不同供热能源烤烟经济效益对比分析

赵浩宾，胡永涛，李芳芳，王勇军，韦凤杰，王建安，常剑波

（1中国烟草总公司河南省公司，郑州 450046；2河南农业大学烟草学院，郑州 450002；3河南省烟草公司三门峡市公司，三门峡 472099）

0 引言

中国是世界上烤烟种植面积最大的国家，传统上烟叶烘烤利用煤炭直接燃烧供热[1]。燃煤供热不但热能利用效率较低，而且环境污染严重[2-3]。目前，每年约需要300万～400万t煤炭用于中国烟叶的烘烤，CO2排放量接近800万t，烟尘约60万t，有害气体3万～5万t，并产生大量的固体尘埃颗粒[4]。随着人们的环保意识不断提高，反对这种烤烟生产方式的呼声越来越强烈[5]。燃煤烤烟无论是在供热方式上还是在资源利用方式上，已不符合时代的发展[6]。然而烤烟作为中国的一种重要经济作物，现阶段对国民经济的持续发展和偏远山区的脱贫攻坚，起着不可替代的作用[7-8]。针对这一问题，近几年烟草行业也积极响应各级政府部门的减排号召，积极投入大量的资金研究替代煤炭的清洁能源，发展绿色烘烤[9]。

目前，烤烟上已研发的清洁能源主要包括生物质成型颗粒燃料、燃气、醇基液体燃料和空气源热泵等[10]。烤烟用生物质燃料采用粉碎后的农林废弃物挤压造粒而成[11]，成型颗粒的规格为φ8～12 mm、长度是直径的4～5 倍。燃气类的天然气、液化气和页岩气燃料经过多年开发，已经在部分烟区进行示范应用[12]。醇基燃料以甲醇为主，为了减少杂质堵塞燃烧器喷嘴破坏，要求其含量在99%以上，热值大约为22.7 MJ/kg[13]。空气源热泵以三相380 V 供电为主，少数烟区使用两相220 V线路[14]。当前上述的各类清洁能源供热设备陆续进入了推广阶段，但有关密集烤房改造和使用经济效益的分析方面报道较少，虽有学者对清洁能源供热设备以商业市场运营的模式从年净现流量角度进行了分析[15]，然而针对中国烟草专卖体制下的烘烤设备投资的评估，略显不足。因此，本研究以烟草专用设备运营为切入点，通过实地调研和查阅文献，结合投资和使用综合评估各类清洁能源烤烟供热的经济效益，旨在为中国下一步清洁能源供热设备的批量推广提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 基础数据的收集2018—2019 年在河南省襄城县双庙烘烤工厂、洛宁县凹村烘烤工厂、卢氏县杜关烘烤工厂、四川省叙永县麻城烘烤工厂、湖南省桂阳县曾家村烟叶烘烤工厂、贵州省毕节市七星关区藏马坑烘烤工厂、重庆市巫溪县古路烘烤工厂、江西省安福县洋溪烘烤工厂等地驻点调研。

1.1.2 烘烤数据的收集 一是通过拷贝烟草公司内部文件、现场抄录烘烤时记载数据，二是挖掘网上文献，主要登录中国知网(http://www.cnki.net)，查阅的关键词包括烟草、生物质、热泵、燃气、液体燃料和清洁能源，关键词之间采取单列或并列的方式检索，下载资料，抽取数据。

1.2 分析方法

不同能源供热设备在其使用的寿命期内，以国家烟草专卖局418号文件规定的密集烤房[16]为装烟和烘烤载体，并把传统燃煤作为一个烤烟供热处理，从设备投资、单体运营、烘烤操作和闲置维护等方面入手，参考烟叶烘烤环节的各项经济因素，采用文献[10]对清洁能源供热设备的经济效益分析方法，把供热设备涉及到的各项费用折合到单炕烟叶烘烤费用C(元/炕)上，进行经济效益的综合分析[式(1)]。

式中，P为设备购置、安装和修建配套设施的费用(元/台)；W为设备报废后回收价格(元/台)；b为设备使用寿命内所能烘烤烟叶的总炕次(炕/台)，按照“单次4片，5次采收”的烟叶采收方式计算每年设备被使用的年炕次数，乘以各类不同设备使用的年限，进而得出寿命期内所烘烤烟叶的总炕次数；D为设备寿命内使用过程中的维修费，设备均采用现代成熟的机电技术，按照购买价格的10%分摊计算(元/台)；L为每台供热设备每炕烘烤操作的人工费用(元/炕)；Ct为每炕烟叶烘烤消耗的燃料费用(元/炕)。

2 结果与分析

2.1 不同燃料供热类型的烤房改造成本分析

不同燃料单体供热设备、电力配备和土建改造成本见表1。不同能源设备之间的价位差别较大。以热泵较高，因为供热时电负荷较大，需要对原有用电线路及变压器进行升级改造。受密集烤房群拥有烤房数量的影响，每座空气源热泵电源线路改造价格也存在差异。对于在烟叶烘烤季节供电不正常的烟区，还需另配发电机；对于中等规模的（20～30座）密集烤房群，为了安全起见，燃气和醇基燃料烤烟供热需要配备燃气储存罐或液体燃料储存罐，加上输油管道、仪表安装等折合每座造价1.2 万～1.5 万元。对于生物质供热烤房的改造，外置式生物质燃烧机直接插接原燃煤设备连接即可供热，不需要额外的配备；对于内置式生物质供热设备，需要对烤房的加热室进行拆墙安装，基建造价2000～3000元。

