生物質(zhì)顆粒燃料烘烤煙葉的效果分析

韋忠　高華軍　范東升　羅剛　姚文藝　彭瑞恒　林北森　黃陽(yáng)　曹利軍　黃利廣

摘要：【目的】開(kāi)展生物質(zhì)成型顆粒烘烤煙葉效果試驗(yàn)，為煙葉烘烤的減工降本、提質(zhì)增效提供參考?！痉椒ā窟x取標(biāo)準(zhǔn)氣流下降式密集烤房，設(shè)常規(guī)燃煤烘烤和生物質(zhì)顆粒燃料烘烤2個(gè)處理，對(duì)比分析兩種處理的烘烤用時(shí)、烘烤成本及烤后煙葉的經(jīng)濟(jì)性狀、化學(xué)成分和評(píng)吸質(zhì)量。【結(jié)果】使用生物質(zhì)顆粒燃料烘烤煙葉可節(jié)省烘烤時(shí)間，其中添加燃料、清灰時(shí)間較燃煤處理節(jié)省14 h以上。生物質(zhì)顆粒燃料烘烤處理的用電成本和燃料成本高于燃煤處理，但人工成本可節(jié)省177.50～180.00元/爐，每千克干煙葉烘烤成本較燃煤處理平均降低0.16元。與常規(guī)燃煤烘烤處理相比，生物質(zhì)顆粒燃料烘烤處理可提高烤后煙葉的均價(jià)、上等煙比例、中上等煙比例等指標(biāo)，其煙葉化學(xué)成分含量適宜、比例協(xié)調(diào)，特別是中部葉煙堿和總氮含量較低，鉀含量較高，淀粉含量較低，烤后煙葉的感官評(píng)吸質(zhì)量相對(duì)較優(yōu)。【結(jié)論】煙葉烘烤中使用生物質(zhì)顆粒燃料替代燃煤可實(shí)現(xiàn)減工降本、提質(zhì)增效。在相應(yīng)政策扶持下，生物質(zhì)顆粒燃料烘烤煙葉技術(shù)可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：煙葉；生物質(zhì)顆粒燃料；烘烤；效果

中圖分類(lèi)號(hào)：S572.092 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1191（2017）12-2228-06

