生物質燃料在香茶主要加工環節中的能效初級評估

陳金磊 張春蓓 陳緒敏3 郝晴晴 余志 ＊

（1.華中農業大學園藝林學學院茶學系，湖北武漢 430070；2.宜昌市夷陵區農業技術推廣中心，湖北宜昌 443000；3.宜昌三峽原紅茶業有限公司，湖北宜昌 443000；4. 宜昌市農科院，湖北宜昌 443000）

安全和環保是當下眾多行業發展的主旋律之一，但我國目前的茶葉加工多屬于高耗能工藝。在當前環保要求日益嚴格的趨勢下，研究節能環保型茶葉加工能源使用方式，具有重大的社會和經濟意義[1-2]。宜昌地區大部分中小型茶葉加工廠依然采用木材和煤炭作為茶葉加工的主要燃料，燒柴對三峽地區良好的森林植被構成了威脅，必須禁止。煤炭作為能源，則會給茶葉生產過程引入蒽醌等歐盟國際市場禁入的安全指標，影響茶產品開拓國際市場。而且排放的煤煙，粉塵也會對庫區環境造成破壞。因此，在宜昌三峽庫區茶業生產中采用替代型清潔能源提升茶葉生產水平，是一項重要任務。

生物質顆粒成型燃料是以木屑、秸稈等農林剩余物為原料，在高壓加熱條件下，壓縮成顆粒狀且質地堅實的成型物，成型燃料除具有比重大、便于貯存和運輸、著火容易、燃燒性能好、熱效率高的優點外，還具有灰分小、燃燒時幾乎不產生 SO2，不會造成環境污染等優點，是一種較為理想的清潔燃料[3]。以生物質顆粒為燃料的燃燒機，是新能源利用轉化的成果，在農業機械、生物質發電、工業鍋爐、食品烘干設備等行業的應用廣泛。在茶葉機械領域，有報道稱生物質顆粒燃燒機配套茶葉殺青機、 茶葉炒干機使用并取得良好效果[4]。本項目在三峽原紅茶業公司，結合曲型香茶生產實際情況，進行了不同類型能源加工茶葉效率評估與分析，以探究生物質能源在香茶加工中的增效減排效果，為制茶的清潔型能源推廣做初步研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

材料：供試鮮葉采自宜昌夷陵區太平溪鎮三峽原紅茶業有限公司茶園基地，采摘標準為一芽二三葉。

能源：煤、生物質顆粒燃料。

1.2 設備儀器

FLIR TG-165紅外測溫儀（德國）、6CZQRC-500型蒸汽殺青機(四川省登堯機械設備有限公司)、GRFL-120型高溫熱風爐（浙江上洋機械股份有限公司）、6CST-90型滾筒殺青機 (四川省登堯機械設備有限公司）、JJ-RSJ-30W.Kcal/H型生物質燃燒機（浙江久久能源設備有限公司）、Y1-112M-4型三相異步電動機（襄陽世陽電機有限公司）。

1.3 試驗方法

1.3.1蒸汽殺青環節能源替代專項測試

蒸青殺青生產線在殺青機蒸汽發生環節將煤熱風爐改造為生物質熱風爐，因此只研究蒸汽發生器部分的能耗，后半段熱風爐的能耗對比未進行統計。殺青環節進行精確稱量400 Kg鮮葉，煤和生物質燃料在殺青前后分別進行精確稱重，計算單位能耗數據。

1.3.2 循環炒干環節能源替代專項測試

實驗設備采用6CST-90型滾筒殺青機循環炒干，分別采用電與生物質能源作為熱源，炒干相同質量的初干后的茶葉。電能消耗采用單獨電表精確計量，生物質燃料采用磅秤計量前后稱重統計消耗量。

