生物質內置式烤房對煙葉烘烤性能的影響

李磊磊， 高冬冬， 范 龍， 孫希文， 張曉璇， 代昌明， 郜軍藝， 賀 帥， 黃 蘭

(1.貴州省煙草公司 畢節市公司， 貴州 畢節 551700； 2.畢節市煙草公司 納雍縣分公司， 貴州 納雍 553300； 3.畢節市煙草公司 大方縣分公司， 貴州 大方 551600)

0 引言

【研究意義】煙葉烘烤是烤煙生產過程中非常重要的環節之一，也是決定煙葉產質量的關鍵環節，煙葉烘烤的好壞直接影響煙農收入[1-3]。目前，我國煙葉烘烤廣泛使用密集烤房，以多座連體集群建設[4]，主要靠煤炭燃燒供熱，烘烤過程需要消耗大量煤炭[5-8]。一般烘烤1 kg干煙需要1.5～2.0 kg標煤，但熱能利用效率僅30%左右[9-10]；且煤炭燃燒產生大量SO2和粉塵等污染物，嚴重污染周圍環境，產生較大的負面影響[11]。此外，以煤炭為燃料進行煙葉烘烤時溫度控制精度較低，容易出現偏溫現象，造成煙葉烤青等[12-14]。隨著綠色發展理念的不斷深入和不可再生資源的不斷消耗，能源正逐漸向綠色、可再生循環利用的新能源方向發展，積極尋求開發清潔能源代替煤炭應用到密集烤房上已迫在眉睫。畢節常年種植烤煙3.33萬hm2，收購煙葉120萬擔，煙葉清甜香、蜜甜香型風格突出，是全國第八、全省第一煙葉產區，投烤普通烤房3萬余座，因此，研究生物質新能源烤房在烤煙生產上的應用，對當地烤煙可持續綠色發展具有重要現實意義。【前人研究進展】生物質新能源作為一種具有廣闊應用前景的清潔能源被許多烤煙生產國家使用[15]，在此基礎上，生物質烤房作為清潔能源密集烤房的主要研究方向，得到廣泛應用并不斷改進和完善，實現了自動點火、自動供料等功能[16]。關于生物質新能源烤房的研究多集中在生物質供熱爐體的設計、生物質燃料配方和自動化程度等方面[17-18]。王建安等[15]研究指出，內置式生物質供熱爐體控溫精度達±0.5℃以內，系統熱效率達64.26%～65.42%，效果較好。盧雨等[16]研究表明，內置式生物質供熱爐和外置式生物質供熱爐較常規烤房操作耗時分別降低69.71%和43.51%?！狙芯壳腥朦c】目前關于不同生物質烤房的烘烤成本、烤后煙葉質量及廢棄物排放等方面鮮見系統的研究報道。近年來，畢節為踐行綠色發展理念，響應國家“雙碳”戰略部署，大力推廣應用生物質新能源烤房，但其不同烤房的烘烤性能各有不同，煙農在使用方面存在很大差異，現有的理論基礎無法支撐生物質新能源不同烤房的推廣應用。【擬解決的關鍵問題】分析比較生物質內置式烤房、生物質外置式烤房和常規燃煤烤房在用工成本、能耗成本、煙葉經濟性狀及煙氣排放指標等方面的差異，探明不同類型生物質新能源烤房的烘烤性能，篩選適宜的生物質新能源烤房，以期為生物質烤房在烤煙生產上推廣應用，促進烤煙生產節能減排、減工降本及提質增效提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗品種為云煙87。試驗烤房為生物質內置式烤房、生物質外置式烤房和普通烤房。試驗煙葉為同一區域、同一品種、同一部位、煙葉長勢和成熟度基本一致的煙田。試驗燃料為當地烘烤用煤炭、生物質顆粒燃料，市購。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 設3個處理：T，許昌同興生物質內置式供熱爐聚氨酯板材烤房，簡稱內置式烤房；CK1，鄭州容大生物質外置式燃燒機磚混烤房，簡稱外置式烤房；CK2，普通燃煤磚混密集烤房，簡稱普通烤房。每個處理設置1座烤房。試驗于2019—2020年在畢節市金沙縣大田鄉白泥煙葉烘烤工場進行。各處理烤房的煙葉品種、部位、成熟度、綁竿及裝煙密度、裝炕時間、烘烤工藝等均一致，上中下部位各烘烤1炕。

