邱志丹， 連宇昌， 盧 雨， 王 鑫， 林梅桂， 林清通， 余 浩， 古力，3， 張重義，3

(1.福建省煙草公司龍巖市公司，福建 龍巖364030；2.福建農(nóng)林大學煙草研究所；3.福建農(nóng)林大學遺傳育種與綜合利用教育部重點實驗室，福建 福州350002)

生物質能源作為一種可再生、環(huán)境友好型的清潔能源，在人們的生產(chǎn)生活中得到了較好的應用和發(fā)展[1].隨著研究的不斷深入，生物質顆粒燃料在煙葉烘烤中的應用優(yōu)勢得到人們的普遍認可[2-6]，突出體現(xiàn)在添加燃料對人工的依賴程度大幅度降低，烘烤過程中溫濕度控制受加料過程的影響得到較大改善，實際溫濕度與目標值的擬合度得到有效提升[2].同時，以生物質能作為替代能源，可大幅度地降低CO2和硫化物的排放，對改善環(huán)境、降低溫室效應等具有重要的現(xiàn)實意義[7].目前，煙葉烘烤中使用的生物質顆粒燃料原料來源多為木屑或竹屑，原料成本較高，且對原料的依賴程度較大，導致生物質顆粒燃料的價格走勢波動較大.為了保障生物質顆粒燃料的持續(xù)、穩(wěn)定供應，逐步形成了以生物質秸稈綜合利用為代表的生物質能有效利用途徑，并獲得了一定程度的發(fā)展，但原料本地化依然是當前亟待解決的問題[8-10].

福建省是中國烤煙種植的主產(chǎn)區(qū)之一，近年來煙葉產(chǎn)量約1.0×108kg.隨著清潔能源在煙葉烘烤上的研究，生物質顆粒燃料在煙葉烘烤中得到了廣泛應用.但是，受生物質燃料原料來源和成本限制，生物質顆粒燃料的價格波動及其示范推廣存在較大的不穩(wěn)定因素.然而，隨著烘烤中上部葉帶莖烘烤技術的不斷推進，在實現(xiàn)上部葉烘烤質量提升的基礎上，為煙稈的集中回收和成本控制起到了積極的促進作用.本研究基于龍巖煙區(qū)生物質烤房和帶莖烘烤技術的良好基礎，開展煙稈生物質原料利用技術的可行性探索和技術示范，為促進生物質顆粒成型燃料原料資源本地化，保障生物質烤房在煙葉烘烤中燃料的有效、穩(wěn)定供給提供理論依據(jù)和技術支撐.

1 材料與方法

1.1 材料

生物質顆粒燃料的原料來源:木屑為木材加工廠中杉木加工后剩余廢棄木料，煙稈為龍巖市長汀縣烤煙上部葉帶莖烘烤后剩余廢棄煙稈.煙稈與木屑配方生物質燃料在福建省長汀縣長城木業(yè)有限公司加工制作.以煙稈及杉木屑為原料，粉碎后按照試驗設計的比例混合送入熱風干燥爐烘干至含水量8%～13%，將烘干后的燃料送入內(nèi)部溫度為80～90 ℃的攪拌加熱器中，并利用平模機壓制成型，獲得直徑為0.8～1.0 cm、長度為4～6 cm 的實心圓柱成品.

供試的密集烤房位于龍巖市長汀縣大同鎮(zhèn)翠峰村烤房群，烤房設施設備符合《密集烤房技術規(guī)范(試行)修訂版》的要求[11].

供試的新鮮煙葉取自福建省龍巖市長汀縣主栽品種云煙87 第2 烤次采摘的煙葉.

1.2 試驗設計

空載試驗以100%木屑生物質顆粒燃料為對照(CK)、15%煙稈+85%木屑為處理1(T1)；30%煙稈+70%木屑為處理2(T2)；50%煙稈+50%木屑為處理3(T3)、100%煙稈處理4(T4)，各處理3 次重復，共使用15 座烤房，烤房內(nèi)不裝煙.

實載試驗以100%木屑生物質顆粒燃料為對照(CK)、15%煙稈+85%木屑為處理1(T1)；30%煙稈+70%木屑為處理2(T2)；50%煙稈+50%木屑為處理3(T3)，各處理3 次重復，共使用12 座烤房，每間烤房內(nèi)按照400 桿進行裝煙.

