煙桿碎片生物質(zhì)燃料在煙葉密集烤房上的應(yīng)用試驗(yàn)

黃智華，李江舟，徐勇賢，瞿 興，薛國(guó)輝，張吉坤，丁家華，飛 鴻，李晗梅

（1. 云南省煙草公司玉溪市公司，云南 紅塔 653100；2. 玉溪市煙草公司澄江分公司，云南 澄江 652599；3. 昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500；4. 云南航天烘烤設(shè)備制造有限公司，云南 昆明 650031；5. 云南省煙草農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，云南 昆明 650021；6. 昆明市煙草公司晉寧分公司，云南 晉寧 650600）

中國(guó)生物質(zhì)資源豐富，秸稈資源龐大，年均產(chǎn)量約為8.65 億t[1]，具有“可再生、可循環(huán)、可減排”等諸多優(yōu)勢(shì)，相比煤炭具有更大的優(yōu)越性[2-3]。采用生物質(zhì)能烘烤煙葉，不僅可以降低烘烤成本，而且清潔環(huán)保，在一定程度上可提高煙葉外觀品質(zhì)[4]。長(zhǎng)期以來(lái)，生物質(zhì)能源化的應(yīng)用主要是加工成塊狀或顆粒狀作為燃料使用，具有熱效率高、便于貯存和運(yùn)輸、熱值高等優(yōu)點(diǎn)[5]，但同時(shí)也存在加工過(guò)程復(fù)雜、加工成本高、保存要求高等問(wèn)題。相比之下，對(duì)于廣大煙區(qū)而言，將煙桿或其它生物質(zhì)秸稈碎片化后，利用燃燒設(shè)備燃燒供熱進(jìn)行煙葉烘烤，更能彰顯生物質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，在使烘烤成本大幅降低的同時(shí)，還可促進(jìn)田間煙桿清除工作的推進(jìn)，避免了煙根病蟲(chóng)害留存土壤造成的負(fù)面影響，并且煙葉烘烤作業(yè)結(jié)束后的草木灰還田可優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)，對(duì)土壤肥力增效顯著[6]。本試驗(yàn)從煙葉烘烤成本、烤后煙葉外觀品質(zhì)、煙葉經(jīng)濟(jì)性狀、環(huán)境效益等方面著手，對(duì)煙桿碎片生物質(zhì)燃料在煙葉密集烤房上的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)研究和分析，為綠色低碳烤煙循環(huán)發(fā)展奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)烤房裝煙室為8.0 m×2.7 m×4.2 m 的彩鋼復(fù)合保溫板房，可掛4 層鮮煙葉；供試煙葉品種為K326，選取同一片煙田、栽培管理、營(yíng)養(yǎng)發(fā)育水平和成熟度基本一致的上、中、下3 個(gè)部位煙葉進(jìn)行對(duì)比烘烤試驗(yàn)，煙葉烘烤過(guò)程的溫濕度可由密集烤房實(shí)現(xiàn)集成控制；用常發(fā)CFA304 輪式拖拉機(jī)帶動(dòng)1 臺(tái)雙籠煙桿拔出機(jī)拔出煙桿；用型號(hào)為9Z-4C 的粉碎機(jī)對(duì)往年農(nóng)戶收集的煙桿進(jìn)行碎片化處理，作為烘烤煙葉的燃料備用。

為保證本試驗(yàn)外部影響條件基本相同，避免因圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱引起的試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差，試驗(yàn)烤房選用烘烤工廠標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的五連體烤房的第2 座、第3 座和第4 座，試驗(yàn)烤房同時(shí)啟動(dòng)，在整個(gè)烘烤過(guò)程中試驗(yàn)烤房的溫度設(shè)置基本一致。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2021 年7—9 月在云南省澄江市廣龍社區(qū)煙葉烘烤工廠進(jìn)行。本試驗(yàn)共設(shè)置3 個(gè)處理：處理T1，煙桿碎片生物質(zhì)燃料密集烤房；處理T2，電熱式密集烤房；處理T3，生物質(zhì)顆粒燃料密集烤房。每座試驗(yàn)烤房裝煙408 竿，每竿煙葉統(tǒng)一按10 kg 稱(chēng)重編竿，裝入標(biāo)準(zhǔn)氣流下降式密集烤房進(jìn)行烘烤。循環(huán)風(fēng)機(jī)均選用型號(hào)為GKF7-4 的烤煙專(zhuān)用軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)壓＞180 Pa，風(fēng)量＞15000 m3·h-1，烘烤前記錄標(biāo)記煙葉的鮮煙葉重量，電表起始讀數(shù)；烘烤過(guò)程記錄烤房燃料的加料次數(shù)、單次加料重量、耗電量、烘烤用工數(shù)量、各時(shí)刻溫濕度等數(shù)據(jù)；烘烤結(jié)束后記錄電表終止讀數(shù)、掛牌標(biāo)記干煙葉的重量，同比計(jì)算每爐烘烤出的干煙葉重量，統(tǒng)計(jì)不同處理各等級(jí)煙葉的比例。對(duì)3 種密集烤房在烘烤成本、煙葉等級(jí)、經(jīng)濟(jì)性狀等方面進(jìn)行對(duì)比分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種煙桿產(chǎn)量分析

