生物质内置式烤房对烟叶烘烤性能的影响

李磊磊， 高冬冬， 范 龙， 孙希文， 张晓璇， 代昌明， 郜军艺， 贺 帅， 黄 兰

(1.贵州省烟草公司 毕节市公司， 贵州 毕节 551700； 2.毕节市烟草公司 纳雍县分公司， 贵州 纳雍 553300； 3.毕节市烟草公司 大方县分公司， 贵州 大方 551600)

0 引言

【研究意义】烟叶烘烤是烤烟生产过程中非常重要的环节之一，也是决定烟叶产质量的关键环节，烟叶烘烤的好坏直接影响烟农收入[1-3]。目前，我国烟叶烘烤广泛使用密集烤房，以多座连体集群建设[4]，主要靠煤炭燃烧供热，烘烤过程需要消耗大量煤炭[5-8]。一般烘烤1 kg干烟需要1.5～2.0 kg标煤，但热能利用效率仅30%左右[9-10]；且煤炭燃烧产生大量SO2和粉尘等污染物，严重污染周围环境，产生较大的负面影响[11]。此外，以煤炭为燃料进行烟叶烘烤时温度控制精度较低，容易出现偏温现象，造成烟叶烤青等[12-14]。随着绿色发展理念的不断深入和不可再生资源的不断消耗，能源正逐渐向绿色、可再生循环利用的新能源方向发展，积极寻求开发清洁能源代替煤炭应用到密集烤房上已迫在眉睫。毕节常年种植烤烟3.33万hm2，收购烟叶120万担，烟叶清甜香、蜜甜香型风格突出，是全国第八、全省第一烟叶产区，投烤普通烤房3万余座，因此，研究生物质新能源烤房在烤烟生产上的应用，对当地烤烟可持续绿色发展具有重要现实意义。【前人研究进展】生物质新能源作为一种具有广阔应用前景的清洁能源被许多烤烟生产国家使用[15]，在此基础上，生物质烤房作为清洁能源密集烤房的主要研究方向，得到广泛应用并不断改进和完善，实现了自动点火、自动供料等功能[16]。关于生物质新能源烤房的研究多集中在生物质供热炉体的设计、生物质燃料配方和自动化程度等方面[17-18]。王建安等[15]研究指出，内置式生物质供热炉体控温精度达±0.5℃以内，系统热效率达64.26%～65.42%，效果较好。卢雨等[16]研究表明，内置式生物质供热炉和外置式生物质供热炉较常规烤房操作耗时分别降低69.71%和43.51%。【研究切入点】目前关于不同生物质烤房的烘烤成本、烤后烟叶质量及废弃物排放等方面鲜见系统的研究报道。近年来，毕节为践行绿色发展理念，响应国家“双碳”战略部署，大力推广应用生物质新能源烤房，但其不同烤房的烘烤性能各有不同，烟农在使用方面存在很大差异，现有的理论基础无法支撑生物质新能源不同烤房的推广应用。【拟解决的关键问题】分析比较生物质内置式烤房、生物质外置式烤房和常规燃煤烤房在用工成本、能耗成本、烟叶经济性状及烟气排放指标等方面的差异，探明不同类型生物质新能源烤房的烘烤性能，筛选适宜的生物质新能源烤房，以期为生物质烤房在烤烟生产上推广应用，促进烤烟生产节能减排、减工降本及提质增效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验品种为云烟87。试验烤房为生物质内置式烤房、生物质外置式烤房和普通烤房。试验烟叶为同一区域、同一品种、同一部位、烟叶长势和成熟度基本一致的烟田。试验燃料为当地烘烤用煤炭、生物质颗粒燃料，市购。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 设3个处理：T，许昌同兴生物质内置式供热炉聚氨酯板材烤房，简称内置式烤房；CK1，郑州容大生物质外置式燃烧机砖混烤房，简称外置式烤房；CK2，普通燃煤砖混密集烤房，简称普通烤房。每个处理设置1座烤房。试验于2019—2020年在毕节市金沙县大田乡白泥烟叶烘烤工场进行。各处理烤房的烟叶品种、部位、成熟度、绑竿及装烟密度、装炕时间、烘烤工艺等均一致，上中下部位各烘烤1炕。

