我國(guó)煙稈綜合利用及設(shè)備研究進(jìn)展

符德龍，孟輝，張富貴2、，張龍2、，陳雪

(1.貴州省煙草公司畢節(jié)市公司，貴州 畢節(jié) 551700；2.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.貴州大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 前言

煙草是我國(guó)最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，在我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有十分重要的作用[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015 年煙草種植面積為1. 597×106公頃，生產(chǎn)煙葉2. 2×106噸，相應(yīng)產(chǎn)生煙稈約1. 162×106噸[2]。煙稈作為煙草生產(chǎn)過程中的主要副產(chǎn)品，是一種寶貴的可再生生物質(zhì)能源。但由于我國(guó)農(nóng)村農(nóng)民生產(chǎn)生活方式的巨大轉(zhuǎn)變，以及個(gè)人受教育程度的不同，環(huán)保意識(shí)缺乏和淡薄，每年當(dāng)煙葉收獲后，都會(huì)造成大量的煙稈被就地焚燒和遺棄，這樣，不僅造成煙稈資源的大量浪費(fèi)，也會(huì)間接造成煙田污染，最終影響煙草的來年種植，同時(shí)也會(huì)因焚燒煙稈而帶來嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[3]。隨著國(guó)家對(duì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和貴州大生態(tài)戰(zhàn)略的高度要求，以及國(guó)家在煙稈資源化利用方面的深入開發(fā)研究，煙稈資源的綜合性利用越來越受到關(guān)注，并得到了有效的長(zhǎng)久發(fā)展。根據(jù)農(nóng)業(yè)部2015年提出地對(duì)秸稈資源的五化利用模式，煙稈在肥料化、燃料化、基料化、原料化等方面得到了實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展。

煙稈收儲(chǔ)運(yùn)是煙稈資源化綜合利用過程中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過對(duì)煙稈資源化利用工序的調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，大部分煙稈的資源化利用過程都要經(jīng)過粉碎打包、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等一系列步驟。盡管應(yīng)用于秸稈方面的粉碎打包等設(shè)備已經(jīng)相當(dāng)成熟且設(shè)備齊全，但它們多為玉米、小麥和牧草等軟性秸稈材料，而應(yīng)用于像煙稈這樣的硬性秸稈配套設(shè)備較少。目前，已出現(xiàn)了用于煙稈的粉碎機(jī)、煙稈拔稈粉碎一體機(jī)[4]、煙稈粉碎壓縮打包機(jī)[5]等一系列配套的煙稈機(jī)械化設(shè)備，但從實(shí)際應(yīng)用的效果來看，設(shè)備的性能及自動(dòng)化方面仍有較大的提升空間。因此，開展煙稈利用模式和收儲(chǔ)設(shè)備的分析研究，對(duì)煙稈的資源化綜合利用和相關(guān)配套設(shè)備的系統(tǒng)化發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 煙稈的“五化”利用模式

