新型能源在煙葉烘烤中應(yīng)用前景和效果分析

譚方利+邱坤+楊鵬+吳文信+劉小斌+李崢

摘 要：為探究煙葉烘烤中經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性較強(qiáng)的新型能源，對(duì)生物質(zhì)顆粒供熱烤房、甲醇燃料烤房和空氣源熱泵烤房在建造成本、用工和能耗成本以及烘烤過(guò)程中穩(wěn)溫性能、烤后煙葉經(jīng)濟(jì)效益方面同燃煤烤房進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果表明，3種型能源中生物質(zhì)顆粒應(yīng)用前景最好，空氣源熱泵烤房烘烤過(guò)程中自動(dòng)化程度最高、烤后煙葉經(jīng)濟(jì)效益最好，可較好地實(shí)現(xiàn)溫度的精準(zhǔn)控制；新型能源烤房在節(jié)能、減排、增質(zhì)方面均有不同程度提升，但降本效果不明顯。

關(guān)鍵詞：新型能源；烘烤成本；烘烤性能；經(jīng)濟(jì)效益

中圖分類號(hào)：S572 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.01.016

Abstract：To explore the new energy source for more economical and practical of tobacco baking， the construction cost， labor and energy cost， stability during baking， and economic benefits of flue cured tobacco leaves were studied with different baking room， including the biomass granule heating， the roast room， the methanol fuel baking room and the air source heat pump barn. The results showed that biomass particles had the best application prospects in the three types of energy sources. The degree of automation was the highest in the baking process of the air source heat pump barn， and the economic benefits of the cured tobacco leaves were the best， and it could achieve better precision control of temperature. New energy baking room in energy saving， emission reduction， quality enhancement had varying degrees， but the effect was not obvious.

Key words：new energy；baking cost；baking properties；economic benefits

目前，我國(guó)煙葉烘烤是以消耗大量的不可再生能源為代價(jià)而進(jìn)行的煙葉生產(chǎn)過(guò)程，煤炭能耗高，每千克干煙葉耗煤量一般為1.5～2.0 kg，利用效率只有30%左右[1]，且燃燒釋放大量的有害物質(zhì)對(duì)環(huán)境會(huì)造成嚴(yán)重污染。研究表明，使用煤炭進(jìn)行煙葉烘烤，每千克煙葉會(huì)導(dǎo)致煤炭產(chǎn)生0.009 4 kg NOx，0.013 2 kg SO2和4.302 kg CO2[2]，隨著全球?qū)τ谌剂闲枨蟮牟粩嘣鲩L(zhǎng)，煙葉烘烤所用成本不斷上升。近年來(lái)，我國(guó)烤煙生產(chǎn)組織形式趨向規(guī)?；N植，烤房集中程度不斷提升，煙葉生產(chǎn)與節(jié)能環(huán)保之間的矛盾日益突出[3-5]。我國(guó)政府工作報(bào)告中多處提及低碳和新能源，要努力建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、低碳導(dǎo)向型社會(huì)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)又好又快發(fā)展[6-7]。因此，在煙葉烘烤中注入新型能源和技術(shù)以實(shí)現(xiàn)增質(zhì)降本、節(jié)能減排，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)煙草行業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

本研究主要針對(duì)郴州煙區(qū)煙葉烘烤中使用的生物質(zhì)顆粒供熱烤房、甲醇燃料烤房和空氣源熱泵烤房與普通燃煤烤房進(jìn)行綜合對(duì)比試驗(yàn)，旨在篩選出最適合煙葉烘烤的新型能源，為今后新型能源烤房的應(yīng)用與改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試煙草品種為云煙87。

烘烤工廠烤房建造為密集烤房群模式，新型能源烤房在普通燃煤烤房基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，4種能源類型烤房均為氣流下降式，裝煙室模式為2路3層設(shè)計(jì)，規(guī)格為2.7 m×8.0 m×3.4 m，烘烤能力1.20 ～1.32 hm2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年7月在郴州市桂陽(yáng)縣曾家村煙葉烘烤工廠進(jìn)行。試驗(yàn)田土壤為水稻土，土壤肥力中等，前茬作物為水稻。煙草種植行距120 cm，株距50 cm，打頂后株高為110～120 cm。田間管理按優(yōu)質(zhì)烤煙栽培生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行，選取上部葉（14～16葉位）于充分成熟后采收，進(jìn)行烘烤。根據(jù)烤房供熱能源類型不同設(shè)置4個(gè)處理：CK，燃煤烤房；T1，生物質(zhì)顆粒供熱烤房；T2，甲醇燃料烤房；T3，熱泵能源烤房。每個(gè)處理烤房進(jìn)行3次上部葉烘烤試驗(yàn)，煙葉烘烤過(guò)程中按3段式烘烤工藝相關(guān)要求對(duì)溫濕度進(jìn)行調(diào)整。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

