“电能替代”在烤烟生产中的综合效益评价

张海彬

(国网黑龙江省电力有限公司，哈尔滨 150090)

“电能替代”在烤烟生产中的综合效益评价

张海彬

(国网黑龙江省电力有限公司，哈尔滨 150090)

传统烤烟作业中，使用燃煤进行烟叶烘烤将释放粉尘、碳氧化合物、硫化物等大气污染物。在雾霾天气日益增多的情况下，利用清洁电能替代化石能源进行烟叶烘烤起到治污降霾、节能减排的作用。以单烤烟房为研究对象，建立技术经济分析模型，对比电烤烟替代燃煤烤烟后的烟农和电网公司的经济效益。建立环境效益分析模型，计算实施电能替代后的环境效益。

电能替代；以电代煤；烤烟生产；经济环境效益

近两年开始的大范围、长时间的严重雾霾天气真实反映了当前空气污染的严重程度，面对日益严重的大气污染情况，能源生产结构与能源消费结构需要做出调整。实施“以电代煤、以电代油”的电能替代战略可有效缓解城市大气污染和调整能源消费结构[1]。

电能替代的显著社会经济环境效益引起了国内外专家广泛的关注。环境保护方面，文献[2]中相关专家进行了估算，通过全面实施电能替代，2015年、2017年、2020年东中部地区PM2.5排放可比2010年分别降低12%、20%、28%左右。经济效益层面，文献[3-4]提出，随着石油、天然气价格的不断上涨和电气普及率的不断上升，使用电能更加实惠。其中电锅炉替代燃煤锅炉是电能替代的主要实施领域，文献[5]介绍了电锅炉替代燃煤锅炉供暖的发展情况。第三产业中，蓄热式电锅炉替代燃煤、燃油锅炉，电炊具替代燃煤燃气炊具等电能替代方式也在大力推广中[6-7]。烤烟行业的电能替代相关研究还较为匮乏，本文借鉴其他领域的相关研究方法，利用技术经济手段建立效益对比分析模型，以单烤烟房为研究对象进行电能替代前后效益分析，为推广电烤烟替代燃煤烤烟提供理论支撑。

目前，燃煤烤烟仍是我国烟叶烘烤[8-10]中长期且广泛采用的烘烤方式，煤炭燃烧产生大量的二氧化硫、烟尘等污染物，严重污染大气环境并危害人们的身体健康。为了实现节能减排目的，积极寻求开发可以替代煤炭进行烘烤的绿色能源，本文对以电能为加热能源的烤烟房和以燃煤为加热能源的烤烟房进行效益对比分析。

1 “电能替代”典型经验及应用场景

1.1 “煤改电”工程

在北方地区冬季采暖过程中，燃煤特别是劣质煤的使用是产生污染的重要原因之一，推动采暖清洁化、去煤化是治理城市雾霾的主要手段之一。“煤改电”工程是指通过政府部门的财政支持，通过电网增容和电表改造，使平房区的居民冬季采暖告别蜂窝煤炉，使用清洁卫生的电力进行采暖，以达到提高居民生活品质和缓解空气污染的双重目的。与传统的煤锅炉取暖相比，使用安全、清洁、高效的电采暖，不会产生二氧化硫、可吸入颗粒物等大气污染物，使日益严峻的雾霾问题得到有效缓解。同时，也消除了平房区居民的煤气泄露等安全隐患。以北京市为例，其“煤改电”工程的改造费用由市区政府、供电部门和居民共同承担，政府将负担外电网改造费用、居民住宅配电设施改造费用及居民安装电采暖设备的大部分费用。“煤改电”工程不仅可以完善平房区的基础设施，提升居民生活质量与用能安全，更为重要的是为减少可吸入颗粒物的。

