徐成龍,賀 帆,周 琳,王文超,王 濤,劉會杰,宮長榮
(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院,河南 鄭州 450002)
專業(yè)化烘烤烤煙設(shè)備與工藝轉(zhuǎn)變研究進(jìn)展
徐成龍,賀 帆,周 琳,王文超,王 濤,劉會杰,宮長榮
(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 煙草學(xué)院,河南 鄭州 450002)
從傳統(tǒng)烤房向密集烤房烘烤設(shè)備與工藝技術(shù)轉(zhuǎn)變的角度出發(fā),論述新式烘烤設(shè)備與工藝技術(shù)的應(yīng)用前景,及高能耗向低能耗烤房轉(zhuǎn)變的研究進(jìn)展,最后提出專業(yè)化烘烤工廠模式的組建及運(yùn)行。
烤煙;烘烤設(shè)備;專業(yè)化烘烤;工藝技術(shù);烘烤工廠
烤煙的專業(yè)化烘烤是按照專業(yè)化分工、社會化服務(wù)、市場化運(yùn)作、信息化管理的要求,把現(xiàn)代科技成果、管理方式與傳統(tǒng)烘烤模式精華相結(jié)合而建立起來的一套完整的經(jīng)濟(jì)組織管理和技術(shù)體系。它是由具有一定烘烤專業(yè)水平的操作人員專門運(yùn)作,集中地指導(dǎo)若干種煙農(nóng)成熟采收、科學(xué)烘烤,按照不同品種、部位和煙葉素質(zhì)的鮮煙葉采取對應(yīng)烘烤工藝,在確保烤煙質(zhì)量的前提下,最大幅度地降低煙葉烘烤成本的烘烤模式[1]。在專業(yè)化烘烤進(jìn)程中,既要完善烤房的建造結(jié)構(gòu)、烘烤工藝及烤房設(shè)備,又要從節(jié)能減排角度出發(fā),降低烘烤成本、提高燃煤利用率,在兩者基礎(chǔ)上,致力于提高煙葉的外觀品質(zhì)、內(nèi)在化學(xué)成分、物理特性、評析質(zhì)量及煙草的安全性[2-6]。
專業(yè)化烘烤是隨著烤煙種植規(guī)模化發(fā)展、密集烤房集群建設(shè)、密集烘烤技術(shù)日趨成熟及專業(yè)烘烤人才隊伍的建立而出現(xiàn)的一種新的烤煙生產(chǎn)模式,它整合了烘烤設(shè)備、烘烤技術(shù)及烘烤技術(shù)人員等各種烘烤資源,在烘烤各環(huán)節(jié)具有減工、節(jié)能、提質(zhì)、增效等特點(diǎn)。從我國專業(yè)化烘烤的發(fā)展現(xiàn)狀來看,煙葉種植戶均面積逐年遞增,2006-2007年全國規(guī)?;N植調(diào)查情況顯示,種煙面積0.67 hm2以上的煙農(nóng)占全國總煙農(nóng)的11.2%,占總種煙面積的32.5%,同比分別增長48.5%和38.2%。隨著種煙規(guī)?;潭鹊奶岣?,密集烤房得到大范圍推廣,2007年累計推廣密集烤房10萬余座,烘烤范圍占種煙總面積的兩成左右,烤房呈現(xiàn)聚群化發(fā)展;隨著專業(yè)化烘烤進(jìn)程的不斷推進(jìn),與其配套的烘烤工藝日益完善[7]。在專業(yè)化烘烤進(jìn)程中,烤房也在不斷更新與發(fā)展中,烤房正在逐步由傳統(tǒng)烤房向密集烤房轉(zhuǎn)變,高能耗向低能耗烤房轉(zhuǎn)變,以符合現(xiàn)代煙草產(chǎn)業(yè)對專業(yè)化烘烤提出的基本要求[8-11]。
