新能源烤房在湖北十堰煙區(qū)的應(yīng)用及前景

吳立環(huán)，劉 陽(yáng)，全守宙，魏小慧，陳 孟，張曉亮，楊繼龍

（湖北省煙草公司十堰市公司，湖北 十堰 442200）

傳統(tǒng)煙葉烘烤是以消耗大量煤炭等不可再生能源為代價(jià)進(jìn)行的生產(chǎn)過(guò)程，每生產(chǎn)1 kg干煙葉需要消耗1.5～2.0 kg煤炭［1］，利用率僅30%左右，且會(huì)釋放大量粉塵和二氧化硫等有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境造成污染，產(chǎn)生負(fù)面影響［1］。十堰市位于湖北省西北部，地處秦巴山區(qū)東部、漢江中上游地區(qū)，是南水北調(diào)中線工程核心水源區(qū)，肩負(fù)著確?！耙粠?kù)凈水北送”的政治責(zé)任。煙葉是十堰傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，每年能帶動(dòng)2 000 多戶煙農(nóng)增收3億多元，財(cái)政收入6 000多萬(wàn)元，帶動(dòng)煙區(qū)農(nóng)民就地務(wù)工100多萬(wàn)人次，是促進(jìn)農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)增效的富民產(chǎn)業(yè)，也是助力全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興的支柱產(chǎn)業(yè)。針對(duì)傳統(tǒng)煙葉烘烤過(guò)程中成本不斷增加、環(huán)境污染問(wèn)題，新能源烘烤的探索勢(shì)在必行。研究對(duì)十堰煙區(qū)的各類烤房進(jìn)行綜合對(duì)比，篩選出適宜在該地區(qū)推廣的新型能源烤房，為其推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1 新能源烤房發(fā)展情況

1.1 太陽(yáng)能烤房

太陽(yáng)能是最豐富、最清潔的能源，太陽(yáng)能在烤房上的利用主要是光熱轉(zhuǎn)換和光伏發(fā)電2 種，前者主要作為煤炭、熱泵烤房的輔助熱源，無(wú)法僅以太陽(yáng)能作為唯一熱源，后者則可以通過(guò)轉(zhuǎn)換為電能，為密集烤房提供烘烤所需用電，但由于受自然環(huán)境影響較大，主要作為烘烤工廠的備用電源［2，3］。太陽(yáng)能烤房主要在貴州、云南、湖南等煙區(qū)推廣使用。

1.2 熱泵烤房

熱泵是一種制冷系統(tǒng)，通過(guò)冷凝器內(nèi)制冷劑冷凝釋放熱量供熱，是一種高效節(jié)能裝置［4］。根據(jù)熱源的不同分為空氣源熱泵、地源熱泵、水源熱泵3 種類型［5］。在煙草上應(yīng)用最成熟的是空氣源熱泵，主要由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器等組成，其工作原理是主要由壓縮機(jī)做功從空氣中獲取低溫?zé)嵩?，通過(guò)熱泵系統(tǒng)高效集熱整合后成為高溫?zé)嵩矗诩訜崾覂?nèi)加熱空氣，從而完成煙葉烘烤［6］。

1.3 生物質(zhì)顆粒烤房

生物質(zhì)顆?？痉恐傅氖且匀紵镔|(zhì)顆粒為主要加熱方式的新型烤房［7，8］。生物質(zhì)顆粒是可再生能源［9］，主要是將鋸末、秸稈、稻殼、木屑等廢棄物原料經(jīng)過(guò)生物質(zhì)顆粒機(jī)的擠壓制作成顆粒狀燃料，充分利用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物，發(fā)展農(nóng)業(yè)循環(huán)產(chǎn)業(yè)，有效降低環(huán)境污染。生物質(zhì)顆粒烤房改造簡(jiǎn)單，推廣應(yīng)用前景廣闊［10-12］。

1.4 甲醇燃料烤房

以使用甲醇等液體燃料為主的烤房，燃料獲取途徑較廣、燃燒無(wú)污染是其主要優(yōu)勢(shì)，但甲醇燃料受成本較高、有一定毒性、運(yùn)輸及保管風(fēng)險(xiǎn)較大等因素的限制，在推廣過(guò)程中較為慎重［13］。

