新型能源在烟叶烘烤中应用前景和效果分析

谭方利+邱坤+杨鹏+吴文信+刘小斌+李峥

摘 要：为探究烟叶烘烤中经济性和实用性较强的新型能源，对生物质颗粒供热烤房、甲醇燃料烤房和空气源热泵烤房在建造成本、用工和能耗成本以及烘烤过程中稳温性能、烤后烟叶经济效益方面同燃煤烤房进行对比研究。结果表明，3种型能源中生物质颗粒应用前景最好，空气源热泵烤房烘烤过程中自动化程度最高、烤后烟叶经济效益最好，可较好地实现温度的精准控制；新型能源烤房在节能、减排、增质方面均有不同程度提升，但降本效果不明显。

关键词：新型能源；烘烤成本；烘烤性能；经济效益

中图分类号：S572 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.01.016

Abstract：To explore the new energy source for more economical and practical of tobacco baking， the construction cost， labor and energy cost， stability during baking， and economic benefits of flue cured tobacco leaves were studied with different baking room， including the biomass granule heating， the roast room， the methanol fuel baking room and the air source heat pump barn. The results showed that biomass particles had the best application prospects in the three types of energy sources. The degree of automation was the highest in the baking process of the air source heat pump barn， and the economic benefits of the cured tobacco leaves were the best， and it could achieve better precision control of temperature. New energy baking room in energy saving， emission reduction， quality enhancement had varying degrees， but the effect was not obvious.

Key words：new energy；baking cost；baking properties；economic benefits

目前，我國烟叶烘烤是以消耗大量的不可再生能源为代价而进行的烟叶生产过程，煤炭能耗高，每千克干烟叶耗煤量一般为1.5～2.0 kg，利用效率只有30%左右[1]，且燃烧释放大量的有害物质对环境会造成严重污染。研究表明，使用煤炭进行烟叶烘烤，每千克烟叶会导致煤炭产生0.009 4 kg NOx，0.013 2 kg SO2和4.302 kg CO2[2]，随着全球对于燃料需求的不断增长，烟叶烘烤所用成本不断上升。近年来，我国烤烟生产组织形式趋向规模化种植，烤房集中程度不断提升，烟叶生产与节能环保之间的矛盾日益突出[3-5]。我国政府工作报告中多处提及低碳和新能源，要努力建设资源节约型、环境友好型、低碳导向型社会，实现我国经济社会又好又快发展[6-7]。因此，在烟叶烘烤中注入新型能源和技术以实现增质降本、节能减排，对实现我国烟草行业可持续发展具有重要意义。

本研究主要针对郴州烟区烟叶烘烤中使用的生物质颗粒供热烤房、甲醇燃料烤房和空气源热泵烤房与普通燃煤烤房进行综合对比试验，旨在筛选出最适合烟叶烘烤的新型能源，为今后新型能源烤房的应用与改进奠定基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试烟草品种为云烟87。

烘烤工厂烤房建造为密集烤房群模式，新型能源烤房在普通燃煤烤房基础上进行改造，4种能源类型烤房均为气流下降式，装烟室模式为2路3层设计，规格为2.7 m×8.0 m×3.4 m，烘烤能力1.20 ～1.32 hm2。

1.2 试验设计

试验于2017年7月在郴州市桂阳县曾家村烟叶烘烤工厂进行。试验田土壤为水稻土，土壤肥力中等，前茬作物为水稻。烟草种植行距120 cm，株距50 cm，打顶后株高为110～120 cm。田间管理按优质烤烟栽培生产技术规范进行，选取上部叶（14～16叶位）于充分成熟后采收，进行烘烤。根据烤房供热能源类型不同设置4个处理：CK，燃煤烤房；T1，生物质颗粒供热烤房；T2，甲醇燃料烤房；T3，热泵能源烤房。每个处理烤房进行3次上部叶烘烤试验，烟叶烘烤过程中按3段式烘烤工艺相关要求对温湿度进行调整。

