清潔能源替代燃煤在密集烤房烘烤中的應用研究進展

王軍偉 鄭志云 趙文軍 宛祥 孫蒙猛 楊澤 楊繼周 胡保文

摘要：燃煤烘烤存在供熱不穩(wěn)定、有害氣體排放量大、成本較高、操作難度和勞動強度大等問題，以清潔能源為燃料替代燃煤開展密集烤房煙葉烘烤是實現(xiàn)烤煙可持續(xù)發(fā)展的必由之路。本文闡述了電熱泵、天然氣、生物質(zhì)燃料等環(huán)保清潔能源替代燃煤在密集烤房煙葉烘烤調(diào)制上的研究應用，對上述三種清潔能源加熱密集烤房的特點、存在的問題和發(fā)展前景作進一步分析探討，提出推進清潔能源用于烤煙烘烤調(diào)制的建議，以期為清潔能源替代燃煤在烤煙密集烤房的推廣應用提供參考。

Abstract： Many problems are related to unsteadily heat supply， large amount of harmful gas emission， high cost of burning coal， operation difficulty and labor intensity. Therefore， application of clean energy as a fuel instead of using coal in the bulk curing barn for flue-cured tobacco is the only way to achieve sustainable development. Clean energies in the form of electric heating pump， natural gas， biomass fuel are discussed in this study. The characteristic， existing problems and development prospects of the above three clean energy used in the bulk curing barn were further elaborated. Moreover， promoting clean energy application was also proposed to provide and popularize the clean energy in bulk curing barn.

關鍵詞：清潔能源；烤煙；密集烤房；烘烤

Key words： clean energy；flue- cured；intensive roast house；bake

中圖分類號：TK6 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2019）03-0188-03

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)種植結構的調(diào)整，烤煙規(guī)?；N植、專業(yè)化烘烤成為我國烤煙生產(chǎn)發(fā)展的新趨勢，密集烤房作為專業(yè)化烘烤的重要組成部分，近年來已成為我國煙葉烘烤設備的發(fā)展方向。然而，目前密集烤房均以燃煤作為主要供熱能源，存在較多問題：一是烘烤成本較高。每公斤干煙葉烘烤的燃料成本為2.5元左右，人工成本約為1元，烘烤成本占煙葉生產(chǎn)成本近30%，嚴重影響煙農(nóng)的種煙收益；二是操作難度和勞動強度大。煤燃燒具有延遲性、滯后性等特點，很難實現(xiàn)精確升溫，且溫濕度控制不準確。另外，需要人工加煤，加煤頻率高，勞動強度大，稍有不慎，就會造成升溫過快、掉溫，烤青、烤壞煙葉現(xiàn)象普遍；三是對大氣環(huán)境污染大。燃煤燃燒后會釋放大量的CO2、CO、NOX、SO2和粉塵等污染物，對大氣污染及環(huán)境惡化存在潛在危險。據(jù)測算，一個20座規(guī)模的烤房群，整個烘烤季節(jié)排放煙塵4～5t，CO2 1.6～2.2 t[1]。燃煤烘烤存在的無效能耗過高、供熱不穩(wěn)定、有害氣體大量排放等問題，同時導致的煙葉生產(chǎn)成本難控、烘烤損失較大、大氣環(huán)境污染嚴重等這一系列問題，已成為制約煙葉生產(chǎn)綠色長效發(fā)展的重要因素，也引起了各級政府及煙草行業(yè)的高度重視。

清潔能源是指對生態(tài)環(huán)境低污染或者無污染的能源，不僅包括能源本身的清潔性，還包含生產(chǎn)能源體系的清潔性。我國清潔能源包括清潔煤技術、太陽能、水能、風能、生物質(zhì)能、地熱能、潮汐能、核能和氫能等[2]。隨著人們環(huán)保意識的增強，亟待開發(fā)新的清潔能源替代燃煤用于密集烤房煙葉烘烤。世界上烤煙生產(chǎn)先進的國家，包括美國、加拿大等，普遍以燃油或天然氣為能源進行密集烘烤[3-4]。自20世紀90年代起，我國相繼開展了利用生物質(zhì)燃料、電熱泵、天然氣等清潔能源進行密集烘烤的試驗研究，但絕大多數(shù)研究僅僅利用一座或者幾座烤房對煙葉一兩個部位進行烘烤對比試驗，缺少利用密集烤房群對整個烤季的煙葉進行烘烤試驗，更鮮有大面積推廣應用的報道。從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，發(fā)展利用如太陽能、生物質(zhì)能、電能等清潔可再生新能源替代燃煤將是今后密集烤房實現(xiàn)節(jié)能減排目標的重要舉措，是今后密集烤房煙葉烘烤的發(fā)展趨勢。本文總結分析生物質(zhì)燃料、電熱泵、天然氣這三種清潔能源加熱密集烤房烘烤的特點、存在的問題及應用前景，并從加強烤煙清潔能源研發(fā)和完善清潔能源技術服務體系等方面提出推進我國清潔能源發(fā)展的建議，以期推進清潔能源在密集烤房煙葉烘烤中推廣應用。

