我国烟秆综合利用及设备研究进展

符德龙，孟辉，张富贵2、，张龙2、，陈雪

(1.贵州省烟草公司毕节市公司，贵州 毕节 551700；2.贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 550025；3.贵州大学 现代制造技术教育部重点实验室，贵州 贵阳 550025)

0 前言

烟草是我国最重要的经济作物之一，在我国的国民经济发展中具有十分重要的作用[1]。据统计，2015 年烟草种植面积为1. 597×106公顷，生产烟叶2. 2×106吨，相应产生烟秆约1. 162×106吨[2]。烟秆作为烟草生产过程中的主要副产品，是一种宝贵的可再生生物质能源。但由于我国农村农民生产生活方式的巨大转变，以及个人受教育程度的不同，环保意识缺乏和淡薄，每年当烟叶收获后，都会造成大量的烟秆被就地焚烧和遗弃，这样，不仅造成烟秆资源的大量浪费，也会间接造成烟田污染，最终影响烟草的来年种植，同时也会因焚烧烟秆而带来严重的生态环境问题[3]。随着国家对可持续发展战略和贵州大生态战略的高度要求，以及国家在烟秆资源化利用方面的深入开发研究，烟秆资源的综合性利用越来越受到关注，并得到了有效的长久发展。根据农业部2015年提出地对秸秆资源的五化利用模式，烟秆在肥料化、燃料化、基料化、原料化等方面得到了实际应用和发展。

烟秆收储运是烟秆资源化综合利用过程中不可或缺的关键环节，通过对烟秆资源化利用工序的调查分析发现，大部分烟秆的资源化利用过程都要经过粉碎打包、运输、储存等一系列步骤。尽管应用于秸秆方面的粉碎打包等设备已经相当成熟且设备齐全，但它们多为玉米、小麦和牧草等软性秸秆材料，而应用于像烟秆这样的硬性秸秆配套设备较少。目前，已出现了用于烟秆的粉碎机、烟秆拔秆粉碎一体机[4]、烟秆粉碎压缩打包机[5]等一系列配套的烟秆机械化设备，但从实际应用的效果来看，设备的性能及自动化方面仍有较大的提升空间。因此，开展烟秆利用模式和收储设备的分析研究，对烟秆的资源化综合利用和相关配套设备的系统化发展有着重要的现实意义。

1 烟秆的“五化”利用模式

1.1 烟秆的肥料化

有研究表明烟秆中不仅含有N 2.5%～3.0%、P2O50.5%～0.8%、K2O 3.0%～5.5%、MgO 0.12%等大量元素，同时还含有B、Cu、Fe、Mn、Zn等植物必需的微量元素[1]。另外，烟秆中还含有大量的纤维素和木质素，可作为土壤腐殖质的重要来源，因此烟秆经适当处理可作为极好的有机肥料[6]。但是经过研究发现，烟草秸秆直接还田并不是一种恰当的方式，必须经过充分腐熟后才能进行施用[7]。生物腐熟还田具有周期短、无污染和利用率高等特点，广泛用于各种作物秸秆的腐化[8]。同时，也有研究发现烟秆中C/N较高，且含有烟碱、茄尼醇等有毒油溶性成分，不宜单独制作堆肥[6]，但可以鸡粪、猪粪等为辅料进行混合制备堆肥。不仅可以消除烟秆所带病菌，同时也可以产生优质的生物有机肥[7]。陈飞等选用鸡粪和小麦秸秆，并将其混合之后作为堆肥原料，采用静态好氧堆肥工艺工序，试验分析了不添加及在不同时期添加烟草废弃物对堆肥发酵的影响，得出添加烟草废弃物会降低堆肥发酵过程的温度，影响微生物对有机物料的分解，不利于堆肥物料的快速腐熟[9]。解晓菲等采用烟秆有机肥与化肥配施的方法，分析了其对烟叶生长及产量的影响，发现烟秆有机肥可以有效促进烟叶的生长，并增大烟叶面积，同时提高烟叶产量和品质[10]。李艳平等以烟秆有机肥为原料，采用盆栽方式，分析了烟秆有机肥对烤烟根系发育和矿物质元素的吸收，发现当烟秆有机肥500g/盆时，烤烟根系健壮[11]。综述前人所做的研究，烟秆有机肥不仅从生产工艺上得到了试验和应用，同时在对作物的生长试验过程中也表现出了良好的可行性。因此，以烟秆为材料进行制作有机肥，不仅可以实现烟秆资源的综合利用，同时也能促进农作物的生长，提高作物的产量，并为生态有机肥的发展开拓新的思路和方向。总之，烟秆有机肥的制备和应用将会展现出巨大的发展潜力。

