生物质燃料在香茶主要加工环节中的能效初级评估

陈金磊 张春蓓 陈绪敏3 郝晴晴 余志 ＊

（1.华中农业大学园艺林学学院茶学系，湖北武汉 430070；2.宜昌市夷陵区农业技术推广中心，湖北宜昌 443000；3.宜昌三峡原红茶业有限公司，湖北宜昌 443000；4. 宜昌市农科院，湖北宜昌 443000）

安全和环保是当下众多行业发展的主旋律之一，但我国目前的茶叶加工多属于高耗能工艺。在当前环保要求日益严格的趋势下，研究节能环保型茶叶加工能源使用方式，具有重大的社会和经济意义[1-2]。宜昌地区大部分中小型茶叶加工厂依然采用木材和煤炭作为茶叶加工的主要燃料，烧柴对三峡地区良好的森林植被构成了威胁，必须禁止。煤炭作为能源，则会给茶叶生产过程引入蒽醌等欧盟国际市场禁入的安全指标，影响茶产品开拓国际市场。而且排放的煤烟，粉尘也会对库区环境造成破坏。因此，在宜昌三峡库区茶业生产中采用替代型清洁能源提升茶叶生产水平，是一项重要任务。

生物质颗粒成型燃料是以木屑、秸秆等农林剩余物为原料，在高压加热条件下，压缩成颗粒状且质地坚实的成型物，成型燃料除具有比重大、便于贮存和运输、着火容易、燃烧性能好、热效率高的优点外，还具有灰分小、燃烧时几乎不产生 SO2，不会造成环境污染等优点，是一种较为理想的清洁燃料[3]。以生物质颗粒为燃料的燃烧机，是新能源利用转化的成果，在农业机械、生物质发电、工业锅炉、食品烘干设备等行业的应用广泛。在茶叶机械领域，有报道称生物质颗粒燃烧机配套茶叶杀青机、 茶叶炒干机使用并取得良好效果[4]。本项目在三峡原红茶业公司，结合曲型香茶生产实际情况，进行了不同类型能源加工茶叶效率评估与分析，以探究生物质能源在香茶加工中的增效减排效果，为制茶的清洁型能源推广做初步研究。

1 材料与方法

1.1 试验材料

材料：供试鲜叶采自宜昌夷陵区太平溪镇三峡原红茶业有限公司茶园基地，采摘标准为一芽二三叶。

能源：煤、生物质颗粒燃料。

1.2 设备仪器

FLIR TG-165红外测温仪（德国）、6CZQRC-500型蒸汽杀青机(四川省登尧机械设备有限公司)、GRFL-120型高温热风炉（浙江上洋机械股份有限公司）、6CST-90型滚筒杀青机 (四川省登尧机械设备有限公司）、JJ-RSJ-30W.Kcal/H型生物质燃烧机（浙江久久能源设备有限公司）、Y1-112M-4型三相异步电动机（襄阳世阳电机有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1蒸汽杀青环节能源替代专项测试

蒸青杀青生产线在杀青机蒸汽发生环节将煤热风炉改造为生物质热风炉，因此只研究蒸汽发生器部分的能耗，后半段热风炉的能耗对比未进行统计。杀青环节进行精确称量400 Kg鲜叶，煤和生物质燃料在杀青前后分别进行精确称重，计算单位能耗数据。

1.3.2 循环炒干环节能源替代专项测试

实验设备采用6CST-90型滚筒杀青机循环炒干，分别采用电与生物质能源作为热源，炒干相同质量的初干后的茶叶。电能消耗采用单独电表精确计量，生物质燃料采用磅秤计量前后称重统计消耗量。