1.2 农业电排灌替代工程

电水泵是以电动机为动力带动泵体输送液体或使液体增压的机械。相较于柴油泵，电水泵有着很明显的高效率、低能耗、低排放、高可靠性等优点，但是农业灌溉长期以来一直由于思想意识、资金、技术等方面的原因，我国大部分地区仍在使用柴油泵灌溉农田。电动水泵的引入能够使得能源利用效率提高，直接使用高品位能源，能够有效降低低品位能源直接消耗过程中所产生的高环境成本。以千亩喷灌工程为例，使用电排灌将给电网带来14.65万kW·h的新增电量(日用电量488.37 kW·h，一年按300天计算)；每年减少燃烧柴油3.71 t，减少烟尘排放量10.09 kg左右，减少二氧化硫排放量59.84 kg左右，减少氮氧化物排放量8.65 kg。推广农业电排灌替代工程，可提高农业生产效率、加快农业生产方式转型、促进农业现代化。

1.3 风冷/热水机组能源替代经验

模块式风冷风热水机组是以空气为冷(热)介质，作为冷(热)源的一体化中央空调设备，具有节能、节水、环保的特性。除满足建筑物夏天制冷、冬天制热要求外，还能全天候供给生活热水，设备(能源)利用率较高。此类设备广泛用于公寓、高级宾馆饭店、写字楼、学校、科研楼、医院门诊病房等建筑的采暖、空调、热水供应及生活热水。若充分合理利用风冷模块热回收装置，用以提供生活热水，特别是夏天使用空调的时候，生活热水是免费的，大量节省了运行费用，可以进一步地降低经营成本，并减少煤炭燃烧产生的环境污染。

1.4 皮廊传输电能替代典型经验

皮廊传输主要是指运用于煤矿地面井口-储煤仓-煤炭(火车)集运站的封闭式皮带运输系统，主要由三部分组成，外部轻质廊道、除尘器及煤炭皮带运输机。皮廊传输运行可靠、故障率低、能耗小，皮带运输机被封闭在廊道里，不会导致飘散灰尘污染空气。与汽车运输对比，可有效减少汽油燃烧，降低二氧化碳等的排放。以年产煤300万t，距离煤炭集运站5.5 km的某煤矿厂为例，在使用汽车运煤时，每年需载重量为30 t的汽车运送10万车次，运输成本约600万元。改用皮廊传输后，运煤成本约250万元，减少350万元，并有效降低了污染，每年约减排二氧化碳 6 000 t、粉尘 500 t。

2 烤烟生产中的“电能替代”经济效 益分析模型

利用技术经济分析方法，考虑初始投资和年运行成本，以年费用为综合指标，对燃煤烤烟房和电烤烟房之间的年费用进行比较。

2.1 燃煤烤烟房年费用

式中：ACcoal-tobacco为煤烤烟房的年费用，万元；Icoal-tobacco为燃煤烤烟房初始投资额，万元；r为基准折现率；Nt为煤烤烟房使用年限；Ccoal-tobacco为烤烟房年运行成本，万元。

Ccoal-tobacco=Lcoal总×Pcoal

式中：Lcoal为烤烟房年煤耗量,t;Pcoal为煤价,元/t。

不考虑自然蒸发和其他因素，烟叶中的水要全部蒸发需耗煤量为

式中：m为烟叶中的含水量/(单烤烟房·年烤烟量)，Wcoal为燃烧一吨煤可蒸发烟叶的含水量。m计为0.9M，M为年需烤烟量,kg。

烟叶是一种含水量达90%的物质，烤烟过程的本质就是将烟叶中所含的水除去的过程。通过推导可得

式中：MH2O为水的相对分子量，计为18；Scoal为标煤热值；ηcoal-tobacco为烤烟燃煤热效率；ΔvapHm(H2O)为水的蒸发焓。在正常烤烟过程中，一般保持烤房的温度在40～65℃，需计算此温度区间水的蒸发焓。根据基尔霍夫定律，即可计算出40、45、50、55、60、65℃温度下，烟叶中水的蒸发焓分别为12.5、12.7、12.9、13.1、13.3、13.5 kJ/mol，取均值13 kJ/mol,