1.2 烟秆的原料化

经分析发现，烟秆中含有大量的烟碱、茄尼醇、果胶、蛋白质等重要化合物，其中烟碱和茄尼醇为烟秆所特有，并且其含量较高[6]。烟碱(C10H14N2)作为重要的化合物，一方面可用于制取具有高效低毒特点的绿色杀虫剂和杀菌剂；另一方面，也可用于制备预防老年痴呆症、帕金森症等疾病的药物[6]。茄尼醇(C45H74O)是重要的医药中间体，在抗菌、消炎、止血方面有较好的应用[12]。烟秆中果胶含量为3.89%，从烟秆中提取到的果胶，常被用作乳化剂、凝胶剂和增稠剂[13-14]以保障食品、轻工、医药等行业发展，同时果胶也可起到抗癌和抗辐射的功效[15]，用于制备生产相关药物。

活性炭作为一种重要的吸附剂，可用于城市污水、工业废水、饮用水等的处理，能有效净化水资源，去除水中污染物，最终达到净化水资源的目的。目前已经成功制备出以烟秆为原料的活性炭，卢春兰等以烟秆作为原材料，采用水蒸气法对炭化后的烟秆活化制备活性炭，系统分析了制备过程中的工艺条件，发现活化温度和活化剂用量对烟秆炭化影响较大，而炭化温度和升温速度对烟秆炭化活化影响较小[16]；吴笛等选用烟秆作为试验原料，首次采用碳化法制备活性炭，其对六价铬的去除率达99.99%[17]。

烟秆是一种半木质化的纤维材料，其木质化纤维扁而宽，具有较好的柔韧性，是制作高密度纤维板的理想材料[18]。目前有两种纤维板制造工艺，一种是普通制板工艺，另一种是无胶的制板工艺，采用该工艺是因为烟秆中含有大量果胶和木质素，而果胶和木质素可在高压及165～175℃下彼此粘结起来，以此实现烟秆的无胶制板[18]。寻觅等研究分析了烟秆木材混合的刨花板生产加工工艺，得出烟秆木材混合制板较纯烟秆刨花板的性能有所提高。龚迎春等以含水率和烟秆部位作试验因素，探究了其对刨花板力学性能的影响，其中当含水率在6%时，烟秆刨花板的弹性模量和静曲强度最大；利用中部烟秆刨花制备的刨花板的内结合强度、弹性模量、静曲强度最小。最终，经过测试，发现采用烟秆制作的刨花板其力学性能达到国家制定的标准[19]。

综上可知，烟秆不仅可以作为工业原料提取重要的化合物，而且可用于活性炭和生物炭的制备，也可以用于纤维板和刨花板的制备。在对烟秆的实际应用发现，烟秆还可以用于造纸和纸浆模塑。总的来说，烟秆是一种非常重要且应用广泛的工业原料。

