烟秆与木屑配方生物质燃料在烟叶烘烤中的应用

邱志丹， 连宇昌， 卢 雨， 王 鑫， 林梅桂， 林清通， 余 浩， 古力，3， 张重义，3

(1.福建省烟草公司龙岩市公司，福建 龙岩364030；2.福建农林大学烟草研究所；3.福建农林大学遗传育种与综合利用教育部重点实验室，福建 福州350002)

生物质能源作为一种可再生、环境友好型的清洁能源，在人们的生产生活中得到了较好的应用和发展[1].随着研究的不断深入，生物质颗粒燃料在烟叶烘烤中的应用优势得到人们的普遍认可[2-6]，突出体现在添加燃料对人工的依赖程度大幅度降低，烘烤过程中温湿度控制受加料过程的影响得到较大改善，实际温湿度与目标值的拟合度得到有效提升[2].同时，以生物质能作为替代能源，可大幅度地降低CO2和硫化物的排放，对改善环境、降低温室效应等具有重要的现实意义[7].目前，烟叶烘烤中使用的生物质颗粒燃料原料来源多为木屑或竹屑，原料成本较高，且对原料的依赖程度较大，导致生物质颗粒燃料的价格走势波动较大.为了保障生物质颗粒燃料的持续、稳定供应，逐步形成了以生物质秸秆综合利用为代表的生物质能有效利用途径，并获得了一定程度的发展，但原料本地化依然是当前亟待解决的问题[8-10].

福建省是中国烤烟种植的主产区之一，近年来烟叶产量约1.0×108kg.随着清洁能源在烟叶烘烤上的研究，生物质颗粒燃料在烟叶烘烤中得到了广泛应用.但是，受生物质燃料原料来源和成本限制，生物质颗粒燃料的价格波动及其示范推广存在较大的不稳定因素.然而，随着烘烤中上部叶带茎烘烤技术的不断推进，在实现上部叶烘烤质量提升的基础上，为烟秆的集中回收和成本控制起到了积极的促进作用.本研究基于龙岩烟区生物质烤房和带茎烘烤技术的良好基础，开展烟秆生物质原料利用技术的可行性探索和技术示范，为促进生物质颗粒成型燃料原料资源本地化，保障生物质烤房在烟叶烘烤中燃料的有效、稳定供给提供理论依据和技术支撑.

1 材料与方法

1.1 材料

生物质颗粒燃料的原料来源:木屑为木材加工厂中杉木加工后剩余废弃木料，烟秆为龙岩市长汀县烤烟上部叶带茎烘烤后剩余废弃烟秆.烟秆与木屑配方生物质燃料在福建省长汀县长城木业有限公司加工制作.以烟秆及杉木屑为原料，粉碎后按照试验设计的比例混合送入热风干燥炉烘干至含水量8%～13%，将烘干后的燃料送入内部温度为80～90 ℃的搅拌加热器中，并利用平模机压制成型，获得直径为0.8～1.0 cm、长度为4～6 cm 的实心圆柱成品.

供试的密集烤房位于龙岩市长汀县大同镇翠峰村烤房群，烤房设施设备符合《密集烤房技术规范(试行)修订版》的要求[11].

供试的新鲜烟叶取自福建省龙岩市长汀县主栽品种云烟87 第2 烤次采摘的烟叶.

1.2 试验设计

空载试验以100%木屑生物质颗粒燃料为对照(CK)、15%烟秆+85%木屑为处理1(T1)；30%烟秆+70%木屑为处理2(T2)；50%烟秆+50%木屑为处理3(T3)、100%烟秆处理4(T4)，各处理3 次重复，共使用15 座烤房，烤房内不装烟.

实载试验以100%木屑生物质颗粒燃料为对照(CK)、15%烟秆+85%木屑为处理1(T1)；30%烟秆+70%木屑为处理2(T2)；50%烟秆+50%木屑为处理3(T3)，各处理3 次重复，共使用12 座烤房，每间烤房内按照400 杆进行装烟.

