醇基燃料在煙草工業化烘烤中節能環保效果研究*

劉兆宇 羅會龍 陳頤 鄒聰明

(1.昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500； 2.云南省煙草農業科學研究院 昆明 650031)

*基金項目：國家自然科學基金(51766005)。

0 引言

進入 21 世紀后，密集烤房已成為我國煙葉烘烤設備的發展方向，與傳統的煙葉烤房相比，密集烤房采取強制通風、熱風循環，具有裝煙量大、省工省時、規模大等特點，代表著煙草烘烤邁入工業化時代。煙葉烘烤過程一般是通過燃料在爐膛中燃燒產生熱量，再通過換熱設備加熱烤房內空氣，熱空氣加熱煙葉，使煙葉脫水[1]，在熱交換過程中需要消耗大量的能量。我國是煙草生產大國，同時能源相對匱乏，燃煤目前是我國煙草烘烤的主要燃料，我國烤煙年產量維持在150萬t左右，按每烤1 kg干煙成品需要1.5～2.0 kg煤炭計，烘烤煙葉需要消耗煤炭225～300萬t[2]。為滿足國家環保需求，近年來各地區開始推廣生物質燃料，然而兩種傳統燃料燃燒釋放的粉塵、NOx、SO2和多環芳烴等給周圍環境帶來較大的污染[3]。因此在工業化煙草烘烤產區，推廣使用高效節能環保燃料，是順應綠色、環保、節能減排的國家需求和現代工業化發展的前提條件。

醇基燃料主要是甲醇、乙醇為主體,加以相關功能性添加劑復配的燃料，熱值高達2.7×107J/kg，其具有原料廣泛、成本低廉、清潔衛生，在常溫常壓下便于儲存、運輸和使用等優點,是傳統化石能源的優秀替代品[4]。周春霄等[5]的研究表明，醇基燃料作為工業鍋爐燃料相比燃煤具有巨大優勢。盧昌銳等[6]的研究表明，醇基燃料在石英砂烘干中能有效減低能耗、提高石英砂烘干效率和產品質量。同時醇基燃料作為新能源也廣泛應用于汽車行業[7]和民用灶具領域[8]。

近年來，我國開始將醇基燃料應用于工業化煙草烘烤中，目前仍屬于試驗階段。本文以醇基燃料密集烤房與生物質顆粒燃料密集烤房、燃煤密集烤房進行節能環保對比研究，綜合評價醇基燃料的節能效益和環保效果，為我國新能源燃料在煙草工業化烘烤中的推廣與應用提供理論基礎和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及材料

試驗于2019年7—9月于云南省大理州某烘烤工廠進行，該工廠擁有110余座工業化密集烤房，可提供試驗所需的各類型燃料及配套設備。

供試烤房采用標準氣流下降式烤房，長、寬、高分別為8.2、2.7、3.5 m ，其中可裝3層煙葉，烤房結構模型如圖1所示。

圖1 密集烤房結構模型

1.2 試驗設計、測定方法

試驗設3個處理：①燃煤烤房T1：以市面上普通燃煤為燃料，燃煤在爐膛內直接燃燒供熱。②生物質顆粒燃料烤房T2：主要成分為廢秸稈、煙稈、木屑等，添入少量粘合劑，通過機械加壓的方式，將原來松散無規則的原料變為密度很大，有一定規則形狀的固體原料，在與爐膛連接的外置生物質顆粒燃燒機中燃燒，產生熱空氣向爐膛內供熱。③醇基燃料烤房T3：使用市面上液態醇基燃料，外部醇基液體燃料儲存罐通過金屬管道與醇基燃燒機連接，通過控制設備實現燃料自動供應，醇基燃料通過燃燒機進行氣化，氣化后的醇基燃料在爐膛內燃燒，產生的高溫氣體經由爐膛外部換熱翅片及頂部換熱器與周圍空氣產生熱量交換。每個處理重復3次。試驗采用同一批次煙葉，同時裝入同規格的烤房，烤房內裝煙量一致，3個處理除燃料和供熱方式不同，其余條件均相同。

在烘烤開始前，記錄裝入新鮮煙葉的重量及桿數，保證每個處理重復試驗裝入的新鮮煙葉重量一致，在烘烤過程中，對3個處理的燃料消耗量及用電量進行記錄。在烘烤完成后，記錄每桿的烤后干煙重量，并根據單位干煙成品的燃料成本、用電成本、人工成本，綜合評價不同燃料的烘烤耗能和成本。

在烤房煙囪口放置紅外煙氣探頭，每隔1 h依次對3種烤房煙囪口測量點進行1次檢測，儀器可以實時檢測數據，每個烤房分別進行8次檢測，最終檢測結果取8次檢測數據的平均值。

2 結果與分析

2.1 烘烤成本及能耗

不同燃料烤房能耗及成本情況見表1，由表1可知，處理T3在燃料消耗量方面明顯小于處理T1和處理T2，1 kg干煙成品總成本方面均小于處理T1(燃煤烤房)和處理T2(生物質顆粒燃料烤房)。不同處理1 kg干煙成品燃料消耗方面，T3燃料消耗最低，為1.76 kg，較T1和T2分別降低了48%、55%，燃料節約效果十分顯著。但在不同處理1 kg干煙成品燃料消耗成本方面， T3成本最高，為2.14元，較T1和T2成本分別提高了34%、8.4%。