不同能源烤房建造成本由郴州市煙草公司提供；烘烤用工費(fèi)用集中統(tǒng)計(jì)后按單個(gè)烤房進(jìn)行折算；耗電量統(tǒng)計(jì)為?；饡r(shí)電表讀數(shù)減去點(diǎn)火時(shí)電表讀數(shù)；燃料用量為每爐次烘烤結(jié)束后對(duì)烘烤過(guò)程中單次加入煤炭、生物質(zhì)顆?；蚣状假|(zhì)量進(jìn)行累計(jì)；3次煙葉烘烤數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后取各項(xiàng)指標(biāo)平均值進(jìn)行分析?？竞鬅熑~質(zhì)量等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)采用國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局烤煙GB 2635—92分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

烘烤過(guò)程中統(tǒng)計(jì)38，42，48，52 ℃這4個(gè)關(guān)鍵穩(wěn)溫點(diǎn)不同能源類型烤房干球溫度的變化情況；空載試驗(yàn)時(shí)將試驗(yàn)烤房所有門窗關(guān)閉，同時(shí)點(diǎn)火并將循環(huán)風(fēng)機(jī)檔位調(diào)至高速，將目標(biāo)溫度都設(shè)定為65 ℃，記錄烤房?jī)?nèi)升溫至38，42，48，52，60，65 ℃這6個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)時(shí)所用時(shí)間。endprint

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和作圖采用 SPSS 17. 0和Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 烤房建造成本

使用煤炭作為燃料的普通密集烤房建造成本為每座3.5萬(wàn)元；生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)供熱烤房建造成本為每座5.0萬(wàn)元；甲醇燃料烤房為每座4.6萬(wàn)元；熱泵能源烤房為每座8.5萬(wàn)元。每座烤房烘烤能力為1.20～1.32 hm2，實(shí)際計(jì)算中按平均值1.26 hm2，烤房使用年限均為10年，并依據(jù)試驗(yàn)點(diǎn)煙葉產(chǎn)量設(shè)定每座烤房的烘烤頻次為每年6次，計(jì)算不同能源類型烤房的單位建造成本（每667 m2煙田進(jìn)行烘烤作業(yè)的烤房建造成本）和單次使用成本。

從表1可以看出，每座熱泵烤房的單位建造成本（4 499.6元），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其余3個(gè)處理，生物質(zhì)顆粒供熱烤房略高于甲醇燃料烤房，但二者差距不大，每座烤房單位建造成本相差211.75元；燃煤烤房單位建造成本最低，僅為1 852.78元。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是由烤房供熱設(shè)備造價(jià)有很大差異所致。單次使用成本方面，T1，T2，T3處理分別較CK增幅42.86%，31.43%和142.86%。綜合分析，使用新型能源的烤房建造成本均高于普通密集式烤房，熱泵烤房高昂的造價(jià)成本是當(dāng)前推廣應(yīng)用的強(qiáng)大阻力，生物質(zhì)顆粒供熱烤房和甲醇燃料烤房在使用過(guò)程中的成本應(yīng)結(jié)合燃料價(jià)格以及燃料用量進(jìn)行綜合考慮。

2.2 用工及能耗成本

烘烤成本主要包括用工成本和能耗成本，其中，能耗成本為燃料消耗成本和烘烤耗電成本之和；用工成本由郴州市桂陽(yáng)縣曾家村煙草合作社進(jìn)行統(tǒng)一核算，最后折算為單座烤房單炕費(fèi)用。

由表2可知，熱泵烤房能明顯節(jié)省烘烤成本，且熱泵單純消耗電能，通過(guò)熱傳遞的方式加熱烤房中空氣，為煙葉提供熱量，明顯提高了煙葉烘烤自動(dòng)化程度，減少了人工成本。綜合計(jì)算，熱泵烤房烘烤1 kg干煙葉成本僅為1.22元，其次為生物質(zhì)顆粒供熱烤房，烘烤成本為1.95元·kg-1，較熱泵烤房增幅59.83%，燃煤烤房烘烤成本排第3位，比生物質(zhì)顆粒供熱烤房高出0.11元，醇基烤房烘烤成本最高，為3.48元·kg-1，較熱泵烤房增幅185.25%，較燃煤烤房增幅68.93%。由此可見，生物質(zhì)顆粒和醇基燃料的自動(dòng)化加料系統(tǒng)降低了人工成本，但增加了烘烤過(guò)程中的用電量，加之燃料價(jià)格的影響，導(dǎo)致生物質(zhì)顆粒供熱烤房和燃煤烤房煙葉烘烤成本差異不大，甲醇燃料由于過(guò)高的價(jià)格導(dǎo)致其煙葉烘烤成本劇增。