1 熱泵加熱密集烤房

熱泵是通過冷凝器內(nèi)的制冷劑冷凝釋放熱量供熱的一種節(jié)能裝置，主要由壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器四大部件組成。

根據(jù)低溫熱源不同分為空氣源熱泵、地源熱泵和水源熱泵，一般密集烤房利用的是最經(jīng)濟方便的空氣源熱泵。熱泵吸收空氣中的熱量進入烤房加熱室內(nèi)，熱空氣通過煙層后返回烤房加熱室進行循環(huán)，不但可以節(jié)約燃料，還可以完全消除污染物的排放。

近年來，國內(nèi)不少煙葉主產(chǎn)區(qū)嘗試將熱泵節(jié)能技術應用于密集烘烤，特別是福建、河南、云南在熱泵用于煙葉烘烤中進行了較多研究，且取得了一定成效。潘建斌等[5]對熱泵型煙葉自控密集烤房與普通燃煤烤房的性能及所烤煙葉的品質(zhì)進行了對比試驗，結果表明，熱泵型烤房可顯著降低燃料消耗，提高煙葉烘烤品質(zhì)，降低烘烤成本。2012年玉溪市煙草公司利用熱泵集成供熱密集烘烤與燃煤烘烤對比，結果表明每公斤干煙葉耗電3度左右，烘烤成本1.5元，與燃煤烘烤相比成本得到了降低，減少了加煤環(huán)節(jié)用工，用電控制穩(wěn)定，烘烤過程中溫度波動較少，不會出現(xiàn)燃煤烘烤中因為加煤量多少導致的升溫過猛或降溫問題，有助于提高和穩(wěn)定煙葉烘烤質(zhì)量，得到了煙農(nóng)、煙草科技人員的普遍認可。

與普通燃煤烘烤相比，熱泵密集烤房有以下優(yōu)點：熱泵型煙葉自控密集烤房性能較好，供熱性能和風量可滿足煙葉烘烤的需求，平面溫差和垂直溫差較小，風速適宜，通風排濕順暢，控溫的精確度較高，所烤桔黃色煙葉顏色增加且色度均勻，平衡含水率和填充值適宜，出絲率高，化學成分比例協(xié)調(diào)，香氣質(zhì)好，香氣量足，烘烤質(zhì)量較普通燃煤烤房顯著提高；采用微電腦控制，以電為能源，控制溫濕度靈敏準確，大幅度降低勞動強度，減少用工，降低烘烤成本；與燃煤烤房相比，熱泵密集烤房的熱泵蒸發(fā)器能回收排濕氣體帶出的絕大部分熱量，有效節(jié)約能源降低成本。熱泵密集烤房的不足之處在于烤房全部以電能供熱，熱泵功率太大，每座烤房需要配置功率20 kW，對電力和電網(wǎng)保障的要求較高，目前密集烤房配置的變壓器功率太小，變壓器必須擴大10倍左右，30座的熱泵密集烤房變壓器要630 kVA，前期建設或現(xiàn)有烤房改造投入成本較高，給推廣應用造成了很大的難度；熱泵設備體積過大，不易移動，且熱泵外機是帶電體，放置在地面存在一定安全隱患。盡管存在著這些問題，但熱泵加熱密集烤房將是我國煙葉烘烤發(fā)展的重點方向，隨著政府對環(huán)境保護的重視，存在著逐步取代燃煤密集烤房的發(fā)展趨勢。

