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陳妍潔1，趙正雄1，朱立春1，張誠榮2
(1.云南農業大學煙草學院，云南昆明650201；2，浙江明新能源科技有限公司，浙江紹興312399)
摘要：【目的】解決當前煙葉烘烤所用燃料受限因素較多、控溫不精準、烘烤損失大的問題，探索新清潔能源，實現烤煙烘烤提質增效、減工降本。【方法】比較分析醇基與生物質顆粒燃料在烤房溫濕度控制、烘烤成本、烤后煙葉質量損失、經濟性狀等方面的差異。【結果】與生物質顆粒相出，使用醇基燃料烤房溫濕度控制更準確，且烤后中、上部葉烘烤質量損失分別降低&93%和11.71%，烘烤成本減少34.50%和19.79%，故價增加3.20和1.06元/kg，中上等煙比例提高9.45和2.54金百分點，下等煙比例降低3.39和2.53個百分點，中部葉廢煙比例降低&03個百分點，烤后煙葉多桔黃色，色度較強，油分更多，化學成分除兩糖差、淀粉稍高外，其他含量均在優質煙適宜范圍內。【結論】醇基燃料降低了烘烤損失和成本，提高了煙葉烘烤質量，可考慮用作密集烤房新能源。
【研究意義】煙葉烘烤是烤煙生產過程中相當重要的一個環節。烘烤質量不但影響烤后煙葉的可用性，也影響煙農的收入，其不僅取決于煙葉的成熟度[1]，也與烘烤過程中溫、濕度的控制有密切的關系[2]。在相同的烤房結構和烘烤設備條件下，燃料種類很大程度上會影響烤房溫、濕度，進而影響煙葉烘烤成本和烤后品質。隨著中國烤煙規模化生產的發展，密集烤房逐漸成為烤煙烘烤設備的發展方向[3]。
【前人研究進展】前人對密集烤房及其配套的烘烤工藝進行了大量研究，對密集烘烤工藝各階段提出了最優的溫濕度及穩溫時間[4-5]。但是，煙葉烘烤能源大多以煤炭、柴草為燃料，整個烘烤過程消耗大量的不可再生能源，煤炭燃燒供熱不穩定、容易出現猛升溫、掉溫而影響烤后煙葉的質量，無效能耗過高導致燃料浪費，排放大量的SO2、CO2、NOx和顆粒物等污染物造成環境污染多種問題[6-7]。基于低碳、節能和減排環保的考慮，近年來研究熱點集中在使用新能源或可再生能源作燃料方面，如以電熱泵或熱泵與太陽能相結合作燃料[8-9]，或以秸稈壓塊、生物質顆粒作燃料[10-11]。但當前烘烤所用燃料也存在一些缺點，如使用電能，則電網壓力較大、推廣成本較高，太陽能會受到太陽輻射的影響。當前主推的生物質能源，雖有一定優勢，但其含水量高、能量密度低、來源分散，導致不便收集、貯存和運輸等[7]。
【本研究切入點】在很長一段時間內烤煙烘烤燃料將會呈現多元化局面，探尋高效清潔的烘烤能源將成今后煙葉烘烤急需解決的一大難題。醇基燃料是以甲醇和乙醇為主的一種液體燃料，可來源于生物質發酵和煤、石油、天然氣等石化燃料，因其清潔環保、高效節能，有望成為代替化石燃料的新型能源，在中國灶具及汽車領域已有應用[12-13]。國外一些國家在20世紀末煙葉烘烤燃料已由固態轉變為液態或氣態[14]，中國煙葉烘烤仍以固態燃料為主。云南煤化工產業發達，存在醇基燃料產能過剩的問題[15]。若能將醇基燃料應用于煙葉烘烤中，既能解決煙葉烘烤燃料受限的問題，又能提高醇基燃料利用率。
【擬解決的關鍵問題】對比當前烘烤中主推的生物質顆粒與醇基燃料在烘烤效果及成本方面差異，以期挑選出既能很好地滿足烘烤工藝要求，又能降低烘烤成本和提高烘烤質量的新能源。
1材料與方法
1.1試驗地點與材料
試驗于2017年8-9月在云南省昆明市宜良縣竹山鎮竹林村委會大平地村進行。供試品種為當地主栽品種紅花大金元。供試煙株栽培管理措施按當地優質煙技術標準規范進行，封頂后摘除2~3片底腳葉，留葉數20片。在煙株長勢均勻、營養均衡的田塊，選取中部葉（11~12葉位），上部葉（15-16葉位）為試驗材料。供試燃料為醇基液體、密集生物質顆粒。醇基燃燒設備生產廠家為浙江明新能源科技有限公司，醇基燃料主要為化石燃料轉化提取而來，由云南解化清潔能源開發有限公司解化化工分公司提供;生物質顆粒燃燒設備生產廠家為云南播達農業科技發展有限公司，生物質顆粒主要為木材、木屑、樹木枝核材、玉米稈、煙稈等植物廢棄物以一定比例壓制而成，由云南省昆明市宜良縣竹山鎮巴江合作社提供。
