醇基與生物質(zhì)顆粒兩種燃料烘烤煙葉效果差異研究

陳妍潔，趙正雄*，朱立春，張誠榮

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，云南 昆明 650201；2.浙江明新能源科技有限公司，浙江 紹興 312399)

【研究意義】煙葉烘烤是烤煙生產(chǎn)過程中相當(dāng)重要的一個環(huán)節(jié)。烘烤質(zhì)量不但影響烤后煙葉的可用性，也影響煙農(nóng)的收入，其不僅取決于煙葉的成熟度[1]，也與烘烤過程中溫、濕度的控制有密切的關(guān)系[2]。在相同的烤房結(jié)構(gòu)和烘烤設(shè)備條件下，燃料種類很大程度上會影響烤房溫、濕度，進(jìn)而影響煙葉烘烤成本和烤后品質(zhì)。隨著中國烤煙規(guī)?；a(chǎn)的發(fā)展，密集烤房逐漸成為烤煙烘烤設(shè)備的發(fā)展方向[3]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】前人對密集烤房及其配套的烘烤工藝進(jìn)行了大量研究，對密集烘烤工藝各階段提出了最優(yōu)的溫濕度及穩(wěn)溫時間[4-5]。但是，煙葉烘烤能源大多以煤炭、柴草為燃料，整個烘烤過程消耗大量的不可再生能源，煤炭燃燒供熱不穩(wěn)定、容易出現(xiàn)猛升溫、掉溫而影響烤后煙葉的質(zhì)量，無效能耗過高導(dǎo)致燃料浪費，排放大量的SO2、CO2、NOX和顆粒物等污染物造成環(huán)境污染多種問題[6-7]。基于低碳、節(jié)能和減排環(huán)保的考慮，近年來研究熱點集中在使用新能源或可再生能源作燃料方面，如以電熱泵或熱泵與太陽能相結(jié)合作燃料[8-9]，或以秸稈壓塊、生物質(zhì)顆粒作燃料[10-11]。但當(dāng)前烘烤所用燃料也存在一些缺點，如使用電能，則電網(wǎng)壓力較大、推廣成本較高，太陽能會受到太陽輻射的影響。當(dāng)前主推的生物質(zhì)能源，雖有一定優(yōu)勢，但其含水量高、能量密度低、來源分散，導(dǎo)致不便收集、貯存和運輸?shù)萚7]?！颈狙芯壳腥朦c】在很長一段時間內(nèi)烤煙烘烤燃料將會呈現(xiàn)多元化局面，探尋高效清潔的烘烤能源將成今后煙葉烘烤急需解決的一大難題。醇基燃料是以甲醇和乙醇為主的一種液體燃料，可來源于生物質(zhì)發(fā)酵和煤、石油、天然氣等石化燃料，因其清潔環(huán)保、高效節(jié)能，有望成為代替化石燃料的新型能源，在中國灶具及汽車領(lǐng)域已有應(yīng)用[12-13]。國外一些國家在20 世紀(jì)末煙葉烘烤燃料已由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)或氣態(tài)[14]，中國煙葉烘烤仍以固態(tài)燃料為主。云南煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)，存在醇基燃料產(chǎn)能過剩的問題[15]。若能將醇基燃料應(yīng)用于煙葉烘烤中，既能解決煙葉烘烤燃料受限的問題，又能提高醇基燃料利用率?！緮M解決的關(guān)鍵問題】對比當(dāng)前烘烤中主推的生物質(zhì)顆粒與醇基燃料在烘烤效果及成本方面差異，以期挑選出既能很好地滿足烘烤工藝要求，又能降低烘烤成本和提高烘烤質(zhì)量的新能源。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與材料