1.2.2 指标测定

1) 建造成本。统计3种类型密集烤房的建造成本(测算到每间)，包括烤房土建(砖混或板材建设安装)、供热系统设备及门窗等成本。

2) 烘烤用工和能耗成本。记载不同处理烘烤用工、烤后干重、烟叶竿数、耗电量、耗燃料量。每个处理每炕各抽取30竿具有代表性的烟叶进行挂牌烘烤并称干重，计算出每炕的干重，再计算用工和能耗。

3) 经济性状。分炕次对定位挂牌烘烤的30竿烟叶进行分级并统计均价、上等烟率，从而计算各炕烟叶均价和上等烟率。

4) 烟气排放指标检测。委托有检测资质的单位对烤房产生的排放物〔二氧化硫(SO2)和颗粒物(PM)〕进行现场检测。

1.3 数据统计与分析

采用Excel 2012和SPSS 21对数据进行处理与统计分析。

2 结果与分析

2.1 烘烤烟叶的用工成本

由表1可知，同年不同处理的烘烤用工量和用工成本均存在显著差异，均表现为CK2>CK1>T。用工量：T最低，平均为0.001 6个/kg，分别较CK1和CK2降低0.000 7个/kg和0.001 9个/kg，降幅分别为30.43%和54.29%；CK1较CK2降低0.001 2个/kg，降幅分别为34.29%。用工成本：T最低，平均为0.32元/kg，分别比CK1和CK2降低0.14元/kg和0.38元/kg，降幅分别为30.43%和54.29%；CK1较CK2降低0.24元/kg，降幅分别为34.29%。

表1 不同烤房烘烤烟叶的用工成本

2.2 烘烤烟叶的能耗成本

由表2可知，同年不同处理的耗燃料量、耗电量和能耗成本均存在显著差异。其中，耗燃料量和能耗成本均为CK1>CK2>T，而耗电量均为CK1>T>CK2。耗燃料量：T最低，为1.36 kg/kg，分别较CK1和CK2显著降低0.82 kg/kg和0.20 kg/kg，降幅分别为37.61%和12.82%。耗电量：T和CK1显著高于CK2，T平均为0.57 kW·h /kg，较CK1降低0.07 kw·h /kg，降幅为10.77%；T较CK2增加0.17 kw·h /kg，增幅为42.50%。能耗成本：T最低，平均为1.65元/kg，分别较CK1和CK2显著降低0.86元/kg和0.42元/kg，降幅分别为34.26%和20.29%。

表2 不同烤房烘烤烟叶的能耗成本

2.3 烤后烟叶的经济性状

由表3可知，不同处理的单叶重、均价、上等烟率和中等烟率均存在差异。其中，单叶重、均价及上等烟率均表现为T>CK1>CK2，中等烟率表现为T

表3 不同烤房烤后烟叶的经济性状

2.4 不同烤房设施设备的投入成本

由表4可知，T和CK1的设施设备投入总成本显著高于CK2，T和CK1间差异不显著。其中，T最高，为3.46万元/座，分别较CK1和CK2增加910元/座和7 670元/座。加热设备成本为T>CK1>CK2，土建部分成本为T>CK1=CK2，门窗成本各处理相同。按照使用寿命10年、每年烘烤1.33 hm2及分摊2 500 kg干烟计，T单位干烟建设投入成本为1.38元/kg，分别较CK1和CK2增加0.03元/kg和0.30元/kg，增幅分别为2.22%和27.78%。

表4 不同烤房的设施设备投入成本

2.5 不同烤房烘烤烟叶的综合经济效益

由表5可知，各处理的综合成本为CK1>CK2>T，T最低，为3.34元/kg，分别较CK1和CK2显著降低22.69%和13.25%。综合经济效益为T>CK1>CK2，T最高，为25.58元/kg，分别比CK1和CK2显著提高7.57%和10.35%。说明，T较CK1、CK2增效且具有明显优势，而CK1由于能耗成本和设备成本的增加致使其经济收益与CK2差异不显著。

表5 不同烤房烘烤烟叶的综合经济效益

2.6 不同烤房的烟气排放指标

由表6可知，不同处理烟气排放指标差异显著。二氧化硫：排放量为CK2>CK1>T，其中，T和CK1的排放量分别为37 mg/m3和42 mg/m3，分别较CK2降低95.80%和95.23%，各处理间差异显著。颗粒物：排放量为CK2>CK1>T，T和CK1的颗粒物排放量分别为10.5 mg/m3和12.5 mg/m3，分别较CK2降低75.06%和70.31%，各处理间差异显著。表明，生物质燃料替代煤炭进行烟叶烘烤的环保减排效果较明显。

