专业化烘烤烤烟设备与工艺转变研究进展

徐成龙，贺 帆，周 琳，王文超，王 涛，刘会杰，宫长荣

(河南农业大学 烟草学院，河南 郑州 450002)

专业化烘烤烤烟设备与工艺转变研究进展

徐成龙，贺 帆，周 琳，王文超，王 涛，刘会杰，宫长荣

(河南农业大学 烟草学院，河南 郑州 450002)

从传统烤房向密集烤房烘烤设备与工艺技术转变的角度出发，论述新式烘烤设备与工艺技术的应用前景，及高能耗向低能耗烤房转变的研究进展，最后提出专业化烘烤工厂模式的组建及运行。

烤烟;烘烤设备;专业化烘烤;工艺技术;烘烤工厂

烤烟的专业化烘烤是按照专业化分工、社会化服务、市场化运作、信息化管理的要求，把现代科技成果、管理方式与传统烘烤模式精华相结合而建立起来的一套完整的经济组织管理和技术体系。它是由具有一定烘烤专业水平的操作人员专门运作，集中地指导若干种烟农成熟采收、科学烘烤，按照不同品种、部位和烟叶素质的鲜烟叶采取对应烘烤工艺，在确保烤烟质量的前提下，最大幅度地降低烟叶烘烤成本的烘烤模式［1］。在专业化烘烤进程中，既要完善烤房的建造结构、烘烤工艺及烤房设备，又要从节能减排角度出发，降低烘烤成本、提高燃煤利用率，在两者基础上，致力于提高烟叶的外观品质、内在化学成分、物理特性、评析质量及烟草的安全性［2－6］。

专业化烘烤是随着烤烟种植规模化发展、密集烤房集群建设、密集烘烤技术日趋成熟及专业烘烤人才队伍的建立而出现的一种新的烤烟生产模式，它整合了烘烤设备、烘烤技术及烘烤技术人员等各种烘烤资源，在烘烤各环节具有减工、节能、提质、增效等特点。从我国专业化烘烤的发展现状来看，烟叶种植户均面积逐年递增，2006－2007年全国规模化种植调查情况显示，种烟面积0.67 hm2以上的烟农占全国总烟农的11.2%，占总种烟面积的32.5%，同比分别增长48.5%和38.2%。随着种烟规模化程度的提高，密集烤房得到大范围推广，2007年累计推广密集烤房10万余座，烘烤范围占种烟总面积的两成左右，烤房呈现聚群化发展;随着专业化烘烤进程的不断推进，与其配套的烘烤工艺日益完善［7］。在专业化烘烤进程中，烤房也在不断更新与发展中，烤房正在逐步由传统烤房向密集烤房转变，高能耗向低能耗烤房转变，以符合现代烟草产业对专业化烘烤提出的基本要求［8－11］。

1 传统烤房向密集烤房烘烤设备的转变

1.1 烤房供热系统

20世纪70年代以来，农用土烤房采用火管及卧式火炉供热，热量自下而上由空气介质的自然流动来加热烟叶［12］。80年代以后，研究者对烤房的供热设备进行了大量的研究与改进，将土坯火管改为水泥管、陶瓷管、砖瓦管等，并研发了立式火炉［13－15］、蜂窝煤火炉［16］以代替传统立式火炉，在节约能源消耗，提高热能利用率方面作出突出贡献。2008年，陈付军研究表明，立式火炉和蜂窝煤火炉稳温效果持久，可稳温15 h以上，很大程度上提高了温湿度的控制精度。相比而言，立式火炉对燃料要求范围宽泛，适应性更强［17］。在新能源的利用方面，2010年，董贤春等［18］以电能热泵加热为主，辅助以太阳能加热的方式对烟叶烘烤进行研究，结果表明，烘烤成本节约35%，耗能较低，干烟平均电耗能为2.68(kW·h)·kg－1。

1.2 烤房排湿系统

排湿程度决定着烤房内湿度的高低，在较大程度上制约着烟叶的变黄与干燥，是烘烤烟叶的重要技术措施。农用土烤房起初采取增设天窗和地洞的方式进行排湿，由于在排除湿气的同时，将烤房大量的热量带走从而导致热能无效损失，后改冷风洞为多种形式的热风洞［19］。20世纪90年代以来，温湿度自控设备的投入使用，使得天窗和地洞手动控制变为自动控制，便于烤房温湿度的实时和均衡控制。2005年，张保占等［20］对冷热结合下排湿技术进行研究，结果应用该技术烟叶主要化学成分有所变化，烟碱降低0.14～0.52个百分点，还原糖提高1.35～1.55个百分点，质量有较大改善，提高烟叶有效产量5%。2006年，徐增汉等［21］将烤烟自动控温强制排湿装置增设在普通烤房后，烤后烟叶在中上等烟比例、均价、收益等方面都有明显提高，且能够缩短烘烤时间，降低烘烤强度。

