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      廣東密集烤房及其配套工藝發(fā)展的回顧與展望

      2018-04-16 07:10:42黃景崇石錦輝李俊業(yè)李淮源鄧世媛陳建軍
      江西農(nóng)業(yè)學(xué)報 2018年4期
      關(guān)鍵詞:烤房濃香型煙區(qū)

      黃景崇,石錦輝,李俊業(yè),李淮源,鄧世媛,陳建軍*

      (1.廣東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司,廣東 廣州 510610;2.深圳煙草工業(yè)有限責(zé)任公司,廣東 深圳 518109;3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué),廣東 廣州 510642)

      廣東煙區(qū)雖然有300多年的種煙歷史,但烤煙生產(chǎn)發(fā)展歷史不長,自20世紀(jì)80年代中期,南雄煙區(qū)發(fā)展成為我國著名的濃香型優(yōu)質(zhì)煙葉產(chǎn)區(qū)。目前,廣東烤煙面臨的主要問題是烤煙濃香型風(fēng)格弱化、品牌需求的優(yōu)質(zhì)煙葉供給不足等,優(yōu)化煙葉結(jié)構(gòu)、增加優(yōu)質(zhì)煙葉原料供應(yīng)能力已經(jīng)成為關(guān)系煙草行業(yè)發(fā)展全局性的問題,而發(fā)展烤煙烘烤設(shè)備和工藝條件是解決這一問題的主要途徑之一。

      密集烤房是烤煙的專用設(shè)備,我國于20世紀(jì)70年代開始研發(fā)密集烤房[1]。在幾十年的發(fā)展中,成功引進(jìn)、研發(fā)熱風(fēng)循環(huán)烤房,普改密烤房,第一代、第二代密集烤房。廣東省應(yīng)用、推廣密集烤房已有幾十年的歷史,但對密集烤房、密集烘烤工藝相關(guān)研究較少,配套工藝的推廣應(yīng)用也比較滯后。近年的調(diào)查研究表明,廣東煙區(qū)密集烤房烘烤設(shè)備已進(jìn)入嚴(yán)重老化損毀期,每年約有1000余座烤房烘烤設(shè)備亟需更新,煙葉濃香風(fēng)格也開始呈現(xiàn)弱化的趨勢[2]。本文系統(tǒng)闡述了廣東煙區(qū)密集烤房近幾十年來的發(fā)展歷程、推廣現(xiàn)狀與相應(yīng)的科研成果,并結(jié)合目前國內(nèi)密集烤房推廣、使用出現(xiàn)的問題,提出了廣東煙區(qū)密集烤房改進(jìn)思路,以期為廣東省煙葉密集烘烤研究,以及組裝彰顯濃香型煙葉風(fēng)格的密集烘烤技術(shù)提供依據(jù)和借鑒。

      1 廣東密集烤房發(fā)展歷史

      1976年,第一代密集烤房(時稱“堆積烤房”)開始在湛江的高州、韶關(guān)的南雄等地推廣,全省累計推廣十余例。由于這種大容量的烤房與當(dāng)時的生產(chǎn)體制不相適應(yīng),因而未能得到廣泛推廣,但這種新型烤房的優(yōu)點(diǎn)具有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用潛力。在此后的20多年里,樂昌、南雄等產(chǎn)區(qū),為嘗試集約化烘烤或集約化種煙,陸續(xù)新建了約40余座這種烤房。