試驗鮮煙葉取自同一田塊、施肥水平一致、中等肥力、生長整齊一致的云煙87 煙株.各處理煙葉烘烤前進行人工分選，掛桿標記以保證鮮煙葉素質一致，裝煙數(shù)量相同，烘烤工藝均采用龍巖市三長兩短保濕烘烤工藝.整個烘烤過程中，36～42 ℃為煙葉主要變黃期，45～55 ℃為煙葉主要定色期，56～65 ℃為煙葉主要干筋期.

1.3 指標檢測和數(shù)據(jù)分析

燃料燃燒特性測定:由福建省121 地質大隊檢測中心檢測燃料水分含量、灰分含量、氫含量、硫含量和低位發(fā)熱值.其中，水分含量:采用萊希特LXT-500C 生物質燃料水分檢測儀測定；灰分含量:稱取一定量的干燥生物質燃料樣品，放入馬弗爐中，加熱到815±10 ℃，灰化并灼燒至質量恒定，以最終殘留物的質量占樣品質量的百分數(shù)作為灰分含量；氫含量:參照GB/T 476—2008《煤中碳和氫的測定方法》[12]；硫含量:采用庫侖滴定法檢測；低位發(fā)熱值:參照GB/T 30727—2014 《固體生物質燃料發(fā)熱量測定方法》[13].

烘烤過程中溫濕度測定:整個烘烤過程中，每4 h 記錄1 次烤房的溫度、濕度、煙葉變化情況、操作情況和煙窗尾氣溫度等.其中，裝煙室的溫度和濕度采用數(shù)顯溫濕度計測定.

能耗測定:采用電子稱測定煙葉和燃料的重量.

烤后煙葉質量評價:烘烤后將整烤煙葉由分級技師參照GB2635—1992《烤煙》[14]評定烤煙等級、稱重.在不同處理烤房中各取烤后煙樣2 kg.

數(shù)據(jù)處理:采用Excel 2007 和SPSS 17.0 統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進行計算和分析.

2 結果與分析

2.1 不同配比生物質顆粒燃料燃燒特性的差異分析

不同配比生物質燃料燃燒特性如表1 所示，均符合《中國煙草總公司關于印發(fā)密集烤房生物質顆粒成型燃料燃燒機技術規(guī)范(試行)的通知(中煙辦[2018]30 號)》文件中關于燃料條件的參數(shù)規(guī)定[15].低位熱值均在12 000 J·g-1(燃料條件參數(shù)規(guī)定的最低標準)以上，但是低位熱值隨煙稈含量比重的增加而降低，各處理間均達到顯著性差異，其中T4 處理低位發(fā)熱值最低，僅為13 792 J·g-1；水分含量均達到≤12%的技術標準要求，但隨煙稈比重的增加燃料水分含量呈現(xiàn)上升的趨勢，其中T4 處理水分含量最高，達11.47%；燃料灰分含量與水分含量呈現(xiàn)類似的趨勢，隨煙稈比重的增加而呈現(xiàn)上升，并以T4 處理灰分含量最高，達9.32%；各處理間氫含量無顯著性差異.此外，水分含量的變化趨勢也可能是導致燃料低位熱值下降的因素.

表1 不同配比生物質顆粒燃料燃燒特性差異分析1)Table 1 Analysis on combustion characteristics of different proportions of biomass pellets fuel

2.2 不同配比生物質顆粒燃料烘烤過程中溫度曲線與目標值擬合度分析

空載試驗(生物質顆粒燃燒機設置統(tǒng)一烘烤工藝曲線模式，相同的燃燒時間、升溫速率和穩(wěn)溫時間，并同時點火)烘烤過程中的溫度曲線與目標值擬合情況顯示:CK 處理在點火后4 h 即達到目標溫度36℃，并且在之后的燃燒過程中與目標溫度的擬合度較高；T3 處理也可以在約4 h 時達到目標溫度，但在變黃期和干筋期的某些時間點與目標溫度存在約1 ℃的偏差；T1 和T2 處理分別在點火后8 和12 h 達到目標溫度，且在之后的燃燒過程中與目標溫度的擬合度較高；但是，T4 處理在變黃期、定色期和干筋期與目標溫度均存在擬合度較差的現(xiàn)象，在整個烘烤過程中爐膛內(nèi)無明火且出現(xiàn)回煙較重的現(xiàn)象，表明該處理不宜開展實載試驗(圖1).