1.3 烟秆的燃料化

以秸秆等生物质原料作为开发应用的生物质能源，不仅具有来源广泛和价格低廉的特点，而且它是一种清洁的可再生新能源，十分切合当今生态能源的高标准要求。目前，对于烟秆方面的生物质能源的利用，谢兆钟等以烟秆为原料，先通过萃取法去除烟秆中的油溶性成分和水溶性成分，再进行发酵蒸馏制备出乙醇燃料[20]；陈智远等以未预处理高浓度发酵环境作为试验条件，在38℃的恒温间内，对烟秆进行了发酵试验，得出烟秆是完全满足沼气发酵的高浓度条件，且发现，在该条件下，烟秆表现出较好的发酵特性，采用批量发酵方式生产沼气是完全可行的[21]。郭仕平等先将粉碎后的烟秆制成生物质燃料烟秆压块，以取代替换煤炭来烘烤烟叶，发现以烟秸秆压块替代煤炭作燃料得到的烘烤工艺曲线与煤炭烘烤得到的基本吻合，基本上能够满足烟叶烘烤时的作业条件要求，烤后原烟等级质量与煤炭烘烤相当，采用烟秆压块代替煤炭是可行的[22]。总的来说，烟秆在燃料化方面的利用主要分为固、液、态三个方面，一是对粉碎的烟秆进行挤压成块或棒料以替代煤炭等能源；二是采用热裂解的方式对烟秆等提取液体化合物，如可燃气和木炭等；三是利用生物质气化发生装置，将烟秆进行气化提取热值。

1.4 烟秆的基料化

试验发现，烟秆中含有大量的N、P、K等植物所需营养元素，同时还含有B、Fe等微量元素，经过适当处理后的烟秆，不仅适于作土壤的有机肥，同时也可用于育苗和栽培食用菌的基质。据资料显示，目前已经出现了利用烟秆来替代常规培养料中的棉籽、稻草或木屑的食用菌栽培研究。比如，邱发奋等采用在培养基中加入不同比例的烟秆屑的试验方法，得出加入烟秆屑将有利于金针菇菌丝的生长，且当烟秆屑为10%～30%时，金针菇的产量有所提高[23]；刘传森等以烟秆屑组成培养基来栽培杏鲍菇，发现烟秆屑可以用于栽培杏鲍菇，且当烟秆屑加入比例为15%～30%时，菌丝的生长和产量有了较大的提高和改善，同时达到了欧盟关于食用菌的安全食用标准[24]。采用烟秆作为培养基质的部分替代材料，不仅可以降低培养基制作的成本，增加种植农户的经济收入，同时烟秆中的烟碱等也可起到杀虫灭菌的功效，有效保证食用菌稳定健康的生长环境。

1.5 烟秆的饲料化

烟秆作为一种特殊的秸秆原料，相比于玉米、小麦、花生、牧草、大豆秸秆等，它并不适合于作饲料[8]。通过对近几十年的文献资料的查找，未发现烟秆用于饲料的相关报道。但除去烟秆本身之外，发现烟籽、次等的烟叶、枝叶及其嫩枝可以用作饲料喂猪。根据试验的测定，在这些烟秆副产物中含有大量而丰富的粗纤维、粗蛋白、粗脂肪和钙等营养物质。利用烟叶作为喂养饲料，一方面，可以将鲜叶经过高温煮熟后喂养；另一方面，也可以先青储发酵后喂养，但以青储后饲喂较好。烟籽中也含有丰富的蛋白质物质，当加入15%烟籽饼后，可得到较好饲养效果[25]。

由此，可以看出，除去烟秆之外的烟叶副产物大都完全可以作为饲料用于猪的养殖喂养，而烟秆为什么不能作为饲料喂养并没有从理论和试验的角度给出解释。因此，关于烟秆的饲料化问题，我们仍需要从烟秆的成分以及喂养过程中的适口性等方面进行试验，以最终确定烟秆不能作为饲料的根本原因。