2 十堰煙區(qū)新能源烤房發(fā)展情況

煙草行業(yè)的發(fā)展始終堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，認(rèn)真落實(shí)“雙碳”要求，大力推廣綠色生產(chǎn)技術(shù)，促進(jìn)減肥、減藥、減污、降碳，煙葉種植已成為綠色低碳、資源節(jié)約、環(huán)境友好的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。十堰煙區(qū)在煙葉烘烤能源及新型烤房建設(shè)方面也在不斷進(jìn)行摸索和改進(jìn)。2013 年通過(guò)每噸煤炭補(bǔ)貼300 元的方式，全面推廣“以煤代柴”，解決了大量砍伐樹木的現(xiàn)象，有效地保護(hù)了自然環(huán)境；2016 年在竹山縣擂鼓鎮(zhèn)改造5 座熱泵烤房，探索推廣新能源烤房；2017年在房縣門古寺鎮(zhèn)改造3 座生物質(zhì)顆粒烤房；2018年在竹溪縣水坪鎮(zhèn)推廣10 座熱泵烤房，在全市推廣80 座生物質(zhì)顆?？痉浚?019—2022 年全市共推廣1 630 座生物質(zhì)顆粒新能源烤房，全市新能源烤房占在用烤房的49.60%，遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平，為煙葉產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展發(fā)揮效益。十堰煙區(qū)共有傳統(tǒng)煤炭烤房、空氣源熱泵烤房和生物質(zhì)顆?？痉? 種烤房，其他種類烤房暫時(shí)未在本地推廣，主要圍繞這3 種烤房從建設(shè)成本、烘烤成本、烤后煙葉質(zhì)量等進(jìn)行對(duì)比分析。

3 材料與方法

3.1 材料

供試品種為十堰主栽品種云煙87，按照《金神農(nóng)山地中棵煙生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》統(tǒng)一進(jìn)行田間管理。

試驗(yàn)烤房為傳統(tǒng)煤炭烤房、空氣源熱泵烤房和生物質(zhì)顆粒烤房?？痉恐黧w土建部分均為磚混密集烤房，裝煙室規(guī)格為8.0 m×2.7 m×3.5 m?？諝庠礋岜脵C(jī)組型號(hào)為140S-U-ZDR-HD，尺寸為1 756 mm×1 510 mm×1 741 mm；生物質(zhì)顆粒烤房為外置式生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)，產(chǎn)品型號(hào)為EXJC-10W-22WSR，尺寸為1 330 mm×700 mm×1 350 mm。

試驗(yàn)燃料為市局統(tǒng)一招標(biāo)采購(gòu)，其中煤炭標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)熱量20 900 kJ∕kg 以上，粒徑8 cm 以上，水分不高于3%，含硫量不高于0.4%；生物質(zhì)顆粒標(biāo)準(zhǔn)，低位發(fā)熱量12 000 kJ∕kg 以上，灰分不高于15%。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)地點(diǎn)為十堰市竹山縣擂鼓鎮(zhèn)金嶺村科技示范園。設(shè)3 個(gè)處理，CK 為普通煤炭烤房，T1 為空氣源熱泵烤房，T2 為生物質(zhì)顆粒烤房，每個(gè)處理設(shè)置1座烤房，在同一個(gè)烘烤工廠。各處理所用煙葉為科技示范園田間長(zhǎng)勢(shì)一致的正常煙葉，同一區(qū)域、同一品種、同一部位。烘烤工藝均按照《8 點(diǎn)式精準(zhǔn)烘烤工藝》，裝煙量、裝煙密度、裝煙時(shí)間保持一致。

3.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 和SPSS 軟件對(duì)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

4 結(jié)果與分析

4.1 烤房建設(shè)成本對(duì)比

由表1 可以看出，烤房建設(shè)在土建部分沒(méi)有差異，主要成本差異體現(xiàn)在烘烤加熱設(shè)備上，煤炭烤房所需設(shè)備為風(fēng)機(jī)、爐膛，成本為1.0 萬(wàn)元；空氣源熱泵烤房所需設(shè)備為風(fēng)機(jī)、熱泵，成本為7.0 萬(wàn)元；生物質(zhì)顆粒烤房所需設(shè)備為風(fēng)機(jī)、爐膛、生物質(zhì)燃燒機(jī)，成本為1.5 萬(wàn)元。傳統(tǒng)煤炭烤房建設(shè)總成本最低，每座4.0 萬(wàn)元；空氣源熱泵烤房建設(shè)總成本最高，每座10.0 萬(wàn)元；生物質(zhì)顆?？痉拷ㄔO(shè)總成本略高于傳統(tǒng)煤炭烤房，每座4.5 萬(wàn)元。另外，建設(shè)空氣源熱泵烤房必需的電力改造、單獨(dú)的變壓器、配套更大功率的發(fā)電機(jī)等綜合成本，空氣源熱泵烤房成本遠(yuǎn)高于其他2 個(gè)烤房，若沒(méi)有相關(guān)政策扶持，推廣應(yīng)用有較大難度，本研究?jī)H針對(duì)烤房建設(shè)使用過(guò)程中的直接成本進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 不同烤房建設(shè)成本統(tǒng)計(jì)

4.2 烘烤成本對(duì)比

煙葉烘烤過(guò)程中，主要成本由烘烤能耗成本和用工成本構(gòu)成，其中烘烤能耗成本由燃料成本和用電成本構(gòu)成。烘烤用工成本根據(jù)竹山縣煙農(nóng)合作社提供專業(yè)化烘烤服務(wù)用工數(shù)據(jù)進(jìn)行核算，即烘烤一炕煙平均用時(shí)7 h，專業(yè)化烘烤傳統(tǒng)煤炭烤房2 人為一個(gè)班組可負(fù)責(zé)5 個(gè)烤房，生物質(zhì)顆?？痉? 個(gè)人可負(fù)責(zé)15 個(gè)烤房，空氣源熱泵烤房1 個(gè)人可負(fù)責(zé)10 個(gè)烤房，即折算用工為每烘烤一炕煙，煤炭烤房用工2.80 個(gè)，生物質(zhì)顆?？痉坑霉?.93 個(gè)，空氣源熱泵烤房用工0.70個(gè)。具體燃料、耗電量、用工情況見表2。