在云南省澄江市選擇4 塊不同煙葉品種的煙田，在同一田塊選擇150 棵煙株掛牌標(biāo)記，烘烤結(jié)束后對(duì)其煙葉、煙桿進(jìn)行稱(chēng)重記錄如表1 所示?？梢钥闯觯煌瑹熑~品種其煙桿產(chǎn)量有一定差異，導(dǎo)致這種差異的因素可能與品種、土壤肥力、生長(zhǎng)勢(shì)、煙農(nóng)管理水平等有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果顯示除了第3 塊煙田的莖葉比為0.98外，其余煙田的莖葉比均大于1，平均莖葉比達(dá)到了1.23，與目前課題獲得的烘烤1 kg 干煙葉需要消耗1.43 kg 煙桿碎片的結(jié)果看，1 hm2煙田產(chǎn)生的煙桿所提供的能源要完成1 hm2煙葉的烘烤，還差將近14%的能源。

表1 不同品種煙桿產(chǎn)量

2.2 不同拔桿方式費(fèi)用分析

在煙葉采收完畢后選擇2 塊煙田，分別采用人工拔桿和機(jī)械拔出煙桿堆放至田邊晾曬，并記錄其經(jīng)濟(jì)性。由表2 可見(jiàn)，人工拔桿方式的經(jīng)濟(jì)性較差，相較于機(jī)械拔桿、機(jī)械拔桿帶打捆費(fèi)用分別增加了101.4%、227.9%；而1 kg 煙桿的售價(jià)不超過(guò)0.3 元，煙桿（含煙根）產(chǎn)量約2700 kg·hm-2，煙桿價(jià)值為810 元·hm-2，顯然人工拔桿方式較難普及。

用機(jī)械拔桿可極大減少烘烤前期的費(fèi)用投入，但機(jī)械拔桿垅端調(diào)頭用時(shí)太多，不能打捆，導(dǎo)致拔出的煙桿隨地散放，收集費(fèi)時(shí)，這是影響機(jī)械拔桿效率的主要原因，另外煙桿地下根系部分由于受泥土包裹，不便與地上莖桿部分同時(shí)采收，從試驗(yàn)分析來(lái)看，地上莖桿部分可進(jìn)行機(jī)械取桿與打捆一起解決，地下根系部分可在田塊耕犁曬垡后進(jìn)行機(jī)械收集，這也是今后農(nóng)機(jī)需要考慮的方向之一。

2.3 煙桿粉碎機(jī)性能及費(fèi)用分析

對(duì)市面上的4 種粉碎機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，由表3 可見(jiàn)，使用不同型號(hào)的粉碎機(jī)基本都可執(zhí)行煙桿粉碎工作，雖伴有絲狀物產(chǎn)生，但并不影響燃燒。粉碎時(shí)的油耗、用工、粉碎量，以及粉碎后的碎粒形態(tài)隨粉碎機(jī)的不同而產(chǎn)生差異。除了XQ 型粉碎機(jī)日處理量為1500 kg，其它機(jī)型均在3000 kg 以上，SD1 型粉碎機(jī)日產(chǎn)量最多，可達(dá)4800 kg，分別超出SD2、XL、XQ 機(jī)型33.3%、60%、220%。從平均水平來(lái)看，粉碎機(jī)日處理量（8 h）可達(dá)3225 kg，處理1 kg 煙桿的綜合費(fèi)用（除去煙農(nóng)自用工費(fèi)用）僅為0.1 元。采用煙桿碎片生物質(zhì)燃料用于煙葉烘烤經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表3 不同機(jī)械煙桿碎片加工費(fèi)用