1.2試驗設計
試驗設2個處理，即醇基燃料（A）和生物質顆粒（B）。試驗所用密集烤房規格為8m×2.7m×4.05m，4層2路。供試煙葉按“同一地塊、同一部位、成熟度一致”的標準選取，分中部葉（11-12葉位）和上部葉（15-16葉位）2個批次烘烤，各處理每批次編煙9竿，每3竿為1個重復，設3個重復。不同處理供試煙葉掛于烤房中間層的相同位置，且在同一天內裝煙入爐。烤房內其它煙葉來源、編煙、裝煙方式等相同。各處理除所用燃料不同外，其他條件保持一致，烘烤時按照提質增香烘烤工藝進行。
1.3測定項目及方法
1.3.1烤房溫濕度 在烤房內放置溫度傳感器，從燃燒機開始工作直至烘烤結束整個過程，記錄由傳感器反饋到控制面板上每小時的干、濕球溫度的目標值與實際值，計算溫度差（即：目標溫度與實際溫度的差值，取正值）和濕度差（即：目標濕度與實際濕度的差值，取正值），用來衡量燃料對烤房溫濕度的控制能力。
1.3.2烘烤成本及能耗 烘烤前后對9竿供試煙葉進行稱重，記錄每爐竿數、每竿鮮煙、干煙重量，計算整爐鮮煙、干煙重和鮮干比。同時對烘烤過程中燃料成本、用工成本、燃料消耗量、耗電量進行統計，綜合評價不同燃料的烘烤成本。因醇基燃燒設備與生物質顆粒燃燒設備成本相同，故烘烤設備成本未納入不同燃料的烘烤成本計算。
1.3.3經濟性狀統計 按照國標（GB2635-92）[16]對不同處理各部位烤后供試煙葉進行分級，統計均價、上等煙、中等煙、下等煙比例。
1.3.4烤后外觀質量評定 不同處理取烤后供試煙葉C3F、B2F煙樣各1kg，送紅塔集團大理卷煙廠進行外觀質量評價。評價內容包括:成熟度、身份、油分、色度、組織結構、顏色，根據外觀質量評價賦值方法曲]對上述指標打分，具體分值見表1。
1.3.5化學成分測定 不同處理初烤煙葉按C3F、B2F等級取樣，進行常規化學成分檢測，其中氮、鉀含量測定方法按NY/T2017-2011[18]，總植物堿測定按YC/T160-2002[19]，水溶性糖測定按YC/T159-2002[20]，氯含量測定按YC/T162-2011[21]進行。
1.3.6數據處理 采用Microsoft Excel 2010和SPSS18.0軟件進行數據統計分析。
2結果與分析
2.1不同燃料烤房溫濕度控制精準性的比較
由圖1可看出，不同燃料溫度差曲線中、上部葉變化規律相似，醇基燃料溫度差曲線波動幅度小于生物質顆粒，生物質顆粒在烘烤前期（即：1~24h）和后期（即：150~180h）實際溫度與目標溫度相差較大。
由圖2可看出，生物質顆粒中部葉在1~20h，上部葉在1~32h，濕度差曲線波動幅度明顯大于醇基燃料，其他時間段兩種燃料濕度差曲線波動大致相同。綜合比較下，醇基燃料對烤房溫濕度的控制效果更好。
2.2不同燃料烤后煙葉質量損失的比較
由表2可知，醇基燃料烤后煙葉鮮干比低于生物質顆粒沖部葉兩種燃料鮮干比差異不顯著，上部葉差異極顯著。烤后獲得每千克干煙所需鮮煙量，醇基燃料中、上部葉分別比生物質顆粒少8.93%和11.71%。鮮干比越小，相同重量的鮮煙烤后獲得的干煙重量越大，烘烤過程中質量損失越少。
2.3不同燃料烘烤成本及能耗的比較
由表3可知，每千克干煙的電耗、燃料消耗和用工成本，醇基燃料均明顯低于生物質顆粒。每千克干煙烘烤成本，醇基燃料中、上部葉分別比生物質顆粒少34.50%和19.79%。醇基燃料進料與汽化燃燒裝置與自控設備相連，僅烘烤前加1次料，烘烤過程中無需再次加料，節省了用工成本。從節能和減工降本效果來看，醇基燃料比生物質顆粒耗能更少、烘烤成本更低。
2.4不同燃料烤后煙葉經濟性狀的比較