20世紀(jì)70年代以來,農(nóng)用土烤房采用火管及臥式火爐供熱,熱量自下而上由空氣介質(zhì)的自然流動來加熱煙葉[12]。80年代以后,研究者對烤房的供熱設(shè)備進(jìn)行了大量的研究與改進(jìn),將土坯火管改為水泥管、陶瓷管、磚瓦管等,并研發(fā)了立式火爐[13-15]、蜂窩煤火爐[16]以代替?zhèn)鹘y(tǒng)立式火爐,在節(jié)約能源消耗,提高熱能利用率方面作出突出貢獻(xiàn)。2008年,陳付軍研究表明,立式火爐和蜂窩煤火爐穩(wěn)溫效果持久,可穩(wěn)溫15 h以上,很大程度上提高了溫濕度的控制精度。相比而言,立式火爐對燃料要求范圍寬泛,適應(yīng)性更強(qiáng)[17]。在新能源的利用方面,2010年,董賢春等[18]以電能熱泵加熱為主,輔助以太陽能加熱的方式對煙葉烘烤進(jìn)行研究,結(jié)果表明,烘烤成本節(jié)約35%,耗能較低,干煙平均電耗能為2.68(kW·h)·kg-1。
排濕程度決定著烤房內(nèi)濕度的高低,在較大程度上制約著煙葉的變黃與干燥,是烘烤煙葉的重要技術(shù)措施。農(nóng)用土烤房起初采取增設(shè)天窗和地洞的方式進(jìn)行排濕,由于在排除濕氣的同時,將烤房大量的熱量帶走從而導(dǎo)致熱能無效損失,后改冷風(fēng)洞為多種形式的熱風(fēng)洞[19]。20世紀(jì)90年代以來,溫濕度自控設(shè)備的投入使用,使得天窗和地洞手動控制變?yōu)樽詣涌刂?,便于烤房溫濕度的實時和均衡控制。2005年,張保占等[20]對冷熱結(jié)合下排濕技術(shù)進(jìn)行研究,結(jié)果應(yīng)用該技術(shù)煙葉主要化學(xué)成分有所變化,煙堿降低0.14~0.52個百分點(diǎn),還原糖提高1.35~1.55個百分點(diǎn),質(zhì)量有較大改善,提高煙葉有效產(chǎn)量5%。2006年,徐增漢等[21]將烤煙自動控溫強(qiáng)制排濕裝置增設(shè)在普通烤房后,烤后煙葉在中上等煙比例、均價、收益等方面都有明顯提高,且能夠縮短烘烤時間,降低烘烤強(qiáng)度。
強(qiáng)制通風(fēng)熱風(fēng)循環(huán)烤房構(gòu)造為依火爐一方的墻外側(cè)砌筑一條回風(fēng)管道,上接墻頂部的回風(fēng)洞(回風(fēng)洞高于頂棚煙葉),下接火爐兩側(cè)地洞?;仫L(fēng)管道分為上 (單條管道)、下兩段,下段改為“∧”分支。在煙葉烘烤過程中,選用合適的熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)可以明顯降低房內(nèi)縱向溫差,使平面溫度均勻,并及時排除煙葉表面水分和促進(jìn)煙葉內(nèi)部水分蒸發(fā),提高煙葉烤后質(zhì)量。2008年,王勇軍等做了關(guān)于不同風(fēng)機(jī)、電機(jī)配置對密集烤房烘烤特性的研究,結(jié)果表明,當(dāng)煙竿距為12 cm時,使用6號風(fēng)機(jī)+1.5/1.1 kW電機(jī)時,風(fēng)速大小適宜,烤房溫差較小,烤后煙葉香氣質(zhì)較好,大幅提高煙葉中上等煙比例,且烘烤過程中能夠降低能耗,經(jīng)濟(jì)效益顯著[22]。2009年,王建安等[23]研究普改密式烤房適宜循環(huán)風(fēng)機(jī),通過分析烤房垂直和平面溫差以及烤后煙葉的內(nèi)外品質(zhì),得出風(fēng)量為5 600 m3·h-1、功率250 W軸流風(fēng)機(jī)效果最佳。從烘烤工藝的角度出發(fā),密集烤房最佳風(fēng)速控制為定色前期(42~47℃)保持風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 450 r·min-1,從47℃升溫至60℃逐漸減小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,宜在960 r·min-1,60 ℃以后風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持在 720 r·min-1直至烘烤結(jié)束。
