生物質(zhì)內(nèi)置式烤房對(duì)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(jié)市公司， 貴州 畢節(jié) 551700； 2.畢節(jié)市煙草公司 納雍縣分公司， 貴州 納雍 553300； 3.畢節(jié)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(chǎn)過(guò)程中非常重要的環(huán)節(jié)之一，也是決定煙葉產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，煙葉烘烤的好壞直接影響煙農(nóng)收入[1-3]。目前，我國(guó)煙葉烘烤廣泛使用密集烤房，以多座連體集群建設(shè)[4]，主要靠煤炭燃燒供熱，烘烤過(guò)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(biāo)煤，但熱能利用效率僅30%左右[9-10]；且煤炭燃燒產(chǎn)生大量SO2和粉塵等污染物，嚴(yán)重污染周圍環(huán)境，產(chǎn)生較大的負(fù)面影響[11]。此外，以煤炭為燃料進(jìn)行煙葉烘烤時(shí)溫度控制精度較低，容易出現(xiàn)偏溫現(xiàn)象，造成煙葉烤青等[12-14]。隨著綠色發(fā)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(huán)利用的新能源方向發(fā)展，積極尋求開發(fā)清潔能源代替煤炭應(yīng)用到密集烤房上已迫在眉睫。畢節(jié)常年種植烤煙3.33萬(wàn)hm2，收購(gòu)煙葉120萬(wàn)擔(dān)，煙葉清甜香、蜜甜香型風(fēng)格突出，是全國(guó)第八、全省第一煙葉產(chǎn)區(qū)，投烤普通烤房3萬(wàn)余座，因此，研究生物質(zhì)新能源烤房在烤煙生產(chǎn)上的應(yīng)用，對(duì)當(dāng)?shù)乜緹熆沙掷m(xù)綠色發(fā)展具有重要現(xiàn)實(shí)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】生物質(zhì)新能源作為一種具有廣闊應(yīng)用前景的清潔能源被許多烤煙生產(chǎn)國(guó)家使用[15]，在此基礎(chǔ)上，生物質(zhì)烤房作為清潔能源密集烤房的主要研究方向，得到廣泛應(yīng)用并不斷改進(jìn)和完善，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)點(diǎn)火、自動(dòng)供料等功能[16]。關(guān)于生物質(zhì)新能源烤房的研究多集中在生物質(zhì)供熱爐體的設(shè)計(jì)、生物質(zhì)燃料配方和自動(dòng)化程度等方面[17-18]。王建安等[15]研究指出，內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐體控溫精度達(dá)±0.5℃以內(nèi)，系統(tǒng)熱效率達(dá)64.26%～65.42%，效果較好。盧雨等[16]研究表明，內(nèi)置式生物質(zhì)供熱爐和外置式生物質(zhì)供熱爐較常規(guī)烤房操作耗時(shí)分別降低69.71%和43.51%?！狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前關(guān)于不同生物質(zhì)烤房的烘烤成本、烤后煙葉質(zhì)量及廢棄物排放等方面鮮見系統(tǒng)的研究報(bào)道。近年來(lái)，畢節(jié)為踐行綠色發(fā)展理念，響應(yīng)國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略部署，大力推廣應(yīng)用生物質(zhì)新能源烤房，但其不同烤房的烘烤性能各有不同，煙農(nóng)在使用方面存在很大差異，現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)無(wú)法支撐生物質(zhì)新能源不同烤房的推廣應(yīng)用?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】分析比較生物質(zhì)內(nèi)置式烤房、生物質(zhì)外置式烤房和常規(guī)燃煤烤房在用工成本、能耗成本、煙葉經(jīng)濟(jì)性狀及煙氣排放指標(biāo)等方面的差異，探明不同類型生物質(zhì)新能源烤房的烘烤性能，篩選適宜的生物質(zhì)新能源烤房，以期為生物質(zhì)烤房在烤煙生產(chǎn)上推廣應(yīng)用，促進(jìn)烤煙生產(chǎn)節(jié)能減排、減工降本及提質(zhì)增效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)品種為云煙87。試驗(yàn)烤房為生物質(zhì)內(nèi)置式烤房、生物質(zhì)外置式烤房和普通烤房。試驗(yàn)煙葉為同一區(qū)域、同一品種、同一部位、煙葉長(zhǎng)勢(shì)和成熟度基本一致的煙田。試驗(yàn)燃料為當(dāng)?shù)睾婵居妹禾?、生物質(zhì)顆粒燃料，市購(gòu)。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 設(shè)3個(gè)處理：T，許昌同興生物質(zhì)內(nèi)置式供熱爐聚氨酯板材烤房，簡(jiǎn)稱內(nèi)置式烤房；CK1，鄭州容大生物質(zhì)外置式燃燒機(jī)磚混烤房，簡(jiǎn)稱外置式烤房；CK2，普通燃煤磚混密集烤房，簡(jiǎn)稱普通烤房。每個(gè)處理設(shè)置1座烤房。試驗(yàn)于2019—2020年在畢節(jié)市金沙縣大田鄉(xiāng)白泥煙葉烘烤工場(chǎng)進(jìn)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(shí)間、烘烤工藝等均一致，上中下部位各烘烤1炕。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)定

