煙稈與木屑配方生物質(zhì)燃料在煙葉烘烤中的應(yīng)用

邱志丹， 連宇昌， 盧 雨， 王 鑫， 林梅桂， 林清通， 余 浩， 古力，3， 張重義，3

(1.福建省煙草公司龍巖市公司，福建 龍巖364030；2.福建農(nóng)林大學(xué)煙草研究所；3.福建農(nóng)林大學(xué)遺傳育種與綜合利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州350002)

生物質(zhì)能源作為一種可再生、環(huán)境友好型的清潔能源，在人們的生產(chǎn)生活中得到了較好的應(yīng)用和發(fā)展[1].隨著研究的不斷深入，生物質(zhì)顆粒燃料在煙葉烘烤中的應(yīng)用優(yōu)勢得到人們的普遍認(rèn)可[2-6]，突出體現(xiàn)在添加燃料對人工的依賴程度大幅度降低，烘烤過程中溫濕度控制受加料過程的影響得到較大改善，實(shí)際溫濕度與目標(biāo)值的擬合度得到有效提升[2].同時(shí)，以生物質(zhì)能作為替代能源，可大幅度地降低CO2和硫化物的排放，對改善環(huán)境、降低溫室效應(yīng)等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[7].目前，煙葉烘烤中使用的生物質(zhì)顆粒燃料原料來源多為木屑或竹屑，原料成本較高，且對原料的依賴程度較大，導(dǎo)致生物質(zhì)顆粒燃料的價(jià)格走勢波動較大.為了保障生物質(zhì)顆粒燃料的持續(xù)、穩(wěn)定供應(yīng)，逐步形成了以生物質(zhì)秸稈綜合利用為代表的生物質(zhì)能有效利用途徑，并獲得了一定程度的發(fā)展，但原料本地化依然是當(dāng)前亟待解決的問題[8-10].

福建省是中國烤煙種植的主產(chǎn)區(qū)之一，近年來煙葉產(chǎn)量約1.0×108kg.隨著清潔能源在煙葉烘烤上的研究，生物質(zhì)顆粒燃料在煙葉烘烤中得到了廣泛應(yīng)用.但是，受生物質(zhì)燃料原料來源和成本限制，生物質(zhì)顆粒燃料的價(jià)格波動及其示范推廣存在較大的不穩(wěn)定因素.然而，隨著烘烤中上部葉帶莖烘烤技術(shù)的不斷推進(jìn)，在實(shí)現(xiàn)上部葉烘烤質(zhì)量提升的基礎(chǔ)上，為煙稈的集中回收和成本控制起到了積極的促進(jìn)作用.本研究基于龍巖煙區(qū)生物質(zhì)烤房和帶莖烘烤技術(shù)的良好基礎(chǔ)，開展煙稈生物質(zhì)原料利用技術(shù)的可行性探索和技術(shù)示范，為促進(jìn)生物質(zhì)顆粒成型燃料原料資源本地化，保障生物質(zhì)烤房在煙葉烘烤中燃料的有效、穩(wěn)定供給提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 材料

生物質(zhì)顆粒燃料的原料來源:木屑為木材加工廠中杉木加工后剩余廢棄木料，煙稈為龍巖市長汀縣烤煙上部葉帶莖烘烤后剩余廢棄煙稈.煙稈與木屑配方生物質(zhì)燃料在福建省長汀縣長城木業(yè)有限公司加工制作.以煙稈及杉木屑為原料，粉碎后按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的比例混合送入熱風(fēng)干燥爐烘干至含水量8%～13%，將烘干后的燃料送入內(nèi)部溫度為80～90 ℃的攪拌加熱器中，并利用平模機(jī)壓制成型，獲得直徑為0.8～1.0 cm、長度為4～6 cm 的實(shí)心圓柱成品.

供試的密集烤房位于龍巖市長汀縣大同鎮(zhèn)翠峰村烤房群，烤房設(shè)施設(shè)備符合《密集烤房技術(shù)規(guī)范(試行)修訂版》的要求[11].

