煙桿碎片生物質燃料在煙葉密集烤房上的應用試驗

黃智華，李江舟，徐勇賢，瞿 興，薛國輝，張吉坤，丁家華，飛 鴻，李晗梅

（1. 云南省煙草公司玉溪市公司，云南 紅塔 653100；2. 玉溪市煙草公司澄江分公司，云南 澄江 652599；3. 昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 650500；4. 云南航天烘烤設備制造有限公司，云南 昆明 650031；5. 云南省煙草農業科學研究院，云南 昆明 650021；6. 昆明市煙草公司晉寧分公司，云南 晉寧 650600）

中國生物質資源豐富，秸稈資源龐大，年均產量約為8.65 億t[1]，具有“可再生、可循環、可減排”等諸多優勢，相比煤炭具有更大的優越性[2-3]。采用生物質能烘烤煙葉，不僅可以降低烘烤成本，而且清潔環保，在一定程度上可提高煙葉外觀品質[4]。長期以來，生物質能源化的應用主要是加工成塊狀或顆粒狀作為燃料使用，具有熱效率高、便于貯存和運輸、熱值高等優點[5]，但同時也存在加工過程復雜、加工成本高、保存要求高等問題。相比之下，對于廣大煙區而言，將煙桿或其它生物質秸稈碎片化后，利用燃燒設備燃燒供熱進行煙葉烘烤，更能彰顯生物質的優勢，在使烘烤成本大幅降低的同時，還可促進田間煙桿清除工作的推進，避免了煙根病蟲害留存土壤造成的負面影響，并且煙葉烘烤作業結束后的草木灰還田可優化土壤結構，對土壤肥力增效顯著[6]。本試驗從煙葉烘烤成本、烤后煙葉外觀品質、煙葉經濟性狀、環境效益等方面著手，對煙桿碎片生物質燃料在煙葉密集烤房上的應用進行系統研究和分析，為綠色低碳烤煙循環發展奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗烤房裝煙室為8.0 m×2.7 m×4.2 m 的彩鋼復合保溫板房，可掛4 層鮮煙葉；供試煙葉品種為K326，選取同一片煙田、栽培管理、營養發育水平和成熟度基本一致的上、中、下3 個部位煙葉進行對比烘烤試驗，煙葉烘烤過程的溫濕度可由密集烤房實現集成控制；用常發CFA304 輪式拖拉機帶動1 臺雙籠煙桿拔出機拔出煙桿；用型號為9Z-4C 的粉碎機對往年農戶收集的煙桿進行碎片化處理，作為烘烤煙葉的燃料備用。

為保證本試驗外部影響條件基本相同，避免因圍護結構傳熱引起的試驗數據偏差，試驗烤房選用烘烤工廠標準化建設的五連體烤房的第2 座、第3 座和第4 座，試驗烤房同時啟動，在整個烘烤過程中試驗烤房的溫度設置基本一致。

1.2 試驗方法

試驗于2021 年7—9 月在云南省澄江市廣龍社區煙葉烘烤工廠進行。本試驗共設置3 個處理：處理T1，煙桿碎片生物質燃料密集烤房；處理T2，電熱式密集烤房；處理T3，生物質顆粒燃料密集烤房。每座試驗烤房裝煙408 竿，每竿煙葉統一按10 kg 稱重編竿，裝入標準氣流下降式密集烤房進行烘烤。循環風機均選用型號為GKF7-4 的烤煙專用軸流風機，風壓＞180 Pa，風量＞15000 m3·h-1，烘烤前記錄標記煙葉的鮮煙葉重量，電表起始讀數；烘烤過程記錄烤房燃料的加料次數、單次加料重量、耗電量、烘烤用工數量、各時刻溫濕度等數據；烘烤結束后記錄電表終止讀數、掛牌標記干煙葉的重量，同比計算每爐烘烤出的干煙葉重量，統計不同處理各等級煙葉的比例。對3 種密集烤房在烘烤成本、煙葉等級、經濟性狀等方面進行對比分析。

2 結果與分析

2.1 不同品種煙桿產量分析

在云南省澄江市選擇4 塊不同煙葉品種的煙田，在同一田塊選擇150 棵煙株掛牌標記，烘烤結束后對其煙葉、煙桿進行稱重記錄如表1 所示。可以看出，不同煙葉品種其煙桿產量有一定差異，導致這種差異的因素可能與品種、土壤肥力、生長勢、煙農管理水平等有關。試驗結果顯示除了第3 塊煙田的莖葉比為0.98外，其余煙田的莖葉比均大于1，平均莖葉比達到了1.23，與目前課題獲得的烘烤1 kg 干煙葉需要消耗1.43 kg 煙桿碎片的結果看，1 hm2煙田產生的煙桿所提供的能源要完成1 hm2煙葉的烘烤，還差將近14%的能源。