1.4 數據處理

采用軟件 Excel 2016進行數據分析處理。

2 結果與分析

2.1 蒸汽殺青不同類型燃料的效率對比

如表1所示，蒸汽殺青機的蒸汽發生爐采用生物質燃料能夠實現每千克燃料殺青5.30 Kg茶青的生產效果，采用煤能夠實現每千克燃料殺青5.80 Kg茶青的生產效果。雖然生物質能源殺青效果略微低于煤，但減少煤的使用可以有效地控制SO2的排放，減少空氣污染和熱排放。此外，燃煤熱風爐設計中必須考慮熱爐芯內表面下端必須鑲砌耐火磚來保護熱風爐不被損壞，且必須布置合理的爐柵來控制煤燃燒面積及控制爐膛容積，但這些結構減少了熱風爐的有效換熱面積，傳統柴煤噴流熱風爐熱效率低于70% 。如果采用生物質顆粒燃燒機來對熱風爐加熱，因為顆粒燃燒機火焰在爐芯中間垂直向上噴，不會直接對爐芯內壁進行加熱，在相同外形尺寸下，熱風爐換熱面積提高了 8.5%，有效地提高熱風爐熱效率η[4]。以生物質作為燃料使設備改造有較大成本空間，并且能夠大大提升生產車間的環境潔凈程度，同時使用自動進料的生物質燃燒機后，能夠減少50%的人工投入，降低茶葉生產的單位成本。從企業財務成本考慮，采購生物質能源目前享有16%稅務抵扣，生產成本總體下降顯著。可以確定生物質能源替代煤作為茶葉生產的發熱能源，能夠實現更低的綜合成本，提升香茶產品效益。因此，生物質能源替代煤作為殺青能源，具有很好的可行性與操作性。

表1 蒸汽殺青不同類型燃料的效率對比表

2.2 香茶循環炒干能耗效率對比

如表2所示，相對于電能而言，生物質供能香茶炒干效率更高，達到同等品質僅需1個小時，單位能源炒干茶量，生物質能源為4.75 Kg，而電能僅為2.05 Kg。因此我們認為生物質能源在循環炒干環節，熱能集中，熱效率較高，產率比電能提升1.3倍，而且在車間內，不需設立單獨隔離裝置，燃燒后僅有極少量煙氣排放，大大減少了環境污染。課題組與生產企業均對此測試結果表示認同，認為生物質能源是曲型香茶循環炒干環節最優的能源選擇方案。

表2 香茶循環炒干能耗效率對比表

2.3 生物質能源的經濟效益

通過調研也發現，在宜昌太平溪區域內加工香茶，全程使用煤作為燃料，加工50公斤干茶一般需用煤炭75公斤，每噸煤炭的價格按照1100元算，每公斤干茶加工燃料成本1.65元；使用了生物質燃料，每加工50公斤干茶，需要70公斤生物質燃料，每噸生物質顆粒燃料的價格是1000元，換算后，加工同樣的茶葉需要1.4元的燃料成本，每公斤干茶直接生產成本可適當降低。從用工角度計算，生物質燃燒機不需要頻繁加料，一條生產線每天可以節約一個工人的工時費。每加工1公斤干茶，能節約綜合成本0.25元左右，按每年生產6個月，年產125噸香茶計算，該項替代可節省綜合成本40000元以上。經過調研后我們也發現在三峽庫區仍然有某些小廠以柴為燃料，一般濕柴100 Kg價格50元左右，干柴100 Kg價格80元左右。按照年產50噸干茶的小廠每年采購柴火花費6.5萬元計算，每公斤干茶燒柴成本也需要1.3元，但砍柴會大量破壞山區植被，一個小型茶廠一年常常會燒掉200立方以上的木材，如果規模化生產，以柴為能源難以持續發展。只有相對清潔的能源才能支撐茶葉長期健康發展。

3 結論

在節能環保的時代背景下，采用更加清潔高效的能源，是茶葉生產的必然方向。目前，生物質燃料在香茶的主要生產環節，相對于煤，具有清潔無污染的顯著優勢；相對于電能，則具有相對較高的生產效率，具有明顯的節能優勢。因此，我們認為生物質能源在目前環境下可以作為一種較好的替代清潔能源，在香茶生產領域有很好的推廣應用價值。

致謝：本研究工作受到國家重點研發計劃項目（現代茶制品加工與貯藏品質控制關鍵技術及裝備研發，項目編號：2017YFDO400801），（茶葉精制智能化技術裝備研發，項目編號2018YFD0700505）資助,湖北移民局2016年度三峽后續工作科研項目資助，一并致謝。