2.3 綜合成本

烤房建成后使用年限較長(zhǎng)，由于不同能源類型烤房烘烤過(guò)程中的用工費(fèi)用及能耗成本不同，隨著使用年限和使用次數(shù)的增長(zhǎng)，綜合成本的變化趨勢(shì)會(huì)存在差異。對(duì)不同能源烤房建造投入使用10年之內(nèi)的綜合成本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖1），由于烤房建造成本為一次性投資，第1年綜合成本為建造成本和當(dāng)年烤房用工及能耗成本之和，之后綜合成本的逐年遞增為烤房用工和能耗成本的增加，暫不考慮后續(xù)烤房相關(guān)設(shè)備維護(hù)；設(shè)定每年每座類型烤房烘烤頻次為6次，每次上部葉烘烤產(chǎn)出干煙量固定為581.63 kg（為不同類型烤房上部葉烤后干煙質(zhì)量平均值）。

從不同能源烤房逐年使用成本變化趨勢(shì)可以看出，第1年的綜合使用成本大小為T3>T1≈T2>CK；當(dāng)使用至第5年時(shí)，T3處理和T4處理出現(xiàn)交點(diǎn)，表明第5年之后熱泵能源烤房和醇基燃料烤房的建造成本已經(jīng)消除影響，熱泵烤房的綜合成本開始低于醇基烤房；整體來(lái)看，不同能源烤房建造使用10年之內(nèi)，仍以普通燃煤烤房經(jīng)濟(jì)性最高，醇基烤房隨使用年限的增長(zhǎng)綜合成本上升趨勢(shì)更加明顯，熱泵烤房綜合成本增幅下降明顯，生物質(zhì)顆粒供熱烤房綜合成本增長(zhǎng)趨勢(shì)大致和燃煤烤房一致，但逐年增長(zhǎng)幅度有略微下降趨勢(shì)。

因此，在今后不同新型能源烤房的研制中，生物質(zhì)顆粒供熱烤房應(yīng)當(dāng)從其設(shè)備造價(jià)方面進(jìn)行改良；醇基烤房方面應(yīng)大力研發(fā)低成本、高能效、無(wú)污染的甲醇燃料；熱泵烤房方面應(yīng)推廣集中供熱系統(tǒng)以降低建造成本。

2.4 不同類型烤房烤后煙葉經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

從烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀統(tǒng)計(jì)可以看出（表3），生物質(zhì)顆粒、甲醇、熱泵3種替代能源烤房較燃煤烤房中、上等煙比例均有所提高，其中，T3處理熱泵烤房上等煙比例最高為61.5%，分別高出T1，T2和CK處理1.3，1.6和2.1個(gè)百分點(diǎn)，T1處理生物質(zhì)顆粒供熱烤房中等煙比例最高，但與T2，T3處理差距不大；烤壞煙比例為CK燃煤烤房最高，且明顯高于其余3個(gè)處理。不同處理在均價(jià)方面表現(xiàn)為T3>T1>T2>CK， T1，T2和T3處理每千克干煙葉分別比CK高 2.95，1.35，3.04元。

2.5 不同能源烤房穩(wěn)溫性能對(duì)比

通過(guò)對(duì)煙葉烘烤過(guò)程中的38，42，48，52 ℃這4個(gè)穩(wěn)溫點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，從不同處理烘烤過(guò)程中目標(biāo)溫度點(diǎn)穩(wěn)溫情況可以看出，使用替代能源的烤房烘烤過(guò)程中各個(gè)目標(biāo)溫度點(diǎn)均可以將誤差控制在±0.5 ℃以內(nèi)，可以較好地執(zhí)行烘烤曲線，避免烤房中實(shí)際溫度與設(shè)定目標(biāo)溫度偏離過(guò)大，從而造成煙葉損失；從各個(gè)穩(wěn)溫點(diǎn)偏離程度可以看出，T3處理溫度穩(wěn)定性最佳；T1處理在目標(biāo)溫度42，52 ℃時(shí)溫度極差分別為0.6，0.8 ℃，波動(dòng)較大；T2處理在目標(biāo)溫度48，52 ℃時(shí)溫度極差均為0.7℃；對(duì)照燃煤烤房在各個(gè)目標(biāo)溫度點(diǎn)波動(dòng)均明顯高于其余3個(gè)處理，出現(xiàn)此現(xiàn)象可能是由燃料自身特性以及不同供熱設(shè)備在烘烤過(guò)程中自動(dòng)加料系統(tǒng)和煙葉烘烤中對(duì)熱量需求不協(xié)調(diào)所致（表4）。

2.6 不同能源類型烤房空載條件下升溫情況分析

從表5可以看出，空載條件下烤房的平均升溫速率，3個(gè)處理較CK燃煤烤房差異均達(dá)到顯著水平，其中，T1處理升溫至65 ℃用時(shí)最短，平均升溫速率為1.35 ℃·min-1；其次為T3處理，平均升溫速率為0.85 ℃·min-1，與T1處理差異達(dá)到極顯著水平；T2處理平均升溫速度為0.61 ℃·min-1，極顯著低于T1處理。從各個(gè)溫度點(diǎn)攀升時(shí)間可以看出，醇基燃料在48 ℃之后升溫時(shí)間變長(zhǎng)，存在明顯的滯后性，會(huì)導(dǎo)致烘烤過(guò)程的中后期燃料消耗增加。endprint