生物质颗粒燃料烘烤烟叶的效果分析

韦忠　高华军　范东升　罗刚　姚文艺　彭瑞恒　林北森　黄阳　曹利军　黄利广

摘要：【目的】开展生物质成型颗粒烘烤烟叶效果试验，为烟叶烘烤的减工降本、提质增效提供参考。【方法】选取标准气流下降式密集烤房，设常规燃煤烘烤和生物质颗粒燃料烘烤2个处理，对比分析两种处理的烘烤用时、烘烤成本及烤后烟叶的经济性状、化学成分和评吸质量。【结果】使用生物质颗粒燃料烘烤烟叶可节省烘烤时间，其中添加燃料、清灰时间较燃煤处理节省14 h以上。生物质颗粒燃料烘烤处理的用电成本和燃料成本高于燃煤处理，但人工成本可节省177.50～180.00元/炉，每千克干烟叶烘烤成本较燃煤处理平均降低0.16元。与常规燃煤烘烤处理相比，生物质颗粒燃料烘烤处理可提高烤后烟叶的均价、上等烟比例、中上等烟比例等指标，其烟叶化学成分含量适宜、比例协调，特别是中部叶烟碱和总氮含量较低，钾含量较高，淀粉含量较低，烤后烟叶的感官评吸质量相对较优。【结论】烟叶烘烤中使用生物质颗粒燃料替代燃煤可实现减工降本、提质增效。在相应政策扶持下，生物质颗粒燃料烘烤烟叶技术可进一步推广应用。

关键词：烟叶；生物质颗粒燃料；烘烤；效果

中图分类号：S572.092 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2017）12-2228-06

0引言

【研究意义】烟叶烘烤常采用煤炭作为主要燃料，每烘烤1.0kg干烟叶需耗煤1.5～2.0kg，热能利用率仅30%（宋朝鹏等，2008a）。此外，烘烤季节使用燃煤会释放大量粉尘、SO₂、多环芳烃等污染物，造成周围环境以煤烟型为特征的大气污染（李晓东等，2003）。同时，烟叶烘烤期间加煤次数多、每次加煤量不固定，既增加了烟农的劳动强度，又易导致烤房内温度忽高忽低，造成部分烟叶烤坏，给烟农带来较大损失（徐秀红等，2008）。国内已围绕成本低、燃透率高、污染少、使用方便的烟叶烘烤燃料开展了大量研究，从“秸秆压块”开始（王汉文等，2006），各种生物质能源不断推广应用（宋朝鹏等，2008b），包括生物质型煤（孙建锋等，2010）、生物质颗粒（林伟等，2016）等固体燃料及生物质燃气等。利用作物秸秆、木屑、玉米芯等经压制加工而成的生物质颗粒燃料具有发热量大、纯度高、不含杂物、燃烧后灰渣少及有害气体产生少等优点（翁伟等，2004），其燃烧灰烬还是含量极高的有机钾肥（崔志军等，2010），正广泛应用于烟叶烘烤。因此，研究生物质颗粒燃料替代燃煤烘烤烟叶的效果对提升烟叶烘烤质量及减轻烘烤季节的环境污染均具有重要意义。【前人研究进展】郭仕平等（2015）将烟叶采收后的秸秆晒干并粉碎，利用秸秆成型机压块制成烘烤燃料，进行替代煤炭烘烤烟叶的试验，结果表明，以烤烟秸秆压块为燃料的烘烤工艺曲线与煤炭基本吻合，可满足烟叶烘烤要求，二者烘烤后的烟叶等级质量相当，秸秆压块消耗量与煤炭之比为1.64：1.00，可降低烘烤燃料成本约189元/ha。宋春宇等（2016）研究表明，秸秆压块烘烤烟叶虽然燃料成本有所增加，但可降低烘烤用工成本，且秸秆压块烘烤烟叶的外观质量及常规化学成分与煤炭烘烤的烟叶无明显区别。肖志新等（2016）研究表明，采用生物质颗粒燃料使整个烘烤工艺燃烧输入烤房总热量、单位时间消耗燃料量、每千克干烟消耗热量和每千克水分蒸发消耗热量分别较煤柴混合烘烤降低32.5%、32.2%、31.8%和16.1%，每千克干烟主要污染物排放总量较煤柴混合烘烤降低27.1%，节能减排效果明显。林伟等（2016）研究发现，在新型生物质燃料热风炉供热烤房中使用生物质颗粒燃料烘烤烟叶可节省烘烤管理时间21.7 h，燃料成本比燃煤增加188.72元/烤，但耗电比燃煤节省16.06元/烤，人工成本节省216元/烤，均价提高1.54元/kg，上中等烟比例提高3.01%。蒋笃忠等（2017）研究表明，利用生物质颗粒燃烧炉供热烤房，以生物质颗粒为燃料进行烟叶烘烤，能确保烘烤工艺到位，提高烟叶烘烤质量，烘烤能耗成本低于燃煤烘烤，且烘烤操作如添料、点火、控火及出渣等难度和用工量远低于传统燃煤方式，烟农易掌握，有利于烟叶烘烤减工降本。【本研究切入點】百色是广西最大的烟叶产区，烟叶生产在促进烟农增收脱贫方面举足轻重。近年来以绿色发展理念为引领，在烟叶烘烤中引进了生物质颗粒燃烧机并开展生产示范，但未进行生物质颗粒燃料烘烤烟叶效果的系统研究，大面积推广的指导性不强。【拟解决的关键问题】采用百色烟区推广使用的生物质能燃烧机，开展生物质成型颗粒烘烤烟叶效果试验，以期为烟叶烘烤的减工降本、提质增效提供参考。

