生物質(zhì)燃料在香茶主要加工環(huán)節(jié)中的能效初級評估

陳金磊 張春蓓 陳緒敏3 郝晴晴 余志 ＊

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院茶學(xué)系，湖北武漢 430070；2.宜昌市夷陵區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，湖北宜昌 443000；3.宜昌三峽原紅茶業(yè)有限公司，湖北宜昌 443000；4. 宜昌市農(nóng)科院，湖北宜昌 443000）

安全和環(huán)保是當(dāng)下眾多行業(yè)發(fā)展的主旋律之一，但我國目前的茶葉加工多屬于高耗能工藝。在當(dāng)前環(huán)保要求日益嚴(yán)格的趨勢下，研究節(jié)能環(huán)保型茶葉加工能源使用方式，具有重大的社會和經(jīng)濟(jì)意義[1-2]。宜昌地區(qū)大部分中小型茶葉加工廠依然采用木材和煤炭作為茶葉加工的主要燃料，燒柴對三峽地區(qū)良好的森林植被構(gòu)成了威脅，必須禁止。煤炭作為能源，則會給茶葉生產(chǎn)過程引入蒽醌等歐盟國際市場禁入的安全指標(biāo)，影響茶產(chǎn)品開拓國際市場。而且排放的煤煙，粉塵也會對庫區(qū)環(huán)境造成破壞。因此，在宜昌三峽庫區(qū)茶業(yè)生產(chǎn)中采用替代型清潔能源提升茶葉生產(chǎn)水平，是一項重要任務(wù)。

生物質(zhì)顆粒成型燃料是以木屑、秸稈等農(nóng)林剩余物為原料，在高壓加熱條件下，壓縮成顆粒狀且質(zhì)地堅實的成型物，成型燃料除具有比重大、便于貯存和運(yùn)輸、著火容易、燃燒性能好、熱效率高的優(yōu)點(diǎn)外，還具有灰分小、燃燒時幾乎不產(chǎn)生 SO2，不會造成環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，是一種較為理想的清潔燃料[3]。以生物質(zhì)顆粒為燃料的燃燒機(jī)，是新能源利用轉(zhuǎn)化的成果，在農(nóng)業(yè)機(jī)械、生物質(zhì)發(fā)電、工業(yè)鍋爐、食品烘干設(shè)備等行業(yè)的應(yīng)用廣泛。在茶葉機(jī)械領(lǐng)域，有報道稱生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)配套茶葉殺青機(jī)、 茶葉炒干機(jī)使用并取得良好效果[4]。本項目在三峽原紅茶業(yè)公司，結(jié)合曲型香茶生產(chǎn)實際情況，進(jìn)行了不同類型能源加工茶葉效率評估與分析，以探究生物質(zhì)能源在香茶加工中的增效減排效果，為制茶的清潔型能源推廣做初步研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

材料：供試鮮葉采自宜昌夷陵區(qū)太平溪鎮(zhèn)三峽原紅茶業(yè)有限公司茶園基地，采摘標(biāo)準(zhǔn)為一芽二三葉。

能源：煤、生物質(zhì)顆粒燃料。

1.2 設(shè)備儀器

FLIR TG-165紅外測溫儀（德國）、6CZQRC-500型蒸汽殺青機(jī)(四川省登堯機(jī)械設(shè)備有限公司)、GRFL-120型高溫?zé)犸L(fēng)爐（浙江上洋機(jī)械股份有限公司）、6CST-90型滾筒殺青機(jī) (四川省登堯機(jī)械設(shè)備有限公司）、JJ-RSJ-30W.Kcal/H型生物質(zhì)燃燒機(jī)（浙江久久能源設(shè)備有限公司）、Y1-112M-4型三相異步電動機(jī)（襄陽世陽電機(jī)有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1蒸汽殺青環(huán)節(jié)能源替代專項測試

蒸青殺青生產(chǎn)線在殺青機(jī)蒸汽發(fā)生環(huán)節(jié)將煤熱風(fēng)爐改造為生物質(zhì)熱風(fēng)爐，因此只研究蒸汽發(fā)生器部分的能耗，后半段熱風(fēng)爐的能耗對比未進(jìn)行統(tǒng)計。殺青環(huán)節(jié)進(jìn)行精確稱量400 Kg鮮葉，煤和生物質(zhì)燃料在殺青前后分別進(jìn)行精確稱重，計算單位能耗數(shù)據(jù)。

1.3.2 循環(huán)炒干環(huán)節(jié)能源替代專項測試

實驗設(shè)備采用6CST-90型滾筒殺青機(jī)循環(huán)炒干，分別采用電與生物質(zhì)能源作為熱源，炒干相同質(zhì)量的初干后的茶葉。電能消耗采用單獨(dú)電表精確計量，生物質(zhì)燃料采用磅秤計量前后稱重統(tǒng)計消耗量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用軟件 Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸汽殺青不同類型燃料的效率對比