試驗于2017年8-9月在云南省昆明市宜良縣竹山鎮(zhèn)竹林村委會大平地村進(jìn)行。供試品種為當(dāng)?shù)刂髟云贩N紅花大金元。供試煙株栽培管理措施按當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)煙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行，封頂后摘除2～3片底腳葉，留葉數(shù)20片。在煙株長勢均勻、營養(yǎng)均衡的田塊，選取中部葉(11～12葉位)，上部葉(15～16葉位)為試驗材料。供試燃料為醇基液體、密集生物質(zhì)顆粒。醇基燃燒設(shè)備生產(chǎn)廠家為浙江明新能源科技有限公司，醇基燃料主要為化石燃料轉(zhuǎn)化提取而來，由云南解化清潔能源開發(fā)有限公司解化化工分公司提供；生物質(zhì)顆粒燃燒設(shè)備生產(chǎn)廠家為云南播達(dá)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司，生物質(zhì)顆粒主要為木材、木屑、樹木枝椏材、玉米稈、煙稈等植物廢棄物以一定比例壓制而成，由云南省昆明市宜良縣竹山鎮(zhèn)巴江合作社提供。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)2個處理，即醇基燃料(A)和生物質(zhì)顆粒(B)。試驗所用密集烤房規(guī)格為8 m×2.7 m×4.05 m，4層2路。供試煙葉按“同一地塊、同一部位、成熟度一致”的標(biāo)準(zhǔn)選取，分中部葉(11～12葉位)和上部葉(15～16葉位)2個批次烘烤，各處理每批次編煙9竿，每3竿為1個重復(fù)，設(shè)3個重復(fù)。不同處理供試煙葉掛于烤房中間層的相同位置，且在同一天內(nèi)裝煙入爐。烤房內(nèi)其它煙葉來源、編煙、裝煙方式等相同。各處理除所用燃料不同外，其他條件保持一致，烘烤時按照提質(zhì)增香烘烤工藝進(jìn)行。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 烤房溫濕度 在烤房內(nèi)放置溫度傳感器，從燃燒機(jī)開始工作直至烘烤結(jié)束整個過程，記錄由傳感器反饋到控制面板上每小時的干、濕球溫度的目標(biāo)值與實際值，計算溫度差(即：目標(biāo)溫度與實際溫度的差值，取正值)和濕度差(即：目標(biāo)濕度與實際濕度的差值，取正值)，用來衡量燃料對烤房溫濕度的控制能力。

表1 烤煙外觀質(zhì)量指標(biāo)分值

1.3.2 烘烤成本及能耗 烘烤前后對9竿供試煙葉進(jìn)行稱重，記錄每爐竿數(shù)、每竿鮮煙、干煙重量，計算整爐鮮煙、干煙重和鮮干比。同時對烘烤過程中燃料成本、用工成本、燃料消耗量、耗電量進(jìn)行統(tǒng)計，綜合評價不同燃料的烘烤成本。因醇基燃燒設(shè)備與生物質(zhì)顆粒燃燒設(shè)備成本相同，故烘烤設(shè)備成本未納入不同燃料的烘烤成本計算。

1.3.3 經(jīng)濟(jì)性狀統(tǒng)計 按照國標(biāo)(GB2635-92)[16]對不同處理各部位烤后供試煙葉進(jìn)行分級，統(tǒng)計均價、上等煙、中等煙、下等煙比例。

1.3.4 烤后外觀質(zhì)量評定 不同處理取烤后供試煙葉C3F、B2F煙樣各1kg，送紅塔集團(tuán)大理卷煙廠進(jìn)行外觀質(zhì)量評價。評價內(nèi)容包括：成熟度、身份、油分、色度、組織結(jié)構(gòu)、顏色，根據(jù)外觀質(zhì)量評價賦值方法[17]對上述指標(biāo)打分，具體分值見表1。

1.3.5 化學(xué)成分測定 不同處理初烤煙葉按C3F、B2F等級取樣，進(jìn)行常規(guī)化學(xué)成分檢測，其中氮、鉀含量測定方法按NY/T 2017-2011[18]，總植物堿測定按YC/T 160-2002[19]，水溶性糖測定按YC/T 159-2002[20]，氯含量測定按YC/T 162-2011[21]進(jìn)行。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理 采用Microsoft Excel 2010和SPSS18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同燃料烤房溫濕度控制精準(zhǔn)性的比較

由圖1可看出，不同燃料溫度差曲線中、上部葉變化規(guī)律相似，醇基燃料溫度差曲線波動幅度小于生物質(zhì)顆粒，生物質(zhì)顆粒在烘烤前期(即：1～24 h)和后期(即：150～180 h)實際溫度與目標(biāo)溫度相差較大。

由圖2可看出，生物質(zhì)顆粒中部葉在1～20 h，上部葉在1～32 h，濕度差曲線波動幅度明顯大于醇基燃料，其他時間段兩種燃料濕度差曲線波動大致相同。綜合比較下，醇基燃料對烤房溫濕度的控制效果更好。