在烘烤過程中，除烤房內配套的大功率風機外，用電量主要為燃燒機運行所必需的耗電量，由于醇基燃燒機采用全自動化運行，因此T3耗電量最大。在不同處理1 kg干煙成品燃料電能消耗方面，T3為0.36 kW·h，較T1和T2分別提高了16.6%、5.5%，同時1 kg干煙成品用電成本方面較T1和T2增加了0.03元、0.01元。

由于醇基燃燒機由外接的儲料罐自動加料，因此醇基燃燒機不需要人工加料，在每次烘烤中，較T1和T2分別減少了3個工時和2個工時，極大地解放了勞動力。綜合分析醇基燃料烘烤不僅自動化程度高，節省勞動力，而且節能效益較傳統燃料十分顯著。

表1 不同燃料烤房能耗及成本情況

2.2 煙氣成分

煙氣主要污染物排放檢測結果見表2，由表2可知，醇基燃料烤房(T3)煙氣中的煙塵、SO2、CO、NOx排放量明顯低于燃煤烤房(T1)和生物質顆粒燃料烤房(T2)。由于醇基燃料本身含氧，燃燒時需氧量較少，燃燒充分，煙氣中不含有碳粒，因此無煙塵和SO2排放。同時不同處理排放煙氣中，T3排放氣體的CO含量極低，為9.5 mg/m3，較T1減少4 022.5 mg/m3，降幅達99.7%，較T2減少127.5 g/m3，降幅達93%；T3排放氣體的NOx含量最低，為19.2 mg/ m3，較T1減少106.8 mg/m3，降幅達84.7%，較T2減少101.8 mg/m3，降幅達80.7%。在環保減排方面有著明顯的優勢。

表2 煙氣主要污染物排放檢測結果 mg/m3(含氧量除外)

3 討論

3.1 醇基燃料節能經濟效益

醇基燃料的熱值一般為20.1～26.0 MJ/kg ，是柴油、液化氣等高熱值燃料熱值的 60%左右[9]。同時醇基燃料燃燒機將液體醇基氣化后燃燒，燃料燃燒充分，熱利用率極高。目前以燃煤為燃料的密集烤房，熱利用率僅為 20%～35%[9]，而生物質顆粒燃料其原材料含水量高、能量密度低、體積大、來源分散，導致不便收集、貯存和運輸[10]，同時存在人工夯料上層燃料不能下落，氣化溫度較低，長時間燃燒產生的焦油較多，需解決低成本除焦技術等問題[11]。因此，醇基燃料應用在工業化模式的煙葉烘烤中有著極大的節能優勢。目前醇基燃料的市場單價還比較高(2 400元/t左右)，但醇基燃料來源廣泛,既可以生物質通過發酵得來,也可以由煤等化石燃料為原料經化工過程產生[4]，隨著醇基生產工藝的成熟，成本將進一步下降。因此，在大規模工業化煙草烘烤中，醇基燃料的應用前景十分廣闊。

3.2 醇基燃料減排環保效果

醇基中不含苯、硫，同時其成分中也不會含有烴類物質，燃燒后主要為CO2和H2O，作為燃料使用不會有PM2.5、SO2生成，與燃煤、生物質顆粒相比，具有很大的環保優勢。生物質顆粒燃料中S含量相對燃煤較低，因此可大幅減少SO2的排放，同時在外置燃燒機中燃燒的生物質顆粒燃燒更加充分，減少了煙氣中不飽和化合物的排放，對降低CO排放非常明顯。但是生物質燃料本質上依然是廢秸稈、木屑等加工成型后的產物在爐膛內燃燒，仍有必要配備專用除塵、脫硫脫硝設施，相關研究表明，生物質燃料進行點燃焚燒，產生的SO2取決于原料的種類，NOx的排放并不會因為其成型而減少[12]。因此，醇基燃料對維護當地大氣環境將發揮積極作用，環保效益十分明顯。但是目前依舊需要重視醇基的使用安全問題，如甲醇在 64 ℃下就會由液態變成氣態，形成甲醇蒸汽，如果人體長時間吸入過量甲醇蒸汽，輕者會出現頭暈、視力模糊、眼睛失明，重者則會產生中毒身亡事故[8]，這對烘烤工廠的管理水平提出了更高的要求。

4 結語

國家在“十三五”規劃中把“優化能源結構，推進能源科技創新”作為主要任務，各地方政府近年來也不斷加大對環保工作的投入，各煙葉烘烤產區的環保督查壓力日趨嚴峻，傳統燃料的環保問題更加突出，在能源短缺和環境污染的雙重壓力下，從節能經濟效益、環保減排兩方面綜合考慮，在工業化煙草烘烤中推廣醇基燃料，不僅是煙葉烘烤清潔生產及節能減排的發展方向，也是工業現代化發展的必然選擇。