0引言

【研究意義】煙葉烘烤常采用煤炭作為主要燃料，每烘烤1.0kg干煙葉需耗煤1.5～2.0kg，熱能利用率僅30%（宋朝鵬等，2008a）。此外，烘烤季節(jié)使用燃煤會(huì)釋放大量粉塵、SO₂、多環(huán)芳烴等污染物，造成周?chē)h(huán)境以煤煙型為特征的大氣污染（李曉東等，2003）。同時(shí)，煙葉烘烤期間加煤次數(shù)多、每次加煤量不固定，既增加了煙農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，又易導(dǎo)致烤房?jī)?nèi)溫度忽高忽低，造成部分煙葉烤壞，給煙農(nóng)帶來(lái)較大損失（徐秀紅等，2008）。國(guó)內(nèi)已圍繞成本低、燃透率高、污染少、使用方便的煙葉烘烤燃料開(kāi)展了大量研究，從“秸稈壓塊”開(kāi)始（王漢文等，2006），各種生物質(zhì)能源不斷推廣應(yīng)用（宋朝鵬等，2008b），包括生物質(zhì)型煤（孫建鋒等，2010）、生物質(zhì)顆粒（林偉等，2016）等固體燃料及生物質(zhì)燃?xì)獾?。利用作物秸稈、木屑、玉米芯等?jīng)壓制加工而成的生物質(zhì)顆粒燃料具有發(fā)熱量大、純度高、不含雜物、燃燒后灰渣少及有害氣體產(chǎn)生少等優(yōu)點(diǎn)（翁偉等，2004），其燃燒灰燼還是含量極高的有機(jī)鉀肥（崔志軍等，2010），正廣泛應(yīng)用于煙葉烘烤。因此，研究生物質(zhì)顆粒燃料替代燃煤烘烤煙葉的效果對(duì)提升煙葉烘烤質(zhì)量及減輕烘烤季節(jié)的環(huán)境污染均具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】郭仕平等（2015）將煙葉采收后的秸稈曬干并粉碎，利用秸稈成型機(jī)壓塊制成烘烤燃料，進(jìn)行替代煤炭烘烤煙葉的試驗(yàn)，結(jié)果表明，以烤煙秸稈壓塊為燃料的烘烤工藝曲線與煤炭基本吻合，可滿足煙葉烘烤要求，二者烘烤后的煙葉等級(jí)質(zhì)量相當(dāng)，秸稈壓塊消耗量與煤炭之比為1.64：1.00，可降低烘烤燃料成本約189元/ha。宋春宇等（2016）研究表明，秸稈壓塊烘烤煙葉雖然燃料成本有所增加，但可降低烘烤用工成本，且秸稈壓塊烘烤煙葉的外觀質(zhì)量及常規(guī)化學(xué)成分與煤炭烘烤的煙葉無(wú)明顯區(qū)別。肖志新等（2016）研究表明，采用生物質(zhì)顆粒燃料使整個(gè)烘烤工藝燃燒輸入烤房總熱量、單位時(shí)間消耗燃料量、每千克干煙消耗熱量和每千克水分蒸發(fā)消耗熱量分別較煤柴混合烘烤降低32.5%、32.2%、31.8%和16.1%，每千克干煙主要污染物排放總量較煤柴混合烘烤降低27.1%，節(jié)能減排效果明顯。林偉等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，在新型生物質(zhì)燃料熱風(fēng)爐供熱烤房中使用生物質(zhì)顆粒燃料烘烤煙葉可節(jié)省烘烤管理時(shí)間21.7 h，燃料成本比燃煤增加188.72元/烤，但耗電比燃煤節(jié)省16.06元/烤，人工成本節(jié)省216元/烤，均價(jià)提高1.54元/kg，上中等煙比例提高3.01%。蔣篤忠等（2017）研究表明，利用生物質(zhì)顆粒燃燒爐供熱烤房，以生物質(zhì)顆粒為燃料進(jìn)行煙葉烘烤，能確保烘烤工藝到位，提高煙葉烘烤質(zhì)量，烘烤能耗成本低于燃煤烘烤，且烘烤操作如添料、點(diǎn)火、控火及出渣等難度和用工量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)燃煤方式，煙農(nóng)易掌握，有利于煙葉烘烤減工降本。【本研究切入點(diǎn)】百色是廣西最大的煙葉產(chǎn)區(qū)，煙葉生產(chǎn)在促進(jìn)煙農(nóng)增收脫貧方面舉足輕重。近年來(lái)以綠色發(fā)展理念為引領(lǐng)，在煙葉烘烤中引進(jìn)了生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)并開(kāi)展生產(chǎn)示范，但未進(jìn)行生物質(zhì)顆粒燃料烘烤煙葉效果的系統(tǒng)研究，大面積推廣的指導(dǎo)性不強(qiáng)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】采用百色煙區(qū)推廣使用的生物質(zhì)能燃燒機(jī)，開(kāi)展生物質(zhì)成型顆粒烘烤煙葉效果試驗(yàn)，以期為煙葉烘烤的減工降本、提質(zhì)增效提供參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2016年6～9月在廣西百色市隆林縣德峨鎮(zhèn)保上村進(jìn)行。供試烤房為氣流下降式密集烤房；供試烤煙品種為云煙87?？緹煷蝽敽?，選取植株長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的煙田，待煙葉正常成熟落黃后采收鮮煙葉進(jìn)行烘烤。