1) 建造成本。統(tǒng)計(jì)3種類型密集烤房的建造成本(測(cè)算到每間)，包括烤房土建(磚混或板材建設(shè)安裝)、供熱系統(tǒng)設(shè)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(shù)、耗電量、耗燃料量。每個(gè)處理每炕各抽取30竿具有代表性的煙葉進(jìn)行掛牌烘烤并稱干重，計(jì)算出每炕的干重，再計(jì)算用工和能耗。

3) 經(jīng)濟(jì)性狀。分炕次對(duì)定位掛牌烘烤的30竿煙葉進(jìn)行分級(jí)并統(tǒng)計(jì)均價(jià)、上等煙率，從而計(jì)算各炕煙葉均價(jià)和上等煙率。

4) 煙氣排放指標(biāo)檢測(cè)。委托有檢測(cè)資質(zhì)的單位對(duì)烤房產(chǎn)生的排放物〔二氧化硫(SO2)和顆粒物(PM)〕進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2012和SPSS 21對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)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(xiàn)為CK2>CK1>T。用工量：T最低，平均為0.001 6個(gè)/kg，分別較CK1和CK2降低0.000 7個(gè)/kg和0.001 9個(gè)/kg，降幅分別為30.43%和54.29%；CK1較CK2降低0.001 2個(gè)/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(jīng)濟(jì)性狀

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

表3 不同烤房烤后煙葉的經(jīng)濟(jì)性狀

2.4 不同烤房設(shè)施設(shè)備的投入成本

由表4可知，T和CK1的設(shè)施設(shè)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(wàn)元/座，分別較CK1和CK2增加910元/座和7 670元/座。加熱設(shè)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?jǐn)? 500 kg干煙計(jì)，T單位干煙建設(shè)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(shè)施設(shè)備投入成本

2.5 不同烤房烘烤煙葉的綜合經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)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(shuō)明，T較CK1、CK2增效且具有明顯優(yōu)勢(shì)，而CK1由于能耗成本和設(shè)備成本的增加致使其經(jīng)濟(jì)收益與CK2差異不顯著。

表5 不同烤房烘烤煙葉的綜合經(jīng)濟(jì)效益

2.6 不同烤房的煙氣排放指標(biāo)