1.4 数据处理

采用软件 Excel 2016进行数据分析处理。

2 结果与分析

2.1 蒸汽杀青不同类型燃料的效率对比

如表1所示，蒸汽杀青机的蒸汽发生炉采用生物质燃料能够实现每千克燃料杀青5.30 Kg茶青的生产效果，采用煤能够实现每千克燃料杀青5.80 Kg茶青的生产效果。虽然生物质能源杀青效果略微低于煤，但减少煤的使用可以有效地控制SO2的排放，减少空气污染和热排放。此外，燃煤热风炉设计中必须考虑热炉芯内表面下端必须镶砌耐火砖来保护热风炉不被损坏，且必须布置合理的炉栅来控制煤燃烧面积及控制炉膛容积，但这些结构减少了热风炉的有效换热面积，传统柴煤喷流热风炉热效率低于70% 。如果采用生物质颗粒燃烧机来对热风炉加热，因为颗粒燃烧机火焰在炉芯中间垂直向上喷，不会直接对炉芯内壁进行加热，在相同外形尺寸下，热风炉换热面积提高了 8.5%，有效地提高热风炉热效率η[4]。以生物质作为燃料使设备改造有较大成本空间，并且能够大大提升生产车间的环境洁净程度，同时使用自动进料的生物质燃烧机后，能够减少50%的人工投入，降低茶叶生产的单位成本。从企业财务成本考虑，采购生物质能源目前享有16%税务抵扣，生产成本总体下降显著。可以确定生物质能源替代煤作为茶叶生产的发热能源，能够实现更低的综合成本，提升香茶产品效益。因此，生物质能源替代煤作为杀青能源，具有很好的可行性与操作性。

表1 蒸汽杀青不同类型燃料的效率对比表

2.2 香茶循环炒干能耗效率对比

如表2所示，相对于电能而言，生物质供能香茶炒干效率更高，达到同等品质仅需1个小时，单位能源炒干茶量，生物质能源为4.75 Kg，而电能仅为2.05 Kg。因此我们认为生物质能源在循环炒干环节，热能集中，热效率较高，产率比电能提升1.3倍，而且在车间内，不需设立单独隔离装置，燃烧后仅有极少量烟气排放，大大减少了环境污染。课题组与生产企业均对此测试结果表示认同，认为生物质能源是曲型香茶循环炒干环节最优的能源选择方案。

表2 香茶循环炒干能耗效率对比表

2.3 生物质能源的经济效益

通过调研也发现，在宜昌太平溪区域内加工香茶，全程使用煤作为燃料，加工50公斤干茶一般需用煤炭75公斤，每吨煤炭的价格按照1100元算，每公斤干茶加工燃料成本1.65元；使用了生物质燃料，每加工50公斤干茶，需要70公斤生物质燃料，每吨生物质颗粒燃料的价格是1000元，换算后，加工同样的茶叶需要1.4元的燃料成本，每公斤干茶直接生产成本可适当降低。从用工角度计算，生物质燃烧机不需要频繁加料，一条生产线每天可以节约一个工人的工时费。每加工1公斤干茶，能节约综合成本0.25元左右，按每年生产6个月，年产125吨香茶计算，该项替代可节省综合成本40000元以上。经过调研后我们也发现在三峡库区仍然有某些小厂以柴为燃料，一般湿柴100 Kg价格50元左右，干柴100 Kg价格80元左右。按照年产50吨干茶的小厂每年采购柴火花费6.5万元计算，每公斤干茶烧柴成本也需要1.3元，但砍柴会大量破坏山区植被，一个小型茶厂一年常常会烧掉200立方以上的木材，如果规模化生产，以柴为能源难以持续发展。只有相对清洁的能源才能支撑茶叶长期健康发展。

3 结论

在节能环保的时代背景下，采用更加清洁高效的能源，是茶叶生产的必然方向。目前，生物质燃料在香茶的主要生产环节，相对于煤，具有清洁无污染的显著优势；相对于电能，则具有相对较高的生产效率，具有明显的节能优势。因此，我们认为生物质能源在目前环境下可以作为一种较好的替代清洁能源，在香茶生产领域有很好的推广应用价值。

致谢：本研究工作受到国家重点研发计划项目（现代茶制品加工与贮藏品质控制关键技术及装备研发，项目编号：2017YFDO400801），（茶叶精制智能化技术装备研发，项目编号2018YFD0700505）资助,湖北移民局2016年度三峡后续工作科研项目资助，一并致谢。