精準(zhǔn)的溫濕度控制,是煙葉烤好的關(guān)鍵。溫濕度自控系統(tǒng)是根據(jù)煙葉不同部位的烘烤規(guī)律,制定烘烤適合溫濕度和時間控制即專家曲線,并將其寫入芯片,由溫濕度儀根據(jù)設(shè)定曲線,自動調(diào)節(jié)烤房內(nèi)的溫濕度。2009年,李仁政等[24]對各種溫濕度自控設(shè)備進(jìn)行對比分析,試驗表明,從穩(wěn)定性、能耗、烤后煙葉質(zhì)量等方面綜合評價,設(shè)備QZK-3000-82和ARC-Ⅲ表現(xiàn)較為突出,但其實用性和穩(wěn)定性仍有待提高。同年,王暑[25]應(yīng)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理開發(fā)出煙葉烘烤溫濕度監(jiān)控系統(tǒng),結(jié)合智能化控制理論,充分利用神經(jīng)算法和模糊算法的優(yōu)點(diǎn),逐步實現(xiàn)對煙葉烘烤的智能化控制,對提高煙葉的綜合生產(chǎn)轉(zhuǎn)化能力有重要意義。
傳統(tǒng)烤房的烘烤原理是通過火管加熱烘烤,在煙層下的地面,有一套間接加熱的火管設(shè)備,在烤房外面設(shè)置煙囪和燒火爐口,利用加熱設(shè)備表面散熱來提高烤房的空氣溫度,通過煙層的熱空氣自下而上的自然上升,逐步把煙葉加熱。
密集烤房的烘烤原理是通過燃料燃燒產(chǎn)生的熱量來加熱散熱管,散熱管加熱供熱室內(nèi)部的空氣,在循環(huán)風(fēng)機(jī)的作用下,形成熱氣流,通過出風(fēng)口進(jìn)入烤房,使煙葉受熱、失水、變黃、干燥。熱氣流加熱煙葉之后,溫度降低,通過回風(fēng)口,進(jìn)入供熱室加熱。與傳統(tǒng)烤房相比,密集烤房具有裝煙密度大,強(qiáng)制通風(fēng),熱風(fēng)循環(huán),溫濕度均勻,排濕順暢,用工量少等優(yōu)點(diǎn)。
標(biāo)準(zhǔn)密集烤房裝煙的適宜密度為每烤4 000~5 000 kg,其裝煙密度為傳統(tǒng)烤房的1.6~2倍??痉垦b煙密度是衡量密集烤房烘烤能力大小的重要因素,編煙方式和裝煙竿距的不同組合,不僅影響烤房烘烤質(zhì)量,還影響到勞動力的合理分配。2004年,王松峰等對密集烤房裝煙密度與煙葉主要生理指標(biāo)進(jìn)行研究,結(jié)果表明,裝煙密度為55~65 kg· m-3時,煙葉過氧化物酶、淀粉酶、抗壞血酸酶具有較高的活性,且葉綠素含量最低[26]。2007年,王建安等[27]研究表明,普改密式烤房以1.5 m長的煙竿為標(biāo)竿,每竿50束捆綁 (每束3片煙葉),竿距14~16 cm時煙葉烘烤效果較好。在橫向裝煙密度增加的基礎(chǔ)上,疊層加密技術(shù)即在縱向裝煙密度上也進(jìn)行了研究,2010年,湖北省煙草科研所對3棚的密集烤房進(jìn)行4棚改造,結(jié)果發(fā)現(xiàn)烤房棚數(shù)的增加并未對煙葉外觀質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響,其烤房裝煙容量提高15%,與傳統(tǒng)分層裝煙相比,煤耗降低約3%,1 kg干煙從0.29 kW·h降低至0.257 kW·h,電耗降低11.38%。