生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的發(fā)熱量為100000 kCal，型號(hào)ZHLD-10W-13，長(zhǎng)×寬×高為1170 mm×620mm×1460 mm，重量80kg，功率250 W，料容量100kg，有九個(gè)檔位控制送料量。在不改動(dòng)現(xiàn)有臥式密集烤房土建的情況下，將設(shè)備與烤房爐膛口對(duì)接，即作為熱源產(chǎn)生明火，明火在爐膛里燃燒后加熱爐體和散熱器后產(chǎn)生大量熱風(fēng)。生物質(zhì)燃燒設(shè)備與烤房的自控儀設(shè)備進(jìn)行連接后，可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)顆粒全自動(dòng)進(jìn)料烘烤。設(shè)備點(diǎn)火方式為自動(dòng)點(diǎn)火，根據(jù)烘房溫度需要實(shí)現(xiàn)自控，火口口徑250mm、長(zhǎng)度180 mm，火口的調(diào)節(jié)高度380～550mm。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)常規(guī)燃煤烘烤（T1，CK）和生物質(zhì)顆粒燃料烘烤（T2）2個(gè)處理。T1選取3座標(biāo)準(zhǔn)氣流下降式密集烤房（裝煙室內(nèi)長(zhǎng)×寬×高為8000 mm×2700mm×3500mm，可裝鮮煙4500kg以上），使用煤炭進(jìn)行烘烤，每座烤房分別烘烤下部、中部、上部煙葉各3爐；T2選取3座與T1參數(shù)相同的烤房，使用生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行烘烤，烘烤的煙葉部位、爐數(shù)與T1相同。生物質(zhì)顆粒燃料為純木屑顆粒燃料，長(zhǎng)3.0～4.0 cm、直徑0.8 cm，圓柱體，熱值4500 kCal。各處理的煙葉采收時(shí)間和鮮煙葉素質(zhì)盡量保持一致，烘烤工藝統(tǒng)一按《2016年隆林縣煙葉標(biāo)準(zhǔn)化烘烤技術(shù)方案》執(zhí)行，采取三段式烘烤工藝，根據(jù)云煙87品種煙葉特性，靈活調(diào)控各關(guān)鍵溫度點(diǎn)的穩(wěn)溫時(shí)間。

1.3測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)記錄 兩處理同時(shí)裝煙、同時(shí)點(diǎn)火烘烤，在裝爐前隨機(jī)抽取代表性煙葉10竿，稱鮮重并作好標(biāo)記，放在烤房2層的中間位置，烤后稱取干重，計(jì)算鮮重和干重，根據(jù)每座烤房的裝煙量折算烤房?jī)?nèi)鮮煙量和烤后干煙量。記錄每座烤房的耗煤量、耗電量和用工量，記錄烘烤過(guò)程中每個(gè)溫濕度的變化時(shí)間點(diǎn)、填料時(shí)間和清灰操作用時(shí)。

1.3.2烘烤成本 對(duì)比煤耗、電耗及顆粒燃料使用成本，再結(jié)合烘烤期間人工成本進(jìn)行對(duì)比分析。

1.3.3烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀 各處理烤后煙葉分別堆放保管，并根據(jù)烤煙42級(jí)國(guó)標(biāo)（GB 2635-1992）對(duì)烤后煙葉進(jìn)行分級(jí)，依據(jù)烤煙收購(gòu)價(jià)格確定煙葉均價(jià)、上等煙比例及中上等煙比例。

1.3.4化學(xué)成分和評(píng)吸質(zhì)量 取各處理下部X2F（3～5葉位）、中部C3F（8～12葉位）和上部B2F（14～17葉位）等級(jí)煙樣各1.0kg，送基地單元工業(yè)公司技術(shù)中心測(cè)定其化學(xué)成分（還原糖、總糖、煙堿、總氮、鉀、氯和淀粉含量等7項(xiàng)指標(biāo)），并參照王彥亭等（2010）的9分制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行感官評(píng)吸。

1.4統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003和DPS v6.55進(jìn)行整理及統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同處理的烘烤用時(shí)和添加燃料、清灰用時(shí)比較

由表1可知，各處理煙葉烘烤用時(shí)均較長(zhǎng)，特別是變黃期長(zhǎng)達(dá)78～88 h，可能與供試煙田煙葉成熟期遭遇干旱，煙葉水含量少，變黃期煙葉難變黃等因素有關(guān)。T2各部位煙葉烘烤用時(shí)均不同程度低于T1，其中T2中部葉總時(shí)間減少最多，較T1顯著縮短7 h（P<0.05，下同）。在烘烤中添加燃料、清灰方面，T2各部位煙葉用時(shí)較T1減少14 h以上，二者差異均達(dá)顯著水平。表明使用生物質(zhì)顆粒燃料能有效減少烘烤環(huán)節(jié)添加燃料、清灰的工作量和頻次，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.2不同處理煙葉烘烤成本比較