圖1 不同配比生物質顆粒燃料干球溫度工藝吻合曲線(空載試驗)Fig.1 Fitting curve of the dry-ball temperature of different proportions of biomass pellets (non-load test)

根據(jù)空載試驗結果剔除T4(100%煙稈)處理的基礎上開展實載試驗，烘烤過程的溫度曲線與目標值擬合情況顯示:TI 和CK 處理的生物質顆粒燃料在點火后4 h 即可達到目標溫度36 ℃，并且在之后的燃燒過程中與目標溫度的擬合度較高；T2 處理的生物質顆粒燃料也可在4 h 達到目標溫度，但變黃期實際溫度與目標溫度在個別時間點存在約1 ℃的偏差，并在烘烤120 h 時出現(xiàn)嚴重的回煙現(xiàn)象，無法繼續(xù)開展試驗，后續(xù)改用100%木屑處理的生物質燃料進行烘烤；T3 處理的生物質顆粒燃料在變黃期出現(xiàn)溫度上升較緩的現(xiàn)象，變黃及定色期多次出現(xiàn)與目標溫度偏差約2 ℃，在定色期和干筋期出現(xiàn)爐膛火勢向進料口回燒的嚴重現(xiàn)象，后續(xù)改用100%木屑處理的生物質顆粒燃料進行烘烤(圖2).結果表明，15%煙稈+85%木屑(T1)制作的生物質顆粒可以滿足煙葉烘烤的實際需要.然而，T2 和T3 處理的生物質顆粒燃料則分別在定色期和干筋期出現(xiàn)燃燒不暢(回煙)和爐膛火勢回燒的現(xiàn)象，推測可能是摻入煙稈的生物質燃料在燃燒過程中產(chǎn)生的焦油量偏高，導致爐膛內(nèi)結渣過多所致.

圖2 不同配比生物質顆粒燃料干球溫度工藝吻合曲線圖(實載試驗)Fig.2 Matching curve of the dry-ball temperature of different proportions of biomass pellets (load test)

2.3 不同配比生物質顆粒燃料能耗分析

空載試驗不同配比生物質燃料能耗差異如表2 所示:每烤消耗生物質燃料在921.67 ～1 475.00 kg，且消耗燃料數(shù)量隨煙稈配比的增加而升高，各處理之間均達到顯著性差異，其中T4 處理所需燃料最多，每烤達到1 475.00 kg；各處理間耗電量在104.33～108.00 kW·h-1范圍內(nèi)，沒有顯著性差異.實際生產(chǎn)過程中，每噸木屑原料的購置費400 元，煙稈回收價格可控制在每噸200 元，經(jīng)充分調研后確定隨著煙稈配比的增加生物質燃料價格可一定程度下調(表2).每座烤房的燃料動力費927.75 ～1 012.75 元，其中CK 與T1 處理間無顯著性差異，T2、T3 和T4 處理燃料動力費每烤分別比CK 多出51.25 元、62.25 元和85 元.此外，將煙稈作為生物質燃料的原料來源，煙農(nóng)另外可獲得0.2 元·kg-1的煙稈回收費用.

實載試驗過程中T2 和T3 處理由于出現(xiàn)較嚴重的回煙和溫度擬合度偏差較大等情況，無法完成整個烘烤進程，暫不做能耗比較分析.CK 和T1 處理在實載烘烤過程中消耗燃料數(shù)量達到顯著性差異，T1 處理消耗燃料量比CK 高出19.23%；耗電量方面二者無顯著性差異；由于燃料銷售價格的差異，最終T1 處理相比CK 而言，每烤的燃料動力費略高，但尚未達到顯著性差異；按照每千克干煙量消耗的燃料動力費計算，CK 處理為2.33 元，T1 處理為2.35 元，二者之間差異可忽略不計(表3).

表2 不同配比生物質顆粒燃料能耗分析(空載試驗)Table 2 Analysis on the energy consumption of different proportions of biomass pellet fuel (non-load test)

表3 不同配比生物質顆粒燃料能耗分析(實載試驗)Table 3 Analysis on the energy consumption of different proportions of biomass pellet fuel (load test)

2.4 不同配比生物質顆粒燃料對烤后煙葉經(jīng)濟效益的影響

本研究對使用不同配比生物質顆粒燃料烘烤的煙葉經(jīng)濟效益進行統(tǒng)計分析，結果如表4 所示:CK 與T1 處理相比，二者在單葉重、上中等煙比例、均價和干煙綜合效益等方面均無顯著性差異.其中，在上等煙比例方面CK 比T1 處理略高；而中等煙比例方面T1 處理卻比CK 略高；干煙的綜合效益方面CK 比T1 處理略高，表明使用煙稈和木屑復混生物質顆粒燃料并未顯著增加煙葉烘烤成本.