1材料与方法

1.1试验材料

试验于2016年6～9月在广西百色市隆林县德峨镇保上村进行。供试烤房为气流下降式密集烤房；供试烤烟品种为云烟87。烤烟打顶后，选取植株长势均匀一致的烟田，待烟叶正常成熟落黄后采收鲜烟叶进行烘烤。

生物质颗粒燃烧机的发热量为100000 kCal，型号ZHLD-10W-13，长×宽×高为1170 mm×620mm×1460 mm，重量80kg，功率250 W，料容量100kg，有九个档位控制送料量。在不改动现有卧式密集烤房土建的情况下，将设备与烤房炉膛口对接，即作为热源产生明火，明火在炉膛里燃烧后加热炉体和散热器后产生大量热风。生物质燃烧设备与烤房的自控仪设备进行连接后，可实现生物质颗粒全自动进料烘烤。设备点火方式为自动点火，根据烘房温度需要实现自控，火口口径250mm、长度180 mm，火口的调节高度380～550mm。

1.2试验方法

试验设常规燃煤烘烤（T1，CK）和生物质颗粒燃料烘烤（T2）2个处理。T1选取3座标准气流下降式密集烤房（装烟室内长×宽×高为8000 mm×2700mm×3500mm，可装鲜烟4500kg以上），使用煤炭进行烘烤，每座烤房分别烘烤下部、中部、上部烟叶各3炉；T2选取3座与T1参数相同的烤房，使用生物质颗粒燃料进行烘烤，烘烤的烟叶部位、炉数与T1相同。生物质颗粒燃料为纯木屑颗粒燃料，长3.0～4.0 cm、直径0.8 cm，圆柱体，热值4500 kCal。各处理的烟叶采收时间和鲜烟叶素质尽量保持一致，烘烤工艺统一按《2016年隆林县烟叶标准化烘烤技术方案》执行，采取三段式烘烤工艺，根据云烟87品种烟叶特性，灵活调控各关键温度点的稳温时间。

1.3测定项目及方法

1.3.1基礎数据记录 两处理同时装烟、同时点火烘烤，在装炉前随机抽取代表性烟叶10竿，称鲜重并作好标记，放在烤房2层的中间位置，烤后称取干重，计算鲜重和干重，根据每座烤房的装烟量折算烤房内鲜烟量和烤后干烟量。记录每座烤房的耗煤量、耗电量和用工量，记录烘烤过程中每个温湿度的变化时间点、填料时间和清灰操作用时。

