且每公顷烟叶的秸秆压块基本可以保障每公顷烟叶的烘烤。但生物质秸秆具有不易运输、不易储存、能量密度低的特点[13]，在推广和使用方面具有局限性。而生物质型煤可以弥补生物质秸秆的不足，生物质型煤是由生物质、原煤和固硫剂混合压制而成，具有热效率高、无烟环保、灰分少、生产成本低的优点[14]。徐成龙等[15]进行了生物质型煤与无烟散煤的对比研究，表明生物质型煤在烘烤过程中的变黄期和定色期升温均衡，烘烤至关键温度点38 ℃和47 ℃时稳温效果好，燃烧效率高出对照无烟散煤4.0%，经济效益方面高出无烟散煤9.8%，每100 kg干烟叶净利润可增收95 元。endprint

2.2 热泵能源

自1950年热泵干燥技术在美国获得专利权后，凭借其环保高效的优势在各个领域迅速发展[16]。宫长荣等[17]将热泵加热和冷凝除湿原理初次应用于烟叶烘烤，设计建造热泵加热式温、湿度自控烤烟设备并进行烟叶烘烤，结果表明，烟叶烘烤过程中温湿度环境和烟叶变化均衡，可有效提高烤后烟叶质量，冷凝除湿效率为15%左右，产出1 kg干烟叶平均耗电量约为2.0 kW·h，且在工作过程中不会产生废水、废气而造成污染。孙晓军等[18]对热泵烤房也进行了设计开发和烟叶烘烤对比试验，结果表明，热泵烤房烘烤过程中可有效利用空气中的热能代替煤炭，而且可以有效提高烤后烟叶质量，显著降低烘烤成本。田效园等[19]研究表明，热泵烤房实现了烟叶烘烤CO2零排放，每座热泵烤房每年可节约用工成本约2 756.00 元，降低能耗324.80 元，烟叶等级提升增收2 800元。潘建斌等[20]对热泵型烟叶自控密集烤房与普通烤房在性能和烤后烟品质方面进行对比，结果表明，热泵型烤房烘烤过程中各位点基本不存在温湿度梯度，叶间风速适宜，通风排湿顺畅，垂直温差和平面温差较小，热能利用效率高，降低了烘烤成本；烤后烟外观质量和内在化学成分协调性较好，具有良好的工业可用性。吕君等[21]设计了一种新型热泵烤烟系统，兼顾升温和除湿两种功能，烘烤试验结果表明，烤房内温湿度均匀，控温准确性较高，系统制热系数可达3.25，整个烘烤过程除湿能耗比为2.42 kg·（kW·h）-1，且产出每千克干烟较使用燃煤烤房可节省成本0.85 元。

2.3 太阳能

太阳能资源顯著优势为清洁、可持续利用，另一方面因其存在间歇性和分散性，目前烟叶烘烤中无法仅仅以太阳能作为热源。一般在烘烤过程中将太阳能供热系统和煤燃烧供热系统相结合达到节能减排、省工降本的目的[22]。为进一步降低烟叶烘烤能耗，近年来主要将太阳能和高温热泵能源结合进行烟叶烘烤试验，王刚等[23]研究表明太阳能热泵密集型烤房烘烤性能好，较普通密集烤房每千克干烟叶调制成本可降低5%～15%。张家征等[24]对太阳能烤房和普通密集烤房做了对比试验，结果表明，太阳能和高温热泵结合的烤房能耗比普通密集烤房降低34%，太阳能和普通密集烤房相结合的经济太阳能烤房能耗比普通密集烤房降低24%。