3 討論

隨著科學技術的發(fā)展及環(huán)保意識的提升，生物質顆粒燃料作為清潔能源，已經(jīng)逐步走入了人們的生產(chǎn)和生活.中國從20 世紀80 年代開始，先后從韓國、日本、荷蘭等國引進以螺桿壓機為主的技術設備開展生物質成型技術研究，但由于設備螺桿磨損快和產(chǎn)品沒有市場等原因，發(fā)展緩慢[16].近年來，中國圍繞生物質固化成型技術研究和設備研發(fā)的不斷深入，取得了較大的進展.隨著生物質壓塊、生物質氣化、生物質煤生產(chǎn)技術日趨成熟，在煙葉烘烤中也進行了一些探索和研究[17-20].王漢文等[21]率先在烤煙生產(chǎn)中進行了玉米和小麥秸稈壓塊替代煤炭烤煙的試驗，結果表明，秸稈壓塊可以滿足煙葉烘烤的熱量需求.隨著研究的不斷深入，木屑、竹屑等為原料的生物質顆粒燃料在煙葉烘烤中的應用取得了良好效果，并能夠有效改善烤后煙葉質量，提高煙葉可用性[5-6，22].但是，生物質燃料的原料來源及價格走勢直接關系到生物質燃料在煙葉烘烤中推廣應用的可行性問題.同時，生物質燃料原料體積大、運輸成本高，同樣是制約其發(fā)展的主要因素.因此，獲得穩(wěn)定的本地化原料來源，是保障生物質燃料在煙葉烘烤中推廣應用的前提.

煙稈作為烤煙生物量的重要組成部分，約占植株干物質含量的50%，能夠為生物質燃料制備提供一定的原料來源.煙稈的低位發(fā)熱值與玉米秸稈相近，而遠高于小麥秸稈，表明煙稈作為生物質顆粒燃料的原料能夠滿足煙葉烘烤中的能量需求[21].本研究中，15%煙稈+85%木屑處理的生物質燃料在空載和實載中與目標溫度均能表現(xiàn)出較好的擬合度，燃料能耗和烤后煙葉經(jīng)濟效益分析均可滿足煙葉烘烤需求.然而，煙稈摻比較高的處理在燃燒過程中出現(xiàn)了不同程度的回煙或回爐現(xiàn)象，導致無法完成烘烤進程，推測可能是由于煙稈燃燒過程中焦油量較高造成嚴重結渣等因素造成的.王行等[23]研究表明，煙稈等農(nóng)經(jīng)作物秸稈燃燒易結渣，可作為生物質燃料的輔助原料摻兌使用，該結果與本研究結果相吻合.溫麗娜[24]等研究了云南省主要農(nóng)林廢棄物的熱值，認為秸稈類樣品中以煙桿、玉米稈、麥稈的熱值較高.但是，該研究并未在煙葉烘烤中開展應用試驗，同時認為玉米秸稈的結渣情況高于煙桿，可能由于使用的是植株全稈，而玉米根系發(fā)達，取樣時攜帶的泥土過多所致[24].該現(xiàn)象提醒我們開展煙稈回收工作時，要切實注意杜絕或減少根部攜帶泥土，減少燃燒過程中結渣現(xiàn)象，有效提高燃料的燃燒性能.同時，針對摻入煙稈比例較高的生物質顆粒燃料有待進一步開展配套的燃燒機開發(fā)或燃燒工藝的改進研究.此外，煙稈作為生物質燃料的原料來源，可以有效避免目前將煙稈直接還田、隨意遺棄或就地焚燒帶來的環(huán)境污染和資源浪費[25].

4 結論

本研究首次對上部帶莖烘烤后的煙稈作為生物質燃料原料在煙葉烘烤中的應用進行了探討，結果表明，在木屑中摻入15%煙稈作為生物質燃料原料制備的生物質燃料點火容易、火力強、溫度調節(jié)靈敏度高，在烤后煙葉化學成分和能耗比較中與純木屑生物質燃料無顯著性差異，可以滿足烤煙烘烤工藝需求，在煙葉烘烤中開展應用示范具有較好的可行性.針對較高煙稈配比的生物質燃料的燃燒特性差異以及試驗過程中存在的升溫不暢等問題，仍需開展配套的燃燒機開發(fā)或燃燒工藝改進.同時，可以預見煙稈作為生物質燃料利用后可以有效減少直接回田造成的病害傳播和環(huán)境污染問題，但針對全株煙稈的回收利用還需要開展配套組織回收模式研究.