供試的新鮮煙葉取自福建省龍巖市長汀縣主栽品種云煙87 第2 烤次采摘的煙葉.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

空載試驗(yàn)以100%木屑生物質(zhì)顆粒燃料為對照(CK)、15%煙稈+85%木屑為處理1(T1)；30%煙稈+70%木屑為處理2(T2)；50%煙稈+50%木屑為處理3(T3)、100%煙稈處理4(T4)，各處理3 次重復(fù)，共使用15 座烤房，烤房內(nèi)不裝煙.

實(shí)載試驗(yàn)以100%木屑生物質(zhì)顆粒燃料為對照(CK)、15%煙稈+85%木屑為處理1(T1)；30%煙稈+70%木屑為處理2(T2)；50%煙稈+50%木屑為處理3(T3)，各處理3 次重復(fù)，共使用12 座烤房，每間烤房內(nèi)按照400 桿進(jìn)行裝煙.

試驗(yàn)鮮煙葉取自同一田塊、施肥水平一致、中等肥力、生長整齊一致的云煙87 煙株.各處理煙葉烘烤前進(jìn)行人工分選，掛桿標(biāo)記以保證鮮煙葉素質(zhì)一致，裝煙數(shù)量相同，烘烤工藝均采用龍巖市三長兩短保濕烘烤工藝.整個(gè)烘烤過程中，36～42 ℃為煙葉主要變黃期，45～55 ℃為煙葉主要定色期，56～65 ℃為煙葉主要干筋期.

1.3 指標(biāo)檢測和數(shù)據(jù)分析

燃料燃燒特性測定:由福建省121 地質(zhì)大隊(duì)檢測中心檢測燃料水分含量、灰分含量、氫含量、硫含量和低位發(fā)熱值.其中，水分含量:采用萊希特LXT-500C 生物質(zhì)燃料水分檢測儀測定；灰分含量:稱取一定量的干燥生物質(zhì)燃料樣品，放入馬弗爐中，加熱到815±10 ℃，灰化并灼燒至質(zhì)量恒定，以最終殘留物的質(zhì)量占樣品質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)作為灰分含量；氫含量:參照GB/T 476—2008《煤中碳和氫的測定方法》[12]；硫含量:采用庫侖滴定法檢測；低位發(fā)熱值:參照GB/T 30727—2014 《固體生物質(zhì)燃料發(fā)熱量測定方法》[13].

烘烤過程中溫濕度測定:整個(gè)烘烤過程中，每4 h 記錄1 次烤房的溫度、濕度、煙葉變化情況、操作情況和煙窗尾氣溫度等.其中，裝煙室的溫度和濕度采用數(shù)顯溫濕度計(jì)測定.

能耗測定:采用電子稱測定煙葉和燃料的重量.

烤后煙葉質(zhì)量評價(jià):烘烤后將整烤煙葉由分級技師參照GB2635—1992《烤煙》[14]評定烤煙等級、稱重.在不同處理烤房中各取烤后煙樣2 kg.

數(shù)據(jù)處理:采用Excel 2007 和SPSS 17.0 統(tǒng)計(jì)軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同配比生物質(zhì)顆粒燃料燃燒特性的差異分析

不同配比生物質(zhì)燃料燃燒特性如表1 所示，均符合《中國煙草總公司關(guān)于印發(fā)密集烤房生物質(zhì)顆粒成型燃料燃燒機(jī)技術(shù)規(guī)范(試行)的通知(中煙辦[2018]30 號)》文件中關(guān)于燃料條件的參數(shù)規(guī)定[15].低位熱值均在12 000 J·g-1(燃料條件參數(shù)規(guī)定的最低標(biāo)準(zhǔn))以上，但是低位熱值隨煙稈含量比重的增加而降低，各處理間均達(dá)到顯著性差異，其中T4 處理低位發(fā)熱值最低，僅為13 792 J·g-1；水分含量均達(dá)到≤12%的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，但隨煙稈比重的增加燃料水分含量呈現(xiàn)上升的趨勢，其中T4 處理水分含量最高，達(dá)11.47%；燃料灰分含量與水分含量呈現(xiàn)類似的趨勢，隨煙稈比重的增加而呈現(xiàn)上升，并以T4 處理灰分含量最高，達(dá)9.32%；各處理間氫含量無顯著性差異.此外，水分含量的變化趨勢也可能是導(dǎo)致燃料低位熱值下降的因素.