则

式中，烤烟装烟叶时的环境温度T1往往低于烤制时期的温度T2。若装烟时烟叶的温度为20℃，需加热到近40℃，这需要消耗热能，需计算此时燃煤消耗量Lcoal,2，其计算方法如下：

式中：Cp,m为水的等压热容，计为75.3 J/kmol；m为烟叶中水的含量，kg。则

综上，烤烟全过程的理论总煤耗量为

Lcoal=Lcoal,1+Lcoal,2

若考虑热损耗40%的正常情况下，实际总煤耗量为Lcoal总=1.4×Lcoal，即

Lcoal总=1.4×

2.2 电烤烟房年费用

式中：ACe为电烤烟房的年费用，万元；Ie为电烤烟房初始投资额，万元；Ne为电烤烟房使用年限，Ce为年运行成本(万元)。

Ce=Qe总×Pe

式中：Qe总为烤烟房年用电量,t;Pe为电烤烟电价,元/kWh。

不考虑自然蒸发和其他因素，烟叶中的水要全部蒸发需耗电量为

综上，烤烟全过程的理论总用电量为

Qe=Qe,1+Qe,2

考虑热损耗40%的正常情况下，实际总用电量为Qe总=1.4×Le，即

Qe总=1.4×

烤烟房要求24小时不停工作，则电烤烟房年运行成本为

Ce=1.4×

式中:Pef、Pep、Peg为电烤烟峰平谷电价。

3 烤烟生产中的“电能替代”环境效 益分析模型

本节将针对燃煤带来的空气污染量进行计算。燃煤烟尘排放量为

式中：GTSP为烟尘排放量，t；B为单位耗煤量，t；kt为煤的灰分，%；λ为灰分中的烟尘，%；θ为除尘效率，%。灰分中的烟尘是指烟尘中的灰分占燃煤灰分的百分比。煤的灰分取20%，除尘取80%；烟尘中可燃物一般为15%～45%，取20%。

燃煤SO2排放量为

GSO2=2×0.8×B×ks×(1-β)

式中：GSO2为二氧化硫排放量，t；B为单位耗煤量，t；ks为煤中的含硫分，%；β为脱硫效率，%。取煤中含硫分为1.5%。

燃煤NOx排放量为

GNOx=1.63×B×(Pn×kn+0.000 938)

式中：GNOx为氮氧化物排放量，t；Pn为燃煤中氮的含量，%；Kn为燃煤中氮的NOx转化率，%。煤耗量以1 t为基准，燃煤中氮的含量取1.5%，燃煤中氮的转化率取25%。

根据上节已知，用户选择煤烤烟房时的煤耗量为

Le总=λ×Qe总

式中λ为单位用的煤耗，计为283 g/kW·h。则替代前后节煤量，即燃煤烤烟房煤耗量和电烤烟房煤耗量之间的差额ΔL，其值为

ΔL=Lcoal总-Le总

则一个烤烟季(一年一季)内NOx的减排量ENOx、SO2的减排量ESO2和烟尘减排量ETSP为

ENOx=ΔL·ηNOx

ESO2=ΔL·ηSO2

ETSP=ΔL·ηTSP

式中ηNOx、ηSO2、ηTSP分别为氮氧化物、二氧化硫、粉尘的单位煤耗排放量。

4 案例分析

目前，我国烤烟电价按照一般工商业电价收取，如采取农业生产峰谷分时电价能够降低烤烟生产成本(湖南省目前烤烟电价已采用此类价格)。烟叶烘烤时间设定为60天烤烟设备使用年限计为10年，以标准烤房装烟叶量平均400竿计算，烤烟量约为4 000 kg，具体参数见表1。

表1 模型各参数设定情况Table 1 Various parameters setting situations of model

注：Pcoal燃煤价格选取2014年12月份26日榆林动力煤块煤价格

4.1 经济效益分析

4.1.1 烟农经济效益

我国烤烟电价按照一般工商业用电收取，电价和时段如表2所示。

表2 一般工商业用电分时电价Table 2 Time-of-use price of common industrial and commercial electricity 元/kW·h