由表2可知，T2的電費(fèi)成本高于T1，可能與生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)風(fēng)機(jī)功率較高，耗電量比燃煤烤房增加有關(guān)；T2的燃料用量顯著低于T1，但由于生物質(zhì)顆粒燃料的價(jià)格高于燃煤，而造成T2的燃料成本高于T1，二者不同部位間燃料費(fèi)差值均低于130元；從人工成本來(lái)看，T2各部位煙葉烘烤所需人工費(fèi)顯著低于T1，其中下部葉和中部葉均較T1節(jié)省180.00元、上部葉節(jié)省177.50元。綜合分析，T2各部位煙葉烘烤總成本均低于T1，每千克干煙葉烘烤成本下部葉較T1降低0.34元，中部葉較T1降低0.02元，上部葉較T1低降0.11元。

2.3不同處理烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀比較

由表3可看出，T2各部位烤后煙葉均價(jià)均高于T1，其中中部葉間的差異達(dá)顯著水平；T2除下部葉上等煙比例與T1差異不顯著（P>0.05）外，其他部位上等煙比例均顯著高于T1；T2各部位烤后煙葉的中上等煙比例也均高于T1，且上部葉問(wèn)差異顯著。表明使用生物質(zhì)顆粒燃料烘烤煙葉的經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較好。

2.4不同處理烤后煙葉化學(xué)成分比較

前人研究表明，烤煙適宜的化學(xué)成分含量分別為：煙堿含量在2.5%左右，總氮/煙堿約1.00，還原糖含量為18.0%～24.0%，還原N/煙堿為8.00～12.00，鉀含量高于1.5%，氯含量低于0.8%，鉀/氯大于4.00，淀粉含量在5.00%以下（王彥亭等，2010）。由表4可知，兩處理不同部位煙葉總糖和還原糖含量均處于適宜范圍內(nèi)；T2的煙堿和總氮含量表現(xiàn)為下部葉高于T1，中部葉低于T1，上部葉煙堿高于T1、總氮略低于T1；T2的鉀含量下部、中部葉略高于T1，上部葉低于T1；各處理不同部位煙葉氯含量均低于0.30%；兩處理下部葉淀粉含量差異不明顯，而T2中部、上部煙葉淀粉含量明顯低于T1。T2的鉀/氯、總氮/煙堿、還原糖/煙堿均較適宜，T1的還原糖/煙堿下部葉偏高，中部葉則偏低。

2.5不同處理烤后煙葉評(píng)吸質(zhì)量比較

由表5可看出，T2各部位煙葉的感官評(píng)吸得分等于或高于T1，其中下部葉雜氣、透發(fā)性得分較高；中部葉香氣量較充足、刺激性較小，二者得分較高；上部葉香氣質(zhì)好、雜氣少、透發(fā)性好，得分較高。