1.2.2 指標測定

1) 建造成本。統計3種類型密集烤房的建造成本(測算到每間)，包括烤房土建(磚混或板材建設安裝)、供熱系統設備及門窗等成本。

2) 烘烤用工和能耗成本。記載不同處理烘烤用工、烤后干重、煙葉竿數、耗電量、耗燃料量。每個處理每炕各抽取30竿具有代表性的煙葉進行掛牌烘烤并稱干重，計算出每炕的干重，再計算用工和能耗。

3) 經濟性狀。分炕次對定位掛牌烘烤的30竿煙葉進行分級并統計均價、上等煙率，從而計算各炕煙葉均價和上等煙率。

4) 煙氣排放指標檢測。委托有檢測資質的單位對烤房產生的排放物〔二氧化硫(SO2)和顆粒物(PM)〕進行現場檢測。

1.3 數據統計與分析

采用Excel 2012和SPSS 21對數據進行處理與統計分析。

2 結果與分析

2.1 烘烤煙葉的用工成本

由表1可知，同年不同處理的烘烤用工量和用工成本均存在顯著差異，均表現為CK2>CK1>T。用工量：T最低，平均為0.001 6個/kg，分別較CK1和CK2降低0.000 7個/kg和0.001 9個/kg，降幅分別為30.43%和54.29%；CK1較CK2降低0.001 2個/kg，降幅分別為34.29%。用工成本：T最低，平均為0.32元/kg，分別比CK1和CK2降低0.14元/kg和0.38元/kg，降幅分別為30.43%和54.29%；CK1較CK2降低0.24元/kg，降幅分別為34.29%。

表1 不同烤房烘烤煙葉的用工成本

2.2 烘烤煙葉的能耗成本

由表2可知，同年不同處理的耗燃料量、耗電量和能耗成本均存在顯著差異。其中，耗燃料量和能耗成本均為CK1>CK2>T，而耗電量均為CK1>T>CK2。耗燃料量：T最低，為1.36 kg/kg，分別較CK1和CK2顯著降低0.82 kg/kg和0.20 kg/kg，降幅分別為37.61%和12.82%。耗電量：T和CK1顯著高于CK2，T平均為0.57 kW·h /kg，較CK1降低0.07 kw·h /kg，降幅為10.77%；T較CK2增加0.17 kw·h /kg，增幅為42.50%。能耗成本：T最低，平均為1.65元/kg，分別較CK1和CK2顯著降低0.86元/kg和0.42元/kg，降幅分別為34.26%和20.29%。

表2 不同烤房烘烤煙葉的能耗成本

2.3 烤后煙葉的經濟性狀

由表3可知，不同處理的單葉重、均價、上等煙率和中等煙率均存在差異。其中，單葉重、均價及上等煙率均表現為T>CK1>CK2，中等煙率表現為T

表3 不同烤房烤后煙葉的經濟性狀

2.4 不同烤房設施設備的投入成本

由表4可知，T和CK1的設施設備投入總成本顯著高于CK2，T和CK1間差異不顯著。其中，T最高，為3.46萬元/座，分別較CK1和CK2增加910元/座和7 670元/座。加熱設備成本為T>CK1>CK2，土建部分成本為T>CK1=CK2，門窗成本各處理相同。按照使用壽命10年、每年烘烤1.33 hm2及分攤2 500 kg干煙計，T單位干煙建設投入成本為1.38元/kg，分別較CK1和CK2增加0.03元/kg和0.30元/kg，增幅分別為2.22%和27.78%。

表4 不同烤房的設施設備投入成本

2.5 不同烤房烘烤煙葉的綜合經濟效益

由表5可知，各處理的綜合成本為CK1>CK2>T，T最低，為3.34元/kg，分別較CK1和CK2顯著降低22.69%和13.25%。綜合經濟效益為T>CK1>CK2，T最高，為25.58元/kg，分別比CK1和CK2顯著提高7.57%和10.35%。說明，T較CK1、CK2增效且具有明顯優勢，而CK1由于能耗成本和設備成本的增加致使其經濟收益與CK2差異不顯著。

表5 不同烤房烘烤煙葉的綜合經濟效益

2.6 不同烤房的煙氣排放指標

由表6可知，不同處理煙氣排放指標差異顯著。二氧化硫：排放量為CK2>CK1>T，其中，T和CK1的排放量分別為37 mg/m3和42 mg/m3，分別較CK2降低95.80%和95.23%，各處理間差異顯著。顆粒物：排放量為CK2>CK1>T，T和CK1的顆粒物排放量分別為10.5 mg/m3和12.5 mg/m3，分別較CK2降低75.06%和70.31%，各處理間差異顯著。表明，生物質燃料替代煤炭進行煙葉烘烤的環保減排效果較明顯。

