不同供熱能源烤煙經(jīng)濟效益對比分析

趙浩賓，胡永濤，李芳芳，王勇軍，韋鳳杰，王建安，常劍波

（1中國煙草總公司河南省公司，鄭州 450046；2河南農(nóng)業(yè)大學煙草學院，鄭州 450002；3河南省煙草公司三門峽市公司，三門峽 472099）

0 引言

中國是世界上烤煙種植面積最大的國家，傳統(tǒng)上煙葉烘烤利用煤炭直接燃燒供熱[1]。燃煤供熱不但熱能利用效率較低，而且環(huán)境污染嚴重[2-3]。目前，每年約需要300萬～400萬t煤炭用于中國煙葉的烘烤，CO2排放量接近800萬t，煙塵約60萬t，有害氣體3萬～5萬t，并產(chǎn)生大量的固體塵埃顆粒[4]。隨著人們的環(huán)保意識不斷提高，反對這種烤煙生產(chǎn)方式的呼聲越來越強烈[5]。燃煤烤煙無論是在供熱方式上還是在資源利用方式上，已不符合時代的發(fā)展[6]。然而烤煙作為中國的一種重要經(jīng)濟作物，現(xiàn)階段對國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和偏遠山區(qū)的脫貧攻堅，起著不可替代的作用[7-8]。針對這一問題，近幾年煙草行業(yè)也積極響應各級政府部門的減排號召，積極投入大量的資金研究替代煤炭的清潔能源，發(fā)展綠色烘烤[9]。

目前，烤煙上已研發(fā)的清潔能源主要包括生物質成型顆粒燃料、燃氣、醇基液體燃料和空氣源熱泵等[10]。烤煙用生物質燃料采用粉碎后的農(nóng)林廢棄物擠壓造粒而成[11]，成型顆粒的規(guī)格為φ8～12 mm、長度是直徑的4～5 倍。燃氣類的天然氣、液化氣和頁巖氣燃料經(jīng)過多年開發(fā)，已經(jīng)在部分煙區(qū)進行示范應用[12]。醇基燃料以甲醇為主，為了減少雜質堵塞燃燒器噴嘴破壞，要求其含量在99%以上，熱值大約為22.7 MJ/kg[13]。空氣源熱泵以三相380 V 供電為主，少數(shù)煙區(qū)使用兩相220 V線路[14]。當前上述的各類清潔能源供熱設備陸續(xù)進入了推廣階段，但有關密集烤房改造和使用經(jīng)濟效益的分析方面報道較少，雖有學者對清潔能源供熱設備以商業(yè)市場運營的模式從年凈現(xiàn)流量角度進行了分析[15]，然而針對中國煙草專賣體制下的烘烤設備投資的評估，略顯不足。因此，本研究以煙草專用設備運營為切入點，通過實地調(diào)研和查閱文獻，結合投資和使用綜合評估各類清潔能源烤煙供熱的經(jīng)濟效益，旨在為中國下一步清潔能源供熱設備的批量推廣提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 基礎數(shù)據(jù)的收集2018—2019 年在河南省襄城縣雙廟烘烤工廠、洛寧縣凹村烘烤工廠、盧氏縣杜關烘烤工廠、四川省敘永縣麻城烘烤工廠、湖南省桂陽縣曾家村煙葉烘烤工廠、貴州省畢節(jié)市七星關區(qū)藏馬坑烘烤工廠、重慶市巫溪縣古路烘烤工廠、江西省安福縣洋溪烘烤工廠等地駐點調(diào)研。

1.1.2 烘烤數(shù)據(jù)的收集 一是通過拷貝煙草公司內(nèi)部文件、現(xiàn)場抄錄烘烤時記載數(shù)據(jù)，二是挖掘網(wǎng)上文獻，主要登錄中國知網(wǎng)(http://www.cnki.net)，查閱的關鍵詞包括煙草、生物質、熱泵、燃氣、液體燃料和清潔能源，關鍵詞之間采取單列或并列的方式檢索，下載資料，抽取數(shù)據(jù)。

1.2 分析方法

不同能源供熱設備在其使用的壽命期內(nèi)，以國家煙草專賣局418號文件規(guī)定的密集烤房[16]為裝煙和烘烤載體，并把傳統(tǒng)燃煤作為一個烤煙供熱處理，從設備投資、單體運營、烘烤操作和閑置維護等方面入手，參考煙葉烘烤環(huán)節(jié)的各項經(jīng)濟因素，采用文獻[10]對清潔能源供熱設備的經(jīng)濟效益分析方法，把供熱設備涉及到的各項費用折合到單炕煙葉烘烤費用C(元/炕)上，進行經(jīng)濟效益的綜合分析[式(1)]。