1.3.2烘烤成本 对比煤耗、电耗及颗粒燃料使用成本，再结合烘烤期间人工成本进行对比分析。

1.3.3烤后烟叶经济性状 各处理烤后烟叶分别堆放保管，并根据烤烟42级国标（GB 2635-1992）对烤后烟叶进行分级，依据烤烟收购价格确定烟叶均价、上等烟比例及中上等烟比例。

1.3.4化学成分和评吸质量 取各处理下部X2F（3～5叶位）、中部C3F（8～12叶位）和上部B2F（14～17叶位）等级烟样各1.0kg，送基地单元工业公司技术中心测定其化学成分（还原糖、总糖、烟碱、总氮、钾、氯和淀粉含量等7项指标），并参照王彦亭等（2010）的9分制标准进行感官评吸。

1.4统计分析

试验数据采用Excel 2003和DPS v6.55进行整理及统计分析。

2结果与分析

2.1不同处理的烘烤用时和添加燃料、清灰用时比较

由表1可知，各处理烟叶烘烤用时均较长，特别是变黄期长达78～88 h，可能与供试烟田烟叶成熟期遭遇干旱，烟叶水含量少，变黄期烟叶难变黄等因素有关。T2各部位烟叶烘烤用时均不同程度低于T1，其中T2中部叶总时间减少最多，较T1显著缩短7 h（P<0.05，下同）。在烘烤中添加燃料、清灰方面，T2各部位烟叶用时较T1减少14 h以上，二者差异均达显著水平。表明使用生物质颗粒燃料能有效减少烘烤环节添加燃料、清灰的工作量和频次，减轻劳动强度。

2.2不同处理烟叶烘烤成本比较

由表2可知，T2的电费成本高于T1，可能与生物质颗粒燃烧机风机功率较高，耗电量比燃煤烤房增加有关；T2的燃料用量显著低于T1，但由于生物质颗粒燃料的价格高于燃煤，而造成T2的燃料成本高于T1，二者不同部位间燃料费差值均低于130元；从人工成本来看，T2各部位烟叶烘烤所需人工费显著低于T1，其中下部叶和中部叶均较T1节省180.00元、上部叶节省177.50元。综合分析，T2各部位烟叶烘烤总成本均低于T1，每千克干烟叶烘烤成本下部叶较T1降低0.34元，中部叶较T1降低0.02元，上部叶较T1低降0.11元。

2.3不同处理烤后烟叶经济性状比较

由表3可看出，T2各部位烤后烟叶均价均高于T1，其中中部叶间的差异达显著水平；T2除下部叶上等烟比例与T1差异不显著（P>0.05）外，其他部位上等烟比例均显著高于T1；T2各部位烤后烟叶的中上等烟比例也均高于T1，且上部叶问差异显著。表明使用生物质颗粒燃料烘烤烟叶的经济效益相对较好。

2.4不同处理烤后烟叶化学成分比较

前人研究表明，烤烟适宜的化学成分含量分别为：烟碱含量在2.5%左右，总氮/烟碱约1.00，还原糖含量为18.0%～24.0%，还原N/烟碱为8.00～12.00，钾含量高于1.5%，氯含量低于0.8%，钾/氯大于4.00，淀粉含量在5.00%以下（王彦亭等，2010）。由表4可知，两处理不同部位烟叶总糖和还原糖含量均处于适宜范围内；T2的烟碱和总氮含量表现为下部叶高于T1，中部叶低于T1，上部叶烟碱高于T1、总氮略低于T1；T2的钾含量下部、中部叶略高于T1，上部叶低于T1；各处理不同部位烟叶氯含量均低于0.30%；两处理下部叶淀粉含量差异不明显，而T2中部、上部烟叶淀粉含量明显低于T1。T2的钾/氯、总氮/烟碱、还原糖/烟碱均较适宜，T1的还原糖/烟碱下部叶偏高，中部叶则偏低。

2.5不同处理烤后烟叶评吸质量比较

由表5可看出，T2各部位烟叶的感官评吸得分等于或高于T1，其中下部叶杂气、透发性得分较高；中部叶香气量较充足、刺激性较小，二者得分较高；上部叶香气质好、杂气少、透发性好，得分较高。