表1 不同品種煙桿產量

2.2 不同拔桿方式費用分析

在煙葉采收完畢后選擇2 塊煙田，分別采用人工拔桿和機械拔出煙桿堆放至田邊晾曬，并記錄其經濟性。由表2 可見，人工拔桿方式的經濟性較差，相較于機械拔桿、機械拔桿帶打捆費用分別增加了101.4%、227.9%；而1 kg 煙桿的售價不超過0.3 元，煙桿（含煙根）產量約2700 kg·hm-2，煙桿價值為810 元·hm-2，顯然人工拔桿方式較難普及。

用機械拔桿可極大減少烘烤前期的費用投入，但機械拔桿垅端調頭用時太多，不能打捆，導致拔出的煙桿隨地散放，收集費時，這是影響機械拔桿效率的主要原因，另外煙桿地下根系部分由于受泥土包裹，不便與地上莖桿部分同時采收，從試驗分析來看，地上莖桿部分可進行機械取桿與打捆一起解決，地下根系部分可在田塊耕犁曬垡后進行機械收集，這也是今后農機需要考慮的方向之一。

2.3 煙桿粉碎機性能及費用分析

對市面上的4 種粉碎機進行性能測試，由表3 可見，使用不同型號的粉碎機基本都可執行煙桿粉碎工作，雖伴有絲狀物產生，但并不影響燃燒。粉碎時的油耗、用工、粉碎量，以及粉碎后的碎粒形態隨粉碎機的不同而產生差異。除了XQ 型粉碎機日處理量為1500 kg，其它機型均在3000 kg 以上，SD1 型粉碎機日產量最多，可達4800 kg，分別超出SD2、XL、XQ 機型33.3%、60%、220%。從平均水平來看，粉碎機日處理量（8 h）可達3225 kg，處理1 kg 煙桿的綜合費用（除去煙農自用工費用）僅為0.1 元。采用煙桿碎片生物質燃料用于煙葉烘烤經濟效益顯著。

表3 不同機械煙桿碎片加工費用

2.4 煙桿“四自一費”處理費用測試分析

對由煙農和農村合作社組織進行“自家的煙桿自收、自運、自投勞力，再適當繳納加工費用”的“四自一費”煙桿碎片化模式進行測試分析。用SD1 型粉碎機對晾曬后的煙桿實施碎片化處理，并記錄其成本。此模式下的生物質燃料成本較低，煙農經濟效益顯著。由表4 可見，基于“四自一費”模式下的10184 kg 煙桿（含煙根）成本費用僅為951 元，折合加工費僅為0.95 元·kg-1，燃料成本為0.295 元·kg-1，與平均0.9 元·kg-1的生物質顆粒燃料相比，這3.67 hm2煙田的煙桿碎片生物質燃料可節省6161 元的燃料成本，降幅達67.2%，此模式下的煙葉烘烤經濟效益顯著。

表4 煙桿“四自一費”處理費用測試

2.5 不同能源密集烤房用工成本分析

不同能源形式密集烤房的用工成本差異較大。如表5 所示，按每人每天的烘烤用工費用為150 元，煙桿碎片生物質燃料、生物質顆粒燃料、純電直熱的烘烤煙葉用工成本分別是187.5 元·爐-1、187.5 元·爐-1和83.33 元·爐-1。用煙桿碎片生物質燃料和生物質顆粒燃料密集烤房，烘烤技術人員只需要進行填料以及溫濕度控制操作，且一次填料可維持4～8 h的烘烤要求，因此每20 座烤房每天需要3 個人（每人8 h）進行烘烤煙葉操作；而電熱式密集烤房無需加料操作，只需要進行溫濕度控制即可，用工量較少，因此每30 座烤房每天只需要2 個人（每人12 h）進行操作，每爐次用工成本是煙桿碎片生物質燃料和生物質顆粒燃料密集烤房的44%。

表5 不同能源烤房用工成本分析

2.6 不同能源密集烤房烘烤成本分析

不同能源形式密集烤房烘烤試驗結果如表6 所示，基于“四自一費”煙葉烘烤體系，采用煙桿碎片生物質顆粒燃料烘烤煙葉降本增效顯著。煙桿碎片生物質燃料密集烤房的平均爐次耗電量為312 kW·h-1，與生物質顆粒燃料密集烤房差別較小，而純電直熱密集烤房的爐次耗電量最多，是1993 kW·h-1；由于煙桿碎片生物質燃料烤房成本的優勢，其能耗成本分別是電熱、顆粒燃料烤房的40.4%、45.3%。最終處理T1、處理T2、處理T3 的爐次烘烤成本分別是550 元、980 元、988 元，干煙烘烤成本分別是1.04 元·kg-1、1.85 元·kg-1、1.86 元·kg-1，采用煙桿碎片生物質燃料烘烤煙葉降幅達44%，具有顯著的經濟效益。

