生物質顆粒燃料烘烤煙葉的效果分析

韋忠　高華軍　范東升　羅剛　姚文藝　彭瑞恒　林北森　黃陽　曹利軍　黃利廣

摘要：【目的】開展生物質成型顆粒烘烤煙葉效果試驗，為煙葉烘烤的減工降本、提質增效提供參考?！痉椒ā窟x取標準氣流下降式密集烤房，設常規燃煤烘烤和生物質顆粒燃料烘烤2個處理，對比分析兩種處理的烘烤用時、烘烤成本及烤后煙葉的經濟性狀、化學成分和評吸質量?！窘Y果】使用生物質顆粒燃料烘烤煙葉可節省烘烤時間，其中添加燃料、清灰時間較燃煤處理節省14 h以上。生物質顆粒燃料烘烤處理的用電成本和燃料成本高于燃煤處理，但人工成本可節省177.50～180.00元/爐，每千克干煙葉烘烤成本較燃煤處理平均降低0.16元。與常規燃煤烘烤處理相比，生物質顆粒燃料烘烤處理可提高烤后煙葉的均價、上等煙比例、中上等煙比例等指標，其煙葉化學成分含量適宜、比例協調，特別是中部葉煙堿和總氮含量較低，鉀含量較高，淀粉含量較低，烤后煙葉的感官評吸質量相對較優。【結論】煙葉烘烤中使用生物質顆粒燃料替代燃煤可實現減工降本、提質增效。在相應政策扶持下，生物質顆粒燃料烘烤煙葉技術可進一步推廣應用。

關鍵詞：煙葉；生物質顆粒燃料；烘烤；效果

中圖分類號：S572.092 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）12-2228-06

0引言

【研究意義】煙葉烘烤常采用煤炭作為主要燃料，每烘烤1.0kg干煙葉需耗煤1.5～2.0kg，熱能利用率僅30%（宋朝鵬等，2008a）。此外，烘烤季節使用燃煤會釋放大量粉塵、SO₂、多環芳烴等污染物，造成周圍環境以煤煙型為特征的大氣污染（李曉東等，2003）。同時，煙葉烘烤期間加煤次數多、每次加煤量不固定，既增加了煙農的勞動強度，又易導致烤房內溫度忽高忽低，造成部分煙葉烤壞，給煙農帶來較大損失（徐秀紅等，2008）。國內已圍繞成本低、燃透率高、污染少、使用方便的煙葉烘烤燃料開展了大量研究，從“秸稈壓塊”開始（王漢文等，2006），各種生物質能源不斷推廣應用（宋朝鵬等，2008b），包括生物質型煤（孫建鋒等，2010）、生物質顆粒（林偉等，2016）等固體燃料及生物質燃氣等。利用作物秸稈、木屑、玉米芯等經壓制加工而成的生物質顆粒燃料具有發熱量大、純度高、不含雜物、燃燒后灰渣少及有害氣體產生少等優點（翁偉等，2004），其燃燒灰燼還是含量極高的有機鉀肥（崔志軍等，2010），正廣泛應用于煙葉烘烤。因此，研究生物質顆粒燃料替代燃煤烘烤煙葉的效果對提升煙葉烘烤質量及減輕烘烤季節的環境污染均具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】郭仕平等（2015）將煙葉采收后的秸稈曬干并粉碎，利用秸稈成型機壓塊制成烘烤燃料，進行替代煤炭烘烤煙葉的試驗，結果表明，以烤煙秸稈壓塊為燃料的烘烤工藝曲線與煤炭基本吻合，可滿足煙葉烘烤要求，二者烘烤后的煙葉等級質量相當，秸稈壓塊消耗量與煤炭之比為1.64：1.00，可降低烘烤燃料成本約189元/ha。宋春宇等（2016）研究表明，秸稈壓塊烘烤煙葉雖然燃料成本有所增加，但可降低烘烤用工成本，且秸稈壓塊烘烤煙葉的外觀質量及常規化學成分與煤炭烘烤的煙葉無明顯區別。肖志新等（2016）研究表明，采用生物質顆粒燃料使整個烘烤工藝燃燒輸入烤房總熱量、單位時間消耗燃料量、每千克干煙消耗熱量和每千克水分蒸發消耗熱量分別較煤柴混合烘烤降低32.5%、32.2%、31.8%和16.1%，每千克干煙主要污染物排放總量較煤柴混合烘烤降低27.1%，節能減排效果明顯。林偉等（2016）研究發現，在新型生物質燃料熱風爐供熱烤房中使用生物質顆粒燃料烘烤煙葉可節省烘烤管理時間21.7 h，燃料成本比燃煤增加188.72元/烤，但耗電比燃煤節省16.06元/烤，人工成本節省216元/烤，均價提高1.54元/kg，上中等煙比例提高3.01%。蔣篤忠等（2017）研究表明，利用生物質顆粒燃燒爐供熱烤房，以生物質顆粒為燃料進行煙葉烘烤，能確保烘烤工藝到位，提高煙葉烘烤質量，烘烤能耗成本低于燃煤烘烤，且烘烤操作如添料、點火、控火及出渣等難度和用工量遠低于傳統燃煤方式，煙農易掌握，有利于煙葉烘烤減工降本。【本研究切入點】百色是廣西最大的煙葉產區，煙葉生產在促進煙農增收脫貧方面舉足輕重。近年來以綠色發展理念為引領，在煙葉烘烤中引進了生物質顆粒燃燒機并開展生產示范，但未進行生物質顆粒燃料烘烤煙葉效果的系統研究，大面積推廣的指導性不強?！緮M解決的關鍵問題】采用百色煙區推廣使用的生物質能燃燒機，開展生物質成型顆粒烘烤煙葉效果試驗，以期為煙葉烘烤的減工降本、提質增效提供參考。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗于2016年6～9月在廣西百色市隆林縣德峨鎮保上村進行。供試烤房為氣流下降式密集烤房；供試烤煙品種為云煙87?？緹煷蝽敽?，選取植株長勢均勻一致的煙田，待煙葉正常成熟落黃后采收鮮煙葉進行烘烤。