1.3 烤房热风循环系统

强制通风热风循环烤房构造为依火炉一方的墙外侧砌筑一条回风管道，上接墙顶部的回风洞(回风洞高于顶棚烟叶)，下接火炉两侧地洞。回风管道分为上 (单条管道)、下两段，下段改为“∧”分支。在烟叶烘烤过程中，选用合适的热风循环风机可以明显降低房内纵向温差，使平面温度均匀，并及时排除烟叶表面水分和促进烟叶内部水分蒸发，提高烟叶烤后质量。2008年，王勇军等做了关于不同风机、电机配置对密集烤房烘烤特性的研究，结果表明，当烟竿距为12 cm时，使用6号风机+1.5/1.1 kW电机时，风速大小适宜，烤房温差较小，烤后烟叶香气质较好，大幅提高烟叶中上等烟比例，且烘烤过程中能够降低能耗，经济效益显著［22］。2009年，王建安等［23］研究普改密式烤房适宜循环风机，通过分析烤房垂直和平面温差以及烤后烟叶的内外品质，得出风量为5 600 m3·h－1、功率250 W轴流风机效果最佳。从烘烤工艺的角度出发，密集烤房最佳风速控制为定色前期(42～47℃)保持风机转速1 450 r·min－1，从47℃升温至60℃逐渐减小风机转速，宜在960 r·min－1，60 ℃以后风机转速保持在 720 r·min－1直至烘烤结束。

1.4 烤房温湿度自控系统

精准的温湿度控制，是烟叶烤好的关键。温湿度自控系统是根据烟叶不同部位的烘烤规律，制定烘烤适合温湿度和时间控制即专家曲线，并将其写入芯片，由温湿度仪根据设定曲线，自动调节烤房内的温湿度。2009年，李仁政等［24］对各种温湿度自控设备进行对比分析，试验表明，从稳定性、能耗、烤后烟叶质量等方面综合评价，设备QZK-3000-82和ARC-Ⅲ表现较为突出，但其实用性和稳定性仍有待提高。同年，王暑［25］应用模糊神经网络原理开发出烟叶烘烤温湿度监控系统，结合智能化控制理论，充分利用神经算法和模糊算法的优点，逐步实现对烟叶烘烤的智能化控制，对提高烟叶的综合生产转化能力有重要意义。

2 传统烤房向密集烤房工艺技术的转变

2.1 传统烤房与密集烤房的烘烤原理比较

传统烤房的烘烤原理是通过火管加热烘烤，在烟层下的地面，有一套间接加热的火管设备，在烤房外面设置烟囱和烧火炉口，利用加热设备表面散热来提高烤房的空气温度，通过烟层的热空气自下而上的自然上升，逐步把烟叶加热。

密集烤房的烘烤原理是通过燃料燃烧产生的热量来加热散热管，散热管加热供热室内部的空气，在循环风机的作用下，形成热气流，通过出风口进入烤房，使烟叶受热、失水、变黄、干燥。热气流加热烟叶之后，温度降低，通过回风口，进入供热室加热。与传统烤房相比，密集烤房具有装烟密度大，强制通风，热风循环，温湿度均匀，排湿顺畅，用工量少等优点。

2.2 装烟密度的增加

标准密集烤房装烟的适宜密度为每烤4 000～5 000 kg，其装烟密度为传统烤房的1.6～2倍。烤房装烟密度是衡量密集烤房烘烤能力大小的重要因素，编烟方式和装烟竿距的不同组合，不仅影响烤房烘烤质量，还影响到劳动力的合理分配。2004年，王松峰等对密集烤房装烟密度与烟叶主要生理指标进行研究，结果表明，装烟密度为55～65 kg· m－3时，烟叶过氧化物酶、淀粉酶、抗坏血酸酶具有较高的活性，且叶绿素含量最低［26］。2007年，王建安等［27］研究表明，普改密式烤房以1.5 m长的烟竿为标竿，每竿50束捆绑 (每束3片烟叶)，竿距14～16 cm时烟叶烘烤效果较好。在横向装烟密度增加的基础上，叠层加密技术即在纵向装烟密度上也进行了研究，2010年，湖北省烟草科研所对3棚的密集烤房进行4棚改造，结果发现烤房棚数的增加并未对烟叶外观质量产生明显影响，其烤房装烟容量提高15%，与传统分层装烟相比，煤耗降低约3%，1 kg干烟从0.29 kW·h降低至0.257 kW·h，电耗降低11.38%。