表1 不同配比生物質(zhì)顆粒燃料燃燒特性差異分析1)Table 1 Analysis on combustion characteristics of different proportions of biomass pellets fuel

2.2 不同配比生物質(zhì)顆粒燃料烘烤過程中溫度曲線與目標(biāo)值擬合度分析

空載試驗(yàn)(生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)設(shè)置統(tǒng)一烘烤工藝曲線模式，相同的燃燒時(shí)間、升溫速率和穩(wěn)溫時(shí)間，并同時(shí)點(diǎn)火)烘烤過程中的溫度曲線與目標(biāo)值擬合情況顯示:CK 處理在點(diǎn)火后4 h 即達(dá)到目標(biāo)溫度36℃，并且在之后的燃燒過程中與目標(biāo)溫度的擬合度較高；T3 處理也可以在約4 h 時(shí)達(dá)到目標(biāo)溫度，但在變黃期和干筋期的某些時(shí)間點(diǎn)與目標(biāo)溫度存在約1 ℃的偏差；T1 和T2 處理分別在點(diǎn)火后8 和12 h 達(dá)到目標(biāo)溫度，且在之后的燃燒過程中與目標(biāo)溫度的擬合度較高；但是，T4 處理在變黃期、定色期和干筋期與目標(biāo)溫度均存在擬合度較差的現(xiàn)象，在整個(gè)烘烤過程中爐膛內(nèi)無明火且出現(xiàn)回?zé)熭^重的現(xiàn)象，表明該處理不宜開展實(shí)載試驗(yàn)(圖1).

圖1 不同配比生物質(zhì)顆粒燃料干球溫度工藝吻合曲線(空載試驗(yàn))Fig.1 Fitting curve of the dry-ball temperature of different proportions of biomass pellets (non-load test)

根據(jù)空載試驗(yàn)結(jié)果剔除T4(100%煙稈)處理的基礎(chǔ)上開展實(shí)載試驗(yàn)，烘烤過程的溫度曲線與目標(biāo)值擬合情況顯示:TI 和CK 處理的生物質(zhì)顆粒燃料在點(diǎn)火后4 h 即可達(dá)到目標(biāo)溫度36 ℃，并且在之后的燃燒過程中與目標(biāo)溫度的擬合度較高；T2 處理的生物質(zhì)顆粒燃料也可在4 h 達(dá)到目標(biāo)溫度，但變黃期實(shí)際溫度與目標(biāo)溫度在個(gè)別時(shí)間點(diǎn)存在約1 ℃的偏差，并在烘烤120 h 時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的回?zé)煬F(xiàn)象，無法繼續(xù)開展試驗(yàn)，后續(xù)改用100%木屑處理的生物質(zhì)燃料進(jìn)行烘烤；T3 處理的生物質(zhì)顆粒燃料在變黃期出現(xiàn)溫度上升較緩的現(xiàn)象，變黃及定色期多次出現(xiàn)與目標(biāo)溫度偏差約2 ℃，在定色期和干筋期出現(xiàn)爐膛火勢向進(jìn)料口回?zé)膰?yán)重現(xiàn)象，后續(xù)改用100%木屑處理的生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行烘烤(圖2).結(jié)果表明，15%煙稈+85%木屑(T1)制作的生物質(zhì)顆?？梢詽M足煙葉烘烤的實(shí)際需要.然而，T2 和T3 處理的生物質(zhì)顆粒燃料則分別在定色期和干筋期出現(xiàn)燃燒不暢(回?zé)?和爐膛火勢回?zé)默F(xiàn)象，推測可能是摻入煙稈的生物質(zhì)燃料在燃燒過程中產(chǎn)生的焦油量偏高，導(dǎo)致爐膛內(nèi)結(jié)渣過多所致.