式中，P為設備購置、安裝和修建配套設施的費用(元/臺)；W為設備報廢后回收價格(元/臺)；b為設備使用壽命內(nèi)所能烘烤煙葉的總炕次(炕/臺)，按照“單次4片，5次采收”的煙葉采收方式計算每年設備被使用的年炕次數(shù)，乘以各類不同設備使用的年限，進而得出壽命期內(nèi)所烘烤煙葉的總炕次數(shù)；D為設備壽命內(nèi)使用過程中的維修費，設備均采用現(xiàn)代成熟的機電技術，按照購買價格的10%分攤計算(元/臺)；L為每臺供熱設備每炕烘烤操作的人工費用(元/炕)；Ct為每炕煙葉烘烤消耗的燃料費用(元/炕)。

2 結果與分析

2.1 不同燃料供熱類型的烤房改造成本分析

不同燃料單體供熱設備、電力配備和土建改造成本見表1。不同能源設備之間的價位差別較大。以熱泵較高，因為供熱時電負荷較大，需要對原有用電線路及變壓器進行升級改造。受密集烤房群擁有烤房數(shù)量的影響，每座空氣源熱泵電源線路改造價格也存在差異。對于在煙葉烘烤季節(jié)供電不正常的煙區(qū)，還需另配發(fā)電機；對于中等規(guī)模的（20～30座）密集烤房群，為了安全起見，燃氣和醇基燃料烤煙供熱需要配備燃氣儲存罐或液體燃料儲存罐，加上輸油管道、儀表安裝等折合每座造價1.2 萬～1.5 萬元。對于生物質供熱烤房的改造，外置式生物質燃燒機直接插接原燃煤設備連接即可供熱，不需要額外的配備；對于內(nèi)置式生物質供熱設備，需要對烤房的加熱室進行拆墻安裝，基建造價2000～3000元。

表1 不同能源類型的烤房設備改造及其配套費用

2.2 煙葉烘烤的能耗成本分析

表2顯示不同烤煙供熱能源的烘烤成本。目前生物質成型顆粒燃料市場價格在800～1100 元/t；醇基燃料中甲醇的含量不一，純度99.90%一般都在2800元左右。燃氣類燃料的購買價格差異受運輸距離的影響較大，產(chǎn)地價格與非產(chǎn)地的價格差異在2倍以上；由于生物質、燃氣和醇基燃料烤煙供熱使用機電裝置替代人工供料燃燒，用電比燃煤密集烤房略高。空氣源熱泵壓縮機工作，用電量遠大于其他燃料類型。每千克干煙葉烘烤耗能成本顯示燃氣＞醇基燃料＞燃煤＞生物質＞空氣源熱泵。

表2 不同能源類型烤煙供熱的烘烤能耗分析

2.3 煙葉烘烤過程中人工操作的費用統(tǒng)計

表3顯示各種燃料每炕煙葉的人工操作費用。依據(jù)煙葉在烘烤過程中供熱不間斷的要求，除燃煤需要人工進行燒火管理外，其他燃料類型均可利用現(xiàn)代成熟的機電和計算機控制技術，實現(xiàn)無人值守烘烤煙葉。燃氣和醇基燃料供熱設備有檢查燃料或更換罐體的操作，而生物質在燃氣和醇基燃料操作的基礎上，還需要向料筒添加生物質顆粒燃料。每2人搭配值守管理煙葉同時烘烤時密集烤房的數(shù)量，以空氣源熱泵烤房數(shù)量最多。單座密集烤房的每炕烘烤用工上，以燃煤烘烤操作最為耗工。

表3 每炕煙葉烘烤的人工操作成本

2.4 不同類型燃料供熱對烘烤過程工藝參數(shù)和烘烤效果的影響

通過試點調(diào)研和對比分析文獻，得到不同能源供熱對烘烤過程工藝參數(shù)和烘烤效果的影響（表4）。由于燃料的燃燒供熱具有一定的周期性，不同能源烤煙供熱不僅對煙葉烘烤過程中的升溫和穩(wěn)溫產(chǎn)生影響，還會對烤后的煙葉質量產(chǎn)生了一定影響。4類清潔能源供熱設備的烤房內(nèi)穩(wěn)溫和升溫性能均好于燃煤，烤后煙葉質量表現(xiàn)為空氣源熱泵＞燃氣＞生物質＞醇基燃料＞煤炭。