      2003年,廣東煙區(qū)引進(jìn)安徽省AH系列懸浮式蜂窩煤爐密集烤房,通過實(shí)地使用,證明了其優(yōu)越性。然而,該烤房結(jié)構(gòu)設(shè)計不完善,烘烤設(shè)備不規(guī)范,烘烤工藝存在缺陷,同時未配套自控技術(shù),因此其烘烤效果并不理想。在2004年的試驗(yàn)推廣中,開始對引進(jìn)的密集烤房進(jìn)行改進(jìn):一是開展了“二次配熱”技術(shù)研究,通過對軸流風(fēng)機(jī)的規(guī)范選型、設(shè)計和制造,完善了烤房設(shè)計,使得2004年的密集烤房推廣成功率提高到了100%;二是改簡易煙夾夾持煙葉為竹竿編煙,有效地克服了烤后煙葉因平板而不上等級的問題;三是根據(jù)密集烤房裝煙容量大、強(qiáng)制通風(fēng)等獨(dú)有的特性,制定了密集烘烤工藝操作規(guī)范,又將烘烤效果的優(yōu)良率提高到了60%以上。2005年嘗試了變鋼體爐膛為磚砌的“遂道式”爐膛,變煤框裝煤燒火方式為大加煤量的“一次性加煤”燒火方式,再次將節(jié)煤率由原來的10%~15%再提高至近30%。至2006年烤季開始時止,全省共建成投用密集烤房,達(dá)1912座,面積覆蓋率約達(dá)16.9%,其中GK-3型數(shù)量達(dá)1032座,占總數(shù)的54%。

      2 廣東省密集烤房及其配套工藝研究現(xiàn)狀

      2.1 烤房結(jié)構(gòu)優(yōu)化

      2005年,廣東省主推密集烤房的型號為GK-0型,即裝煙室8 m×2.7 m氣流下降式密集烤房,并配套了自動控制的烤煙監(jiān)控儀。這種烤房使其烘烤過程的濕球溫度得到了較為精確的控制,但其干球溫度的控制仍不到位。廣東省現(xiàn)有密集烤房普遍存在著干球溫度控制不準(zhǔn)確、熱效率較低等問題。為此廣東省煙草南雄科學(xué)研究所設(shè)計了以“二次配熱”技術(shù)為基礎(chǔ),適應(yīng)散葉裝烤和配備自控制設(shè)施的新式氣流上升式和氣流下降式GK系列密集烤房:中型上升式二次配熱密集烤房GK-2型、大型上升試二次配密集烤房GK-3型、中型下降式二次配熱密集烤房GK-1型、大型下降式二次配熱密集烤房GK-4型。在荷載狀況下,GK系列“二次配熱”密集烤房能夠準(zhǔn)確平穩(wěn)的控制干球溫度,同時水平與垂直溫差小,烤房排濕順暢,并且有效提高了綜合熱效率,各指標(biāo)達(dá)到了密集烘烤的需求[3]。

      2006年,廣東省針對產(chǎn)區(qū)煙農(nóng)普遍使用的普通烤房進(jìn)行改造,設(shè)計出配套煙葉烘烤自控設(shè)備的普改密烤房:CK-5-1型、CK-5-2型、GK-5型立式密集烤房。該系列烤房在保證烤后質(zhì)量的前提下,降低了造價和改造投入,同時能耗較低。但其裝煙量少,僅適合種煙1.33 hm2以下的中戶、散戶使用。廣東省各型號密集烤房見圖1~圖4。

      圖1 GK-1/GK-4型下降式二次配熱密集烤房

      2.2 烘烤自控設(shè)備開發(fā)

      2.2.1烘烤自控技術(shù)密集烤房因其顯著的優(yōu)越性,使其普及率迅速提高,但相應(yīng)的烘烤工藝卻沒得到及時完善[4]。由人工控制烤房內(nèi)部溫度和濕度的傳統(tǒng)方式,其勞動強(qiáng)度大、操作流程復(fù)雜、規(guī)格不統(tǒng)一。由于其既不能精確地控制烤房內(nèi)的溫濕度,也不準(zhǔn)確地控制烘烤進(jìn)程,使得其烤出的煙葉工業(yè)利用率較低[5]。近幾年的相關(guān)研究指出,隨著烤煙生產(chǎn)的規(guī)模和需求逐步擴(kuò)大,已呈現(xiàn)向規(guī)?;?biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化和專業(yè)化發(fā)展的趨勢,對密集烤房的烘烤溫濕度精準(zhǔn)控制,以及相應(yīng)配套的自控設(shè)備提出了新的要求,溫濕度自控設(shè)備的研發(fā)越來越受到重視[6]。自1999年開始,聶榮邦[7]研制出微電熱密集烤房,龐全等[8]研制出煙葉烘烤智能控制儀,國內(nèi)相關(guān)煙葉烘烤專家系統(tǒng)開始不斷研發(fā)與完善[5,9-16]。2001年,廣東省開始研發(fā)烘烤自控技術(shù),成功研發(fā)出康虹CT-I型烤煙監(jiān)控儀。2003年其在密集烤房示范驗(yàn)證獲初步成功后,2004年又?jǐn)U展研發(fā)出康虹CT-II型烤煙監(jiān)控儀(圖5)。該烤煙監(jiān)控儀成功配套“二次配熱密集烤房”,實(shí)現(xiàn)烘烤全程自動排濕,并設(shè)定分別適用于下部葉、中部葉、上部葉、含水分特別少煙葉、含水分特別多、輕度暴生暴長煙葉等6條典范的三段式烘烤工藝基本曲線,有效地提高了煙葉的內(nèi)外觀質(zhì)量檔次、節(jié)省了勞力、降低了生產(chǎn)成本、減輕了勞動強(qiáng)度。