以单烤烟房作为研究对象，表3为三类烤烟房经济效益情况，其中，热效率较高的为热泵烤烟房，热效率为煤烤烟房的14倍，但其初始投资也是较高的，达到9.5万元。从年运行费用来看，使用燃煤烤烟的能源费用较低，为147元，电烤烟房年用电费用约为981元，较高的热效率使得热泵烤烟耗电量较少，年用电费为362元。考虑初始投资，在使用期内，热泵烤烟房的年费用是最高的，达到1.33万元，燃煤烤烟年费用仅为其11%左右。

表3 三类烤烟房经济效益对比Table 3 Comparison of economic effect among three kinds of flue-cured houses

4.1.2 电力公司效益

对于电力公司来讲，使用电烤烟替代燃煤烤烟带来用电量的增长。对于烤烟量为4 000 kg的单烤烟房，使用热泵烤烟，电网公司在烤烟季可增售电量414 kW·h，使用电烤烟可增售电量1124 kW·h，按照目前我国某省烤烟实行的大工业电价计费，使用热泵烤烟可增收电费362元，使用电烤烟可增收电费981元。

4.2 环境效益分析

计算电烤烟替代燃煤烤烟的环境效益，利用环境效益分析模型，根据大气污染物排放系数与烤烟房参数，得到计算结果如表4所示。

表4 电烤烟替代燃煤烤烟环境效益Table 4 Environmental effect after electric power substitution for coal in flue-cured tobacco production

从表4可看出，若只考虑烤烟程中的能源消耗，电烤烟房相对于煤烤烟房可减少0.414 t煤耗量，可减少二氧化硫排放量近10 kg，氮氧化物3.15 kg，粉尘4.14 kg。如考虑上游电力煤耗，热泵烤烟房煤耗量较少为0.115 t，电烤烟为0.318 t，三者相比，仍是煤烤烟能源消耗量最大，污染物排放量最多。

5 结 论

传统烟叶烘烤作业中煤炭、生物质能源的燃烧会释放大量的空气污染物。其中，燃煤产生的粉尘、氮氧化物、硫化物等大气污染物是导致雾霾天气的主要原因之一。通过测算可得一个20座规模的传统燃煤烤房群，整个烘烤季节排放烟尘4～5 t，产生的二氧化硫约为3.4～5.6 t，氮氧化物为1.6～2.8 t。在烤烟作业中，使用电烤烟替代燃煤烤烟房进行烟叶烘烤可减少污染物排放，对缓解雾霾有着积极作用。电烤烟房及热泵烤烟房是热效率较高的两类烤烟房，其中，热泵烤烟能效较高，可吸入颗粒物排放量最小，电费相对于电烤烟房较低，若政府能够出台相应的补贴政策，可在未来推广使用热泵烤烟房替代燃煤烤烟房。

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(编辑 侯世春)

Comprehensive effect review of "electric power substation" project in flue-cured tobacco production

ZHANG Haibin

( State Grid Heilongjiang Electric Power Company Limited，Harbin 150090,China)

In the traditional operation of flue-cured tobacco,the burning of coal during tobacco flue-curing will produce dust,carbon oxides,sulfide and other air pollutants.As the haze days are increasing,in such a case,the use of clean electric power which replaces fossil energy during tobacco curing could play a role in pollution control,haze reduction,energy conservation and emission cut.Taking a electrically flue-cured tobacco house as the research object,technical and economic analysis model is established,which is used to compare the economic benefits of tobacco farmers and power grid companies after substituting electric power for coal in flue-cured tobacco production.What’s more,environmental benefit analysis model is constructed,thus to calculate the environmental benefits after implementation of “electric power substitution” project.

“electric power substitution” project; coal replacement by electricity; tobacco production; economic and environmental benefits

2017-05-18。

张海彬(1964—)，男，高级工程师，硕士，主要从事电力系统科技及信息化管理工作。

TM924.2+X795

A

2095-6843(2017)04-0347-05