表4 烘烤過程中熱量供給性能和烘烤效果

2.5 不同能源類型供熱設備的綜合經(jīng)濟烘烤參數(shù)的評估

綜合經(jīng)濟烘烤參數(shù)是影響不同類型能源推廣的重要因素，表5 顯示不同能源類型供熱設備在使用壽命內(nèi)的綜合烘烤費用。煙葉的烘烤效果受人為影響較大，排除此因素外，當前各類能源烤煙折合到單炕次的綜合烘烤投入比為燃氣燃料＞醇基燃料＞空氣源熱泵＞煤炭＞生物質，可見生物質成型顆粒燃料是目前代替燃煤烤煙的最佳能源，空氣源熱泵烤煙供熱可作為生物質資源缺乏地區(qū)的替代能源。

表5 不同能源單座烤房單炕綜合效益分析

3 結論與討論

3.1 不同能源類型烤房對煙葉烘烤效果的影響

在煙葉的烘烤中，目標溫度曲線是烘烤技術人員根據(jù)鮮煙的營養(yǎng)素質確定的[21]，最佳的烤煙供熱是實際溫度和目標溫度曲線重合[22]，然而受不同類型能源進料方式、燃燒特性、放熱方式和釋放速率差異的影響[23]，烤房內(nèi)的目標溫度和實際控制的溫度之間或多或少地存在差異，進而影響到葉片內(nèi)物質的分解與合成。由于不同能源烤煙不僅改變了傳統(tǒng)燃煤的熱量供給方式，也改變了烤煙自控儀內(nèi)部的軟件程序和外部通訊端口的控制[24]，有必要根據(jù)各類能源烤煙供熱方式，從生理角度上對烘烤中煙葉的酶活性和內(nèi)在物質轉化進行研究。

3.2 智能控制裝置對不同能源類型烤房降工的影響

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，近年來用工費用占煙葉生產(chǎn)成本急劇上升[25]。燃煤烤煙操作平均2 人能管理5 個烤房，替換加煤、壓火、剔渣等人工操作[26]。新能源采用工業(yè)上成熟的機電控制技術[27]，使用機械裝置替代人工進行燒火管理，量化熱量的輸出，大幅降低了烘烤用工。烘烤人員主要任務由原來的“燒火+調(diào)控”并重，轉向把主要精力集中到烘烤工藝的把控上，通過識別煙葉在烤房內(nèi)的變化設置并調(diào)控各密集烤房的溫濕度和時間節(jié)點，不僅有利于工廠化烘烤操作，也有利于進一步提高煙葉的烘烤質量，增加煙農(nóng)的收入。

3.3 生物質燃料未來烤煙供熱的潛力

隨著生物質成型燃料生產(chǎn)技術的成熟，目前已可以實現(xiàn)煙草農(nóng)業(yè)廢棄物（如煙稈）的循環(huán)利用[28]。有學者表明生物質燃料為烤煙供熱是實現(xiàn)煙草綠色生產(chǎn)的最佳途徑[29]。雖然生物質成型顆粒燃料在煙葉的烘烤過程中存在人工向設備的料筒添加燃料的操作[30]，但其優(yōu)點是改造成本較低、投入少。如果大面積推廣生物質燃料烤煙供熱后，通過當?shù)責熮r(nóng)合作社等組織形式進行本地化生物質燃料生產(chǎn)，可以進一步降低20%～30%的燃料成本。

在烤煙供熱設備使用的壽命內(nèi)，通過對比分析采購、改建、配套設施、每千克干煙烘烤和烘烤勞動操作等成本，得出目前可替代燃煤烤煙供熱的清潔能源類型中，生物質成型顆粒燃料是最佳的燃煤替代能源；對于在生物質燃料缺乏的煙區(qū)，有電力保障的情況下，空氣源熱泵是烤煙供熱最佳的后備方式。燃氣和醇基燃料的單炕煙葉烘烤使用成本偏高，按照當前的經(jīng)濟發(fā)展水平，不適合在國內(nèi)煙區(qū)大面積推廣。