我國煙稈綜合利用及設備研究進展

符德龍，孟輝，張富貴2、，張龍2、，陳雪

(1.貴州省煙草公司畢節市公司，貴州 畢節 551700；2.貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025；3.貴州大學 現代制造技術教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

0 前言

煙草是我國最重要的經濟作物之一，在我國的國民經濟發展中具有十分重要的作用[1]。據統計，2015 年煙草種植面積為1. 597×106公頃，生產煙葉2. 2×106噸，相應產生煙稈約1. 162×106噸[2]。煙稈作為煙草生產過程中的主要副產品，是一種寶貴的可再生生物質能源。但由于我國農村農民生產生活方式的巨大轉變，以及個人受教育程度的不同，環保意識缺乏和淡薄，每年當煙葉收獲后，都會造成大量的煙稈被就地焚燒和遺棄，這樣，不僅造成煙稈資源的大量浪費，也會間接造成煙田污染，最終影響煙草的來年種植，同時也會因焚燒煙稈而帶來嚴重的生態環境問題[3]。隨著國家對可持續發展戰略和貴州大生態戰略的高度要求，以及國家在煙稈資源化利用方面的深入開發研究，煙稈資源的綜合性利用越來越受到關注，并得到了有效的長久發展。根據農業部2015年提出地對秸稈資源的五化利用模式，煙稈在肥料化、燃料化、基料化、原料化等方面得到了實際應用和發展。

煙稈收儲運是煙稈資源化綜合利用過程中不可或缺的關鍵環節，通過對煙稈資源化利用工序的調查分析發現，大部分煙稈的資源化利用過程都要經過粉碎打包、運輸、儲存等一系列步驟。盡管應用于秸稈方面的粉碎打包等設備已經相當成熟且設備齊全，但它們多為玉米、小麥和牧草等軟性秸稈材料，而應用于像煙稈這樣的硬性秸稈配套設備較少。目前，已出現了用于煙稈的粉碎機、煙稈拔稈粉碎一體機[4]、煙稈粉碎壓縮打包機[5]等一系列配套的煙稈機械化設備，但從實際應用的效果來看，設備的性能及自動化方面仍有較大的提升空間。因此，開展煙稈利用模式和收儲設備的分析研究，對煙稈的資源化綜合利用和相關配套設備的系統化發展有著重要的現實意義。

1 煙稈的“五化”利用模式

1.1 煙稈的肥料化

有研究表明煙稈中不僅含有N 2.5%～3.0%、P2O50.5%～0.8%、K2O 3.0%～5.5%、MgO 0.12%等大量元素，同時還含有B、Cu、Fe、Mn、Zn等植物必需的微量元素[1]。另外，煙稈中還含有大量的纖維素和木質素，可作為土壤腐殖質的重要來源，因此煙稈經適當處理可作為極好的有機肥料[6]。但是經過研究發現，煙草秸稈直接還田并不是一種恰當的方式，必須經過充分腐熟后才能進行施用[7]。生物腐熟還田具有周期短、無污染和利用率高等特點，廣泛用于各種作物秸稈的腐化[8]。同時，也有研究發現煙稈中C/N較高，且含有煙堿、茄尼醇等有毒油溶性成分，不宜單獨制作堆肥[6]，但可以雞糞、豬糞等為輔料進行混合制備堆肥。不僅可以消除煙稈所帶病菌，同時也可以產生優質的生物有機肥[7]。陳飛等選用雞糞和小麥秸稈，并將其混合之后作為堆肥原料，采用靜態好氧堆肥工藝工序，試驗分析了不添加及在不同時期添加煙草廢棄物對堆肥發酵的影響，得出添加煙草廢棄物會降低堆肥發酵過程的溫度，影響微生物對有機物料的分解，不利于堆肥物料的快速腐熟[9]。解曉菲等采用煙稈有機肥與化肥配施的方法，分析了其對煙葉生長及產量的影響，發現煙稈有機肥可以有效促進煙葉的生長，并增大煙葉面積，同時提高煙葉產量和品質[10]。李艷平等以煙稈有機肥為原料，采用盆栽方式，分析了煙稈有機肥對烤煙根系發育和礦物質元素的吸收，發現當煙稈有機肥500g/盆時，烤煙根系健壯[11]。綜述前人所做的研究，煙稈有機肥不僅從生產工藝上得到了試驗和應用，同時在對作物的生長試驗過程中也表現出了良好的可行性。因此，以煙稈為材料進行制作有機肥，不僅可以實現煙稈資源的綜合利用，同時也能促進農作物的生長，提高作物的產量，并為生態有機肥的發展開拓新的思路和方向。總之，煙稈有機肥的制備和應用將會展現出巨大的發展潛力。