傳統(tǒng)烤房烘烤工藝階段劃分較多,各個階段溫差較小且持續(xù)時間短,升溫迅速。因其干球溫度曲線成多階段分布,故稱之為多段式烘烤工藝。但由于階段劃分復(fù)雜,根據(jù)煙葉變化及時升溫降濕,憑主觀經(jīng)驗烘烤比重較大,這樣從某種程度上縮短了各個溫度階段的轉(zhuǎn)化時間,致使葉內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化不夠充分,香氣吃味欠佳,其烘烤關(guān)鍵溫濕度指標(biāo)和煙葉變化程度如表1。
表1 傳統(tǒng)烤房烘烤過程關(guān)鍵溫濕度指標(biāo)和煙葉變化程度
密集烤房烘烤工藝在傳統(tǒng)烤房烘烤工藝基礎(chǔ)上,對烘烤階段劃分進(jìn)行簡化,對各個階段溫濕度進(jìn)行精準(zhǔn)控制,側(cè)重提高對濕球溫度的重視程度。密集烤房烘烤工藝是以“低溫中濕變黃,中濕定色,相對高濕干筋,控制烘烤各階段風(fēng)量風(fēng)速”為技術(shù)核心,其關(guān)鍵溫濕度指標(biāo)和煙葉變化程度如表2。
表2 密集烤房烘烤過程關(guān)鍵溫濕度指標(biāo)和煙葉變化程度
針對密集烤房各個烘烤階段溫濕度控制,科研人員分別在不同溫濕度點(diǎn),對烘烤過程中煙葉內(nèi)在物質(zhì)轉(zhuǎn)化、各種酶類活性及致香成分進(jìn)行研究。2007年,宮長榮等[28]深入研究密集烘烤工藝與煙葉品質(zhì)的關(guān)系,從不同溫濕度條件下在變黃期和定色期對煙草各種酶類和MDA含量變化進(jìn)行分析得出低溫中濕變黃和中濕定色烘烤工藝技術(shù)能夠明顯提高烤后煙葉質(zhì)量。對定色期煙葉類胡蘿卜素降解及相關(guān)酶活性變化,2008年,宋朝鵬等[29]研究表明,慢速升溫定色能夠使細(xì)胞內(nèi)氧化還原反應(yīng)達(dá)到動態(tài)平衡,較好地調(diào)控各種酶類的活性變化,充分降解類胡蘿卜素,避免酶促棕色化反應(yīng)的發(fā)生。2008年,代麗等[30]對密集烤房變黃期溫濕度進(jìn)行研究,結(jié)果表明,在低溫中濕 (干球溫度38℃,相對濕度85% ~30%)變黃條件下,能夠顯著提高煙草草酸、蘋果酸等酸性致香成分以及一些中性致香物質(zhì)如苯甲醇、巨豆三烯酮、茄酮等的含量,對提高煙葉香氣質(zhì)、香氣量有重要影響。2009年,張曉遠(yuǎn)等[31]對變黃期溫濕度及持續(xù)時間對上部煙葉呼吸速率和化學(xué)成分影響進(jìn)行分析,研究結(jié)果表明,變黃期不同溫濕度及持續(xù)時間處理的上部煙葉呼吸速率在44 h和64~68 h出現(xiàn)2個高峰,進(jìn)而得出變黃期濕球球溫度分別為37.5℃和40~42℃,且持續(xù)24 h,能夠使煙葉保持較高的呼吸速率,促進(jìn)煙葉內(nèi)含物質(zhì)充分轉(zhuǎn)化,提高中性致香物質(zhì)含量,降低煙葉淀粉含量。
煙葉烘烤的實質(zhì)就是煙葉脫水干燥的物理過程和生物化學(xué)變化過程的統(tǒng)一,煙葉在進(jìn)行物理變化和化學(xué)變化的同時,需要從外界環(huán)境攝取大量熱量。在烘烤的各個階段,其熱能消耗程度是不同的,變黃期、定色期的消耗占總熱能的60%,此期對煙葉品質(zhì)的形成起主導(dǎo)作用;干筋期消耗40%的熱能,但對煙葉香氣物質(zhì)形成只有較小的影響。從節(jié)能烤房的角度出發(fā),對烤房結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化從而減少熱散失,提高有效熱,減少無效熱。煤炭作為主要供能物質(zhì),提高煤炭利用率,降低污染物質(zhì)排放,一直是研究的重點(diǎn)。密集烤房的逐漸普及使得烘烤1 kg干煙原來需消耗2.5 kg標(biāo)煤降低為現(xiàn)在的 1.5~2.0 kg,煤炭利用率提高了 20%~ 30%[32]。