由表4可知，兩種燃料烤后中部葉的均價差異顯著，醇基燃料烤后中、上部葉均呈現均價、上等煙比例高于生物質顆粒，中等煙、下等煙及廢煙比例低于生物質顆粒的趨勢。與生物質顆粒相比，醇基燃料烤后中、上部葉的均價分別高3.20元/kg、1.06元/kg，中上等煙比例分別高9.45個百分點和2.54個百分點，生物質顆粒中部葉烘烤中出現6.03%的烤廢煙，醇基燃料未出現烤廢煙。烤后煙葉經濟性狀，醇基燃料優于生物質顆粒。
2.5不同燃料烤后煙葉外觀質量的比較
由表5可知，兩種燃料烤后煙葉外觀質量總分相差不大，醇基燃料中、上部葉總分分別比生物質顆粒高3分和5分。與生物質顆粒相比，醇基燃料烤后中部葉結構更疏松、色度較強，油分更多，上部葉色度較強、身份中等至稍厚，油分更足，顏色深桔黃。
2.6不同燃料烤后煙葉化學成分的比較
一般認為優質煙以總糖含量18%~22%，還原糖16%~18%，總氮含量1.5%-3.5%，煙堿含量1.5%-3.5%，鉀含量2%以上，氯含量1%以下，淀粉含量4%~5%左右，氮堿比以1或略小于1為宜，糖堿比一般為6~10，接近10的烤煙質量最好[22-23]。兩糖差可作為評價煙葉吃味品質的重要指標，吃味品質差的煙葉兩糖差值較大，云南省烤煙兩糖差一般在2.0%-7.5%[24]。由表6可知，烤后煙葉水溶性總糖、還原糖、氯、淀粉含量醇基燃料高于生物質顆粒，總氮、鉀、煙堿含量低于生物質顆粒。烤后煙葉的兩糖差指標生物質顆粒較好，糖堿比、氮堿比指標醇基燃料較好。
3討論
與傳統煤、柴相比，生物質顆粒雖有優勢，但本試驗中生物質顆粒與醇基燃料在煙葉烘烤效果及成本上還是有很大差異的。醇基燃料對溫濕度控制更精準，這與王川等[旳研究結果一致，醇基燃料熱慣性較小，在烘烤過程中對烤房溫濕度的控制精準穩定，更加符合烘烤工藝的要求。生物質顆粒在點火后24h內對溫濕度控制效果不太理想，實際溫濕度與目標溫濕度相差較大，這可能是由于生物質顆粒燃燒后熱量釋放需要一段時間，在烘烤升溫階段不利于溫度的升高，對穩溫點的控制也存在一定的制約。本試驗中，兩種燃料的烘烤均由同一人員操作，排除了人為影響因素。生物質顆粒在當地已有應用，而醇基燃料為首次使用，但生物質顆粒溫濕度差波動比醇基燃料更大，說明醇基燃料更易于烘烤人員掌握。
醇基燃料烤后煙葉烘烤質量損失更少，這可能是由于烘烤過程中的物質損耗主要是變黃期的呼吸代謁扌作用導致的干物質損耗和干筋期高溫環境下易揮發性物質揮發導致的物質損耗，烤房內溫度和烘烤時間都會影響這兩種損耗作用，溫度波動越大、變黃期時間越長，溫度越高，干物質損失量越多[26]。打醇基燃料控溫精準性好，烘烤時間縮短，烤后煙葉干物質損失也就越少。由于實際生產過程中的不可控因素，未能保證兩種不同燃料烤房內的裝煙量完全相同，但醇基燃料烤房與生物質烤房裝煙量相差僅在5%左右，并不會對能耗造成太大影響。
在化學成分方面，醇基燃料烤后煙葉淀粉含量稍高于生物質顆粒，因為淀粉在變黃階段發生大量降解，淀粉酶的活性也會受到烘烤溫濕度影響，醇基燃料縮短了烘烤時長，在一定程度上影響了淀粉降解量。此外，醇基燃料總糖、還原糖含量高于生物質顆粒，糖堿比、氮堿比協調，可能由于醇基燃料烘烤過程中溫濕度波動小，呼吸代謝過程相對平緩，由呼吸作用而消耗的糖含量較少，加之淀粉降解也增加了糖含量。醇基燃料烤后煙葉碳水化合物類含量高，生物質顆粒烤后煙葉含氮化合物類含量高。整體評吸質量中，碳水化合物類占50.38%，而含氮類物質占1.18%[27]，可見醇基燃料烤后煙葉高碳水化合物含量對評吸質量的影響更大。
本試驗表明醇基燃料可作為煙葉烘烤的一種新能源，可縮短烘烤時間，使得煙葉干物質損失減少，淀粉降解量也相應減少。醇基燃料穩溫控溫更精準，但仍有一定誤差，在今后的應用中應根據其熱值特性制定配套的烘烤工藝，適當延長變黃期烘烤時間，確保煙葉內含物質充分轉化。
4結論
使用醇基燃料烘烤，烤房溫濕度控制更為精準，烘烤質量損失減小、廢煙比例和烘烤成本降低，烤后煙葉外觀質量較好，經濟價值升高，化學成分協調，醇基燃料作為煙葉烘烤燃料有一定可行性及應用前景。
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