1.3 测定项目及方法

不同能源烤房建造成本由郴州市烟草公司提供；烘烤用工费用集中统计后按单个烤房进行折算；耗电量统计为停火时电表读数减去点火时电表读数；燃料用量为每炉次烘烤结束后对烘烤过程中单次加入煤炭、生物质颗粒或甲醇质量进行累计；3次烟叶烘烤数据统计后取各项指标平均值进行分析。烤后烟叶质量等级评定标准采用国家技术监督局烤烟GB 2635—92分级标准进行。

烘烤过程中统计38，42，48，52 ℃这4个关键稳温点不同能源类型烤房干球温度的变化情况；空载试验时将试验烤房所有门窗关闭，同时点火并将循环风机档位调至高速，将目标温度都设定为65 ℃，记录烤房内升温至38，42，48，52，60，65 ℃这6个温度节点时所用时间。endprint

1.4 数据处理

数据统计和作图采用 SPSS 17. 0和Microsoft Excel 2010软件进行。

2 结果与分析

2.1 烤房建造成本

使用煤炭作为燃料的普通密集烤房建造成本为每座3.5万元；生物质颗粒燃烧机供热烤房建造成本为每座5.0万元；甲醇燃料烤房为每座4.6万元；热泵能源烤房为每座8.5万元。每座烤房烘烤能力为1.20～1.32 hm2，实际计算中按平均值1.26 hm2，烤房使用年限均为10年，并依据试验点烟叶产量设定每座烤房的烘烤频次为每年6次，计算不同能源类型烤房的单位建造成本（每667 m2烟田进行烘烤作业的烤房建造成本）和单次使用成本。

从表1可以看出，每座热泵烤房的单位建造成本（4 499.6元），远远高于其余3个处理，生物质颗粒供热烤房略高于甲醇燃料烤房，但二者差距不大，每座烤房单位建造成本相差211.75元；燃煤烤房单位建造成本最低，仅为1 852.78元。出现此现象的原因可能是由烤房供热设备造价有很大差异所致。单次使用成本方面，T1，T2，T3处理分别较CK增幅42.86%，31.43%和142.86%。综合分析，使用新型能源的烤房建造成本均高于普通密集式烤房，热泵烤房高昂的造价成本是当前推广应用的强大阻力，生物质颗粒供热烤房和甲醇燃料烤房在使用过程中的成本应结合燃料价格以及燃料用量进行综合考虑。

2.2 用工及能耗成本

烘烤成本主要包括用工成本和能耗成本，其中，能耗成本为燃料消耗成本和烘烤耗电成本之和；用工成本由郴州市桂阳县曾家村烟草合作社进行统一核算，最后折算为单座烤房单炕费用。

由表2可知，热泵烤房能明显节省烘烤成本，且热泵单纯消耗电能，通过热传递的方式加热烤房中空气，为烟叶提供热量，明显提高了烟叶烘烤自动化程度，减少了人工成本。综合计算，热泵烤房烘烤1 kg干烟叶成本仅为1.22元，其次为生物质颗粒供热烤房，烘烤成本为1.95元·kg-1，较热泵烤房增幅59.83%，燃煤烤房烘烤成本排第3位，比生物质颗粒供热烤房高出0.11元，醇基烤房烘烤成本最高，为3.48元·kg-1，较热泵烤房增幅185.25%，较燃煤烤房增幅68.93%。由此可见，生物质颗粒和醇基燃料的自动化加料系统降低了人工成本，但增加了烘烤过程中的用电量，加之燃料价格的影响，导致生物质颗粒供热烤房和燃煤烤房烟叶烘烤成本差异不大，甲醇燃料由于过高的价格导致其烟叶烘烤成本剧增。