圖2 不同配比生物質(zhì)顆粒燃料干球溫度工藝吻合曲線圖(實(shí)載試驗(yàn))Fig.2 Matching curve of the dry-ball temperature of different proportions of biomass pellets (load test)

2.3 不同配比生物質(zhì)顆粒燃料能耗分析

空載試驗(yàn)不同配比生物質(zhì)燃料能耗差異如表2 所示:每烤消耗生物質(zhì)燃料在921.67 ～1 475.00 kg，且消耗燃料數(shù)量隨煙稈配比的增加而升高，各處理之間均達(dá)到顯著性差異，其中T4 處理所需燃料最多，每烤達(dá)到1 475.00 kg；各處理間耗電量在104.33～108.00 kW·h-1范圍內(nèi)，沒有顯著性差異.實(shí)際生產(chǎn)過程中，每噸木屑原料的購置費(fèi)400 元，煙稈回收價(jià)格可控制在每噸200 元，經(jīng)充分調(diào)研后確定隨著煙稈配比的增加生物質(zhì)燃料價(jià)格可一定程度下調(diào)(表2).每座烤房的燃料動力費(fèi)927.75 ～1 012.75 元，其中CK 與T1 處理間無顯著性差異，T2、T3 和T4 處理燃料動力費(fèi)每烤分別比CK 多出51.25 元、62.25 元和85 元.此外，將煙稈作為生物質(zhì)燃料的原料來源，煙農(nóng)另外可獲得0.2 元·kg-1的煙稈回收費(fèi)用.

實(shí)載試驗(yàn)過程中T2 和T3 處理由于出現(xiàn)較嚴(yán)重的回?zé)熀蜏囟葦M合度偏差較大等情況，無法完成整個(gè)烘烤進(jìn)程，暫不做能耗比較分析.CK 和T1 處理在實(shí)載烘烤過程中消耗燃料數(shù)量達(dá)到顯著性差異，T1 處理消耗燃料量比CK 高出19.23%；耗電量方面二者無顯著性差異；由于燃料銷售價(jià)格的差異，最終T1 處理相比CK 而言，每烤的燃料動力費(fèi)略高，但尚未達(dá)到顯著性差異；按照每千克干煙量消耗的燃料動力費(fèi)計(jì)算，CK 處理為2.33 元，T1 處理為2.35 元，二者之間差異可忽略不計(jì)(表3).

表2 不同配比生物質(zhì)顆粒燃料能耗分析(空載試驗(yàn))Table 2 Analysis on the energy consumption of different proportions of biomass pellet fuel (non-load test)

表3 不同配比生物質(zhì)顆粒燃料能耗分析(實(shí)載試驗(yàn))Table 3 Analysis on the energy consumption of different proportions of biomass pellet fuel (load test)

2.4 不同配比生物質(zhì)顆粒燃料對烤后煙葉經(jīng)濟(jì)效益的影響

本研究對使用不同配比生物質(zhì)顆粒燃料烘烤的煙葉經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表4 所示:CK 與T1 處理相比，二者在單葉重、上中等煙比例、均價(jià)和干煙綜合效益等方面均無顯著性差異.其中，在上等煙比例方面CK 比T1 處理略高；而中等煙比例方面T1 處理卻比CK 略高；干煙的綜合效益方面CK 比T1 處理略高，表明使用煙稈和木屑復(fù)混生物質(zhì)顆粒燃料并未顯著增加煙葉烘烤成本.

3 討論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及環(huán)保意識的提升，生物質(zhì)顆粒燃料作為清潔能源，已經(jīng)逐步走入了人們的生產(chǎn)和生活.中國從20 世紀(jì)80 年代開始，先后從韓國、日本、荷蘭等國引進(jìn)以螺桿壓機(jī)為主的技術(shù)設(shè)備開展生物質(zhì)成型技術(shù)研究，但由于設(shè)備螺桿磨損快和產(chǎn)品沒有市場等原因，發(fā)展緩慢[16].近年來，中國圍繞生物質(zhì)固化成型技術(shù)研究和設(shè)備研發(fā)的不斷深入，取得了較大的進(jìn)展.隨著生物質(zhì)壓塊、生物質(zhì)氣化、生物質(zhì)煤生產(chǎn)技術(shù)日趨成熟，在煙葉烘烤中也進(jìn)行了一些探索和研究[17-20].王漢文等[21]率先在烤煙生產(chǎn)中進(jìn)行了玉米和小麥秸稈壓塊替代煤炭烤煙的試驗(yàn)，結(jié)果表明，秸稈壓塊可以滿足煙葉烘烤的熱量需求.隨著研究的不斷深入，木屑、竹屑等為原料的生物質(zhì)顆粒燃料在煙葉烘烤中的應(yīng)用取得了良好效果，并能夠有效改善烤后煙葉質(zhì)量，提高煙葉可用性[5-6，22].但是，生物質(zhì)燃料的原料來源及價(jià)格走勢直接關(guān)系到生物質(zhì)燃料在煙葉烘烤中推廣應(yīng)用的可行性問題.同時(shí)，生物質(zhì)燃料原料體積大、運(yùn)輸成本高，同樣是制約其發(fā)展的主要因素.因此，獲得穩(wěn)定的本地化原料來源，是保障生物質(zhì)燃料在煙葉烘烤中推廣應(yīng)用的前提.