      圖2 GK-3/GK-2型上升式二次配熱密集烤房

      圖3 GK-5/GK-5-1型氣流下降式密集(普改密)烤房

      2.2.2密集烤房群集中監(jiān)控系統(tǒng)2010年,廣東省研究人員在之前的自動化監(jiān)控儀的基礎(chǔ)上,通過融合節(jié)能變頻技術(shù)、自動化集中控制溫濕度技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、視頻監(jiān)控與遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù),研發(fā)了密集烤房數(shù)控變頻機(jī)電一體化集中監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對煙葉烘烤工藝操作的群體化信息管理與自動控制,在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。結(jié)果表明:該系統(tǒng)可以顯著降低能源消耗和勞動用工,實(shí)現(xiàn)了規(guī)模集中化烘烤,取得了社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的雙豐收[17]。集中監(jiān)控系統(tǒng)工作原理、結(jié)構(gòu)見圖6、圖7。

      2.3 探索彰顯煙葉濃香型風(fēng)格的密集烘烤工藝

      由于各產(chǎn)區(qū)煙葉品質(zhì)不同,密集烤房結(jié)構(gòu)、設(shè)備性能存在差異性,在三段式烘烤工藝的應(yīng)用過程中需要根據(jù)烘烤工作的實(shí)際情況,對某些技術(shù)指標(biāo)實(shí)施相應(yīng)的調(diào)整。烘烤是目前我國烤煙生產(chǎn)中最薄弱的環(huán)節(jié),研究廣東煙區(qū)煙葉烘烤特性與彰顯煙葉特色風(fēng)格的密集烘烤工藝技術(shù)體系,調(diào)整三段式烘烤工藝部分參數(shù),已成為現(xiàn)階段廣東煙葉生產(chǎn)的研究熱點(diǎn)之一。廣東省煙草南雄科學(xué)研究所近年通過研究導(dǎo)致煙葉濃香型風(fēng)格特色弱化的因素指出,掌握適宜的煙葉采收成熟標(biāo)準(zhǔn)、根據(jù)煙葉內(nèi)在化學(xué)成分和吃香味調(diào)整烘烤過程中的關(guān)鍵參數(shù)、篩選出關(guān)鍵的烘烤參數(shù),并進(jìn)行優(yōu)化組合、形成配套的密集烘烤工藝技術(shù)體系,是今后彰顯濃香型煙葉密集烘烤關(guān)鍵技術(shù)的研究方向[18],并對此進(jìn)行了相關(guān)研究。

      邱妙文等[19]研究了不同烘烤濕度條件與烤后煙葉化學(xué)成分變化關(guān)系指出,隨著烘烤濕度的提高,干物質(zhì)損失量、淀粉降解量、可溶性糖的含量都有增大的趨勢,各部位的煙葉具有相似的規(guī)律。拉長變黃時間和定色前期時間,可以讓淀粉充分降解,從而達(dá)到改善烤后煙葉品質(zhì)的效果。

      王行等[20]研究表明,通過采取以下烘烤措施,可以促進(jìn)淀粉降解,有利于保持淀粉酶的活性:煙葉變黃起點(diǎn)溫度選擇為35 ℃,在42 ℃以前保持烘烤環(huán)境的干濕球溫差為3 ℃(尤其是中部煙葉),在42 ℃以后提高濕球溫度,保持一定濕度(尤其是上部煙葉),在44 ℃以前根據(jù)煙葉的變化情況適當(dāng)延長調(diào)制時間。