2.3 烘烤温湿度工艺的改进

传统烤房烘烤工艺阶段划分较多，各个阶段温差较小且持续时间短，升温迅速。因其干球温度曲线成多阶段分布，故称之为多段式烘烤工艺。但由于阶段划分复杂，根据烟叶变化及时升温降湿，凭主观经验烘烤比重较大，这样从某种程度上缩短了各个温度阶段的转化时间，致使叶内物质转化不够充分，香气吃味欠佳，其烘烤关键温湿度指标和烟叶变化程度如表1。

表1 传统烤房烘烤过程关键温湿度指标和烟叶变化程度

密集烤房烘烤工艺在传统烤房烘烤工艺基础上，对烘烤阶段划分进行简化，对各个阶段温湿度进行精准控制，侧重提高对湿球温度的重视程度。密集烤房烘烤工艺是以“低温中湿变黄，中湿定色，相对高湿干筋，控制烘烤各阶段风量风速”为技术核心，其关键温湿度指标和烟叶变化程度如表2。

表2 密集烤房烘烤过程关键温湿度指标和烟叶变化程度

针对密集烤房各个烘烤阶段温湿度控制，科研人员分别在不同温湿度点，对烘烤过程中烟叶内在物质转化、各种酶类活性及致香成分进行研究。2007年，宫长荣等［28］深入研究密集烘烤工艺与烟叶品质的关系，从不同温湿度条件下在变黄期和定色期对烟草各种酶类和MDA含量变化进行分析得出低温中湿变黄和中湿定色烘烤工艺技术能够明显提高烤后烟叶质量。对定色期烟叶类胡萝卜素降解及相关酶活性变化，2008年，宋朝鹏等［29］研究表明，慢速升温定色能够使细胞内氧化还原反应达到动态平衡，较好地调控各种酶类的活性变化，充分降解类胡萝卜素，避免酶促棕色化反应的发生。2008年，代丽等［30］对密集烤房变黄期温湿度进行研究，结果表明，在低温中湿 (干球温度38℃，相对湿度85% ～30%)变黄条件下，能够显著提高烟草草酸、苹果酸等酸性致香成分以及一些中性致香物质如苯甲醇、巨豆三烯酮、茄酮等的含量，对提高烟叶香气质、香气量有重要影响。2009年，张晓远等［31］对变黄期温湿度及持续时间对上部烟叶呼吸速率和化学成分影响进行分析，研究结果表明，变黄期不同温湿度及持续时间处理的上部烟叶呼吸速率在44 h和64～68 h出现2个高峰，进而得出变黄期湿球球温度分别为37.5℃和40～42℃，且持续24 h，能够使烟叶保持较高的呼吸速率，促进烟叶内含物质充分转化，提高中性致香物质含量，降低烟叶淀粉含量。

3 高能耗向低能耗烤房的转变

烟叶烘烤的实质就是烟叶脱水干燥的物理过程和生物化学变化过程的统一，烟叶在进行物理变化和化学变化的同时，需要从外界环境摄取大量热量。在烘烤的各个阶段，其热能消耗程度是不同的，变黄期、定色期的消耗占总热能的60%，此期对烟叶品质的形成起主导作用;干筋期消耗40%的热能，但对烟叶香气物质形成只有较小的影响。从节能烤房的角度出发，对烤房结构进行优化从而减少热散失，提高有效热，减少无效热。煤炭作为主要供能物质，提高煤炭利用率，降低污染物质排放，一直是研究的重点。密集烤房的逐渐普及使得烘烤1 kg干烟原来需消耗2.5 kg标煤降低为现在的 1.5～2.0 kg，煤炭利用率提高了 20%～ 30%［32］。

3.1 提高煤炉效率，降低燃煤能耗

传统烤房采用卧式散煤火炉，在结构与性能上存在诸多不足之处，燃烧散煤不仅用工量大、劳动强度高，而且温度难以掌控，常导致烤房温度高低不定，烤房内不均衡的温度变化影响各个烘烤阶段烟叶内部物质的转化，从而降低烤烟的产量和品质。传统烤房火炉要经常进行加煤、拨火、捡渣等作业，致使没有完全燃烧的煤炭多数掉为炉渣，其不可燃成分比例高达15%。2004年，蒋笃忠等［33］研制的多方式燃烧炉应用效果显著，其燃料类型与方式可多样化，与传统卧式散煤炉相比，多方式燃烧炉燃料燃烧完全，在降低燃煤量的同时，烤房温度更容易控制，统计得出1 kg干烟耗煤量降低0.38 kg，节约燃煤12.38%。同年，李春乔等分别对立式炉两侧分火烤房、立式炉正面分火烤房、韩国式烤炉、巴西式烤炉和旧式烤炉的烘烤特性进行对比研究，结果表明，巴西式烤炉对下部烟叶烘烤效果最好，在中上等烟比例、均价等方面都显著优于其他烤房，但因其烤房建造成本高，耗煤量大而不能广泛推广。综合评价，立式正面分火烤房在各方面总体较好，节煤性能优，尤其对上部烟叶烘烤效果最好，提高了上部烟叶的可用性［34］。2009年，秦明刚等［35］充分利用热风炉废烟气的余热资源来烘烤焦炭，降低焦炭中的水分，打破了以焦比上升，产量下降为代价来保证炉火稳定的格局，节能降耗。