生物質顆粒燃燒機的發熱量為100000 kCal，型號ZHLD-10W-13，長×寬×高為1170 mm×620mm×1460 mm，重量80kg，功率250 W，料容量100kg，有九個檔位控制送料量。在不改動現有臥式密集烤房土建的情況下，將設備與烤房爐膛口對接，即作為熱源產生明火，明火在爐膛里燃燒后加熱爐體和散熱器后產生大量熱風。生物質燃燒設備與烤房的自控儀設備進行連接后，可實現生物質顆粒全自動進料烘烤。設備點火方式為自動點火，根據烘房溫度需要實現自控，火口口徑250mm、長度180 mm，火口的調節高度380～550mm。

1.2試驗方法

試驗設常規燃煤烘烤（T1，CK）和生物質顆粒燃料烘烤（T2）2個處理。T1選取3座標準氣流下降式密集烤房（裝煙室內長×寬×高為8000 mm×2700mm×3500mm，可裝鮮煙4500kg以上），使用煤炭進行烘烤，每座烤房分別烘烤下部、中部、上部煙葉各3爐；T2選取3座與T1參數相同的烤房，使用生物質顆粒燃料進行烘烤，烘烤的煙葉部位、爐數與T1相同。生物質顆粒燃料為純木屑顆粒燃料，長3.0～4.0 cm、直徑0.8 cm，圓柱體，熱值4500 kCal。各處理的煙葉采收時間和鮮煙葉素質盡量保持一致，烘烤工藝統一按《2016年隆林縣煙葉標準化烘烤技術方案》執行，采取三段式烘烤工藝，根據云煙87品種煙葉特性，靈活調控各關鍵溫度點的穩溫時間。

1.3測定項目及方法

1.3.1基礎數據記錄 兩處理同時裝煙、同時點火烘烤，在裝爐前隨機抽取代表性煙葉10竿，稱鮮重并作好標記，放在烤房2層的中間位置，烤后稱取干重，計算鮮重和干重，根據每座烤房的裝煙量折算烤房內鮮煙量和烤后干煙量。記錄每座烤房的耗煤量、耗電量和用工量，記錄烘烤過程中每個溫濕度的變化時間點、填料時間和清灰操作用時。