1.2 煙稈的原料化

經分析發現，煙稈中含有大量的煙堿、茄尼醇、果膠、蛋白質等重要化合物，其中煙堿和茄尼醇為煙稈所特有，并且其含量較高[6]。煙堿(C10H14N2)作為重要的化合物，一方面可用于制取具有高效低毒特點的綠色殺蟲劑和殺菌劑；另一方面，也可用于制備預防老年癡呆癥、帕金森癥等疾病的藥物[6]。茄尼醇(C45H74O)是重要的醫藥中間體，在抗菌、消炎、止血方面有較好的應用[12]。煙稈中果膠含量為3.89%，從煙稈中提取到的果膠，常被用作乳化劑、凝膠劑和增稠劑[13-14]以保障食品、輕工、醫藥等行業發展，同時果膠也可起到抗癌和抗輻射的功效[15]，用于制備生產相關藥物。

活性炭作為一種重要的吸附劑，可用于城市污水、工業廢水、飲用水等的處理，能有效凈化水資源，去除水中污染物，最終達到凈化水資源的目的。目前已經成功制備出以煙稈為原料的活性炭，盧春蘭等以煙稈作為原材料，采用水蒸氣法對炭化后的煙稈活化制備活性炭，系統分析了制備過程中的工藝條件，發現活化溫度和活化劑用量對煙稈炭化影響較大，而炭化溫度和升溫速度對煙稈炭化活化影響較小[16]；吳笛等選用煙稈作為試驗原料，首次采用碳化法制備活性炭，其對六價鉻的去除率達99.99%[17]。

煙稈是一種半木質化的纖維材料，其木質化纖維扁而寬，具有較好的柔韌性，是制作高密度纖維板的理想材料[18]。目前有兩種纖維板制造工藝，一種是普通制板工藝，另一種是無膠的制板工藝，采用該工藝是因為煙稈中含有大量果膠和木質素，而果膠和木質素可在高壓及165～175℃下彼此粘結起來，以此實現煙稈的無膠制板[18]。尋覓等研究分析了煙稈木材混合的刨花板生產加工工藝，得出煙稈木材混合制板較純煙稈刨花板的性能有所提高。龔迎春等以含水率和煙稈部位作試驗因素，探究了其對刨花板力學性能的影響，其中當含水率在6%時，煙稈刨花板的彈性模量和靜曲強度最大；利用中部煙稈刨花制備的刨花板的內結合強度、彈性模量、靜曲強度最小。最終，經過測試，發現采用煙稈制作的刨花板其力學性能達到國家制定的標準[19]。

綜上可知，煙稈不僅可以作為工業原料提取重要的化合物，而且可用于活性炭和生物炭的制備，也可以用于纖維板和刨花板的制備。在對煙稈的實際應用發現，煙稈還可以用于造紙和紙漿模塑。總的來說，煙稈是一種非常重要且應用廣泛的工業原料。