2 生物質(zhì)加熱密集烤房

生物質(zhì)燃料作為可再生能源因其可再生轉換、可儲存運輸?shù)忍攸c成為社會各界關注的焦點，并被廣泛應用于各項耗能產(chǎn)業(yè)。生物質(zhì)在密集烤房上的應用主要分為直接燃燒、生物質(zhì)氣化、液化、固化和生物質(zhì)型煤5種方式，隨著生物質(zhì)壓制機的改進完善以及生物質(zhì)燃燒機與密集烤房兼容性的提升，生物質(zhì)能作為密集烤房主要能源的前景廣闊。因此，深入探討可再生能源在我國煙葉烘烤中的應用前景，不僅有利于降低烤煙生產(chǎn)成本，緩解能源危機，而且有利于我國烤煙生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。上世紀末，歐洲、美洲、亞洲等一些發(fā)達國家已經(jīng)將生物質(zhì)致密成型燃料大量應用于人們的日常生活中[6]。在我國生物質(zhì)能源的開發(fā)利用較晚，從20世紀80年代開始，我國先后從韓國、日本、荷蘭、比利時等國引進技術設備[7]。

近年來，生物質(zhì)壓塊、生物質(zhì)氣化、生物質(zhì)煤生產(chǎn)技術日趨成熟，在煙葉烘烤中進行了一些探索和研究。20世紀90年代初期，生物質(zhì)能在煙葉烘烤中的應用主要以氣化燃燒為主，生物質(zhì)氣化是將生物質(zhì)在高溫下通過氣化裝置經(jīng)熱化學反應或生物厭氧發(fā)酵反應轉換成高效清潔的可燃氣體。鄭戈等[8]等利用農(nóng)作物秸稈、玉米芯等農(nóng)業(yè)廢棄物為能源開展了生物質(zhì)燃氣節(jié)能密集烤房的煙葉烘烤試驗，生物質(zhì)氣化爐能確保煙葉烘烤過程中的熱量需求并連續(xù)供熱，熱能利用率高、煙葉烘烤時間縮短并提高煙葉烘烤質(zhì)量，優(yōu)質(zhì)煙比例增加，但存在不能自動落料、長時間燃燒焦油含量較高的問題。王喜功等[9]利用生物質(zhì)氣化導熱油傳導設備為密集烤房加熱，結果表明該烘烤體統(tǒng)供熱穩(wěn)定，升溫靈敏，控溫穩(wěn)定，但存在加料勞動強度偏大和成本偏高的問題。

生物質(zhì)固化是將生物質(zhì)原料在一定壓力作用下制成棒狀、粒裝、塊狀等成型的燃料，目前，生物質(zhì)燃料壓塊直接燃燒在煙葉烘烤上的應用研究還較少。王漢文等[10]率先在烤煙生產(chǎn)中進行了“秸稈壓塊”替代燃煤烤煙的試驗，結果表明，“秸稈壓塊”點火容易、升溫快、火力強、溫度調(diào)節(jié)靈敏度高，可以滿足烤煙工藝要求，改善了煙葉的烘烤質(zhì)量，有益于香氣成分的形成和積累，煙葉均價平均凈增0.22元/kg，每畝增收40元左右，提高了煙農(nóng)的經(jīng)濟效益。譚方利等[11]在湖南郴州市對生物質(zhì)壓塊燃料及燃煤燃料進行了對比研究，結果表明，生物質(zhì)壓塊用于煙葉烘烤可充分調(diào)控煙葉烘烤工藝，降低煙葉烘烤成本，節(jié)能減耗，提高煙葉質(zhì)量。主要存在問題是生物質(zhì)原料壓塊技術尚需完善，直接建造或改造生物質(zhì)烤房成本過高，烘烤效率有待提升。

另外，秸稈等生物質(zhì)原料資源量大，價格便宜，可再生，缺點是生產(chǎn)季節(jié)性強，來源分散，含水量高，體積大，需要一個完整的服務體系來完成原料的收集、運輸、貯存和生產(chǎn)等一系列工作。