2.3 综合成本

烤房建成后使用年限較长，由于不同能源类型烤房烘烤过程中的用工费用及能耗成本不同，随着使用年限和使用次数的增长，综合成本的变化趋势会存在差异。对不同能源烤房建造投入使用10年之内的综合成本进行统计（图1），由于烤房建造成本为一次性投资，第1年综合成本为建造成本和当年烤房用工及能耗成本之和，之后综合成本的逐年递增为烤房用工和能耗成本的增加，暂不考虑后续烤房相关设备维护；设定每年每座类型烤房烘烤频次为6次，每次上部叶烘烤产出干烟量固定为581.63 kg（为不同类型烤房上部叶烤后干烟质量平均值）。

从不同能源烤房逐年使用成本变化趋势可以看出，第1年的综合使用成本大小为T3>T1≈T2>CK；当使用至第5年时，T3处理和T4处理出现交点，表明第5年之后热泵能源烤房和醇基燃料烤房的建造成本已经消除影响，热泵烤房的综合成本开始低于醇基烤房；整体来看，不同能源烤房建造使用10年之内，仍以普通燃煤烤房经济性最高，醇基烤房随使用年限的增长综合成本上升趋势更加明显，热泵烤房综合成本增幅下降明显，生物质颗粒供热烤房综合成本增长趋势大致和燃煤烤房一致，但逐年增长幅度有略微下降趋势。

因此，在今后不同新型能源烤房的研制中，生物质颗粒供热烤房应当从其设备造价方面进行改良；醇基烤房方面应大力研发低成本、高能效、无污染的甲醇燃料；热泵烤房方面应推广集中供热系统以降低建造成本。

2.4 不同类型烤房烤后烟叶经济效益对比

从烤后烟叶经济性状统计可以看出（表3），生物质颗粒、甲醇、热泵3种替代能源烤房较燃煤烤房中、上等烟比例均有所提高，其中，T3处理热泵烤房上等烟比例最高为61.5%，分别高出T1，T2和CK处理1.3，1.6和2.1个百分点，T1处理生物质颗粒供热烤房中等烟比例最高，但与T2，T3处理差距不大；烤坏烟比例为CK燃煤烤房最高，且明显高于其余3个处理。不同处理在均价方面表现为T3>T1>T2>CK， T1，T2和T3处理每千克干烟叶分别比CK高 2.95，1.35，3.04元。

2.5 不同能源烤房稳温性能对比

通过对烟叶烘烤过程中的38，42，48，52 ℃这4个稳温点进行动态监测统计，从不同处理烘烤过程中目标温度点稳温情况可以看出，使用替代能源的烤房烘烤过程中各个目标温度点均可以将误差控制在±0.5 ℃以内，可以较好地执行烘烤曲线，避免烤房中实际温度与设定目标温度偏离过大，从而造成烟叶损失；从各个稳温点偏离程度可以看出，T3处理温度稳定性最佳；T1处理在目标温度42，52 ℃时温度极差分别为0.6，0.8 ℃，波动较大；T2处理在目标温度48，52 ℃时温度极差均为0.7℃；对照燃煤烤房在各个目标温度点波动均明显高于其余3个处理，出现此现象可能是由燃料自身特性以及不同供热设备在烘烤过程中自动加料系统和烟叶烘烤中对热量需求不协调所致（表4）。

2.6 不同能源类型烤房空载条件下升温情况分析

从表5可以看出，空载条件下烤房的平均升温速率，3个处理较CK燃煤烤房差异均达到显著水平，其中，T1处理升温至65 ℃用时最短，平均升温速率为1.35 ℃·min-1；其次为T3处理，平均升温速率为0.85 ℃·min-1，与T1处理差异达到极显著水平；T2处理平均升温速度为0.61 ℃·min-1，极显著低于T1处理。从各个温度点攀升时间可以看出，醇基燃料在48 ℃之后升温时间变长，存在明显的滞后性，会导致烘烤过程的中后期燃料消耗增加。endprint