如表1所示，蒸汽殺青機(jī)的蒸汽發(fā)生爐采用生物質(zhì)燃料能夠?qū)崿F(xiàn)每千克燃料殺青5.30 Kg茶青的生產(chǎn)效果，采用煤能夠?qū)崿F(xiàn)每千克燃料殺青5.80 Kg茶青的生產(chǎn)效果。雖然生物質(zhì)能源殺青效果略微低于煤，但減少煤的使用可以有效地控制SO2的排放，減少空氣污染和熱排放。此外，燃煤熱風(fēng)爐設(shè)計中必須考慮熱爐芯內(nèi)表面下端必須鑲砌耐火磚來保護(hù)熱風(fēng)爐不被損壞，且必須布置合理的爐柵來控制煤燃燒面積及控制爐膛容積，但這些結(jié)構(gòu)減少了熱風(fēng)爐的有效換熱面積，傳統(tǒng)柴煤噴流熱風(fēng)爐熱效率低于70% 。如果采用生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)來對熱風(fēng)爐加熱，因為顆粒燃燒機(jī)火焰在爐芯中間垂直向上噴，不會直接對爐芯內(nèi)壁進(jìn)行加熱，在相同外形尺寸下，熱風(fēng)爐換熱面積提高了 8.5%，有效地提高熱風(fēng)爐熱效率η[4]。以生物質(zhì)作為燃料使設(shè)備改造有較大成本空間，并且能夠大大提升生產(chǎn)車間的環(huán)境潔凈程度，同時使用自動進(jìn)料的生物質(zhì)燃燒機(jī)后，能夠減少50%的人工投入，降低茶葉生產(chǎn)的單位成本。從企業(yè)財務(wù)成本考慮，采購生物質(zhì)能源目前享有16%稅務(wù)抵扣，生產(chǎn)成本總體下降顯著?？梢源_定生物質(zhì)能源替代煤作為茶葉生產(chǎn)的發(fā)熱能源，能夠?qū)崿F(xiàn)更低的綜合成本，提升香茶產(chǎn)品效益。因此，生物質(zhì)能源替代煤作為殺青能源，具有很好的可行性與操作性。

表1 蒸汽殺青不同類型燃料的效率對比表

2.2 香茶循環(huán)炒干能耗效率對比

如表2所示，相對于電能而言，生物質(zhì)供能香茶炒干效率更高，達(dá)到同等品質(zhì)僅需1個小時，單位能源炒干茶量，生物質(zhì)能源為4.75 Kg，而電能僅為2.05 Kg。因此我們認(rèn)為生物質(zhì)能源在循環(huán)炒干環(huán)節(jié)，熱能集中，熱效率較高，產(chǎn)率比電能提升1.3倍，而且在車間內(nèi)，不需設(shè)立單獨(dú)隔離裝置，燃燒后僅有極少量煙氣排放，大大減少了環(huán)境污染。課題組與生產(chǎn)企業(yè)均對此測試結(jié)果表示認(rèn)同，認(rèn)為生物質(zhì)能源是曲型香茶循環(huán)炒干環(huán)節(jié)最優(yōu)的能源選擇方案。

表2 香茶循環(huán)炒干能耗效率對比表

2.3 生物質(zhì)能源的經(jīng)濟(jì)效益

通過調(diào)研也發(fā)現(xiàn)，在宜昌太平溪區(qū)域內(nèi)加工香茶，全程使用煤作為燃料，加工50公斤干茶一般需用煤炭75公斤，每噸煤炭的價格按照1100元算，每公斤干茶加工燃料成本1.65元；使用了生物質(zhì)燃料，每加工50公斤干茶，需要70公斤生物質(zhì)燃料，每噸生物質(zhì)顆粒燃料的價格是1000元，換算后，加工同樣的茶葉需要1.4元的燃料成本，每公斤干茶直接生產(chǎn)成本可適當(dāng)降低。從用工角度計算，生物質(zhì)燃燒機(jī)不需要頻繁加料，一條生產(chǎn)線每天可以節(jié)約一個工人的工時費(fèi)。每加工1公斤干茶，能節(jié)約綜合成本0.25元左右，按每年生產(chǎn)6個月，年產(chǎn)125噸香茶計算，該項替代可節(jié)省綜合成本40000元以上。經(jīng)過調(diào)研后我們也發(fā)現(xiàn)在三峽庫區(qū)仍然有某些小廠以柴為燃料，一般濕柴100 Kg價格50元左右，干柴100 Kg價格80元左右。按照年產(chǎn)50噸干茶的小廠每年采購柴火花費(fèi)6.5萬元計算，每公斤干茶燒柴成本也需要1.3元，但砍柴會大量破壞山區(qū)植被，一個小型茶廠一年常常會燒掉200立方以上的木材，如果規(guī)?；a(chǎn)，以柴為能源難以持續(xù)發(fā)展。只有相對清潔的能源才能支撐茶葉長期健康發(fā)展。

3 結(jié)論

在節(jié)能環(huán)保的時代背景下，采用更加清潔高效的能源，是茶葉生產(chǎn)的必然方向。目前，生物質(zhì)燃料在香茶的主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，相對于煤，具有清潔無污染的顯著優(yōu)勢；相對于電能，則具有相對較高的生產(chǎn)效率，具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。因此，我們認(rèn)為生物質(zhì)能源在目前環(huán)境下可以作為一種較好的替代清潔能源，在香茶生產(chǎn)領(lǐng)域有很好的推廣應(yīng)用價值。

致謝：本研究工作受到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（現(xiàn)代茶制品加工與貯藏品質(zhì)控制關(guān)鍵技術(shù)及裝備研發(fā)，項目編號：2017YFDO400801），（茶葉精制智能化技術(shù)裝備研發(fā)，項目編號2018YFD0700505）資助,湖北移民局2016年度三峽后續(xù)工作科研項目資助，一并致謝。