1.1 煙稈的肥料化

有研究表明煙稈中不僅含有N 2.5%～3.0%、P2O50.5%～0.8%、K2O 3.0%～5.5%、MgO 0.12%等大量元素，同時(shí)還含有B、Cu、Fe、Mn、Zn等植物必需的微量元素[1]。另外，煙稈中還含有大量的纖維素和木質(zhì)素，可作為土壤腐殖質(zhì)的重要來源，因此煙稈經(jīng)適當(dāng)處理可作為極好的有機(jī)肥料[6]。但是經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，煙草秸稈直接還田并不是一種恰當(dāng)?shù)姆绞?，必須?jīng)過充分腐熟后才能進(jìn)行施用[7]。生物腐熟還田具有周期短、無(wú)污染和利用率高等特點(diǎn)，廣泛用于各種作物秸稈的腐化[8]。同時(shí)，也有研究發(fā)現(xiàn)煙稈中C/N較高，且含有煙堿、茄尼醇等有毒油溶性成分，不宜單獨(dú)制作堆肥[6]，但可以雞糞、豬糞等為輔料進(jìn)行混合制備堆肥。不僅可以消除煙稈所帶病菌，同時(shí)也可以產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的生物有機(jī)肥[7]。陳飛等選用雞糞和小麥秸稈，并將其混合之后作為堆肥原料，采用靜態(tài)好氧堆肥工藝工序，試驗(yàn)分析了不添加及在不同時(shí)期添加煙草廢棄物對(duì)堆肥發(fā)酵的影響，得出添加煙草廢棄物會(huì)降低堆肥發(fā)酵過程的溫度，影響微生物對(duì)有機(jī)物料的分解，不利于堆肥物料的快速腐熟[9]。解曉菲等采用煙稈有機(jī)肥與化肥配施的方法，分析了其對(duì)煙葉生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)煙稈有機(jī)肥可以有效促進(jìn)煙葉的生長(zhǎng)，并增大煙葉面積，同時(shí)提高煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)[10]。李艷平等以煙稈有機(jī)肥為原料，采用盆栽方式，分析了煙稈有機(jī)肥對(duì)烤煙根系發(fā)育和礦物質(zhì)元素的吸收，發(fā)現(xiàn)當(dāng)煙稈有機(jī)肥500g/盆時(shí)，烤煙根系健壯[11]。綜述前人所做的研究，煙稈有機(jī)肥不僅從生產(chǎn)工藝上得到了試驗(yàn)和應(yīng)用，同時(shí)在對(duì)作物的生長(zhǎng)試驗(yàn)過程中也表現(xiàn)出了良好的可行性。因此，以煙稈為材料進(jìn)行制作有機(jī)肥，不僅可以實(shí)現(xiàn)煙稈資源的綜合利用，同時(shí)也能促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)，提高作物的產(chǎn)量，并為生態(tài)有機(jī)肥的發(fā)展開拓新的思路和方向?？傊?，煙稈有機(jī)肥的制備和應(yīng)用將會(huì)展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.2 煙稈的原料化

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，煙稈中含有大量的煙堿、茄尼醇、果膠、蛋白質(zhì)等重要化合物，其中煙堿和茄尼醇為煙稈所特有，并且其含量較高[6]。煙堿(C10H14N2)作為重要的化合物，一方面可用于制取具有高效低毒特點(diǎn)的綠色殺蟲劑和殺菌劑；另一方面，也可用于制備預(yù)防老年癡呆癥、帕金森癥等疾病的藥物[6]。茄尼醇(C45H74O)是重要的醫(yī)藥中間體，在抗菌、消炎、止血方面有較好的應(yīng)用[12]。煙稈中果膠含量為3.89%，從煙稈中提取到的果膠，常被用作乳化劑、凝膠劑和增稠劑[13-14]以保障食品、輕工、醫(yī)藥等行業(yè)發(fā)展，同時(shí)果膠也可起到抗癌和抗輻射的功效[15]，用于制備生產(chǎn)相關(guān)藥物。

活性炭作為一種重要的吸附劑，可用于城市污水、工業(yè)廢水、飲用水等的處理，能有效凈化水資源，去除水中污染物，最終達(dá)到凈化水資源的目的。目前已經(jīng)成功制備出以煙稈為原料的活性炭，盧春蘭等以煙稈作為原材料，采用水蒸氣法對(duì)炭化后的煙稈活化制備活性炭，系統(tǒng)分析了制備過程中的工藝條件，發(fā)現(xiàn)活化溫度和活化劑用量對(duì)煙稈炭化影響較大，而炭化溫度和升溫速度對(duì)煙稈炭化活化影響較小[16]；吳笛等選用煙稈作為試驗(yàn)原料，首次采用碳化法制備活性炭，其對(duì)六價(jià)鉻的去除率達(dá)99.99%[17]。

煙稈是一種半木質(zhì)化的纖維材料，其木質(zhì)化纖維扁而寬，具有較好的柔韌性，是制作高密度纖維板的理想材料[18]。目前有兩種纖維板制造工藝，一種是普通制板工藝，另一種是無(wú)膠的制板工藝，采用該工藝是因?yàn)闊煻捴泻写罅抗z和木質(zhì)素，而果膠和木質(zhì)素可在高壓及165～175℃下彼此粘結(jié)起來，以此實(shí)現(xiàn)煙稈的無(wú)膠制板[18]。尋覓等研究分析了煙稈木材混合的刨花板生產(chǎn)加工工藝，得出煙稈木材混合制板較純煙稈刨花板的性能有所提高。龔迎春等以含水率和煙稈部位作試驗(yàn)因素，探究了其對(duì)刨花板力學(xué)性能的影響，其中當(dāng)含水率在6%時(shí)，煙稈刨花板的彈性模量和靜曲強(qiáng)度最大；利用中部煙稈刨花制備的刨花板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度、彈性模量、靜曲強(qiáng)度最小。最終，經(jīng)過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)采用煙稈制作的刨花板其力學(xué)性能達(dá)到國(guó)家制定的標(biāo)準(zhǔn)[19]。