2.4 醇基能源

我国醇基燃料在近十多年来未能得到高速发展，一方面是早期使用的醇基燃料为提高热值，添加组分多，增加了燃料的复杂性，且生产过程中的安全问题和功能问题有待进一步改善；另一方面是甲醇的毒性、热值、腐蚀性未能得到科学认知[25]。但因醇基燃料获取途径广泛、燃烧绿色无污染且资源重复利用率高的优势，开发利用新型的醇基燃料和相应设备势在必行。目前烟叶烘烤所用醇基燃料多数为以甲醇为主要成分的液体燃料，高强等[26]进行了醇基燃料烤房的研制与应用的研究，烘烤试验结果表明可以提升烤后烟内外观质量，同时减轻污染排放。郭大仰等[27]研究表明，醇基燃料烤房烘烤过程中各稳温点控温精准性高，可缩短烘烤时间6～14 h，醇基燃烧排出气体中总污染物（除CO2）排放较褐煤燃烧减少2 655.40 mg·L-1，烤后烟交售价较褐煤提升8.6%，但由于醇基燃料成本较高，其综合成本约为褐煤的2.4倍，经济效益方面有待改善。

3 新型技术

3.1 物联网技术

随着现代科技水平的进步与人们日益追求高品质工作生活的需要，在工作生活中自动化程度要求也越来越高。而物联网技术在精细农业领域得到了广泛的应用，例如美国、澳大利亚、法国、加拿大等一些国家将物联网技术广泛应用于田间粮食作物种植精准作业、设施农业环境监测和灌溉施肥控制、果园生产的信息采集和灌溉控制、畜禽水产精细化养殖监测网络和精细养殖等方面[28-30]。迄今，“物联网”技术的应用在我国还处于初期阶段，尤其在设施农业方面还主要停留在监测与初步分析环节，主要包括监测设施内土壤温湿度、CO2浓度等环境状况[31]，依据监测数据指导农事操作，其中存在的共同问题就是虽然利用了传感器技术，但是采集到的数据主要还是一种展示或统计分析，没有与相关控制设备进行联动，没有真正意义实现科学决策和智能控制。烟草作为我国农业生产的一部分其自动化程度依旧处于起步阶段，特别是烟叶烘烤作业需要耗费大量的人力、物力，同时烟草是一种经济作物，快速准确的应变烘烤技术和烘烤智能化研究是提升烟叶经济收入的解决方法之一。因此，建立烟叶精准烘烤控制模型，将控制模型和现有的自控设备整合，构建基于物联网技术信息采集、处理与控制的实时烘烤决策系统，形成基于物联网的专业化烘烤精准调控与管理系统，对实现烟叶烘烤的精准控制具有重要意义（图1）。

3.2 余热利用与共享

当前烟叶烘烤作业使用的烤房中无论是烤房群还是单体烤房，定色排湿期烤烟室中的湿热水汽和干筋期烤烟室内的高温空气均以直排形式排出烤烟室外，造成了能源的较大浪费[32]。Danford[33]设计了一种新型密集型烟叶烘烤和干燥设备，该设备中的逆流余热回收换热器可从废气中回收热量，同时结合太阳能集热器收集的热量对进入的新鲜空气进行预热，可以节省大量的能源。Dinh[34]在之前研究基础上进行改进，采用热回收管回收热量，结果表明，在回收70%的普通能量损失的同时，可以使燃烧烟气、干气与湿废气隔离，是一种更经济健康的烟叶烘烤和干燥方式。同时余热共享烤房群的建造也降低了热量损耗，余热共享烤房实现共享的实质是通过连体烤房群之间的相互作用，单个烤房产生的湿热水汽和高温空气在烤房之间循环利用，进而达到合理利用热量的目的。宗树林等[35]在使用余热共享连体烤房群时将每组烤烟室的装烟和烘烤交错进行，可以将干筋期排出的剩余热量用于鲜烟叶变黄前期温湿度的需求，还可以有效提升特殊素质烟叶烘烤质量，同时可以促进烤后干烟叶的回潮，减少烟叶破损率。