试验鲜烟叶取自同一田块、施肥水平一致、中等肥力、生长整齐一致的云烟87 烟株.各处理烟叶烘烤前进行人工分选，挂杆标记以保证鲜烟叶素质一致，装烟数量相同，烘烤工艺均采用龙岩市三长两短保湿烘烤工艺.整个烘烤过程中，36～42 ℃为烟叶主要变黄期，45～55 ℃为烟叶主要定色期，56～65 ℃为烟叶主要干筋期.

1.3 指标检测和数据分析

燃料燃烧特性测定:由福建省121 地质大队检测中心检测燃料水分含量、灰分含量、氢含量、硫含量和低位发热值.其中，水分含量:采用莱希特LXT-500C 生物质燃料水分检测仪测定；灰分含量:称取一定量的干燥生物质燃料样品，放入马弗炉中，加热到815±10 ℃，灰化并灼烧至质量恒定，以最终残留物的质量占样品质量的百分数作为灰分含量；氢含量:参照GB/T 476—2008《煤中碳和氢的测定方法》[12]；硫含量:采用库仑滴定法检测；低位发热值:参照GB/T 30727—2014 《固体生物质燃料发热量测定方法》[13].

烘烤过程中温湿度测定:整个烘烤过程中，每4 h 记录1 次烤房的温度、湿度、烟叶变化情况、操作情况和烟窗尾气温度等.其中，装烟室的温度和湿度采用数显温湿度计测定.

能耗测定:采用电子称测定烟叶和燃料的重量.

烤后烟叶质量评价:烘烤后将整烤烟叶由分级技师参照GB2635—1992《烤烟》[14]评定烤烟等级、称重.在不同处理烤房中各取烤后烟样2 kg.

数据处理:采用Excel 2007 和SPSS 17.0 统计软件对试验数据进行计算和分析.

2 结果与分析

2.1 不同配比生物质颗粒燃料燃烧特性的差异分析

不同配比生物质燃料燃烧特性如表1 所示，均符合《中国烟草总公司关于印发密集烤房生物质颗粒成型燃料燃烧机技术规范(试行)的通知(中烟办[2018]30 号)》文件中关于燃料条件的参数规定[15].低位热值均在12 000 J·g-1(燃料条件参数规定的最低标准)以上，但是低位热值随烟秆含量比重的增加而降低，各处理间均达到显著性差异，其中T4 处理低位发热值最低，仅为13 792 J·g-1；水分含量均达到≤12%的技术标准要求，但随烟秆比重的增加燃料水分含量呈现上升的趋势，其中T4 处理水分含量最高，达11.47%；燃料灰分含量与水分含量呈现类似的趋势，随烟秆比重的增加而呈现上升，并以T4 处理灰分含量最高，达9.32%；各处理间氢含量无显著性差异.此外，水分含量的变化趋势也可能是导致燃料低位热值下降的因素.

表1 不同配比生物质颗粒燃料燃烧特性差异分析1)Table 1 Analysis on combustion characteristics of different proportions of biomass pellets fuel

2.2 不同配比生物质颗粒燃料烘烤过程中温度曲线与目标值拟合度分析

空载试验(生物质颗粒燃烧机设置统一烘烤工艺曲线模式，相同的燃烧时间、升温速率和稳温时间，并同时点火)烘烤过程中的温度曲线与目标值拟合情况显示:CK 处理在点火后4 h 即达到目标温度36℃，并且在之后的燃烧过程中与目标温度的拟合度较高；T3 处理也可以在约4 h 时达到目标温度，但在变黄期和干筋期的某些时间点与目标温度存在约1 ℃的偏差；T1 和T2 处理分别在点火后8 和12 h 达到目标温度，且在之后的燃烧过程中与目标温度的拟合度较高；但是，T4 处理在变黄期、定色期和干筋期与目标温度均存在拟合度较差的现象，在整个烘烤过程中炉膛内无明火且出现回烟较重的现象，表明该处理不宜开展实载试验(图1).