表6 不同烤房的烟气排放物含量

3 讨论

随着社会发展进步和人们环保意识不断提高，生物质燃料、电热泵、天然气、太阳能及醇基燃料等作为清洁能源被逐步应用于烟叶烘烤，而且研究出了许多烟叶烘烤设施设备[18-20]。电热泵烤房建造成本高，电力要求高；天然气烘烤须要铺设专用管道，成本高[2]；而生物质燃料具有体积小、成本低、密度高、可燃性强、资源丰富、易于储存和运输等优点，在烟叶烘烤上逐步得以推广，并取得了一定的效果。邱志丹等[21]研究表明，在木屑中掺入15%烟秆作为生物质燃料原料制备的生物质燃料点火容易、火力强、温度调节灵敏度高，烤后烟叶化学成分和能耗与纯木屑生物质燃料无显著性差异，可以满足烤烟烘烤工艺需求。范沿沿等[2]设计的生物质外置式燃烧机，可在不改变传统烤房主要结构的情况下，将生物质燃烧机与传统燃煤烤房的燃煤炉进料口连接，通过生物质燃烧机为燃煤炉供热。王建安等[15]采用动态量化的热量输出、吹风降温的机械传动和先阻后集的除尘等方式，设计的生物质燃料内置式烤烟供热炉体设备能够满足密集烤房箱式和挂竿装载烟叶的烘烤供热需求。胡小东等[11]研究表明，生物质压块用于烟叶烘烤可以充分调控烟叶烘烤工艺，降低烟叶烘烤成本，节能减耗，提高烤后烟叶质量。该研究结果与其较一致。

研究结果表明，生物质烤房在烘烤用工方面与普通烤房比较，能够显著减少烘烤操作用工成本、降低烘烤劳动强度，内置式烤房和外置式烤房用工成本分别比普通烤房降低54.29%和34.29%，与蒋笃忠等[13]的研究结果基本一致。可能原因是生物质烤房具有稳定性和控温精确性强的特点，而且减少了剔渣除灰和加料次数。内置式烤房、外置式烤房和普通烤房能耗成本分别为1.65元/kg、2.51元/kg和2.07元/kg，外置式烤房最高，普通烤房其次，内置式烤房最低，与卢雨等[16]的研究结果有所不同。可能原因：一是该研究中内置式烤房的装烟室采用的是聚氨酯板材烤房，保温保湿效果较好；二是可能与当地使用的生物质原料有关，会影响燃烧值和发热量。无论是内置式烤房还是外置式烤房，均比普通烤房设施设备投入成本高。从综合成本看，内置式烤房省工降本的优势能弥补其建造成本稍高的短板，综合成本最低，分别比外置式烤房和普通烤房降低22.69%和13.25%。烤后烟叶的单叶重、均价、上等烟率均是内置式烤房最好，内置式烤房、外置式烤房、普通烤房的均价分别为28.92元/kg、28.10元/kg和27.03元/kg，生物质烤房均高于普通烤房，与卢雨等[16]的研究结果一致。从综合经济效益看，内置式烤房的综合经济效益最高，分别比外置式烤房和普通烤房提高7.57%和10.35%。外置式烤房由于能耗成本和设施设备投入成本高而影响其经济效益，因而外置式烤房虽然综合经济效益略高于普通烤房，但差异不大。从烟气排放指标检测看，2种生物质烤房的SO2排放量均比普通烤房降低95%以上，颗粒物排放量均比普通烤房降低70%以上，减排效果显著，与杜传印等[9]的研究结果基本一致。

4 结论

生物质内置式烤房烘烤用工成本平均比生物质外置式烤房和普通烤房分别降低30.43%和54.29%，能耗成本分别降低34.26%和20.29%，烤后烟叶均价分别增加2.88%和6.99%，综合经济效益分别提高7.57%和10.35%。2种生物质烤房SO2和颗粒物等排放物均比普通烤房降低70%以上。综合看，生物质内置式烤房在节能减排、减工降本及提质增效方面效果最好，具有较好的推广应用前景。因此，应该针对不同情况加大推广力度，对烤房设施缺乏、需要新建烤房的烟区，建议以生物质内置式板材烤房为主；烟区稳定、规模稳定的集中烤房群或烘烤工场需要改造的，建议选择生物质新能源烘烤设备。