2.4 煙桿“四自一費(fèi)”處理費(fèi)用測(cè)試分析

對(duì)由煙農(nóng)和農(nóng)村合作社組織進(jìn)行“自家的煙桿自收、自運(yùn)、自投勞力，再適當(dāng)繳納加工費(fèi)用”的“四自一費(fèi)”煙桿碎片化模式進(jìn)行測(cè)試分析。用SD1 型粉碎機(jī)對(duì)晾曬后的煙桿實(shí)施碎片化處理，并記錄其成本。此模式下的生物質(zhì)燃料成本較低，煙農(nóng)經(jīng)濟(jì)效益顯著。由表4 可見(jiàn)，基于“四自一費(fèi)”模式下的10184 kg 煙桿（含煙根）成本費(fèi)用僅為951 元，折合加工費(fèi)僅為0.95 元·kg-1，燃料成本為0.295 元·kg-1，與平均0.9 元·kg-1的生物質(zhì)顆粒燃料相比，這3.67 hm2煙田的煙桿碎片生物質(zhì)燃料可節(jié)省6161 元的燃料成本，降幅達(dá)67.2%，此模式下的煙葉烘烤經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表4 煙桿“四自一費(fèi)”處理費(fèi)用測(cè)試

2.5 不同能源密集烤房用工成本分析

不同能源形式密集烤房的用工成本差異較大。如表5 所示，按每人每天的烘烤用工費(fèi)用為150 元，煙桿碎片生物質(zhì)燃料、生物質(zhì)顆粒燃料、純電直熱的烘烤煙葉用工成本分別是187.5 元·爐-1、187.5 元·爐-1和83.33 元·爐-1。用煙桿碎片生物質(zhì)燃料和生物質(zhì)顆粒燃料密集烤房，烘烤技術(shù)人員只需要進(jìn)行填料以及溫濕度控制操作，且一次填料可維持4～8 h的烘烤要求，因此每20 座烤房每天需要3 個(gè)人（每人8 h）進(jìn)行烘烤煙葉操作；而電熱式密集烤房無(wú)需加料操作，只需要進(jìn)行溫濕度控制即可，用工量較少，因此每30 座烤房每天只需要2 個(gè)人（每人12 h）進(jìn)行操作，每爐次用工成本是煙桿碎片生物質(zhì)燃料和生物質(zhì)顆粒燃料密集烤房的44%。

表5 不同能源烤房用工成本分析

2.6 不同能源密集烤房烘烤成本分析

不同能源形式密集烤房烘烤試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示，基于“四自一費(fèi)”煙葉烘烤體系，采用煙桿碎片生物質(zhì)顆粒燃料烘烤煙葉降本增效顯著。煙桿碎片生物質(zhì)燃料密集烤房的平均爐次耗電量為312 kW·h-1，與生物質(zhì)顆粒燃料密集烤房差別較小，而純電直熱密集烤房的爐次耗電量最多，是1993 kW·h-1；由于煙桿碎片生物質(zhì)燃料烤房成本的優(yōu)勢(shì)，其能耗成本分別是電熱、顆粒燃料烤房的40.4%、45.3%。最終處理T1、處理T2、處理T3 的爐次烘烤成本分別是550 元、980 元、988 元，干煙烘烤成本分別是1.04 元·kg-1、1.85 元·kg-1、1.86 元·kg-1，采用煙桿碎片生物質(zhì)燃料烘烤煙葉降幅達(dá)44%，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

表6 不同能源烘烤成本分析

2.7 烤后煙葉質(zhì)量等級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

本試驗(yàn)供試品種為K326，每座試驗(yàn)烤房裝煙408竿煙葉，每竿煙葉統(tǒng)一按10 kg 稱(chēng)重編竿，烘烤結(jié)束后從頂臺(tái)至底臺(tái)取樣100 桿煙葉，依據(jù)GB 2635—92 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[18]進(jìn)行等級(jí)評(píng)定，并結(jié)合當(dāng)?shù)乜緹熒a(chǎn)收購(gòu)政策對(duì)試驗(yàn)煙葉進(jìn)行統(tǒng)一取樣評(píng)定。由表7 可見(jiàn)，3 種類(lèi)型密集烤房烘烤的煙葉質(zhì)量差別并不明顯。處理T1、處理T2、處理T3 上等煙占比分別為67.92%、64.46%、67.80%，中等煙占比分別是22.52%、23.57%、22.90%，剔除不列級(jí)和烤壞煙葉，中上等煙葉比例分別達(dá)到97.63%、96.70%、98.17%，烘烤損失率分別是7.35%、8.97%、7.61%。因此，同等條件下3 種密集烤房烘烤煙葉對(duì)烤后煙葉質(zhì)量等級(jí)結(jié)構(gòu)差異不大。