1.3.2烘烤成本 對比煤耗、電耗及顆粒燃料使用成本，再結合烘烤期間人工成本進行對比分析。

1.3.3烤后煙葉經濟性狀 各處理烤后煙葉分別堆放保管，并根據烤煙42級國標（GB 2635-1992）對烤后煙葉進行分級，依據烤煙收購價格確定煙葉均價、上等煙比例及中上等煙比例。

1.3.4化學成分和評吸質量 取各處理下部X2F（3～5葉位）、中部C3F（8～12葉位）和上部B2F（14～17葉位）等級煙樣各1.0kg，送基地單元工業公司技術中心測定其化學成分（還原糖、總糖、煙堿、總氮、鉀、氯和淀粉含量等7項指標），并參照王彥亭等（2010）的9分制標準進行感官評吸。

1.4統計分析

試驗數據采用Excel 2003和DPS v6.55進行整理及統計分析。

2結果與分析

2.1不同處理的烘烤用時和添加燃料、清灰用時比較

由表1可知，各處理煙葉烘烤用時均較長，特別是變黃期長達78～88 h，可能與供試煙田煙葉成熟期遭遇干旱，煙葉水含量少，變黃期煙葉難變黃等因素有關。T2各部位煙葉烘烤用時均不同程度低于T1，其中T2中部葉總時間減少最多，較T1顯著縮短7 h（P<0.05，下同）。在烘烤中添加燃料、清灰方面，T2各部位煙葉用時較T1減少14 h以上，二者差異均達顯著水平。表明使用生物質顆粒燃料能有效減少烘烤環節添加燃料、清灰的工作量和頻次，減輕勞動強度。

2.2不同處理煙葉烘烤成本比較

由表2可知，T2的電費成本高于T1，可能與生物質顆粒燃燒機風機功率較高，耗電量比燃煤烤房增加有關；T2的燃料用量顯著低于T1，但由于生物質顆粒燃料的價格高于燃煤，而造成T2的燃料成本高于T1，二者不同部位間燃料費差值均低于130元；從人工成本來看，T2各部位煙葉烘烤所需人工費顯著低于T1，其中下部葉和中部葉均較T1節省180.00元、上部葉節省177.50元。綜合分析，T2各部位煙葉烘烤總成本均低于T1，每千克干煙葉烘烤成本下部葉較T1降低0.34元，中部葉較T1降低0.02元，上部葉較T1低降0.11元。

2.3不同處理烤后煙葉經濟性狀比較

由表3可看出，T2各部位烤后煙葉均價均高于T1，其中中部葉間的差異達顯著水平；T2除下部葉上等煙比例與T1差異不顯著（P>0.05）外，其他部位上等煙比例均顯著高于T1；T2各部位烤后煙葉的中上等煙比例也均高于T1，且上部葉問差異顯著。表明使用生物質顆粒燃料烘烤煙葉的經濟效益相對較好。

2.4不同處理烤后煙葉化學成分比較

前人研究表明，烤煙適宜的化學成分含量分別為：煙堿含量在2.5%左右，總氮/煙堿約1.00，還原糖含量為18.0%～24.0%，還原N/煙堿為8.00～12.00，鉀含量高于1.5%，氯含量低于0.8%，鉀/氯大于4.00，淀粉含量在5.00%以下（王彥亭等，2010）。由表4可知，兩處理不同部位煙葉總糖和還原糖含量均處于適宜范圍內；T2的煙堿和總氮含量表現為下部葉高于T1，中部葉低于T1，上部葉煙堿高于T1、總氮略低于T1；T2的鉀含量下部、中部葉略高于T1，上部葉低于T1；各處理不同部位煙葉氯含量均低于0.30%；兩處理下部葉淀粉含量差異不明顯，而T2中部、上部煙葉淀粉含量明顯低于T1。T2的鉀/氯、總氮/煙堿、還原糖/煙堿均較適宜，T1的還原糖/煙堿下部葉偏高，中部葉則偏低。

2.5不同處理烤后煙葉評吸質量比較

由表5可看出，T2各部位煙葉的感官評吸得分等于或高于T1，其中下部葉雜氣、透發性得分較高；中部葉香氣量較充足、刺激性較小，二者得分較高；上部葉香氣質好、雜氣少、透發性好，得分較高。