      文俊等[21]研究了烘烤過程關(guān)鍵點(diǎn)(38、42、46、47、54 ℃)穩(wěn)溫時間和不同濕度組合對煙葉外觀、內(nèi)在品質(zhì)、感官質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性狀的影響指出,在38 ℃/36.5 ℃穩(wěn)溫24 h,煙葉變黃8成黃、片軟;42 ℃/37.5 ℃穩(wěn)溫20 h,煙葉變黃9~10成黃、主脈軟至勾尖卷邊;46或47 ℃/38.5 ℃穩(wěn)溫24 h,煙葉達(dá)到黃片黃筋、勾尖卷邊至干片1/3;54 ℃/39.5 ℃穩(wěn)溫20 h,干片,能夠使煙葉物理、生理生化變化過程充分,烤后煙葉外觀質(zhì)量與感官質(zhì)量評價得分最高,化學(xué)成分含量適宜,比例協(xié)調(diào)。

      圖4 GK-5-2型氣流下降式密集(普改密)烤房

      圖5 康虹CT-Ⅱ型烤煙監(jiān)控儀

      圖6 集中監(jiān)控系統(tǒng)工作原理示意圖

      在南方煙葉烘烤專家工藝曲線的基礎(chǔ)上,廣東煙區(qū)探索了與采用數(shù)控變頻機(jī)電一體化控制技術(shù)的密集烤房相配套的烘烤技術(shù)。通過設(shè)計、調(diào)整烤房風(fēng)速與風(fēng)量、各烘烤階段干球溫度與時間調(diào)控、濕球溫度、火力的控制,優(yōu)化了三段式烘烤工藝曲線,形成了與之相配套烘烤技術(shù)工藝,具體工藝見表1[17]。

      3 廣東省密集烤房應(yīng)用出現(xiàn)的主要問題

      在我國,近半個多世紀(jì)以來,普通烤房在煙葉生產(chǎn)中一直占有舉足輕重的地位,但是在目前密集烤房規(guī)?;茝V的情況下,其烤后煙葉質(zhì)量卻不斷受到卷煙工業(yè)公司的質(zhì)疑[1]。密集烤房與普通烤房的烘烤原理相似,但其內(nèi)在的烘烤規(guī)律還有待探討。根據(jù)近幾年研究,密集烤房在其應(yīng)用與普及推廣上仍存在一些問題,這些問題對廣東省密集烤房研究推廣有著借鑒的作用。

      3.1 光滑煙比例略有上升

      相關(guān)研究表明,對比普通烤房,密集烤房采取溫濕度自控,強(qiáng)制通風(fēng)等措施,可有效減少掛灰煙、雜色煙的比例[22],但光滑煙的比例有可能增高[23]。雖然在實(shí)際的收購分級環(huán)節(jié)中光滑煙葉所占比例很小,但如果嚴(yán)格按烤煙分級標(biāo)準(zhǔn)劃分,光滑煙葉所占的比例并不低[24]。紀(jì)成燦等[25]對光滑煙成因及其控制因素研究表明,烤房裝煙密度過高,采收成熟度不足,變黃后期(40~45 ℃)控溫時間太短,是造成烤后葉片光滑的直接原因。武圣江等[23]從細(xì)胞生理生化變化上,通過探討上部光滑葉的形成機(jī)理認(rèn)為:烘烤過程中細(xì)胞壁酶活性受限制、水分不能及時排出、細(xì)胞壁物質(zhì)不完全水解、內(nèi)含物質(zhì)降解和轉(zhuǎn)化不充分,會導(dǎo)致光滑煙的形成。但變黃后期,特別是在42 ℃適當(dāng)延長烘烤時間,可以減少光滑煙的形成。詹軍等[1]認(rèn)為,在密集烘烤過程中,煙葉表面水分不能及時排出是導(dǎo)致光滑煙形成的原因之一。由于裝煙密度較大,烘烤過程中密集烤房失水速度較慢[26]。廣東煙區(qū)每年6~8月為收煙烤煙季節(jié),但該階段的總降水量占全年44.4%[27],空氣相對濕度高,因此加強(qiáng)烘烤過程中有效排濕十分必要。因此,可根據(jù)不同葉位煙葉大小及含水量,適當(dāng)降低裝煙密度,加強(qiáng)變黃期排濕、穩(wěn)溫時間,從而降低烤后光滑煙比例。