图1 不同配比生物质颗粒燃料干球温度工艺吻合曲线(空载试验)Fig.1 Fitting curve of the dry-ball temperature of different proportions of biomass pellets (non-load test)

根据空载试验结果剔除T4(100%烟秆)处理的基础上开展实载试验，烘烤过程的温度曲线与目标值拟合情况显示:TI 和CK 处理的生物质颗粒燃料在点火后4 h 即可达到目标温度36 ℃，并且在之后的燃烧过程中与目标温度的拟合度较高；T2 处理的生物质颗粒燃料也可在4 h 达到目标温度，但变黄期实际温度与目标温度在个别时间点存在约1 ℃的偏差，并在烘烤120 h 时出现严重的回烟现象，无法继续开展试验，后续改用100%木屑处理的生物质燃料进行烘烤；T3 处理的生物质颗粒燃料在变黄期出现温度上升较缓的现象，变黄及定色期多次出现与目标温度偏差约2 ℃，在定色期和干筋期出现炉膛火势向进料口回烧的严重现象，后续改用100%木屑处理的生物质颗粒燃料进行烘烤(图2).结果表明，15%烟秆+85%木屑(T1)制作的生物质颗粒可以满足烟叶烘烤的实际需要.然而，T2 和T3 处理的生物质颗粒燃料则分别在定色期和干筋期出现燃烧不畅(回烟)和炉膛火势回烧的现象，推测可能是掺入烟秆的生物质燃料在燃烧过程中产生的焦油量偏高，导致炉膛内结渣过多所致.

图2 不同配比生物质颗粒燃料干球温度工艺吻合曲线图(实载试验)Fig.2 Matching curve of the dry-ball temperature of different proportions of biomass pellets (load test)

2.3 不同配比生物质颗粒燃料能耗分析

空载试验不同配比生物质燃料能耗差异如表2 所示:每烤消耗生物质燃料在921.67 ～1 475.00 kg，且消耗燃料数量随烟秆配比的增加而升高，各处理之间均达到显著性差异，其中T4 处理所需燃料最多，每烤达到1 475.00 kg；各处理间耗电量在104.33～108.00 kW·h-1范围内，没有显著性差异.实际生产过程中，每吨木屑原料的购置费400 元，烟秆回收价格可控制在每吨200 元，经充分调研后确定随着烟秆配比的增加生物质燃料价格可一定程度下调(表2).每座烤房的燃料动力费927.75 ～1 012.75 元，其中CK 与T1 处理间无显著性差异，T2、T3 和T4 处理燃料动力费每烤分别比CK 多出51.25 元、62.25 元和85 元.此外，将烟秆作为生物质燃料的原料来源，烟农另外可获得0.2 元·kg-1的烟秆回收费用.

实载试验过程中T2 和T3 处理由于出现较严重的回烟和温度拟合度偏差较大等情况，无法完成整个烘烤进程，暂不做能耗比较分析.CK 和T1 处理在实载烘烤过程中消耗燃料数量达到显著性差异，T1 处理消耗燃料量比CK 高出19.23%；耗电量方面二者无显著性差异；由于燃料销售价格的差异，最终T1 处理相比CK 而言，每烤的燃料动力费略高，但尚未达到显著性差异；按照每千克干烟量消耗的燃料动力费计算，CK 处理为2.33 元，T1 处理为2.35 元，二者之间差异可忽略不计(表3).

表2 不同配比生物质颗粒燃料能耗分析(空载试验)Table 2 Analysis on the energy consumption of different proportions of biomass pellet fuel (non-load test)

表3 不同配比生物质颗粒燃料能耗分析(实载试验)Table 3 Analysis on the energy consumption of different proportions of biomass pellet fuel (load test)

2.4 不同配比生物质颗粒燃料对烤后烟叶经济效益的影响

本研究对使用不同配比生物质颗粒燃料烘烤的烟叶经济效益进行统计分析，结果如表4 所示:CK 与T1 处理相比，二者在单叶重、上中等烟比例、均价和干烟综合效益等方面均无显著性差异.其中，在上等烟比例方面CK 比T1 处理略高；而中等烟比例方面T1 处理却比CK 略高；干烟的综合效益方面CK 比T1 处理略高，表明使用烟秆和木屑复混生物质颗粒燃料并未显著增加烟叶烘烤成本.