1.3 煙稈的燃料化

以秸稈等生物質原料作為開發應用的生物質能源，不僅具有來源廣泛和價格低廉的特點，而且它是一種清潔的可再生新能源，十分切合當今生態能源的高標準要求。目前，對于煙稈方面的生物質能源的利用，謝兆鐘等以煙稈為原料，先通過萃取法去除煙稈中的油溶性成分和水溶性成分，再進行發酵蒸餾制備出乙醇燃料[20]；陳智遠等以未預處理高濃度發酵環境作為試驗條件，在38℃的恒溫間內，對煙稈進行了發酵試驗，得出煙稈是完全滿足沼氣發酵的高濃度條件，且發現，在該條件下，煙稈表現出較好的發酵特性，采用批量發酵方式生產沼氣是完全可行的[21]。郭仕平等先將粉碎后的煙稈制成生物質燃料煙稈壓塊，以取代替換煤炭來烘烤煙葉，發現以煙秸稈壓塊替代煤炭作燃料得到的烘烤工藝曲線與煤炭烘烤得到的基本吻合，基本上能夠滿足煙葉烘烤時的作業條件要求，烤后原煙等級質量與煤炭烘烤相當，采用煙稈壓塊代替煤炭是可行的[22]。總的來說，煙稈在燃料化方面的利用主要分為固、液、態三個方面，一是對粉碎的煙稈進行擠壓成塊或棒料以替代煤炭等能源；二是采用熱裂解的方式對煙稈等提取液體化合物，如可燃氣和木炭等；三是利用生物質氣化發生裝置，將煙稈進行氣化提取熱值。

1.4 煙稈的基料化

試驗發現，煙稈中含有大量的N、P、K等植物所需營養元素，同時還含有B、Fe等微量元素，經過適當處理后的煙稈，不僅適于作土壤的有機肥，同時也可用于育苗和栽培食用菌的基質。據資料顯示，目前已經出現了利用煙稈來替代常規培養料中的棉籽、稻草或木屑的食用菌栽培研究。比如，邱發奮等采用在培養基中加入不同比例的煙稈屑的試驗方法，得出加入煙稈屑將有利于金針菇菌絲的生長，且當煙稈屑為10%～30%時，金針菇的產量有所提高[23]；劉傳森等以煙稈屑組成培養基來栽培杏鮑菇，發現煙稈屑可以用于栽培杏鮑菇，且當煙稈屑加入比例為15%～30%時，菌絲的生長和產量有了較大的提高和改善，同時達到了歐盟關于食用菌的安全食用標準[24]。采用煙稈作為培養基質的部分替代材料，不僅可以降低培養基制作的成本，增加種植農戶的經濟收入，同時煙稈中的煙堿等也可起到殺蟲滅菌的功效，有效保證食用菌穩定健康的生長環境。

1.5 煙稈的飼料化

煙稈作為一種特殊的秸稈原料，相比于玉米、小麥、花生、牧草、大豆秸稈等，它并不適合于作飼料[8]。通過對近幾十年的文獻資料的查找，未發現煙稈用于飼料的相關報道。但除去煙稈本身之外，發現煙籽、次等的煙葉、枝葉及其嫩枝可以用作飼料喂豬。根據試驗的測定，在這些煙稈副產物中含有大量而豐富的粗纖維、粗蛋白、粗脂肪和鈣等營養物質。利用煙葉作為喂養飼料，一方面，可以將鮮葉經過高溫煮熟后喂養；另一方面，也可以先青儲發酵后喂養，但以青儲后飼喂較好。煙籽中也含有豐富的蛋白質物質，當加入15%煙籽餅后，可得到較好飼養效果[25]。

由此，可以看出，除去煙稈之外的煙葉副產物大都完全可以作為飼料用于豬的養殖喂養，而煙稈為什么不能作為飼料喂養并沒有從理論和試驗的角度給出解釋。因此，關于煙稈的飼料化問題，我們仍需要從煙稈的成分以及喂養過程中的適口性等方面進行試驗，以最終確定煙稈不能作為飼料的根本原因。

2 煙稈收儲機械化設備的研究

2.1 煙稈粉碎設備

據統計，目前我國的秸稈粉碎設備從粉碎原理上包括鍘切式、錘片式、揉切式和組合式4種。其中，錘片式粉碎機是目前使用最廣泛的一種粉碎設備，它利用高速旋轉的錘片來擊碎秸稈物料，以實現對物料的粉碎細化；而組合式粉碎設備是一種將鍘切、碰撞、粉碎和揉搓等多種粉碎功能組合為一體的新型粉碎機，該設備具有綜合能力強，適應范圍廣的特點[26-27]。因此，對于煙稈的粉碎也是在此基礎上進行選擇和改進的。陳魁設計了一種新型煙稈螺旋切割機構，并通過自制實驗平臺進行了試驗，獲得了最佳切割臺安裝傾角15°[28]。張大斌等設計了一種一體式煙稈拔稈粉碎機，該設備主要由4部分組成：拔稈機構、輸送機構、粉碎機構和液壓傳動機構；拔稈機構由拔稈刀輥將煙稈拔起，輸送機構將拔起的煙稈輸送到粉碎機構。該設備可實現對煙稈的拔起、輸送、清理及粉碎拋送等一系列工序作業要求[29]。楊康等根據對數螺線方程原理，對不同滑切角的刀刃曲線優化，最終得到48°等滑切角時，刀刃能耗最低，粉碎效果良好[30]。