2.2 不同燃料烤后煙葉質(zhì)量損失的比較

由表2可知，醇基燃料烤后煙葉鮮干比低于生物質(zhì)顆粒，中部葉兩種燃料鮮干比差異不顯著，上部葉差異極顯著。烤后獲得每千克干煙所需鮮煙量，醇基燃料中、上部葉分別比生物質(zhì)顆粒少8.93 %和11.71 %。鮮干比越小，相同重量的鮮煙烤后獲得的干煙重量越大，烘烤過程中質(zhì)量損失越少。

2.3 不同燃料烘烤成本及能耗的比較

由表3可知，每千克干煙的電耗、燃料消耗和用工成本，醇基燃料均明顯低于生物質(zhì)顆粒。每千克干煙烘烤成本，醇基燃料中、上部葉分別比生物質(zhì)顆粒少34.50 % 和19.79 %。醇基燃料進(jìn)料與汽化燃燒裝置與自控設(shè)備相連，僅烘烤前加1次料，烘烤過程中無需再次加料，節(jié)省了用工成本。從節(jié)能和減工降本效果來看，醇基燃料比生物質(zhì)顆粒耗能更少、烘烤成本更低。

圖1 不同燃料密集烤房溫度差變化曲線Fig.1 Variation curve of temperature difference in bulk curing barn with different fuels

圖2 不同燃料密集烤房濕度差變化曲線Fig.2 Variation curve of moisture difference in bulk curing barn with different fuels

表2 不同燃料煙葉烘烤過程質(zhì)量損失的比較

注：表中小寫字母表示5 %水平上差異顯著，大寫字母表示1 %水平上差異顯著，下同。

Note: The lowercase letters in the table indicate the significant difference at the level of 5 %; the capital letters indicate the significant difference at the level of 1 %. The same as below.

2.4 不同燃料烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀的比較

由表4可知，兩種燃料烤后中部葉的均價差異顯著，醇基燃料烤后中、上部葉均呈現(xiàn)均價、上等煙比例高于生物質(zhì)顆粒，中等煙、下等煙及廢煙比例低于生物質(zhì)顆粒的趨勢。與生物質(zhì)顆粒相比，醇基燃料烤后中、上部葉的均價分別高3.20元/kg、1.06元/kg，中上等煙比例分別高9.45個百分點和2.54個百分點，生物質(zhì)顆粒中部葉烘烤中出現(xiàn)6.03 % 的烤廢煙，醇基燃料未出現(xiàn)烤廢煙。烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀，醇基燃料優(yōu)于生物質(zhì)顆粒。

表3 不同燃料烘烤成本及能耗的比較

注：電價為0.48元/kw·h，醇基燃料單價2.40元/kg，生物質(zhì)顆粒燃料單價為1.00元/kg。用工成本主要為加料用工，每次加料僅用1人，工價為30元/人·次。

Note: The commercial electricity is 0.48 yuan/kw·h, the alcohol-based fuel is 2.40 yuan/kg, the biomass pellets is 1.00 yuan/kg. The labor cost is mainly the cost of workers who add fuel, each feeding fuel only 1 person, the labor price is 30 yuan /person·times.

表4 不同燃料烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀的比較

表5 不同燃料烤后煙葉外觀質(zhì)量得分

表6 不同燃料烤后煙葉化學(xué)成分的比較

2.5 不同燃料烤后煙葉外觀質(zhì)量的比較

由表5可知，兩種燃料烤后煙葉外觀質(zhì)量總分相差不大，醇基燃料中、上部葉總分分別比生物質(zhì)顆粒高3分和5分。與生物質(zhì)顆粒相比，醇基燃料烤后中部葉結(jié)構(gòu)更疏松、色度較強，油分更多，上部葉色度較強、身份中等至稍厚，油分更足，顏色深桔黃。

2.6 不同燃料烤后煙葉化學(xué)成分的比較

一般認(rèn)為優(yōu)質(zhì)煙以總糖含量18 %～22 %，還原糖16 %～18 %，總氮含量1.5 %～3.5 %，煙堿含量1.5 %～3.5 %，鉀含量2 % 以上，氯含量1 % 以下，淀粉含量4 %～5 %左右，氮堿比以1或略小于1為宜，糖堿比一般為6～10，接近10的烤煙質(zhì)量最好[22-23]。兩糖差可作為評價煙葉吃味品質(zhì)的重要指標(biāo)，吃味品質(zhì)差的煙葉兩糖差值較大，云南省烤煙兩糖差一般在2.0 %～7.5 %[24]。由表6可知，烤后煙葉水溶性總糖、還原糖、氯、淀粉含量醇基燃料高于生物質(zhì)顆粒，總氮、鉀、煙堿含量低于生物質(zhì)顆粒。烤后煙葉的兩糖差指標(biāo)生物質(zhì)顆粒較好，糖堿比、氮堿比指標(biāo)醇基燃料較好。