3 讨论

随着科学技术的发展及环保意识的提升，生物质颗粒燃料作为清洁能源，已经逐步走入了人们的生产和生活.中国从20 世纪80 年代开始，先后从韩国、日本、荷兰等国引进以螺杆压机为主的技术设备开展生物质成型技术研究，但由于设备螺杆磨损快和产品没有市场等原因，发展缓慢[16].近年来，中国围绕生物质固化成型技术研究和设备研发的不断深入，取得了较大的进展.随着生物质压块、生物质气化、生物质煤生产技术日趋成熟，在烟叶烘烤中也进行了一些探索和研究[17-20].王汉文等[21]率先在烤烟生产中进行了玉米和小麦秸秆压块替代煤炭烤烟的试验，结果表明，秸秆压块可以满足烟叶烘烤的热量需求.随着研究的不断深入，木屑、竹屑等为原料的生物质颗粒燃料在烟叶烘烤中的应用取得了良好效果，并能够有效改善烤后烟叶质量，提高烟叶可用性[5-6，22].但是，生物质燃料的原料来源及价格走势直接关系到生物质燃料在烟叶烘烤中推广应用的可行性问题.同时，生物质燃料原料体积大、运输成本高，同样是制约其发展的主要因素.因此，获得稳定的本地化原料来源，是保障生物质燃料在烟叶烘烤中推广应用的前提.

烟秆作为烤烟生物量的重要组成部分，约占植株干物质含量的50%，能够为生物质燃料制备提供一定的原料来源.烟秆的低位发热值与玉米秸秆相近，而远高于小麦秸秆，表明烟秆作为生物质颗粒燃料的原料能够满足烟叶烘烤中的能量需求[21].本研究中，15%烟秆+85%木屑处理的生物质燃料在空载和实载中与目标温度均能表现出较好的拟合度，燃料能耗和烤后烟叶经济效益分析均可满足烟叶烘烤需求.然而，烟秆掺比较高的处理在燃烧过程中出现了不同程度的回烟或回炉现象，导致无法完成烘烤进程，推测可能是由于烟秆燃烧过程中焦油量较高造成严重结渣等因素造成的.王行等[23]研究表明，烟秆等农经作物秸秆燃烧易结渣，可作为生物质燃料的辅助原料掺兑使用，该结果与本研究结果相吻合.温丽娜[24]等研究了云南省主要农林废弃物的热值，认为秸秆类样品中以烟杆、玉米秆、麦秆的热值较高.但是，该研究并未在烟叶烘烤中开展应用试验，同时认为玉米秸秆的结渣情况高于烟杆，可能由于使用的是植株全秆，而玉米根系发达，取样时携带的泥土过多所致[24].该现象提醒我们开展烟秆回收工作时，要切实注意杜绝或减少根部携带泥土，减少燃烧过程中结渣现象，有效提高燃料的燃烧性能.同时，针对掺入烟秆比例较高的生物质颗粒燃料有待进一步开展配套的燃烧机开发或燃烧工艺的改进研究.此外，烟秆作为生物质燃料的原料来源，可以有效避免目前将烟秆直接还田、随意遗弃或就地焚烧带来的环境污染和资源浪费[25].

4 结论

本研究首次对上部带茎烘烤后的烟秆作为生物质燃料原料在烟叶烘烤中的应用进行了探讨，结果表明，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，在烤后烟叶化学成分和能耗比较中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，在烟叶烘烤中开展应用示范具有较好的可行性.针对较高烟秆配比的生物质燃料的燃烧特性差异以及试验过程中存在的升温不畅等问题，仍需开展配套的燃烧机开发或燃烧工艺改进.同时，可以预见烟秆作为生物质燃料利用后可以有效减少直接回田造成的病害传播和环境污染问题，但针对全株烟秆的回收利用还需要开展配套组织回收模式研究.