由表6可知，不同處理煙氣排放指標(biāo)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(zhì)燃料替代煤炭進(jìn)行煙葉烘烤的環(huán)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(huì)發(fā)展進(jìn)步和人們環(huán)保意識(shí)不斷提高，生物質(zhì)燃料、電熱泵、天然氣、太陽(yáng)能及醇基燃料等作為清潔能源被逐步應(yīng)用于煙葉烘烤，而且研究出了許多煙葉烘烤設(shè)施設(shè)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(shè)專用管道，成本高[2]；而生物質(zhì)燃料具有體積小、成本低、密度高、可燃性強(qiáng)、資源豐富、易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，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(zhì)燃料原料制備的生物質(zhì)燃料點(diǎn)火容易、火力強(qiáng)、溫度調(diào)節(jié)靈敏度高，烤后煙葉化學(xué)成分和能耗與純木屑生物質(zhì)燃料無(wú)顯著性差異，可以滿足烤煙烘烤工藝需求。范沿沿等[2]設(shè)計(jì)的生物質(zhì)外置式燃燒機(jī)，可在不改變傳統(tǒng)烤房主要結(jié)構(gòu)的情況下，將生物質(zhì)燃燒機(jī)與傳統(tǒng)燃煤烤房的燃煤爐進(jìn)料口連接，通過(guò)生物質(zhì)燃燒機(jī)為燃煤爐供熱。王建安等[15]采用動(dòng)態(tài)量化的熱量輸出、吹風(fēng)降溫的機(jī)械傳動(dòng)和先阻后集的除塵等方式，設(shè)計(jì)的生物質(zhì)燃料內(nèi)置式烤煙供熱爐體設(shè)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(zhì)壓塊用于煙葉烘烤可以充分調(diào)控?zé)熑~烘烤工藝，降低煙葉烘烤成本，節(jié)能減耗，提高烤后煙葉質(zhì)量。該研究結(jié)果與其較一致。

研究結(jié)果表明，生物質(zhì)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(dòng)強(qiáng)度，內(nèi)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(jié)果基本一致?？赡茉蚴巧镔|(zhì)烤房具有穩(wěn)定性和控溫精確性強(qiáng)的特點(diǎn)，而且減少了剔渣除灰和加料次數(shù)。內(nèi)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(nèi)置式烤房最低，與盧雨等[16]的研究結(jié)果有所不同?？赡茉颍阂皇窃撗芯恐袃?nèi)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(dāng)?shù)厥褂玫纳镔|(zhì)原料有關(guān)，會(huì)影響燃燒值和發(fā)熱量。無(wú)論是內(nèi)置式烤房還是外置式烤房，均比普通烤房設(shè)施設(shè)備投入成本高。從綜合成本看，內(nèi)置式烤房省工降本的優(yōu)勢(shì)能彌補(bǔ)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(jià)、上等煙率均是內(nèi)置式烤房最好，內(nèi)置式烤房、外置式烤房、普通烤房的均價(jià)分別為28.92元/kg、28.10元/kg和27.03元/kg，生物質(zhì)烤房均高于普通烤房，與盧雨等[16]的研究結(jié)果一致。從綜合經(jīng)濟(jì)效益看，內(nèi)置式烤房的綜合經(jīng)濟(jì)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(shè)施設(shè)備投入成本高而影響其經(jīng)濟(jì)效益，因而外置式烤房雖然綜合經(jīng)濟(jì)效益略高于普通烤房，但差異不大。從煙氣排放指標(biāo)檢測(cè)看，2種生物質(zhì)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(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

生物質(zhì)內(nèi)置式烤房烘烤用工成本平均比生物質(zhì)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(jià)分別增加2.88%和6.99%，綜合經(jīng)濟(jì)效益分別提高7.57%和10.35%。2種生物質(zhì)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(zhì)內(nèi)置式烤房在節(jié)能減排、減工降本及提質(zhì)增效方面效果最好，具有較好的推廣應(yīng)用前景。因此，應(yīng)該針對(duì)不同情況加大推廣力度，對(duì)烤房設(shè)施缺乏、需要新建烤房的煙區(qū)，建議以生物質(zhì)內(nèi)置式板材烤房為主；煙區(qū)穩(wěn)定、規(guī)模穩(wěn)定的集中烤房群或烘烤工場(chǎng)需要改造的，建議選擇生物質(zhì)新能源烘烤設(shè)備。