新型內置一體式生物質密集烤房烘烤效果研究

羅貞寶，李德侖，黃寧，黃翔，馬云飛，史訓瑤，武圣江，涂永高

摘? 要：為減少烤房能耗過高和污染等問題，采用新型內置一體式生物質密集烤房，與燃煤、外置式生物質密集烤房在烘烤性能、廢氣排放、烤后煙葉產質量、綜合效益等方面進行了對比研究。結果表明，新型內置一體式生物質密集烤房穩溫性能優于燃煤密集烤房，與外置式生物質烤房性能相當;綜合熱效率分別提高了12.54%和5.01%，干煙用工成本分別降低了88.98%和10.80%，烤后煙葉均價分別提高了1.89和0.26元/kg，烤后煙葉油分略有提升、雜氣略有減輕，煙葉烘烤平均凈均價分別增加2.63和0.46元/kg;中部煙葉烘烤過程中4種有害廢氣總含量分別降低了9 235.70和1 524.73 mg/m3。因此，新型內置一體式生物質密集烤房烘烤效果最佳，更具有推廣價值。

關鍵詞：生物質烤房;內置一體式燃燒機;烘烤成本;煙葉質量;廢氣排放

Study on Curing Effects of New Built-in Type Integrated Biomass Curing Barn

LUO Zhenbao1， LI Delun2*， HUANG Ning3， HUANG Xiang3， MA Yunfei2， SHI Xunyao4，

WU Shengjiang2， TU Yonggao2

（1. Bijie Company of Guizhou Provincial Tobacco Company， Bijie， Guizhou 551700， China; 2. Guizhou Academy of Tobacco Science， Guiyang 550081， China; 3. Guiyang Company of Guizhou Provincial Tobacco Company， Guiyang 550000， China; 4. Guizhou Provincial Company of CNTC， Guiyang 550002， China）

Abstract： In order to solve the problems of high energy consumption， cost and pollution in biomass energy curing barn， a new built-in type of integrated biomass intensive curing barn was designed. The device performance， economic characteristics， appearance and sensory quality of cured-leaves， gas emission and integrative benefit in three types of bulk curing barn （coal-fired， external biomass， built-in biomass） were compared. The results showed that the temperature stability performance of the new built-in biomass curing barn was better than that of the coal-fired bulk barn and was equivalent to that of the external biomass curing barn in cutter leaves. The average labor cost of cutter and upper leaves decreased with the amplitudes of 88.98 and 10.80 percentage points， respectively; The average price of the same part of tobacco leaves increased by 1.89 and 0.26 yuan/kg， respectively; The oil content of cutter and upper tobacco leaves were all increased slightly and the impurity gas were all decreased slightly; The average net income increased by 2.63 and 0.46 yuan per kilogram of tobacco leaves， respectively; The total emissions contents of four harmful gases in the stack gas of the new built-in biomass curing barn under cutter leaves were reduced by 9235.70 and 1 524.73 mg/m3， respectively. Therefore， the new built-in biomass barn has the best curing effect and is worth popularizing.

Keywords： biomass energy curing barn; built-in integrated burner; curing cost; quality of tobacco leaves; exhaust emission

多年來，我國煙葉烘烤主要以燃煤密集烤房為主，存在熱能利用率不高、排放污染重、用工耗能高、自動化程度低、控溫不精準等問題，已不能滿足時代需求[1-4]。生物質能源具有分布廣、資源多、含硫低、灰分少、可再生的特點[5-6]，現已成為煙葉烘烤中清潔能源的主流。