傳統(tǒng)烤房采用臥式散煤火爐,在結(jié)構(gòu)與性能上存在諸多不足之處,燃燒散煤不僅用工量大、勞動強(qiáng)度高,而且溫度難以掌控,常導(dǎo)致烤房溫度高低不定,烤房內(nèi)不均衡的溫度變化影響各個烘烤階段煙葉內(nèi)部物質(zhì)的轉(zhuǎn)化,從而降低烤煙的產(chǎn)量和品質(zhì)。傳統(tǒng)烤房火爐要經(jīng)常進(jìn)行加煤、撥火、撿渣等作業(yè),致使沒有完全燃燒的煤炭多數(shù)掉為爐渣,其不可燃成分比例高達(dá)15%。2004年,蔣篤忠等[33]研制的多方式燃燒爐應(yīng)用效果顯著,其燃料類型與方式可多樣化,與傳統(tǒng)臥式散煤爐相比,多方式燃燒爐燃料燃燒完全,在降低燃煤量的同時,烤房溫度更容易控制,統(tǒng)計得出1 kg干煙耗煤量降低0.38 kg,節(jié)約燃煤12.38%。同年,李春喬等分別對立式爐兩側(cè)分火烤房、立式爐正面分火烤房、韓國式烤爐、巴西式烤爐和舊式烤爐的烘烤特性進(jìn)行對比研究,結(jié)果表明,巴西式烤爐對下部煙葉烘烤效果最好,在中上等煙比例、均價等方面都顯著優(yōu)于其他烤房,但因其烤房建造成本高,耗煤量大而不能廣泛推廣。綜合評價,立式正面分火烤房在各方面總體較好,節(jié)煤性能優(yōu),尤其對上部煙葉烘烤效果最好,提高了上部煙葉的可用性[34]。2009年,秦明剛等[35]充分利用熱風(fēng)爐廢煙氣的余熱資源來烘烤焦炭,降低焦炭中的水分,打破了以焦比上升,產(chǎn)量下降為代價來保證爐火穩(wěn)定的格局,節(jié)能降耗。
熱濕回收能夠有效提高烤房熱能利用率,是節(jié)能的重要方法之一。烘烤過程中,干燥方式是利用熱空氣給煙葉提供能量使其內(nèi)部水分蒸發(fā),通過濕熱空氣的不斷流動將水分蒸發(fā)。在傳統(tǒng)烤房基礎(chǔ)上增設(shè)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng),在烘烤的各個階段,顯著提高有效熱的利用程度,降低無效熱,減少無效熱的比率為19.6%。提高濕熱回收利用率,對烘烤設(shè)備做如下改進(jìn):一是提高烘烤設(shè)備溫濕度控制的準(zhǔn)確性與自動化程度;二是提高烤房的密閉性,減少熱散失[36]。2010年,孫賠和等[37]對高溫?zé)岜每痉康难芯勘砻?,熱泵在把電能轉(zhuǎn)換為熱能的同時,能夠回收排濕散失的熱量,在燃煤的利用方面可節(jié)煤10%以上,烤后煙葉色澤好,油分足,能改善煙葉外觀質(zhì)量,提高煙葉內(nèi)在品質(zhì)。根據(jù)烘烤過程中烤房熱濕的排放特點(diǎn),可通過烤房熱風(fēng)循環(huán)、熱濕階梯利用等方式,直接利用烤房熱濕,亦可通過換熱器、熱泵的濕熱回收作用,間接回收利用烤房的熱濕空氣。
煤轉(zhuǎn)氣集中供能系統(tǒng)由熱源、熱傳輸通道和烤房3個部分組成。煤轉(zhuǎn)氣是一個熱化學(xué)過程,它以煤為原料,以空氣與蒸汽的混合氣體為氣化劑,在高溫條件下通過化學(xué)反應(yīng)將煤中的可燃部分轉(zhuǎn)化為氣體燃料的過程。煤轉(zhuǎn)氣技術(shù)已在鋼鐵高效燃燒冶煉技術(shù)中得以廣泛應(yīng)用[38],在煙葉烘烤集中供熱方面,正在不斷研究與探索。煤轉(zhuǎn)氣集中供能技術(shù)的應(yīng)用,將顯著降低烘烤過程中的勞動強(qiáng)度,從而節(jié)約勞動力。