3.3 节能材料与技术endprint

开发和利用各种高品质节能材料与新型技术是我国经济和社会实现可持续性发展的迫切需求。20世纪90年代我国烟草行业就将红外辐射技术应用于烟叶烘烤，虽然在烤后烟经济效益方面有所提升，但开发研制的远红外涂料使用期限短，因此发展简便节能的烟叶烘烤加热技术任重而道远。姜均等[36]利用远红外碳纤维电热管具有升温速度快、辐射效果好、寿命长的优点，将其替代原有加热装置进行烟叶烘烤，结果表明，烘烤效果好，运行成本低。21世纪以来，纳米材料逐渐在烟叶生产中得到应用。利用纳米颗粒的电磁辐射传热特性，纳米复合涂料在改善烤房性能、提升烟叶品质、降低烘烤成本等方面有显著效果。宋朝鹏等[37]将纳米涂料喷涂于密集烤房装烟室内壁，和未做处理的烤房进行对比，结果表明，纳米涂料处理的烤房烘烤每千克干烟叶可节电12.5%、节煤21.96%；整体热效率提升10.75%，缩短烘烤时间16 h；烤后烟上中等比例增加10.12%，每667 m2烟田烟农增收1 976.25 元。王建安等[38]研究表明，使用纳米涂料烤房可优化烤烟环境，烤房内垂直温差和平面温差分别降低1.5 ℃和 1.7 ℃，且明显改善了上部叶的外观质量。卢军等[39]在密集烤房中添加泡沫保温材料，可缩短烘烤时间26 h，节电率和节煤率分别为17.8%和19.6%，每千克烤后烟叶均价提升0.3 元。近年来我国烟草行业在烤房硬件设施的改革与创新方面也取得了重大进展。刘添毅等[40]使用陶火管散热系统代替传统钢制材料散热系统，对比试验结果表明，使用陶火管散热系统每座烤房设备可降低成本2 400 元，烤房使用寿命增加6～10 年，烤房运行成本、烘烤性能、烤后烟品质较优。裴晓东等[41]用無机复合材料改进散热器，与钢制材料散热系统烤房进行对比，发现每座烤房设备可降低成本975 元，延长使用寿命7 年左右，每千克干烟叶降低用煤量0.31 kg，减少用电量0.034 kW·h，烤后上等烟比例提升1.57%，杂色烟比例降低3.69%。杨威等[42]对新型无机非金属材料烤房进行了研究，对比试验表明，新材料密集烤房抗逆性强、烘烤效果好，节约能耗成本可达30.4%，烤后烟内外观品质优于普通密集烤房。王传义等[43]在烤房墙体所用材料方面进行试验，发现聚氨酯材料墙体保温性和烘烤效果优于混砖结构墙体，每烘烤1 kg干烟叶可降低成本0.26 元。

4 展 望

随着我国对科研投入的增大和能源节约优先战略的实施，烟草行业应抓住机遇，对烟叶烘烤的研究应重点突出以下三个方面。

（1）将更多的绿色能源用于烟叶烘烤的燃料，我国各烟区要因地制宜，依据当地产区自然条件，着重风能、太阳能、水利能等清洁、可持续利用能源的开发，辅以生物质能源、醇基能源、热泵能源等环保燃料，坚持走烟叶烘烤低成本、高效益、污染物零排放的道路。

（2）烤房软件系统和硬件设施改进，基于物联网技术的烟叶烘烤精准调控和管理系统推动烟叶烘烤向集约化、专业化、智能化的方向发展；加强余热利用与共享、红外辐射等技术以及各种新型低成本、高寿命、性能高的材料与烤房的结合。

（3）烟叶烘烤不是单一的农业生产过程，其中温湿度自控系统涉及到计算机行业，烤房硬件设备涵盖更多领域，要实现烟叶烘烤“节能、减排、减工、降本”的目标，一方面烟草行业内烘烤技术人员体系需不断完善，另一方面烟草行业应加强和其他行业的交流，及时应用适于烟叶烘烤的新型能源和技术，推动烟叶烘烤现代化的发展。

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