      圖7 數(shù)控機(jī)電一體化集中監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖表1 煙葉烘烤專家系統(tǒng)三段式工藝

      烘烤時期烘烤階段干球溫度/℃溫濕控制濕球溫度/℃煙葉狀態(tài)變黃期變黃前段36保濕1(干濕差)葉尖黃6~12cm主變黃段38或39穩(wěn)溫/保濕1~2(干濕差)至變黃7~9成變黃后段40~42穩(wěn)溫/小排濕2~3(干濕差)至黃片青筋定色期定色前段43~45排濕/延時38(濕球)至黃片青筋定色中段46~50頓火/排濕39(濕球)勾尾-小卷筒定色后段51~55頓火/排濕40(濕球)大卷筒干葉干筋期升溫階段55~65小排濕41(濕球)主脈變紫穩(wěn)溫階段65~67小排濕42(濕球)主脈變干

      3.2 煙葉濃香風(fēng)格呈現(xiàn)弱化趨勢

      濃香型煙葉糖堿比一般為6~8[2]。廣東南雄、始興、五華生態(tài)煙區(qū)的煙葉香型為較典型的濃香型到濃偏中香型,煙葉的感官質(zhì)量最好,煙葉鉀的含量較高,是廣東省的優(yōu)質(zhì)煙葉產(chǎn)區(qū)[28]。但近幾年出現(xiàn)了煙葉濃香風(fēng)格弱化的趨勢[2],主要體現(xiàn)在南方濃香型煙區(qū)總糖、還原糖和鉀含量較高,糖堿比和鉀氯比較大[29]。近22年來,南雄煙區(qū)中部煙葉主要化學(xué)成分變化表現(xiàn)為含糖量大幅度上升,煙堿有所降低,糖堿比大幅度提高。自2005年開始,中部葉糖堿比在10以上,上部煙葉糖堿比表現(xiàn)出與中部煙葉相同的變化趨勢,基本為(6.0±0.5)[18]。恢復(fù)濃香型煙葉生產(chǎn),可以選育優(yōu)質(zhì)品種,優(yōu)化栽培管理制度(水分、施肥、栽培密度),也可以通過設(shè)計針對于濃香型煙葉的烘烤工藝來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)?,F(xiàn)有研究表明,密集烘烤可以促進(jìn)淀粉降解,提升烤后還原糖和總糖含量,并減少了烤后煙葉總氮、煙堿、蛋白質(zhì)的含量[1,7]。

      密集烘烤進(jìn)一步促進(jìn)了變黃階段的淀粉降解,但是,過多地積累總糖和還原糖,減少煙堿含量,對烤煙質(zhì)量不一定有利。特別在近年廣東濃香型煙區(qū)煙葉化學(xué)成分中,糖堿比較高,煙堿含量較低,現(xiàn)有的密集烘烤工藝可能進(jìn)一步加強(qiáng)這種弱化趨勢,因此針對廣東煙區(qū)濃香型鮮煙葉內(nèi)在化學(xué)成分不協(xié)調(diào)的趨勢,應(yīng)該有針對性地調(diào)整部分烘烤參數(shù),在烘烤調(diào)制的過程中協(xié)調(diào)化學(xué)成分比例,從而滿足濃香型煙葉烤后化學(xué)成分的需求。