3讨论

本研究结果表明，利用生物质颗粒燃料烘烤烟叶，由于生物质颗粒燃烧机升温快、易管理，整个烘烤过程节省了一定时间，尤其是人工添加燃料次数少、很少需要清除灰渣，较燃煤处理节省时间14 h以上，所需人工费明显低于燃煤处理，其下部、中部和上部烟叶人工费分别较燃煤处理降低180.00、180.00和177.50元。尽管生物质颗粒处理电费成本、燃料成本高于燃煤处理，但由于人工费降低，生物质颗粒处理的烘烤总成本低于燃煤处理，3个部位每千克干烟叶平均烘烤成本较燃煤处理低0.16元，减工降本效果明显。与林伟等（2016）研究发现使用生物质颗粒烘烤可减少烘烤管理时间和人工成本，但生物质颗粒燃料价格高于燃煤，导致燃料成本增加的结果一致。本研究中生物质颗粒燃料的价格为1000元/t，高于燃煤价格，如果能实现生物质颗粒燃料的本地化生产，将其单价控制在800元/t左右（与燃煤相当），即能更好实现烟叶烘烤减工降本的目的。本研究结果还表明，使用生物质颗粒烘烤的烟叶，其均价、上等烟比例、中上等烟比例等指标整体高于燃煤烘烤的烟叶，与林伟等（2016）的研究结果相一致。生物质颗粒处理烟叶化学成分含量适宜、比例协调，感官评吸得分高于燃煤处理，特别是中部叶烟碱和总氮含量低，钾含量较高，淀粉含量低，烟叶香气量较充足、刺激性较小。生物质颗粒燃料烘烤能促进烟叶化学成分协调，与王汉文等（2006）研究发现的经秸秆压块燃烧烘烤的烟叶化学成分比例较协调的结果一致。生物质颗粒处理烟叶化学成分含量及评吸质量优于燃煤处理烟叶的原因在于生物质颗粒燃烧机能自动控制燃料量，精准控制烟叶烘烤各阶段温度要求，且生物质颗粒燃料燃烧充分，升温速度快、温度调节灵敏度等因素促进了烟叶内在物质的转化，烟叶的钾、总氮和烟碱等化学成分比较协调（王汉文等，2006；林伟等，2016），而这些成分又是影响烟叶评吸质量的最显著指标（杜鹃等，2011），故生物质颗粒处理评吸得分较高。而宋春宇等（2016）研究认为烟秆秸秆压块和煤炭调制出的初烤烟常规叶化学成分差异不明显，且无数据能证明是燃料导致，但烟秆秸秆压块烘烤出的烟叶化学成分含量较适宜、比例更协调。

使用生物质燃料烘烤烟叶能减少粉尘、SO₂等污染物的排放，保护环境（肖志新等，2016；周庆等，2016）。本研究虽然对生物质颗粒与燃煤处理燃料燃烧时的气体排放情况进行观察，发现生物质颗粒处理污染物的排放量较少，但未对气体排放种类和排放量进行收集和定量比较，还需要在今后的工作中进行深入研究。另外，百色烟区生物质资源较丰富，玉米、甘蔗、木材加工废料等均可作为生物质颗粒的原料，特别是探索以烟秆为主的生物质颗粒生产模式（宋春宇等，2016），可就地取材，实现烟秆的循环利用，而且对烤烟根茎类病害的预防具有重要意义（付晨青等，2015；王成己等，2017）。但生物质颗粒燃烧机的价格偏高，烟农由于经济条件有限，很难接受。因此，在政府和烟草行业尚未出台扶持政策的情况下，大面积推广的难度较大。

4结论

使用生物质颗粒燃料烘烤烟叶，可减少烘烤过程中添加燃料、清灰等环节的用工，降低烟叶烘烤成本，提高烤后烟叶的均价、上等烟比例等经济性状指标，使烟叶经济效益得到增加，同时可改善烤后烟叶的化学品质和评吸质量。在相应政策的扶持下，生物质颗粒燃料烘烤烟叶技术可进一步推广应用。