生物質(zhì)型煤指將秸稈碎屑、木屑等生物質(zhì)碎屑和碎煤壓制成的型煤?，F(xiàn)階段密集烤房煙葉烘烤的主要燃料是燃煤，而生物質(zhì)型煤的優(yōu)點是能減少CO2、SO2和煙塵等的排放，經(jīng)濟性能更高，是高效利用生物質(zhì)能的有效途徑。徐成龍等[12]在云南曲靖進行了生物質(zhì)型煤與無煙散煤的對比研究，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)型煤升溫均衡，穩(wěn)溫效果好，但總體耗煤量大、加煤頻繁，燃料燃燒效率比無煙散煤高，烤后煙葉油分足、色度好，中上等煙比例提高。利用生物質(zhì)與煤的互補燃燒，具有高效的燃燒特性。

近年來，我國煙葉行業(yè)提出發(fā)展可持續(xù)、社會友好型煙草農(nóng)業(yè)，利用生物質(zhì)能源逐步替代燃煤成為解決煙葉烘烤環(huán)節(jié)能耗問題的有效途徑。但是目前我國各大煙區(qū)存在生物質(zhì)燃料價格偏高，導致在煙葉烘烤中大范圍推廣應用的研究并不多見，因此探索與密集型烤房相配套的生物質(zhì)燃料烘烤工藝及降低生物質(zhì)燃料價格顯得十分必要。

3 天然氣加熱密集烤房

天然氣燃燒產(chǎn)生的明火供熱，熱值高，火力旺，便于通過調(diào)節(jié)氣流大小來調(diào)節(jié)火勢，易升溫和穩(wěn)溫，同時作為一種清潔能源，能顯著減少燃燒過程中SO2、煙塵和CO等大氣污染物的排放[13]。因此，一些發(fā)達國家如加拿大和美國的煙葉烘烤主要使用以天然氣為能源進行供熱的密集烤房（群）[14]。任杰等[15]利用天然氣水暖集中供熱密集烤房和燃煤密集烤房進行烘烤對比試驗，對兩類烤房用工能耗及烤后煙葉等級結構、外觀質(zhì)量、化學成分和感官質(zhì)量進行了研究，與燃煤烤房相比，天然氣水暖集中供熱密集烤房能耗成本有所增加，但烤后煙葉橘黃煙比例增加，檸檬黃煙比例下降，上等煙比例和均價提高，煙葉外觀質(zhì)量改善，化學成分更加協(xié)調(diào)，感官質(zhì)量評價檔次更高。天燃氣加熱密集烤房烘烤雖然在烘烤操作技術簡單、節(jié)省用工、能保證煙葉烘烤質(zhì)量等方面表現(xiàn)出較大優(yōu)勢，但由于目前市場天然氣價格遠高于燃煤價格，運輸不便，存在安全隱患，導致天然氣使用較少。但綜合環(huán)保方面優(yōu)勢和集約化專業(yè)化烘烤的要求，天然氣加熱密集烤房烘烤具有一定的推廣價值。

4 推進清潔能源替代燃煤用于烤煙調(diào)制的建議

黨的十九大報告提出，要加快建立綠色生產(chǎn)和消費的法律制度和政策導向，建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟體系。這就需要在節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)、清潔能源產(chǎn)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等方面實施生態(tài)科技項目，推動資源利用方式的根本轉變，推進能源生產(chǎn)和消費革命，控制能源消費總量，節(jié)能降耗，支持節(jié)能低碳產(chǎn)業(yè)和新能源、可再生資源的發(fā)展。因而清潔能源替代燃煤用于煙葉烘烤是保證煙草產(chǎn)業(yè)能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關鍵，需要煙草行業(yè)積極關注，提供政策、標準和法規(guī)上的支持，增加清潔能源生產(chǎn)和消費的補貼。

加大烤煙清潔能源的深入研究是烤煙實現(xiàn)清潔生產(chǎn)的基礎，是進一步實現(xiàn)清潔能源用于密集烤房推廣生產(chǎn)的前提。開發(fā)適用于清潔能源應用的配套技術，調(diào)試清潔能源與密集烤房的適應性，解決新型清潔能源熱源的分配、流動以及與密集烤房調(diào)控器的兼容問題，加強小型制燃料機的開發(fā)等[16]。摸清不同煙區(qū)清潔能源的來源、類型，因時因地制宜。綜合考慮氣候、環(huán)境等因素，針對不同能源種類采用適合于當?shù)厣a(chǎn)生活條件的發(fā)展方式，在全年平均日照指數(shù)高的地方推廣太陽能密集烤房，在秸稈資源豐富的地區(qū)推廣生物質(zhì)能源烤房。