表6 不同烤房的煙氣排放物含量

3 討論

隨著社會發展進步和人們環保意識不斷提高，生物質燃料、電熱泵、天然氣、太陽能及醇基燃料等作為清潔能源被逐步應用于煙葉烘烤，而且研究出了許多煙葉烘烤設施設備[18-20]。電熱泵烤房建造成本高，電力要求高；天然氣烘烤須要鋪設專用管道，成本高[2]；而生物質燃料具有體積小、成本低、密度高、可燃性強、資源豐富、易于儲存和運輸等優點，在煙葉烘烤上逐步得以推廣，并取得了一定的效果。邱志丹等[21]研究表明，在木屑中摻入15%煙稈作為生物質燃料原料制備的生物質燃料點火容易、火力強、溫度調節靈敏度高，烤后煙葉化學成分和能耗與純木屑生物質燃料無顯著性差異，可以滿足烤煙烘烤工藝需求。范沿沿等[2]設計的生物質外置式燃燒機，可在不改變傳統烤房主要結構的情況下，將生物質燃燒機與傳統燃煤烤房的燃煤爐進料口連接，通過生物質燃燒機為燃煤爐供熱。王建安等[15]采用動態量化的熱量輸出、吹風降溫的機械傳動和先阻后集的除塵等方式，設計的生物質燃料內置式烤煙供熱爐體設備能夠滿足密集烤房箱式和掛竿裝載煙葉的烘烤供熱需求。胡小東等[11]研究表明，生物質壓塊用于煙葉烘烤可以充分調控煙葉烘烤工藝，降低煙葉烘烤成本，節能減耗，提高烤后煙葉質量。該研究結果與其較一致。

研究結果表明，生物質烤房在烘烤用工方面與普通烤房比較，能夠顯著減少烘烤操作用工成本、降低烘烤勞動強度，內置式烤房和外置式烤房用工成本分別比普通烤房降低54.29%和34.29%，與蔣篤忠等[13]的研究結果基本一致?？赡茉蚴巧镔|烤房具有穩定性和控溫精確性強的特點，而且減少了剔渣除灰和加料次數。內置式烤房、外置式烤房和普通烤房能耗成本分別為1.65元/kg、2.51元/kg和2.07元/kg，外置式烤房最高，普通烤房其次，內置式烤房最低，與盧雨等[16]的研究結果有所不同。可能原因：一是該研究中內置式烤房的裝煙室采用的是聚氨酯板材烤房，保溫保濕效果較好；二是可能與當地使用的生物質原料有關，會影響燃燒值和發熱量。無論是內置式烤房還是外置式烤房，均比普通烤房設施設備投入成本高。從綜合成本看，內置式烤房省工降本的優勢能彌補其建造成本稍高的短板，綜合成本最低，分別比外置式烤房和普通烤房降低22.69%和13.25%。烤后煙葉的單葉重、均價、上等煙率均是內置式烤房最好，內置式烤房、外置式烤房、普通烤房的均價分別為28.92元/kg、28.10元/kg和27.03元/kg，生物質烤房均高于普通烤房，與盧雨等[16]的研究結果一致。從綜合經濟效益看，內置式烤房的綜合經濟效益最高，分別比外置式烤房和普通烤房提高7.57%和10.35%。外置式烤房由于能耗成本和設施設備投入成本高而影響其經濟效益，因而外置式烤房雖然綜合經濟效益略高于普通烤房，但差異不大。從煙氣排放指標檢測看，2種生物質烤房的SO2排放量均比普通烤房降低95%以上，顆粒物排放量均比普通烤房降低70%以上，減排效果顯著，與杜傳印等[9]的研究結果基本一致。

4 結論

生物質內置式烤房烘烤用工成本平均比生物質外置式烤房和普通烤房分別降低30.43%和54.29%，能耗成本分別降低34.26%和20.29%，烤后煙葉均價分別增加2.88%和6.99%，綜合經濟效益分別提高7.57%和10.35%。2種生物質烤房SO2和顆粒物等排放物均比普通烤房降低70%以上。綜合看，生物質內置式烤房在節能減排、減工降本及提質增效方面效果最好，具有較好的推廣應用前景。因此，應該針對不同情況加大推廣力度，對烤房設施缺乏、需要新建烤房的煙區，建議以生物質內置式板材烤房為主；煙區穩定、規模穩定的集中烤房群或烘烤工場需要改造的，建議選擇生物質新能源烘烤設備。