表2 不同烤房烘烤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

由表3 可以得出，空氣源熱泵烤房烘烤總成本最低，為912.86 元∕炕，生物質(zhì)顆?？痉亢婵究偝杀揪又?，為1 872.92 元∕炕，煤炭烤房烘烤總成本最高，為2 408.14 元∕炕?？諝庠礋岜煤婵具^(guò)程中僅使用電能，取消了添加燃料用工，有效提高了烘烤自動(dòng)化程度，用工較少。生物質(zhì)顆粒烤房相比煤炭烤房采用自動(dòng)加料和自動(dòng)清灰，減少了用工，增加了用電量，烘烤所需燃料略多于煤炭烤房，但生物質(zhì)顆粒成本較煤炭低，因此生物質(zhì)顆?？痉亢婵究偝杀据^煤炭烤房成本低535.22 元。

表3 不同烤房烘烤成本統(tǒng)計(jì)

4.3 烤后煙葉質(zhì)量對(duì)比

由表4 可以看出，烘烤黃煙率最好的是空氣源熱泵烤房，為97%，最低的是煤炭烤房，為92%；上等煙率最高的是空氣源熱泵烤房，為62.5%，最低的是煤炭烤房，為58.6%；級(jí)外煙比例最高的是煤炭烤房，為2.1%，最低的是空氣源熱泵烤房，為0.8%?？諝庠礋岜每痉亢蜕镔|(zhì)顆?？痉繙囟瓤刂聘泳珳?zhǔn)，烤房烘烤過(guò)程中溫度變化較為平穩(wěn)，能較好實(shí)現(xiàn)烘烤過(guò)程中穩(wěn)溫、升溫的要求，不會(huì)出現(xiàn)煤炭烤房加煤前后溫度波動(dòng)較大的問(wèn)題，因此烤后煙葉質(zhì)量較高，烤壞煙比例較低。

表4 不同烤房烤后煙葉質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

5 討論

空氣源熱泵烤房和生物質(zhì)顆?？痉亢婵境杀揪陀诿禾靠痉?，烘烤質(zhì)量均好于煤炭烤房。煤炭烤房主要優(yōu)點(diǎn)是建設(shè)成本較低，缺點(diǎn)是烘烤用煤污染環(huán)境，烘烤過(guò)程加煤、清灰等過(guò)程用工較多，且加煤前后溫度波動(dòng)較大?？諝庠礋岜每痉?jī)?yōu)點(diǎn)是完全零排放、減工效果明顯、溫度控制精準(zhǔn)，在全國(guó)各煙區(qū)均有推廣應(yīng)用，缺點(diǎn)是設(shè)備投入成本高，整體造價(jià)偏高，后期設(shè)備維護(hù)難度大，且需要配套專用變壓器，制約了熱泵烤房的發(fā)展。生物質(zhì)顆?？痉?jī)?yōu)點(diǎn)是改造成本低，若后期產(chǎn)區(qū)調(diào)整，設(shè)備可隨時(shí)轉(zhuǎn)移，不會(huì)出現(xiàn)資源閑置浪費(fèi)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供料、自動(dòng)出渣，一次加料可供燃燒12 h 左右，能有效減少烘烤用工，是煤炭的理想替代能源。

6 展望

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，國(guó)家環(huán)保法律法規(guī)的不斷完善，特別是十堰作為南水北調(diào)中線工程核心水源區(qū)，對(duì)于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的力度會(huì)越來(lái)越強(qiáng)，因此煙葉烘烤用煤對(duì)環(huán)境污染的問(wèn)題被不斷放大，推進(jìn)生產(chǎn)方式綠色低碳轉(zhuǎn)型是煙草農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇。結(jié)合十堰煙區(qū)實(shí)際，建議采取以生物質(zhì)顆?？痉繛橹?，空氣源熱泵烤房為輔的新能源烤房發(fā)展戰(zhàn)略。空氣源熱泵烤房在有害氣體零排放、烘烤成本、烘烤質(zhì)量上有明顯優(yōu)勢(shì)，若有充足資金扶持且國(guó)家電力提供電力保障，可以在相對(duì)集中連片且相對(duì)穩(wěn)定的核心產(chǎn)區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用。在十堰大部分煙區(qū)，由于烤房分布相對(duì)零散，分戶烘烤比例較大，生物質(zhì)顆?？痉扛脑斐杀镜?、烘烤效果好的特點(diǎn)更符合實(shí)際，并且未來(lái)隨著推廣面積的增加，可以在重點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)成立生物質(zhì)顆粒加工廠，利用煙桿生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒，既能解決煙區(qū)煙桿處理難題，又能進(jìn)一步降低生物質(zhì)顆粒成本，形成良性循環(huán)。