煙稈粉碎機的出現，不僅滿足了對煙稈粉碎的機械化設備要求，同時也提高了勞動效率，降低了勞動強度，也為煙稈的綜合利用提供了極大的方便。

2.2 煙稈成型設備

煙稈成型設備從壓縮成型的原理上，可以大致分為3種：螺旋擠壓成型、活塞沖壓成型和模輥碾壓成型。所謂的螺旋擠壓成型是通過螺桿的旋轉不斷擠壓推動物料向前，最后在成型套筒處成型出倉，但該設備耗能較高且易于磨損。活塞沖壓成型是利用活塞的往復運動，將物料沖壓成型，極大地改善了螺旋擠壓成型中的能耗和磨損問題。模輥碾壓成型是利用擠壓力和摩擦力將物料從模具擠出成型。但總的來說，上述成型設備主要是用于生物質燃料的制備，若要考慮到其它利用途徑的，壓縮打捆或打包才是較為適宜的煙稈預處理方式。目前，對于煙稈壓縮打捆或打包的設備較少，主要集中在玉米、小麥和牧草等農作物。孟輝等依據對煙稈壓縮成型的試驗數據，設計了一種用于煙稈顆粒的壓縮打包機[5]，但其并沒有生產制造出相應的試驗樣機進行田間試驗。

煙稈成型設備對于提高煙稈的綜合利用起著十分關鍵的作用，尤其是煙稈壓縮打捆或打包設備的研制，它不僅可以為煙稈的后期應用提供原料供應，同時能夠有效降低儲運成本，減輕勞動強度，提高煙農收入。因此，開展煙稈壓縮打捆或打包設備的研究迫在眉睫。

3 結語

3.1 總結

(1)煙稈作為一種取之不盡的生物質能源，每年產量達1. 162×106噸，如何利用好煙稈資源，對我們而言，既是機遇，也是挑戰。通過對煙稈資源在肥料、原料、燃料、基料等方面的分析總結，可以看出煙稈確實具有十分巨大的應用潛力，同時也將給我們的生態環境改善和煙稈產業開發帶來巨大的利益。因此，加強煙稈資源化利用的研發是關系到煙稈能否利用好的重要前提和基礎。

(2)煙稈機械化設備的研發和使用可以有效提高煙稈綜合利用率，同時也是完善煙葉生產過程全程機械化的一個重要環節，保證了煙稈的及時回收，避免煙稈對煙田的二次污染以及潛在的生態環境問題。目前，對于煙稈粉碎和打包方面的農機設備并不充足，且自動化程度和結構化仍需改善和提高。

3.2 展望

我國是煙草種植和產量大國，煙草種植及其產品加工是我國國民經濟的重要組成部分，它對國民經濟的發展和煙草行業就業具有深遠的意義。煙稈作為煙草作業生產過程中的主要副產品，提高煙稈資源的綜合利用事關煙草種植的全程機械化發展、生物質能源綜合利用以生態環境保護等多個方面，我們應該從自身出發，緊緊依靠高校、科研院所等機構，加大對煙稈綜合利用的深入研究，為煙稈的市場化提供理論和實踐基礎；其次，圍繞煙稈綜合利用的收儲運環節，加大相關配套機械設備的研發和生產，切實將煙稈綜合利用當成一份綠色產業來發展，建立良好的煙稈收儲運模式，為煙稈綜合利用提供支撐，使煙稈產生切實的經濟、社會和生態效益，為構建美麗新農村新產業向前再邁一步。