表6 不同能源烘烤成本分析

2.7 烤后煙葉質量等級結構對比分析

本試驗供試品種為K326，每座試驗烤房裝煙408竿煙葉，每竿煙葉統一按10 kg 稱重編竿，烘烤結束后從頂臺至底臺取樣100 桿煙葉，依據GB 2635—92 分級標準[18]進行等級評定，并結合當地烤煙生產收購政策對試驗煙葉進行統一取樣評定。由表7 可見，3 種類型密集烤房烘烤的煙葉質量差別并不明顯。處理T1、處理T2、處理T3 上等煙占比分別為67.92%、64.46%、67.80%，中等煙占比分別是22.52%、23.57%、22.90%，剔除不列級和烤壞煙葉，中上等煙葉比例分別達到97.63%、96.70%、98.17%，烘烤損失率分別是7.35%、8.97%、7.61%。因此，同等條件下3 種密集烤房烘烤煙葉對烤后煙葉質量等級結構差異不大。

表7 不同烤房烤后煙葉等級結構對比

2.8 煙葉經濟性狀對比

煙葉均價是煙葉外觀品質的核心體現，從表8 可以看出，煙桿碎片生物質燃料、電熱、生物質顆粒燃料密集烤房烘烤煙葉均價差異不大。從部位結構看，各處理上、中、下煙葉部位均價均符合生產實際，各占比差異較?。粡木鶅r看，處理T3（32.27 元·kg-1）＞處理T1（32.18 元·kg-1）＞處理T2（31.73 元·kg-1），煙桿碎片生物質燃料烤房烘烤煙葉僅比生物質顆粒燃料烤房低0.54 元·kg-1，比電熱烤房高0.45 元·kg-1，說明采用煙桿碎片生物質燃料烘烤煙葉是完全可行的。

表8 不同烤房烤后煙葉經濟性狀分析

2.9 環境效益分析

隨著溫室氣體排放量逐年升高而引起全球變暖等一系列問題，低碳減排已成為各個國家可持續發展的共識。煙葉烘烤集中的7—9 月是水電比重加大的階段[8]，但由于電網并網，水電、風電等清潔能源與火電并價計費，無法體現電熱烤房清潔能源的優勢；相較于生物質顆粒燃料，煙桿碎片生物質燃料不僅來源廣，加工簡單，燃燒溫度低，不結焦，氮氧化物排放量小，可避免煙根病蟲害留存土壤造成的負面影響。另外，烘烤結束后得到的草木灰還田還可改善土壤理化特性，減少土壤對化肥的依賴，增加土壤肥力，對煙葉的提質增收有一定的促進作用。煙桿碎片生物質燃料在生產、使用、還田整個過程中都是環境友好型的，秉承“循環農業”和“高質量發展烤煙”的理念，是真正意義上的“低成本、低能耗、低排放、高質量”可再生能源。與中國推進“碳達峰、碳中和”的雙碳戰略目標要求一致。

3 討論與結論

隨著人們環保意識逐漸增強，煙葉烤房棄煤形勢緊迫，生物質能逐漸成為烘烤煙葉替代能源。目前生產生物質顆粒燃料成本高、設備損耗大等弊端明顯制約著生物質烘烤煙葉的推進[9]。煙桿作為烤煙生物質燃料已有一定的應用。本課題提出了采用煙桿碎片生物質燃料烘烤煙葉，從烤煙用工成本、烘烤成本、煙葉等級、環境效益等方面與電熱烤房、生物質顆粒燃料烤房進行對比研究，結果顯示，煙田平均莖葉比為1.23，在后期的烘烤煙葉中可加入其它類型秸桿；四自一費煙桿碎片化處理模式經濟性較好，機械拔桿試驗組的費用僅為0.2 元·kg-1，采用四達9Z-4C 粉碎機的加工成本僅為0.095 元·kg-1，0.295 元·kg-1的煙桿碎片生物質燃料成本相比于生物質顆粒燃料降幅達67.2%；煙桿碎片生物質燃料烤房在保證烘烤煙葉等級結構、均價與其它處理并無明顯差異的同時，單位干煙烘烤成本僅為1.04 元·kg-1，極具有推廣優勢；烤煙結束后的草木灰還田可改善土壤肥力，提升煙葉品質。