表1 不同能源类型的烤房设备改造及其配套费用

2.2 烟叶烘烤的能耗成本分析

表2显示不同烤烟供热能源的烘烤成本。目前生物质成型颗粒燃料市场价格在800～1100 元/t；醇基燃料中甲醇的含量不一，纯度99.90%一般都在2800元左右。燃气类燃料的购买价格差异受运输距离的影响较大，产地价格与非产地的价格差异在2倍以上；由于生物质、燃气和醇基燃料烤烟供热使用机电装置替代人工供料燃烧，用电比燃煤密集烤房略高。空气源热泵压缩机工作，用电量远大于其他燃料类型。每千克干烟叶烘烤耗能成本显示燃气＞醇基燃料＞燃煤＞生物质＞空气源热泵。

表2 不同能源类型烤烟供热的烘烤能耗分析

2.3 烟叶烘烤过程中人工操作的费用统计

表3显示各种燃料每炕烟叶的人工操作费用。依据烟叶在烘烤过程中供热不间断的要求，除燃煤需要人工进行烧火管理外，其他燃料类型均可利用现代成熟的机电和计算机控制技术，实现无人值守烘烤烟叶。燃气和醇基燃料供热设备有检查燃料或更换罐体的操作，而生物质在燃气和醇基燃料操作的基础上，还需要向料筒添加生物质颗粒燃料。每2人搭配值守管理烟叶同时烘烤时密集烤房的数量，以空气源热泵烤房数量最多。单座密集烤房的每炕烘烤用工上，以燃煤烘烤操作最为耗工。

表3 每炕烟叶烘烤的人工操作成本

2.4 不同类型燃料供热对烘烤过程工艺参数和烘烤效果的影响

通过试点调研和对比分析文献，得到不同能源供热对烘烤过程工艺参数和烘烤效果的影响（表4）。由于燃料的燃烧供热具有一定的周期性，不同能源烤烟供热不仅对烟叶烘烤过程中的升温和稳温产生影响，还会对烤后的烟叶质量产生了一定影响。4类清洁能源供热设备的烤房内稳温和升温性能均好于燃煤，烤后烟叶质量表现为空气源热泵＞燃气＞生物质＞醇基燃料＞煤炭。

表4 烘烤过程中热量供给性能和烘烤效果

2.5 不同能源类型供热设备的综合经济烘烤参数的评估

综合经济烘烤参数是影响不同类型能源推广的重要因素，表5 显示不同能源类型供热设备在使用寿命内的综合烘烤费用。烟叶的烘烤效果受人为影响较大，排除此因素外，当前各类能源烤烟折合到单炕次的综合烘烤投入比为燃气燃料＞醇基燃料＞空气源热泵＞煤炭＞生物质，可见生物质成型颗粒燃料是目前代替燃煤烤烟的最佳能源，空气源热泵烤烟供热可作为生物质资源缺乏地区的替代能源。

表5 不同能源单座烤房单炕综合效益分析

3 结论与讨论

3.1 不同能源类型烤房对烟叶烘烤效果的影响

在烟叶的烘烤中，目标温度曲线是烘烤技术人员根据鲜烟的营养素质确定的[21]，最佳的烤烟供热是实际温度和目标温度曲线重合[22]，然而受不同类型能源进料方式、燃烧特性、放热方式和释放速率差异的影响[23]，烤房内的目标温度和实际控制的温度之间或多或少地存在差异，进而影响到叶片内物质的分解与合成。由于不同能源烤烟不仅改变了传统燃煤的热量供给方式，也改变了烤烟自控仪内部的软件程序和外部通讯端口的控制[24]，有必要根据各类能源烤烟供热方式，从生理角度上对烘烤中烟叶的酶活性和内在物质转化进行研究。

3.2 智能控制装置对不同能源类型烤房降工的影响

随着经济的发展，近年来用工费用占烟叶生产成本急剧上升[25]。燃煤烤烟操作平均2 人能管理5 个烤房，替换加煤、压火、剔渣等人工操作[26]。新能源采用工业上成熟的机电控制技术[27]，使用机械装置替代人工进行烧火管理，量化热量的输出，大幅降低了烘烤用工。烘烤人员主要任务由原来的“烧火+调控”并重，转向把主要精力集中到烘烤工艺的把控上，通过识别烟叶在烤房内的变化设置并调控各密集烤房的温湿度和时间节点，不仅有利于工厂化烘烤操作，也有利于进一步提高烟叶的烘烤质量，增加烟农的收入。

3.3 生物质燃料未来烤烟供热的潜力

随着生物质成型燃料生产技术的成熟，目前已可以实现烟草农业废弃物（如烟秆）的循环利用[28]。有学者表明生物质燃料为烤烟供热是实现烟草绿色生产的最佳途径[29]。虽然生物质成型颗粒燃料在烟叶的烘烤过程中存在人工向设备的料筒添加燃料的操作[30]，但其优点是改造成本较低、投入少。如果大面积推广生物质燃料烤烟供热后，通过当地烟农合作社等组织形式进行本地化生物质燃料生产，可以进一步降低20%～30%的燃料成本。

在烤烟供热设备使用的寿命内，通过对比分析采购、改建、配套设施、每千克干烟烘烤和烘烤劳动操作等成本，得出目前可替代燃煤烤烟供热的清洁能源类型中，生物质成型颗粒燃料是最佳的燃煤替代能源；对于在生物质燃料缺乏的烟区，有电力保障的情况下，空气源热泵是烤烟供热最佳的后备方式。燃气和醇基燃料的单炕烟叶烘烤使用成本偏高，按照当前的经济发展水平，不适合在国内烟区大面积推广。