2007-2008年曾提出,烤房建設(shè),起點(diǎn)要高、定位要準(zhǔn)、規(guī)模推進(jìn)、系統(tǒng)設(shè)計、流程生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)、規(guī)范管理、創(chuàng)新發(fā)展[39]。密集烤房的廣泛推廣,在提高煙葉品質(zhì)、減輕用工、節(jié)約能耗等諸多方面成效顯著。但與我國煙草產(chǎn)業(yè)的專業(yè)化服務(wù)、規(guī)?;l(fā)展的要求還存在很大距離。在此形勢下,實現(xiàn)從傳統(tǒng)烘烤向?qū)I(yè)烘烤的過渡正是我國烘烤工作發(fā)展的必然趨勢[40]。
現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展方向是適度規(guī)模化、集約化、專業(yè)化和信息化,專業(yè)化烘烤工廠的組建勢在必行。隨著煙區(qū)勞動力轉(zhuǎn)移、戶均種煙面積、土地資源流轉(zhuǎn)的不斷變化,我國烤房建造形式也進(jìn)行著不斷更新??痉拷ㄔ煜群蠼?jīng)歷了4個發(fā)展階段,分別為傳統(tǒng)土烤房、標(biāo)準(zhǔn)化普通烤房、熱風(fēng)循環(huán)式烤房和密集式烤房。隨著種煙規(guī)模的不斷擴(kuò)大,原有烘烤規(guī)模和烘烤工藝技術(shù)已不能滿足發(fā)展的需要,專業(yè)化烘烤工廠的組建已成為發(fā)展的趨勢。專業(yè)化烘烤工廠的組建及運(yùn)行需具有一定的體系結(jié)構(gòu),即“六隊四組”,六隊包括采收專業(yè)隊、運(yùn)輸專業(yè)隊、編煙專業(yè)隊、裝爐專業(yè)隊、烘烤專業(yè)隊、分級專業(yè)隊,四組包括標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)管組、質(zhì)量監(jiān)評組、后勤保障組和費(fèi)用結(jié)算組。當(dāng)?shù)卣蜔煵莨韭?lián)合對烘烤工廠的籌建、運(yùn)行,煙葉質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)督管理。烘烤工廠根據(jù)生產(chǎn)實際,確立烘烤各環(huán)節(jié)的操作標(biāo)準(zhǔn),建立完善的崗位責(zé)任制、績效考核辦法和綜合評價體系,以績定酬、按勞分配,實行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化管理,通過一系列有效措施提高烘烤各環(huán)節(jié)的工作效率和烘烤技術(shù)到位率,降低烘烤成本,提升烤房資源利用率和煙葉質(zhì)量,增加經(jīng)濟(jì)效益。
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A
0528-9017(2011)03-0601-05
文獻(xiàn)著錄格式:徐成龍,賀帆,周琳,等.專業(yè)化烘烤烤煙設(shè)備與工藝轉(zhuǎn)變研究進(jìn)展 [J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2011(3):601-605.
2011-03-08
徐成龍 (1988-),男,錫伯族,河南洛陽人,在讀研究生,主要研究煙草調(diào)制等。E-mail:wwdzxcl@126.com。
注:宮長榮系通信作者。E-mail:gongchr009@126.com。
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