目前，關于外置式生物質烤房在減工降本、提質增效等方面的文獻報道較多[3-4]，但內置式生物質能源烤房的研究報道較少。內置式生物質燃燒機將燃料的燃燒位置由外置噴火改為內置于爐膛，從能量損耗角度分析，更有利降低損耗。生物質燃燒機內置化改進是進一步降低能耗，實現烤煙低碳烘烤技術途徑之一[5]。生物質燃料具有揮發分高，熱值低，堿金屬元素含量高的特點，其燃燒產物易對燃燒設備造成腐蝕、積灰和結渣的不良影響[6]。匹配合適的燃燒設備及散熱設備不僅可以提高燃料的燃燒效率，還可以減少燃燒過程中的污染物排放，實現節能減排[7-9]。因此，為進一步提高生物質的燃燒效率，降低排放，設計了一種新型內置一體式生物質密集烤房，采用智能控制、四級配風和二次燃燒技術，使燃燒更充分、溫控更精準。采用的板式兩極換熱技術，相比普通密集烤房，換熱面積增加1.2倍，換熱更高效。為明確其烤房性能及效果，試驗以燃煤密集烤房和當前烘烤中主推的外置式生物質烤房為對照，開展了新型內置一體式生物質密集烤房烘烤效果研究，以期為新型內置一體式生物質密集烤房改進及推廣應用提供依據。

1? 材料與方法

1.1? 試驗材料

試驗于2020年8—9月在貴州省六盤水市水城縣箐口煙葉烘烤基地進行。供試烤煙品種為云煙87，試驗用地為黃壤土，土壤肥力中等。田間栽培管理和煙葉烘烤調制按當地優質烤煙生產技術規范進行。選取同一煙田長勢均勻、成熟度一致的中、上部煙葉（以第9～11葉位為中部，以第14～16葉位為上部）進行烘烤試驗。烘烤技術按照“十個關鍵穩溫點”烘烤工藝進行。起火溫度控制在30 ℃，穩溫4 h，以1 ℃/h的速率升溫到36 ℃，穩溫6～8 h，直至觀察窗水霧明顯，葉尖變黃10 cm。變黃階段干球溫度控制于38 ℃，濕球37 ℃，保濕變黃時間24 h，煙葉達到7～8成黃（中部葉7～8成黃，上部葉達7成黃）。變黃后期（40～42 ℃），保持濕度36 ℃，以1 ℃/3 h升溫至45～48 ℃，濕球溫度為36～37 ℃，使煙葉主脈褪綠變黃。定色后期（51～54 ℃）控制濕球溫度為38～39 ℃，穩溫8～10 h，使煙葉達到大卷筒。干筋階段以1 ℃/h的速率升溫到68 ℃，濕球溫度在40～41 ℃，穩溫24 h以上，直至整炕煙葉干燥，停火。

1.2? 試驗設計

試驗設3個處理，CK1：燃煤標準密集烤房（氣流下降式，燃煤）;CK2：外置式生物質烤房（氣流下降式，生物質顆粒），外置式生物質燃燒機設備由湖南鑫迪新能源科技有限公司提供，型號為BM305-10K，散熱器采用燃煤密集烤房散熱器;CT：新型內置一體式生物質烤房（氣流下降式，生物質顆粒），新型內置一體式生物質燃燒機設備由貴州省煙草科學研究院設計，貴州黔豐源新能源科技有限公司提供，型號為CR-10。烤房規格均2.7 m×3.5m× 8.0 m。裝煙使用1.35 m×0.08 m不銹鋼梳式烤煙夾，每房裝煙380夾。隨機選取9夾煙葉，3夾為1個重復，測鮮煙質量和干煙質量，烤后按等級統計各級煙葉比重及上等煙比例。

1.3? 測定指標與方法

1.3.1? 性能指標? 包括綜合熱效率和穩溫性能。其中綜合熱效率（η）是指烘烤排出煙葉水分所需熱量與燃料消耗熱量的比值[10]。綜合熱效率測定公式為：

η=mw×2590/（mf Qf）×100%

式中，mw表示烘烤過程中排出的水分質量（kg），可通過烘烤前后每竿煙質量的變化測算得出;2590表示烤房中每排出煙葉內1 kg水分約耗熱量2590 kJ;mf表示烘烤過程中燃燒燃料的質量（kg）;Qf表示單位用料的低位發熱量（kJ/kg），由廠家提供的貴州省煤田地質局實驗室測定報告為依據（測定標準依據GB/T 213—2008），本試驗單位用煤低位發熱量為28 800 kJ，單位生物質顆粒低位發熱量為17 562 kJ。