3討論

本研究結(jié)果表明，利用生物質(zhì)顆粒燃料烘烤煙葉，由于生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)升溫快、易管理，整個(gè)烘烤過(guò)程節(jié)省了一定時(shí)間，尤其是人工添加燃料次數(shù)少、很少需要清除灰渣，較燃煤處理節(jié)省時(shí)間14 h以上，所需人工費(fèi)明顯低于燃煤處理，其下部、中部和上部煙葉人工費(fèi)分別較燃煤處理降低180.00、180.00和177.50元。盡管生物質(zhì)顆粒處理電費(fèi)成本、燃料成本高于燃煤處理，但由于人工費(fèi)降低，生物質(zhì)顆粒處理的烘烤總成本低于燃煤處理，3個(gè)部位每千克干煙葉平均烘烤成本較燃煤處理低0.16元，減工降本效果明顯。與林偉等（2016）研究發(fā)現(xiàn)使用生物質(zhì)顆粒烘烤可減少烘烤管理時(shí)間和人工成本，但生物質(zhì)顆粒燃料價(jià)格高于燃煤，導(dǎo)致燃料成本增加的結(jié)果一致。本研究中生物質(zhì)顆粒燃料的價(jià)格為1000元/t，高于燃煤價(jià)格，如果能實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)顆粒燃料的本地化生產(chǎn)，將其單價(jià)控制在800元/t左右（與燃煤相當(dāng)），即能更好實(shí)現(xiàn)煙葉烘烤減工降本的目的。本研究結(jié)果還表明，使用生物質(zhì)顆粒烘烤的煙葉，其均價(jià)、上等煙比例、中上等煙比例等指標(biāo)整體高于燃煤烘烤的煙葉，與林偉等（2016）的研究結(jié)果相一致。生物質(zhì)顆粒處理煙葉化學(xué)成分含量適宜、比例協(xié)調(diào)，感官評(píng)吸得分高于燃煤處理，特別是中部葉煙堿和總氮含量低，鉀含量較高，淀粉含量低，煙葉香氣量較充足、刺激性較小。生物質(zhì)顆粒燃料烘烤能促進(jìn)煙葉化學(xué)成分協(xié)調(diào)，與王漢文等（2006）研究發(fā)現(xiàn)的經(jīng)秸稈壓塊燃燒烘烤的煙葉化學(xué)成分比例較協(xié)調(diào)的結(jié)果一致。生物質(zhì)顆粒處理煙葉化學(xué)成分含量及評(píng)吸質(zhì)量?jī)?yōu)于燃煤處理煙葉的原因在于生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)能自動(dòng)控制燃料量，精準(zhǔn)控制煙葉烘烤各階段溫度要求，且生物質(zhì)顆粒燃料燃燒充分，升溫速度快、溫度調(diào)節(jié)靈敏度等因素促進(jìn)了煙葉內(nèi)在物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，煙葉的鉀、總氮和煙堿等化學(xué)成分比較協(xié)調(diào)（王漢文等，2006；林偉等，2016），而這些成分又是影響煙葉評(píng)吸質(zhì)量的最顯著指標(biāo)（杜鵑等，2011），故生物質(zhì)顆粒處理評(píng)吸得分較高。而宋春宇等（2016）研究認(rèn)為煙稈秸稈壓塊和煤炭調(diào)制出的初烤煙常規(guī)葉化學(xué)成分差異不明顯，且無(wú)數(shù)據(jù)能證明是燃料導(dǎo)致，但煙稈秸稈壓塊烘烤出的煙葉化學(xué)成分含量較適宜、比例更協(xié)調(diào)。

使用生物質(zhì)燃料烘烤煙葉能減少粉塵、SO₂等污染物的排放，保護(hù)環(huán)境（肖志新等，2016；周慶等，2016）。本研究雖然對(duì)生物質(zhì)顆粒與燃煤處理燃料燃燒時(shí)的氣體排放情況進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)顆粒處理污染物的排放量較少，但未對(duì)氣體排放種類(lèi)和排放量進(jìn)行收集和定量比較，還需要在今后的工作中進(jìn)行深入研究。另外，百色煙區(qū)生物質(zhì)資源較豐富，玉米、甘蔗、木材加工廢料等均可作為生物質(zhì)顆粒的原料，特別是探索以煙稈為主的生物質(zhì)顆粒生產(chǎn)模式（宋春宇等，2016），可就地取材，實(shí)現(xiàn)煙稈的循環(huán)利用，而且對(duì)烤煙根莖類(lèi)病害的預(yù)防具有重要意義（付晨青等，2015；王成己等，2017）。但生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的價(jià)格偏高，煙農(nóng)由于經(jīng)濟(jì)條件有限，很難接受。因此，在政府和煙草行業(yè)尚未出臺(tái)扶持政策的情況下，大面積推廣的難度較大。

4結(jié)論

使用生物質(zhì)顆粒燃料烘烤煙葉，可減少烘烤過(guò)程中添加燃料、清灰等環(huán)節(jié)的用工，降低煙葉烘烤成本，提高烤后煙葉的均價(jià)、上等煙比例等經(jīng)濟(jì)性狀指標(biāo)，使煙葉經(jīng)濟(jì)效益得到增加，同時(shí)可改善烤后煙葉的化學(xué)品質(zhì)和評(píng)吸質(zhì)量。在相應(yīng)政策的扶持下，生物質(zhì)顆粒燃料烘烤煙葉技術(shù)可進(jìn)一步推廣應(yīng)用。