表7 不同烤房烤后煙葉等級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)比

2.8 煙葉經(jīng)濟(jì)性狀對(duì)比

煙葉均價(jià)是煙葉外觀品質(zhì)的核心體現(xiàn)，從表8 可以看出，煙桿碎片生物質(zhì)燃料、電熱、生物質(zhì)顆粒燃料密集烤房烘烤煙葉均價(jià)差異不大。從部位結(jié)構(gòu)看，各處理上、中、下煙葉部位均價(jià)均符合生產(chǎn)實(shí)際，各占比差異較小；從均價(jià)看，處理T3（32.27 元·kg-1）＞處理T1（32.18 元·kg-1）＞處理T2（31.73 元·kg-1），煙桿碎片生物質(zhì)燃料烤房烘烤煙葉僅比生物質(zhì)顆粒燃料烤房低0.54 元·kg-1，比電熱烤房高0.45 元·kg-1，說(shuō)明采用煙桿碎片生物質(zhì)燃料烘烤煙葉是完全可行的。

表8 不同烤房烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀分析

2.9 環(huán)境效益分析

隨著溫室氣體排放量逐年升高而引起全球變暖等一系列問(wèn)題，低碳減排已成為各個(gè)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的共識(shí)。煙葉烘烤集中的7—9 月是水電比重加大的階段[8]，但由于電網(wǎng)并網(wǎng)，水電、風(fēng)電等清潔能源與火電并價(jià)計(jì)費(fèi)，無(wú)法體現(xiàn)電熱烤房清潔能源的優(yōu)勢(shì)；相較于生物質(zhì)顆粒燃料，煙桿碎片生物質(zhì)燃料不僅來(lái)源廣，加工簡(jiǎn)單，燃燒溫度低，不結(jié)焦，氮氧化物排放量小，可避免煙根病蟲(chóng)害留存土壤造成的負(fù)面影響。另外，烘烤結(jié)束后得到的草木灰還田還可改善土壤理化特性，減少土壤對(duì)化肥的依賴(lài)，增加土壤肥力，對(duì)煙葉的提質(zhì)增收有一定的促進(jìn)作用。煙桿碎片生物質(zhì)燃料在生產(chǎn)、使用、還田整個(gè)過(guò)程中都是環(huán)境友好型的，秉承“循環(huán)農(nóng)業(yè)”和“高質(zhì)量發(fā)展烤煙”的理念，是真正意義上的“低成本、低能耗、低排放、高質(zhì)量”可再生能源。與中國(guó)推進(jìn)“碳達(dá)峰、碳中和”的雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)要求一致。

3 討論與結(jié)論

隨著人們環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)，煙葉烤房棄煤形勢(shì)緊迫，生物質(zhì)能逐漸成為烘烤煙葉替代能源。目前生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料成本高、設(shè)備損耗大等弊端明顯制約著生物質(zhì)烘烤煙葉的推進(jìn)[9]。煙桿作為烤煙生物質(zhì)燃料已有一定的應(yīng)用。本課題提出了采用煙桿碎片生物質(zhì)燃料烘烤煙葉，從烤煙用工成本、烘烤成本、煙葉等級(jí)、環(huán)境效益等方面與電熱烤房、生物質(zhì)顆粒燃料烤房進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果顯示，煙田平均莖葉比為1.23，在后期的烘烤煙葉中可加入其它類(lèi)型秸桿；四自一費(fèi)煙桿碎片化處理模式經(jīng)濟(jì)性較好，機(jī)械拔桿試驗(yàn)組的費(fèi)用僅為0.2 元·kg-1，采用四達(dá)9Z-4C 粉碎機(jī)的加工成本僅為0.095 元·kg-1，0.295 元·kg-1的煙桿碎片生物質(zhì)燃料成本相比于生物質(zhì)顆粒燃料降幅達(dá)67.2%；煙桿碎片生物質(zhì)燃料烤房在保證烘烤煙葉等級(jí)結(jié)構(gòu)、均價(jià)與其它處理并無(wú)明顯差異的同時(shí)，單位干煙烘烤成本僅為1.04 元·kg-1，極具有推廣優(yōu)勢(shì)；烤煙結(jié)束后的草木灰還田可改善土壤肥力，提升煙葉品質(zhì)。