穩溫性能是指在烘烤穩溫階段實際溫度與設定溫度偏差[11]。測定方法參照嚴顯進等[11]的方法。分別在38、42、54和60 ℃穩溫2 h后，每隔30 min記錄烤房實際溫度與設定溫度溫差，連續測定5次，取其平均值。

1.3.2? 烤房煙囪廢氣? 3種類型烤房分別在42、54、68 ℃穩溫2 h后，選取煙囪中部平面9點進行檢測，每點測3次取平均值。檢測由貴州躍慶諧環境檢測服務有限公司依據GB/T 213—2008進行，測試儀器使用嶗應3012 YQX-107煙塵氣自動檢測儀檢測。SO2、CO、NO和NOx參照《空氣和廢氣監測分析方法》[10]中點位電解法測定。

1.3.3? 烤后煙葉質量? ? 取各處理C3F和B2F煙葉樣品各1.0 kg由貴州省煙草科學研究院進行外觀質量檢測和感官質量評價，外觀質量依據GB 2635—1992對顏色、成熟度、結構、身份、油分、色度6個指標進行評價;依據YC/T 138—1998進行感官評價。

1.3.4? 效益指標? 烘烤成本包括用工成本和能耗成本。能耗成本=耗能量×單價÷烤后干煙質量，用工成本=每座烤房烘烤過程管理用工量×單價÷烤后干煙質量。其中每個工人工作8 h計算為1個用工量。

依據GB 2635—1992進行煙葉分級，計算煙葉等級比例、均價等[9]。干煙凈均價=均價?用工成本?能耗成本。

1.4? 數據統計分析

采用Excel和SPSS 13.0軟件進行統計分析。

2? 結? 果

2.1? 性能比較

2.1.1? 燃料用量及綜合熱效率比較? 由表1可知，不同類型烤房鮮煙量和干煙量無顯著差異（p>0.05）。綜合熱效率指標存在顯著差異（p<0.05），以CT的綜合熱效率最高，CK2次之，CK1最低。具體表現在：中部葉烘烤綜合熱效率CT處理較CK1提高13.69%，較CK2提高5.46%;上部煙葉烘烤綜合熱效率CT處理較CK1提高11.38%，較CK2提高4.55%。CT處理中上部煙葉平均每炕綜合熱效率較CK1提高12.54%，較CK2提高了5.01%。

2.1.2? 穩溫性能比較? 由表2可知，不同類型烤房CK1的溫度偏差在?1.78～1.52℃，CK2在?0.06～0.28 ℃，CT在0.00～0.24 ℃。其中，CK2和CT處理在上部煙葉烘烤中42、60及54 ℃穩溫階段溫度偏差絕對值顯著小于CK1（p<0.05）。

2.1.3? 煙氣污染物對比? 如表3所示，CK1的SO2平均排放量顯著高于生物質能烤房（CK2和CT），是其25倍以上。而CK1的NOx、NO、CO平均排放量略低于生物質能烤房（CK2和CT）。3個溫度段4種廢氣總排放量平均值存在顯著差異（p<0.05），其中CK1顯著高于CK2和CT（p<0.05）;除54 ℃溫度段外，CK2顯著高于CT（p<0.05）。相較于CK1和CK2，CT處理的4種廢氣總排放量平均值分別降低了9 235.70和1 524.73 mg/m3，降幅分別為89.62%和58.77%。

2.2? 烤后煙葉質量比較

2.2.1? 外觀質量? 由表4可知，中部煙葉，CT處理油分為“多”，顏色“金黃至橘黃”，好于其他處理;上部煙葉，CT處理和CK1處理的油分相對較足、色度較強，外觀質量較好。

2.2.2? 感官質量? 由表5可知，中部煙葉感官質量以CK2和CT表現較好，感官總分相當，稍高于CK1，主要表現在香氣量較足，吃味較舒適，雜氣較輕，刺激性較小。上部煙葉，CT處理感官質量總分稍高于CK1和CK2處理，主要表現在吃味較舒適，雜氣較輕，勁頭適中。CT處理的中上部煙葉感官質量在雜氣上均略有減輕。