3討論

本研究結果表明，利用生物質顆粒燃料烘烤煙葉，由于生物質顆粒燃燒機升溫快、易管理，整個烘烤過程節省了一定時間，尤其是人工添加燃料次數少、很少需要清除灰渣，較燃煤處理節省時間14 h以上，所需人工費明顯低于燃煤處理，其下部、中部和上部煙葉人工費分別較燃煤處理降低180.00、180.00和177.50元。盡管生物質顆粒處理電費成本、燃料成本高于燃煤處理，但由于人工費降低，生物質顆粒處理的烘烤總成本低于燃煤處理，3個部位每千克干煙葉平均烘烤成本較燃煤處理低0.16元，減工降本效果明顯。與林偉等（2016）研究發現使用生物質顆粒烘烤可減少烘烤管理時間和人工成本，但生物質顆粒燃料價格高于燃煤，導致燃料成本增加的結果一致。本研究中生物質顆粒燃料的價格為1000元/t，高于燃煤價格，如果能實現生物質顆粒燃料的本地化生產，將其單價控制在800元/t左右（與燃煤相當），即能更好實現煙葉烘烤減工降本的目的。本研究結果還表明，使用生物質顆粒烘烤的煙葉，其均價、上等煙比例、中上等煙比例等指標整體高于燃煤烘烤的煙葉，與林偉等（2016）的研究結果相一致。生物質顆粒處理煙葉化學成分含量適宜、比例協調，感官評吸得分高于燃煤處理，特別是中部葉煙堿和總氮含量低，鉀含量較高，淀粉含量低，煙葉香氣量較充足、刺激性較小。生物質顆粒燃料烘烤能促進煙葉化學成分協調，與王漢文等（2006）研究發現的經秸稈壓塊燃燒烘烤的煙葉化學成分比例較協調的結果一致。生物質顆粒處理煙葉化學成分含量及評吸質量優于燃煤處理煙葉的原因在于生物質顆粒燃燒機能自動控制燃料量，精準控制煙葉烘烤各階段溫度要求，且生物質顆粒燃料燃燒充分，升溫速度快、溫度調節靈敏度等因素促進了煙葉內在物質的轉化，煙葉的鉀、總氮和煙堿等化學成分比較協調（王漢文等，2006；林偉等，2016），而這些成分又是影響煙葉評吸質量的最顯著指標（杜鵑等，2011），故生物質顆粒處理評吸得分較高。而宋春宇等（2016）研究認為煙稈秸稈壓塊和煤炭調制出的初烤煙常規葉化學成分差異不明顯，且無數據能證明是燃料導致，但煙稈秸稈壓塊烘烤出的煙葉化學成分含量較適宜、比例更協調。

使用生物質燃料烘烤煙葉能減少粉塵、SO₂等污染物的排放，保護環境（肖志新等，2016；周慶等，2016）。本研究雖然對生物質顆粒與燃煤處理燃料燃燒時的氣體排放情況進行觀察，發現生物質顆粒處理污染物的排放量較少，但未對氣體排放種類和排放量進行收集和定量比較，還需要在今后的工作中進行深入研究。另外，百色煙區生物質資源較豐富，玉米、甘蔗、木材加工廢料等均可作為生物質顆粒的原料，特別是探索以煙稈為主的生物質顆粒生產模式（宋春宇等，2016），可就地取材，實現煙稈的循環利用，而且對烤煙根莖類病害的預防具有重要意義（付晨青等，2015；王成己等，2017）。但生物質顆粒燃燒機的價格偏高，煙農由于經濟條件有限，很難接受。因此，在政府和煙草行業尚未出臺扶持政策的情況下，大面積推廣的難度較大。

4結論

使用生物質顆粒燃料烘烤煙葉，可減少烘烤過程中添加燃料、清灰等環節的用工，降低煙葉烘烤成本，提高烤后煙葉的均價、上等煙比例等經濟性狀指標，使煙葉經濟效益得到增加，同時可改善烤后煙葉的化學品質和評吸質量。在相應政策的扶持下，生物質顆粒燃料烘烤煙葉技術可進一步推廣應用。