2 烟秆收储机械化设备的研究

2.1 烟秆粉碎设备

据统计，目前我国的秸秆粉碎设备从粉碎原理上包括铡切式、锤片式、揉切式和组合式4种。其中，锤片式粉碎机是目前使用最广泛的一种粉碎设备，它利用高速旋转的锤片来击碎秸秆物料，以实现对物料的粉碎细化；而组合式粉碎设备是一种将铡切、碰撞、粉碎和揉搓等多种粉碎功能组合为一体的新型粉碎机，该设备具有综合能力强，适应范围广的特点[26-27]。因此，对于烟秆的粉碎也是在此基础上进行选择和改进的。陈魁设计了一种新型烟秆螺旋切割机构，并通过自制实验平台进行了试验，获得了最佳切割台安装倾角15°[28]。张大斌等设计了一种一体式烟秆拔秆粉碎机，该设备主要由4部分组成：拔秆机构、输送机构、粉碎机构和液压传动机构；拔秆机构由拔秆刀辊将烟秆拔起，输送机构将拔起的烟秆输送到粉碎机构。该设备可实现对烟秆的拔起、输送、清理及粉碎抛送等一系列工序作业要求[29]。杨康等根据对数螺线方程原理，对不同滑切角的刀刃曲线优化，最终得到48°等滑切角时，刀刃能耗最低，粉碎效果良好[30]。

烟秆粉碎机的出现，不仅满足了对烟秆粉碎的机械化设备要求，同时也提高了劳动效率，降低了劳动强度，也为烟秆的综合利用提供了极大的方便。

2.2 烟秆成型设备

烟秆成型设备从压缩成型的原理上，可以大致分为3种：螺旋挤压成型、活塞冲压成型和模辊碾压成型。所谓的螺旋挤压成型是通过螺杆的旋转不断挤压推动物料向前，最后在成型套筒处成型出仓，但该设备耗能较高且易于磨损。活塞冲压成型是利用活塞的往复运动，将物料冲压成型，极大地改善了螺旋挤压成型中的能耗和磨损问题。模辊碾压成型是利用挤压力和摩擦力将物料从模具挤出成型。但总的来说，上述成型设备主要是用于生物质燃料的制备，若要考虑到其它利用途径的，压缩打捆或打包才是较为适宜的烟秆预处理方式。目前，对于烟秆压缩打捆或打包的设备较少，主要集中在玉米、小麦和牧草等农作物。孟辉等依据对烟秆压缩成型的试验数据，设计了一种用于烟秆颗粒的压缩打包机[5]，但其并没有生产制造出相应的试验样机进行田间试验。

烟秆成型设备对于提高烟秆的综合利用起着十分关键的作用，尤其是烟秆压缩打捆或打包设备的研制，它不仅可以为烟秆的后期应用提供原料供应，同时能够有效降低储运成本，减轻劳动强度，提高烟农收入。因此，开展烟秆压缩打捆或打包设备的研究迫在眉睫。

3 结语

3.1 总结

(1)烟秆作为一种取之不尽的生物质能源，每年产量达1. 162×106吨，如何利用好烟秆资源，对我们而言，既是机遇，也是挑战。通过对烟秆资源在肥料、原料、燃料、基料等方面的分析总结，可以看出烟秆确实具有十分巨大的应用潜力，同时也将给我们的生态环境改善和烟秆产业开发带来巨大的利益。因此，加强烟秆资源化利用的研发是关系到烟秆能否利用好的重要前提和基础。

(2)烟秆机械化设备的研发和使用可以有效提高烟秆综合利用率，同时也是完善烟叶生产过程全程机械化的一个重要环节，保证了烟秆的及时回收，避免烟秆对烟田的二次污染以及潜在的生态环境问题。目前，对于烟秆粉碎和打包方面的农机设备并不充足，且自动化程度和结构化仍需改善和提高。

3.2 展望

我国是烟草种植和产量大国，烟草种植及其产品加工是我国国民经济的重要组成部分，它对国民经济的发展和烟草行业就业具有深远的意义。烟秆作为烟草作业生产过程中的主要副产品，提高烟秆资源的综合利用事关烟草种植的全程机械化发展、生物质能源综合利用以生态环境保护等多个方面，我们应该从自身出发，紧紧依靠高校、科研院所等机构，加大对烟秆综合利用的深入研究，为烟秆的市场化提供理论和实践基础；其次，围绕烟秆综合利用的收储运环节，加大相关配套机械设备的研发和生产，切实将烟秆综合利用当成一份绿色产业来发展，建立良好的烟秆收储运模式，为烟秆综合利用提供支撑，使烟秆产生切实的经济、社会和生态效益，为构建美丽新农村新产业向前再迈一步。