3 討 論

與傳統(tǒng)煤、柴相比，生物質(zhì)顆粒雖有優(yōu)勢，但本試驗中生物質(zhì)顆粒與醇基燃料在煙葉烘烤效果及成本上還是有很大差異的。醇基燃料對溫濕度控制更精準(zhǔn)，這與王川等[25]研究結(jié)果一致，醇基燃料熱慣性較小，在烘烤過程中對烤房溫濕度的控制精準(zhǔn)穩(wěn)定，更加符合烘烤工藝的要求。生物質(zhì)顆粒在點火后24 h內(nèi)對溫濕度控制效果不太理想，實際溫濕度與目標(biāo)溫濕度相差較大，這可能是由于生物質(zhì)顆粒燃燒后熱量釋放需要一段時間，在烘烤升溫階段不利于溫度的升高，對穩(wěn)溫點的控制也存在一定的制約。本試驗中，兩種燃料的烘烤均由同一人員操作，排除了人為影響因素。生物質(zhì)顆粒在當(dāng)?shù)匾延袘?yīng)用，而醇基燃料為首次使用，但生物質(zhì)顆粒溫濕度差波動比醇基燃料更大，說明醇基燃料更易于烘烤人員掌握。

醇基燃料烤后煙葉烘烤質(zhì)量損失更少，這可能是由于烘烤過程中的物質(zhì)損耗主要是變黃期的呼吸代謝作用導(dǎo)致的干物質(zhì)損耗和干筋期高溫環(huán)境下易揮發(fā)性物質(zhì)揮發(fā)導(dǎo)致的物質(zhì)損耗，烤房內(nèi)溫度和烘烤時間都會影響這兩種損耗作用，溫度波動越大、變黃期時間越長，溫度越高，干物質(zhì)損失量越多[26]。醇基燃料控溫精準(zhǔn)性好，烘烤時間縮短，烤后煙葉干物質(zhì)損失也就越少。由于實際生產(chǎn)過程中的不可控因素，未能保證兩種不同燃料烤房內(nèi)的裝煙量完全相同，但醇基燃料烤房與生物質(zhì)烤房裝煙量相差僅在5 %左右，并不會對能耗造成太大影響。

在化學(xué)成分方面，醇基燃料烤后煙葉淀粉含量稍高于生物質(zhì)顆粒，因為淀粉在變黃階段發(fā)生大量降解，淀粉酶的活性也會受到烘烤溫濕度影響，醇基燃料縮短了烘烤時長，在一定程度上影響了淀粉降解量。此外，醇基燃料總糖、還原糖含量高于生物質(zhì)顆粒，糖堿比、氮堿比協(xié)調(diào)，可能由于醇基燃料烘烤過程中溫濕度波動小，呼吸代謝過程相對平緩，由呼吸作用而消耗的糖含量較少，加之淀粉降解也增加了糖含量。醇基燃料烤后煙葉碳水化合物類含量高，生物質(zhì)顆?？竞鬅熑~含氮化合物類含量高。整體評吸質(zhì)量中，碳水化合物類占50.38 %，而含氮類物質(zhì)占18.18 %[27]，可見醇基燃料烤后煙葉高碳水化合物含量對評吸質(zhì)量的影響更大。

本試驗表明醇基燃料可作為煙葉烘烤的一種新能源，可縮短烘烤時間，使得煙葉干物質(zhì)損失減少，淀粉降解量也相應(yīng)減少。醇基燃料穩(wěn)溫控溫更精準(zhǔn)，但仍有一定誤差，在今后的應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)其熱值特性制定配套的烘烤工藝，適當(dāng)延長變黃期烘烤時間，確保煙葉內(nèi)含物質(zhì)充分轉(zhuǎn)化。

4 結(jié) 論

使用醇基燃料烘烤，烤房溫濕度控制更為精準(zhǔn)，烘烤質(zhì)量損失減小、廢煙比例和烘烤成本降低，烤后煙葉外觀質(zhì)量較好，經(jīng)濟(jì)價值升高，化學(xué)成分協(xié)調(diào)，醇基燃料作為煙葉烘烤燃料有一定可行性及應(yīng)用前景。