2.3? 效益評價

2.3.1? 烤后煙葉經濟性狀? 由表6可知，中部煙葉以CT均價顯著高于CK1和CK2（p<0.05），CT分別高出CK1和CK2 2.33和0.70元/kg，具體表現在橘黃煙率略高，雜色煙率較低。上部煙葉以CT均價顯著高于CK1（p<0.05），較CK1高1.44元/kg。CT均價較CK2低0.18元/kg，但兩者在統計學上無顯著差異（p<0.05）。綜合中上部數據看，CT處理較CK1和CK2，平均每炕烤后煙葉均價分別提高了1.89和0.26元/kg。

2.3.2? 烘烤成本及凈收益? 由表7可以看出，中、上部煙葉均表現為CT處理的干煙用工成本顯著低于CK1。綜合中上部煙葉數據，干煙用工成本CT處理較CK1和CK2分別降低88.98%和10.80%。干煙耗電成本CT高于CK1，與CK2相當。綜合中上部煙葉數據，烘烤綜合成本CT處理較CK1和CK2分別降低28.23%和8.19%。

由烤后干煙凈均價可見，中部葉CT處理較CK1和CK2分別高出3.21、0.93元/kg，上部葉凈均價CK2、CT相當，CT較CK1高出2.04元/kg，增幅為9.48%。綜合中上部煙葉數據，CT處理較CK1和CK2烘烤平均凈均價分別增加2.63和0.46元/kg。

3? 討? 論

本研究結果表明，與燃煤密集烤房和外置式生物質密集烤房相比，新型內置一體式生物質烤房節省耗料熱量、提升綜合熱效率，其大規模應用將是實現烤房節能降耗有效途徑之一。同時，新型內置一體式生物質烤房采用自動填料控制技術，減少了人工操作的勞動投入和強度，并可提高專業化烘烤效率[7-8，12-13]，降低了烘烤成本。

與燃煤密集烤房相比，新型內置一體式生物質烤房烤后煙葉的橘黃煙率提升，雜色煙率降低，烤后質量略有改觀，主要表現在油分略有提升、雜氣略有減輕。主要是因為新型內置一體式生物質烤房采用工業成熟的PID控制技術，結合生物燃料燃燒特性及烤房溫濕度控制參數，精準控制加料時間及加料量，控溫精準度在±0.5 ℃以內，烤房穩溫性能優于燃煤密集烤房，與外置式生物質烤房性能相當。且相較燃煤密集烤房采用人工添加煤方式，新型內置式生物質烤房解決了燃煤密集烤房溫度控制的時變性及滯后性[14]，提升其溫濕度控制響應速度和精度[15]，使其在烘烤過程中對升溫、穩溫的調控較精準，能夠為煙葉的烘烤工藝執行提供科學保障。同時，新型內置一體式生物質烤房采用四級配風、智能控制技術，實現了溫度控制精準，并按照煙葉的烘烤工藝曲線調制煙葉，有利于煙葉體內酶活性提高、內在物質的轉化和水分及時排出[16-18]，在一定程度上提升煙葉等級結構和均價，從而提高烤后煙葉質量，與王建安等[19]使用醇基燃料設備精確烘烤煙葉的結論相似。

新型內置一體式生物質烤房4種廢氣總排放量顯著降低，可能與烤房采用二次燃燒技術有關，二次燃燒技術的應用促使氮氧化物排放降低[20]，與張靈輝等[21]高溫三次燃燒可有效降低氮氧化物生成的研究結果相似。

新型內置一體式生物質密集烤房設備整體集成促使設備成本進一步降低，且李崢等[22]研究表明規模化應用生物質烤房，累計凈現值和效益費用比相對較高，收益較好。同時，我國每年可利用生物質資源的總量豐富[3-6，23]，因此，規模化應用新型內置一體式生物質烤房具有較高的收益比。

4? 結? 論

試驗結果表明，新型內置一體式生物質烤房穩溫性能精準，烘烤能耗低和熱效率高，省工，烤后煙葉橘黃煙率略有提升，均價增加較顯著，烤后煙葉油分略有提高，雜氣略有減輕，總排放量顯著降低，凈均價顯著提升。因此，新型內置一體式生物質烤房具有一定可行性及應用前景。

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