完善清潔能源的技術服務體系，使清潔能源不僅僅局限于試驗研究和示范，而是真正的推廣應用于煙葉烘烤的生產(chǎn)一線，實現(xiàn)烤煙清潔能源的可持續(xù)性發(fā)展。烘烤作為煙葉生產(chǎn)鏈條上的關鍵環(huán)節(jié)，決定煙葉最終質(zhì)量和可用性，而烘烤燃料則是決定其成本和節(jié)能減排的重要因素。燃煤烘烤存在的供熱不穩(wěn)、無效能效高、環(huán)境污染等問題已成為制約煙葉生產(chǎn)提質(zhì)增效、煙農(nóng)增收和綠色長效發(fā)展的瓶頸和短板。因此，開展以生物質(zhì)燃料、電熱泵、天然氣等清潔能源為燃料加熱密集烤房烘烤試驗研究及示范推廣，有利于減少主要污染物的排放，改善環(huán)境質(zhì)量，推動煙葉生產(chǎn)向綠色生態(tài)、提質(zhì)增效、農(nóng)民增收轉型升級，實現(xiàn)烤煙可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻：

[1]宮長榮，陳江華，吳洪田，等.密集烤房[M].北京：科學出版社，2010.

[2]陸文敏.清潔能源的發(fā)展現(xiàn)狀及其在農(nóng)業(yè)領域的應用[D]. 上海：上海交通大學，2008.

[3]David M Peele， Marvin G Riddick， Mike E Edwards， et al. Tobacco Company， Avoca Division， Merry Hill， NC， 27957， and Jeff S. Gentry and Timothy B.Nestor， R.J.Reynolds Tobacco Company， Winston-Salem，NC， 27102.

[4]王學龍，宋朝鵬，潘建斌，等.散葉烤房系列研究3. 烘烤技術研究[J].天然氣工業(yè)，2003，23（6）：103-106.

[5]潘建斌，王衛(wèi)峰，宋朝鵬，等.熱泵型煙葉自控密集烤房的應用研究[J].西北農(nóng)林科技大學學報：自然科學版，2006，34（1）：25-29.

[6]張大雷.生物質(zhì)成型燃料開發(fā)現(xiàn)狀及應用前景[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，2007（12）：98-103.

[7]茍文濤.生物質(zhì)燃料在煙葉烘烤上的應用研究[D].華南農(nóng)業(yè)大學，2016.

[8]鄭戈，胡建東，孔夢榮，等.生物質(zhì)燃氣節(jié)能烤煙系統(tǒng)中溫度自動控制技術研究[J].資源節(jié)約和綜合利用，1999（2）：28-32.

[9]王喜功，楊旭亮，李仁政，等.生物質(zhì)氣化導熱油傳導供熱烘烤煙葉研究[J].山東農(nóng)業(yè)科學，2011（4）：63-64.

[10]王漢文，郭文生，邵伏文，等.生物質(zhì)燃料“秸稈壓塊”烘烤對烤煙煙葉化學成分和內(nèi)在品質(zhì)的影響[C].湖北武漢，2007-9-13.

[11]譚方利，樊士軍，董艷輝，等.生物質(zhì)壓塊燃料及燃煤燃料在煙葉烘烤中的應用效果對比研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2014（10）：201-209.

[12]徐成龍，賀帆，孫建鋒，等.生物質(zhì)型煤與無煙散煤在煙葉烘烤中的應用效果對比[J].福建農(nóng)業(yè)學報，2011（5）：827-831.

[13]董志強，馬曉茜，張凌，等.天然氣利用對環(huán)境影響的生命周期分析[J].天然氣工業(yè)，2003，23（6）：126-130.

[14]王學龍，宋朝鵬，潘建斌，等.散葉烤房系列研究3. 烘烤技術研究[J].中國農(nóng)學通報，2007，23（2）：103-106.

[15]任杰，白茹，袁威，等.天然氣水暖集中供熱密集烘烤效果[J].中國煙草科學，2014-10，35（5）.

[16]胡小東，晏飛，鄒聰明，等.清潔能源在烤煙密集烤房中的應用研究進展[J].貴州農(nóng)業(yè)科學，2017（5）：132-138.