      3.3 密集烤房換熱設(shè)備亟需更新

      近年來,我國密集烤房的研究已取得相當(dāng)成就,密集烤房的構(gòu)造、建設(shè)和使用等幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問題已得到基本解決與進(jìn)一步研究,但目前密集烤房建設(shè)成本普遍較高,設(shè)備使用年限較短。如何降低建設(shè)成本,延長使用年限,并且進(jìn)一步提高密集烤房熱效率已成為當(dāng)下亟需解決的問題。調(diào)查研究表明,廣東煙區(qū)密集式烤房烘烤設(shè)備已進(jìn)入老化損毀期,每年約有1000余座烤房烘烤設(shè)備亟需更新,每年由于烘烤設(shè)備老化損毀,加工工藝得不到保證,造成煙葉質(zhì)量和煙農(nóng)損失有20%左右。陳獻(xiàn)勇等[30]研究指出,鑄鐵和碳化硅陶瓷耐腐蝕材料的換熱器在烤煙過程中的溫差、耗煤量和熱能利用效率等參數(shù)與生產(chǎn)所用的鋼制材質(zhì)換熱器基本相當(dāng),部分參數(shù)優(yōu)于鋼制材質(zhì)換熱器,與對照烘烤烤后煙葉差異性不大。楊威[31]研究指出,采用新型無機(jī)非金屬材料,可以提高供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性、耐用性和熱效率,烤房內(nèi)部平面溫差和垂直溫差變化幅度均較小,平面溫差變化幅度為0.1~1.6 ℃,垂直溫差變化幅度0.8~2.4 ℃。李偉[32]研究指出,非金屬耐火材料穩(wěn)溫性最好,并且金屬翅片換熱器和非金屬耐火材料光管換熱器能夠改善煙葉外觀質(zhì)量、改善煙葉評吸質(zhì)量、提升烤房熱效率、降低烘烤能耗和烘烤成本。曾中等[33]研究表明,采用碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(CFRC)制作的火爐和換熱器,導(dǎo)熱系數(shù)分別是普通耐火材料的1.5倍和3.2倍,整體熱效率比普通耐火材料高4.5%,散熱管的耐腐蝕性能是金屬材料(NS鋼)的5.3倍,顯著增強(qiáng)了密集烤房的供熱性能,延長了供熱設(shè)備的使用壽命。因此,使用新型的換熱器材料,對于降低烤房建設(shè)成本,延長使用年限,提高烤后煙葉質(zhì)量有著重要意義。

      4 展望

      廣東省密集烤房及其配套工藝經(jīng)過近40年的應(yīng)用與普及發(fā)展,已經(jīng)取得了卓越的成效。實(shí)踐表明,密集烘烤設(shè)備及其技術(shù)的開發(fā)與推廣能有效地提高煙葉質(zhì)量和上等煙比例,改善煙葉原料結(jié)構(gòu),使得煙葉原料能更好地滿足中煙工業(yè)企業(yè)對優(yōu)質(zhì)原料的需求,促進(jìn)卷煙上水平,是廣東煙區(qū)將來全面實(shí)施集約化種煙或集約化烘烤體制下首選的先進(jìn)適用技術(shù)。雖然目前密集烤房及其技術(shù)發(fā)展中尚有許多不盡人意的地方,例如建設(shè)成本較高、設(shè)備老化嚴(yán)重、相應(yīng)烘烤工藝不能同步、烘烤人才缺乏等,但是,我國煙草生產(chǎn)正處于現(xiàn)代煙草農(nóng)業(yè)規(guī)?;焖侔l(fā)展階段,煙葉生產(chǎn)集約化、規(guī)?;?、信息化成為現(xiàn)代煙草生產(chǎn)發(fā)展的重要特征。廣東煙區(qū)密集烘烤技術(shù)體系目前正處于一個方興未艾的發(fā)展階段,在烤房建設(shè)推廣、烤房結(jié)構(gòu)改造、烤房配套設(shè)備和密集烘烤工藝及理論方面,均處于一個摸索的階段。今后,廣東煙區(qū)應(yīng)借鑒國內(nèi)國外研究成果,結(jié)合廣東煙葉生產(chǎn)實(shí)際,著力加強(qiáng)對密集烘烤設(shè)備、配套烘烤工藝體系、智能化和信息化烘烤技術(shù)、烘烤技術(shù)理論等方面的研究力度,發(fā)展彰顯廣東濃香型煙葉風(fēng)格特征的適用烘烤技術(shù)。

      參考文獻(xiàn):

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