綜上可知，煙稈不僅可以作為工業(yè)原料提取重要的化合物，而且可用于活性炭和生物炭的制備，也可以用于纖維板和刨花板的制備。在對(duì)煙稈的實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，煙稈還可以用于造紙和紙漿模塑?？偟膩碚f，煙稈是一種非常重要且應(yīng)用廣泛的工業(yè)原料。

1.3 煙稈的燃料化

以秸稈等生物質(zhì)原料作為開發(fā)應(yīng)用的生物質(zhì)能源，不僅具有來源廣泛和價(jià)格低廉的特點(diǎn)，而且它是一種清潔的可再生新能源，十分切合當(dāng)今生態(tài)能源的高標(biāo)準(zhǔn)要求。目前，對(duì)于煙稈方面的生物質(zhì)能源的利用，謝兆鐘等以煙稈為原料，先通過萃取法去除煙稈中的油溶性成分和水溶性成分，再進(jìn)行發(fā)酵蒸餾制備出乙醇燃料[20]；陳智遠(yuǎn)等以未預(yù)處理高濃度發(fā)酵環(huán)境作為試驗(yàn)條件，在38℃的恒溫間內(nèi)，對(duì)煙稈進(jìn)行了發(fā)酵試驗(yàn)，得出煙稈是完全滿足沼氣發(fā)酵的高濃度條件，且發(fā)現(xiàn)，在該條件下，煙稈表現(xiàn)出較好的發(fā)酵特性，采用批量發(fā)酵方式生產(chǎn)沼氣是完全可行的[21]。郭仕平等先將粉碎后的煙稈制成生物質(zhì)燃料煙稈壓塊，以取代替換煤炭來烘烤煙葉，發(fā)現(xiàn)以煙秸稈壓塊替代煤炭作燃料得到的烘烤工藝曲線與煤炭烘烤得到的基本吻合，基本上能夠滿足煙葉烘烤時(shí)的作業(yè)條件要求，烤后原煙等級(jí)質(zhì)量與煤炭烘烤相當(dāng)，采用煙稈壓塊代替煤炭是可行的[22]。總的來說，煙稈在燃料化方面的利用主要分為固、液、態(tài)三個(gè)方面，一是對(duì)粉碎的煙稈進(jìn)行擠壓成塊或棒料以替代煤炭等能源；二是采用熱裂解的方式對(duì)煙稈等提取液體化合物，如可燃?xì)夂湍咎康?；三是利用生物質(zhì)氣化發(fā)生裝置，將煙稈進(jìn)行氣化提取熱值。

1.4 煙稈的基料化

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，煙稈中含有大量的N、P、K等植物所需營(yíng)養(yǎng)元素，同時(shí)還含有B、Fe等微量元素，經(jīng)過適當(dāng)處理后的煙稈，不僅適于作土壤的有機(jī)肥，同時(shí)也可用于育苗和栽培食用菌的基質(zhì)。據(jù)資料顯示，目前已經(jīng)出現(xiàn)了利用煙稈來替代常規(guī)培養(yǎng)料中的棉籽、稻草或木屑的食用菌栽培研究。比如，邱發(fā)奮等采用在培養(yǎng)基中加入不同比例的煙稈屑的試驗(yàn)方法，得出加入煙稈屑將有利于金針菇菌絲的生長(zhǎng)，且當(dāng)煙稈屑為10%～30%時(shí)，金針菇的產(chǎn)量有所提高[23]；劉傳森等以煙稈屑組成培養(yǎng)基來栽培杏鮑菇，發(fā)現(xiàn)煙稈屑可以用于栽培杏鮑菇，且當(dāng)煙稈屑加入比例為15%～30%時(shí)，菌絲的生長(zhǎng)和產(chǎn)量有了較大的提高和改善，同時(shí)達(dá)到了歐盟關(guān)于食用菌的安全食用標(biāo)準(zhǔn)[24]。采用煙稈作為培養(yǎng)基質(zhì)的部分替代材料，不僅可以降低培養(yǎng)基制作的成本，增加種植農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)收入，同時(shí)煙稈中的煙堿等也可起到殺蟲滅菌的功效，有效保證食用菌穩(wěn)定健康的生長(zhǎng)環(huán)境。