3.2 热湿回收利用，提高热能利用率

热湿回收能够有效提高烤房热能利用率，是节能的重要方法之一。烘烤过程中，干燥方式是利用热空气给烟叶提供能量使其内部水分蒸发，通过湿热空气的不断流动将水分蒸发。在传统烤房基础上增设热风循环系统，在烘烤的各个阶段，显著提高有效热的利用程度，降低无效热，减少无效热的比率为19.6%。提高湿热回收利用率，对烘烤设备做如下改进:一是提高烘烤设备温湿度控制的准确性与自动化程度;二是提高烤房的密闭性，减少热散失［36］。2010年，孙赔和等［37］对高温热泵烤房的研究表明，热泵在把电能转换为热能的同时，能够回收排湿散失的热量，在燃煤的利用方面可节煤10%以上，烤后烟叶色泽好，油分足，能改善烟叶外观质量，提高烟叶内在品质。根据烘烤过程中烤房热湿的排放特点，可通过烤房热风循环、热湿阶梯利用等方式，直接利用烤房热湿，亦可通过换热器、热泵的湿热回收作用，间接回收利用烤房的热湿空气。

3.3 煤转气集中供能，减少热能损失

煤转气集中供能系统由热源、热传输通道和烤房3个部分组成。煤转气是一个热化学过程，它以煤为原料，以空气与蒸汽的混合气体为气化剂，在高温条件下通过化学反应将煤中的可燃部分转化为气体燃料的过程。煤转气技术已在钢铁高效燃烧冶炼技术中得以广泛应用［38］，在烟叶烘烤集中供热方面，正在不断研究与探索。煤转气集中供能技术的应用，将显著降低烘烤过程中的劳动强度，从而节约劳动力。

4 专业化烘烤工厂的组建及运行

2007－2008年曾提出，烤房建设，起点要高、定位要准、规模推进、系统设计、流程生产、标准作业、规范管理、创新发展［39］。密集烤房的广泛推广，在提高烟叶品质、减轻用工、节约能耗等诸多方面成效显著。但与我国烟草产业的专业化服务、规模化发展的要求还存在很大距离。在此形势下，实现从传统烘烤向专业烘烤的过渡正是我国烘烤工作发展的必然趋势［40］。

现代烟草农业生产的发展方向是适度规模化、集约化、专业化和信息化，专业化烘烤工厂的组建势在必行。随着烟区劳动力转移、户均种烟面积、土地资源流转的不断变化，我国烤房建造形式也进行着不断更新。烤房建造先后经历了4个发展阶段，分别为传统土烤房、标准化普通烤房、热风循环式烤房和密集式烤房。随着种烟规模的不断扩大，原有烘烤规模和烘烤工艺技术已不能满足发展的需要，专业化烘烤工厂的组建已成为发展的趋势。专业化烘烤工厂的组建及运行需具有一定的体系结构，即“六队四组”，六队包括采收专业队、运输专业队、编烟专业队、装炉专业队、烘烤专业队、分级专业队，四组包括标准监管组、质量监评组、后勤保障组和费用结算组。当地政府和烟草公司联合对烘烤工厂的筹建、运行，烟叶质量进行监督管理。烘烤工厂根据生产实际，确立烘烤各环节的操作标准，建立完善的岗位责任制、绩效考核办法和综合评价体系，以绩定酬、按劳分配，实行标准化、规范化管理，通过一系列有效措施提高烘烤各环节的工作效率和烘烤技术到位率，降低烘烤成本，提升烤房资源利用率和烟叶质量，增加经济效益。

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TS 43

A

0528-9017(2011)03-0601-05

文献著录格式:徐成龙，贺帆，周琳，等.专业化烘烤烤烟设备与工艺转变研究进展 ［J］.浙江农业科学，2011(3):601－605.

2011-03-08

徐成龙 (1988－)，男，锡伯族，河南洛阳人，在读研究生，主要研究烟草调制等。E-mail:wwdzxcl@126.com。

注:宫长荣系通信作者。E-mail:gongchr009@126.com。

(责任编辑:张才德)