煙稈作為烤煙生物量的重要組成部分，約占植株干物質(zhì)含量的50%，能夠?yàn)樯镔|(zhì)燃料制備提供一定的原料來源.煙稈的低位發(fā)熱值與玉米秸稈相近，而遠(yuǎn)高于小麥秸稈，表明煙稈作為生物質(zhì)顆粒燃料的原料能夠滿足煙葉烘烤中的能量需求[21].本研究中，15%煙稈+85%木屑處理的生物質(zhì)燃料在空載和實(shí)載中與目標(biāo)溫度均能表現(xiàn)出較好的擬合度，燃料能耗和烤后煙葉經(jīng)濟(jì)效益分析均可滿足煙葉烘烤需求.然而，煙稈摻比較高的處理在燃燒過程中出現(xiàn)了不同程度的回?zé)熁蚧貭t現(xiàn)象，導(dǎo)致無法完成烘烤進(jìn)程，推測可能是由于煙稈燃燒過程中焦油量較高造成嚴(yán)重結(jié)渣等因素造成的.王行等[23]研究表明，煙稈等農(nóng)經(jīng)作物秸稈燃燒易結(jié)渣，可作為生物質(zhì)燃料的輔助原料摻兌使用，該結(jié)果與本研究結(jié)果相吻合.溫麗娜[24]等研究了云南省主要農(nóng)林廢棄物的熱值，認(rèn)為秸稈類樣品中以煙桿、玉米稈、麥稈的熱值較高.但是，該研究并未在煙葉烘烤中開展應(yīng)用試驗(yàn)，同時(shí)認(rèn)為玉米秸稈的結(jié)渣情況高于煙桿，可能由于使用的是植株全稈，而玉米根系發(fā)達(dá)，取樣時(shí)攜帶的泥土過多所致[24].該現(xiàn)象提醒我們開展煙稈回收工作時(shí)，要切實(shí)注意杜絕或減少根部攜帶泥土，減少燃燒過程中結(jié)渣現(xiàn)象，有效提高燃料的燃燒性能.同時(shí)，針對摻入煙稈比例較高的生物質(zhì)顆粒燃料有待進(jìn)一步開展配套的燃燒機(jī)開發(fā)或燃燒工藝的改進(jìn)研究.此外，煙稈作為生物質(zhì)燃料的原料來源，可以有效避免目前將煙稈直接還田、隨意遺棄或就地焚燒帶來的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)[25].

4 結(jié)論

本研究首次對上部帶莖烘烤后的煙稈作為生物質(zhì)燃料原料在煙葉烘烤中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，結(jié)果表明，在木屑中摻入15%煙稈作為生物質(zhì)燃料原料制備的生物質(zhì)燃料點(diǎn)火容易、火力強(qiáng)、溫度調(diào)節(jié)靈敏度高，在烤后煙葉化學(xué)成分和能耗比較中與純木屑生物質(zhì)燃料無顯著性差異，可以滿足烤煙烘烤工藝需求，在煙葉烘烤中開展應(yīng)用示范具有較好的可行性.針對較高煙稈配比的生物質(zhì)燃料的燃燒特性差異以及試驗(yàn)過程中存在的升溫不暢等問題，仍需開展配套的燃燒機(jī)開發(fā)或燃燒工藝改進(jìn).同時(shí)，可以預(yù)見煙稈作為生物質(zhì)燃料利用后可以有效減少直接回田造成的病害傳播和環(huán)境污染問題，但針對全株煙稈的回收利用還需要開展配套組織回收模式研究.