1.5 煙稈的飼料化

煙稈作為一種特殊的秸稈原料，相比于玉米、小麥、花生、牧草、大豆秸稈等，它并不適合于作飼料[8]。通過對(duì)近幾十年的文獻(xiàn)資料的查找，未發(fā)現(xiàn)煙稈用于飼料的相關(guān)報(bào)道。但除去煙稈本身之外，發(fā)現(xiàn)煙籽、次等的煙葉、枝葉及其嫩枝可以用作飼料喂豬。根據(jù)試驗(yàn)的測(cè)定，在這些煙稈副產(chǎn)物中含有大量而豐富的粗纖維、粗蛋白、粗脂肪和鈣等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。利用煙葉作為喂養(yǎng)飼料，一方面，可以將鮮葉經(jīng)過高溫煮熟后喂養(yǎng)；另一方面，也可以先青儲(chǔ)發(fā)酵后喂養(yǎng)，但以青儲(chǔ)后飼喂較好。煙籽中也含有豐富的蛋白質(zhì)物質(zhì)，當(dāng)加入15%煙籽餅后，可得到較好飼養(yǎng)效果[25]。

由此，可以看出，除去煙稈之外的煙葉副產(chǎn)物大都完全可以作為飼料用于豬的養(yǎng)殖喂養(yǎng)，而煙稈為什么不能作為飼料喂養(yǎng)并沒有從理論和試驗(yàn)的角度給出解釋。因此，關(guān)于煙稈的飼料化問題，我們?nèi)孕枰獜臒煻挼某煞忠约拔桂B(yǎng)過程中的適口性等方面進(jìn)行試驗(yàn)，以最終確定煙稈不能作為飼料的根本原因。

2 煙稈收儲(chǔ)機(jī)械化設(shè)備的研究

2.1 煙稈粉碎設(shè)備

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)的秸稈粉碎設(shè)備從粉碎原理上包括鍘切式、錘片式、揉切式和組合式4種。其中，錘片式粉碎機(jī)是目前使用最廣泛的一種粉碎設(shè)備，它利用高速旋轉(zhuǎn)的錘片來?yè)羲榻斩捨锪希詫?shí)現(xiàn)對(duì)物料的粉碎細(xì)化；而組合式粉碎設(shè)備是一種將鍘切、碰撞、粉碎和揉搓等多種粉碎功能組合為一體的新型粉碎機(jī)，該設(shè)備具有綜合能力強(qiáng)，適應(yīng)范圍廣的特點(diǎn)[26-27]。因此，對(duì)于煙稈的粉碎也是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇和改進(jìn)的。陳魁設(shè)計(jì)了一種新型煙稈螺旋切割機(jī)構(gòu)，并通過自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn)，獲得了最佳切割臺(tái)安裝傾角15°[28]。張大斌等設(shè)計(jì)了一種一體式煙稈拔稈粉碎機(jī)，該設(shè)備主要由4部分組成：拔稈機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、粉碎機(jī)構(gòu)和液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；拔稈機(jī)構(gòu)由拔稈刀輥將煙稈拔起，輸送機(jī)構(gòu)將拔起的煙稈輸送到粉碎機(jī)構(gòu)。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對(duì)煙稈的拔起、輸送、清理及粉碎拋送等一系列工序作業(yè)要求[29]。楊康等根據(jù)對(duì)數(shù)螺線方程原理，對(duì)不同滑切角的刀刃曲線優(yōu)化，最終得到48°等滑切角時(shí)，刀刃能耗最低，粉碎效果良好[30]。

煙稈粉碎機(jī)的出現(xiàn)，不僅滿足了對(duì)煙稈粉碎的機(jī)械化設(shè)備要求，同時(shí)也提高了勞動(dòng)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，也為煙稈的綜合利用提供了極大的方便。

2.2 煙稈成型設(shè)備

煙稈成型設(shè)備從壓縮成型的原理上，可以大致分為3種：螺旋擠壓成型、活塞沖壓成型和模輥碾壓成型。所謂的螺旋擠壓成型是通過螺桿的旋轉(zhuǎn)不斷擠壓推動(dòng)物料向前，最后在成型套筒處成型出倉(cāng)，但該設(shè)備耗能較高且易于磨損?；钊麤_壓成型是利用活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將物料沖壓成型，極大地改善了螺旋擠壓成型中的能耗和磨損問題。模輥碾壓成型是利用擠壓力和摩擦力將物料從模具擠出成型。但總的來說，上述成型設(shè)備主要是用于生物質(zhì)燃料的制備，若要考慮到其它利用途徑的，壓縮打捆或打包才是較為適宜的煙稈預(yù)處理方式。目前，對(duì)于煙稈壓縮打捆或打包的設(shè)備較少，主要集中在玉米、小麥和牧草等農(nóng)作物。孟輝等依據(jù)對(duì)煙稈壓縮成型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一種用于煙稈顆粒的壓縮打包機(jī)[5]，但其并沒有生產(chǎn)制造出相應(yīng)的試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)。

煙稈成型設(shè)備對(duì)于提高煙稈的綜合利用起著十分關(guān)鍵的作用，尤其是煙稈壓縮打捆或打包設(shè)備的研制，它不僅可以為煙稈的后期應(yīng)用提供原料供應(yīng)，同時(shí)能夠有效降低儲(chǔ)運(yùn)成本，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高煙農(nóng)收入。因此，開展煙稈壓縮打捆或打包設(shè)備的研究迫在眉睫。

3 結(jié)語(yǔ)

3.1 總結(jié)

(1)煙稈作為一種取之不盡的生物質(zhì)能源，每年產(chǎn)量達(dá)1. 162×106噸，如何利用好煙稈資源，對(duì)我們而言，既是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。通過對(duì)煙稈資源在肥料、原料、燃料、基料等方面的分析總結(jié)，可以看出煙稈確實(shí)具有十分巨大的應(yīng)用潛力，同時(shí)也將給我們的生態(tài)環(huán)境改善和煙稈產(chǎn)業(yè)開發(fā)帶來巨大的利益。因此，加強(qiáng)煙稈資源化利用的研發(fā)是關(guān)系到煙稈能否利用好的重要前提和基礎(chǔ)。

(2)煙稈機(jī)械化設(shè)備的研發(fā)和使用可以有效提高煙稈綜合利用率，同時(shí)也是完善煙葉生產(chǎn)過程全程機(jī)械化的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，保證了煙稈的及時(shí)回收，避免煙稈對(duì)煙田的二次污染以及潛在的生態(tài)環(huán)境問題。目前，對(duì)于煙稈粉碎和打包方面的農(nóng)機(jī)設(shè)備并不充足，且自動(dòng)化程度和結(jié)構(gòu)化仍需改善和提高。

3.2 展望

我國(guó)是煙草種植和產(chǎn)量大國(guó)，煙草種植及其產(chǎn)品加工是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，它對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和煙草行業(yè)就業(yè)具有深遠(yuǎn)的意義。煙稈作為煙草作業(yè)生產(chǎn)過程中的主要副產(chǎn)品，提高煙稈資源的綜合利用事關(guān)煙草種植的全程機(jī)械化發(fā)展、生物質(zhì)能源綜合利用以生態(tài)環(huán)境保護(hù)等多個(gè)方面，我們應(yīng)該從自身出發(fā)，緊緊依靠高校、科研院所等機(jī)構(gòu)，加大對(duì)煙稈綜合利用的深入研究，為煙稈的市場(chǎng)化提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)；其次，圍繞煙稈綜合利用的收儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)，加大相關(guān)配套機(jī)械設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)，切實(shí)將煙稈綜合利用當(dāng)成一份綠色產(chǎn)業(yè)來發(fā)展，建立良好的煙稈收儲(chǔ)運(yùn)模式，為煙稈綜合利用提供支撐，使煙稈產(chǎn)生切實(shí)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益，為構(gòu)建美麗新農(nóng)村新產(chǎn)業(yè)向前再邁一步。