麗江煙區(qū)生物質烤房燃料顆粒配方的篩選

摘要為探索生物質顆粒燃料在麗江煙區(qū)的高效應用，利用區(qū)域內產量較大且穩(wěn)定、便于收集的低成本煙稈作為主料，設計不同輔料的麗江煙區(qū)生物質顆粒燃料配方，對烤煙品種K326進行烘烤，通過比較不同燃料的成本與經濟效益、燃燒性能、污染物排放以及煙葉烘烤的外觀品質和烘烤曲線，旨在篩選出優(yōu)質的生物質燃料配方。結果表明，生物質燃料烤房在節(jié)約成本、經濟效益增收、燃燒性能、煙葉外觀品質和烘烤曲線時間上，均優(yōu)于傳統(tǒng)燃煤烤房；其中“75%烤煙稈+25%鋸末”和“50%烤煙稈+50%鋸末”配比的綜合效果較好，有利于煙葉風味物質積累；此外，生物質燃料排放的SO2和顆粒污染物低于傳統(tǒng)燃煤，排放的NO"n較高于傳統(tǒng)燃煤。初步篩選出適合生物質烤房的燃料配方，并進一步證明生物質烤房優(yōu)于傳統(tǒng)燃煤烤房，對后續(xù)改進生物質烤房和優(yōu)化生物質燃料配方提供了積極的參考意義。

關鍵詞生物質燃料；經濟效益；燃燒性能；污染物排放；烘烤曲線

中圖分類號TS44"文獻標識碼A"文章編號0517-6611（2025）01-0168-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.01.035

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

ScreeningofFuelPelletFormulationsinBiomassGrillsinLijiangTobacco-growingArea

HEBiao，HEXue-jia，HEQiangetal

（YunnanTobaccoCompanyLijiangCityCompany，Lijiang，Yunnan674100）

AbstractToexploretheefficientapplicationofbiomasspelletfuelinLijiangtobaccogrowingareas，usinglow-costtobaccostickswithlargeandstableyieldandeasycollectioninthisregionasthemainmaterial，designingdifferentauxiliarymaterialsforbiomasspelletfuelformulasinLiji，theaimistoscreenouthigh-qualitybiomassfuelformulas.Theresultsshowedthatthebiomassfueledbarnhadbettercostsaving，economicbenefits，combustionperformance，appearancequalityoftobaccoleavesandbakingcurvetimethanthetraditionalcoal-fueledbarn.Amongthem，the“75%tobaccostickand25%sawdust”and“50%tobaccostickand50%sawdust”hadbettercomprehensiveeffects，whichwasbeneficialfortheaccumulationofflavorsubstancesintobaccoleaves.Inaddition，theemissionsofSO2andparticulatepollutantsfrombiomassfuelwerelowerthanthoseoftraditionalcoal，whiletheemissionsofNO"n"werehigherthanthoseoftraditionalcoal.Thisstudypreliminarilyscreenedoutsuitablefuelformulasforbiomass-fueledbarn，andfurtherprovedthatbiomass-fueledbarnwassuperiortotraditionalcoal-fueledbarn.Thisprovidespositivereferenceforfurtherimprovingbiomass-fueledbarnandoptimizingbiomassfuelformulas.

AbstractBiomassfuel;Economicbenefits;Combustionperformance;Pollutantemissions;Bakingcurve

作者簡介賀彪（1975—），男，云南麗江人，農藝師，從事煙草栽培技術研究。*通信作者，農藝師，從事煙草栽培技術研究。

煙葉烘烤是烤煙生產的重要環(huán)節(jié)，該過程需要投入大量勞動力和燃料。在美國，烤煙生產燃料費用大概占生產烤煙成本的25%，我國需要投入大致相當的燃料費用。當前能源日趨緊張，燃料價格長期不斷上漲，燃料成本的升高進一步制約了煙草的產量^［1］。2009年11月，國家煙草局印發(fā)了國煙辦綜〔2009〕 418號文件，確定了密集型烤房連排建設方式，使我國密集型烤房建設水平和煙葉烘烤應用技術水平大幅度提高^［2］。密集型烤房作為現代煙草農業(yè)發(fā)展的重要基礎設施和煙葉生產基礎設施建設的重要內容，成為全國各煙區(qū)煙葉烘烤的應用主體。當前，新型標準密集烤房已成為烤煙加工主要設備，且以烤房群的形式規(guī)劃建設，供熱還以燃煤為主，煙葉烘烤季節(jié)煤炭燃燒集中釋放的煙塵、碳氧化合物、硫化物和氫氧化物造成烤房群周圍環(huán)境較大污染，隨著國家環(huán)境保護“十三五”規(guī)劃對煤炭使用逐步限制，改變煙葉烘烤以煤炭做燃料供熱的方式也勢在必行^［3］。

生物質能作為綠色低碳清潔可再生能源已得到廣泛認可，替代縣域及農村燃煤供熱具有得天獨厚的優(yōu)勢^［4］。利用生物質能源烘烤煙葉，達到減少污染、保證煙葉烘烤質量，降本增效，是近年來煙葉烘烤能源替代應用的主要探索方向^［5］。生物質顆粒是一種在常溫條件下利用壓棍和環(huán)模對粉碎后的生物質秸稈、林業(yè)廢棄物等原料進行冷態(tài)致密成型加工的可再生能源，原料的密度一般為0.10～0.13 t/m3，成型后的顆粒密度1.1～1.3 t/m3，方便儲存、運輸，而且大大改善了生物質的燃燒性能^［6］。與煤炭相比，生物質燃料可循環(huán)利用，屬可再生能源、易得且來源廣泛，可減少SO 2、CO 2、NO "X 等的排放，減少污染^［7］。我國是烤煙生產大國，又是能源匱乏的國家，但我國的生物質能源儲備十分豐富，因此調整能源結構，利用生物質顆粒能源是必然選擇。生物質顆粒能源的開發(fā)利用不僅有利于降低烤煙生產投入，增加煙農收入，而且充分響應國家倡導的走可持續(xù)發(fā)展道路政策，降低環(huán)境污染，為低碳環(huán)保的現代煙草農業(yè)建設提供保障。但目前，生物質配方各有不同，各地氣候環(huán)境以及生物質性能不一致，限制了生物質燃料的推廣，不同的配方往往會產生較大的差異，其在烤煙烘烤過程中能發(fā)揮的作用也長短不接，因此，因地制宜，探究適宜各大煙區(qū)的優(yōu)質生物質燃料配方將為煙區(qū)烤煙生產提質增效做出重大貢獻。

麗江作為特色優(yōu)質煙區(qū)，密集型烤房眾多，2019年以后持續(xù)開展生物質燃料顆粒烘烤設備推廣，加大生物質燃料顆粒烘烤設備的改造建設力度，目前全市已經建設改造820多臺生物質燃料顆粒烘烤設備，年推廣超過800hm2烤煙生物質烘烤，累計推廣超過3333hm2的生物質燃料顆粒烘烤面積，覆蓋全市四縣一區(qū)，該研究通過分析多個生物質燃料配方，結合麗江市自身實際情況，篩選出經濟適用、節(jié)能環(huán)保的生物質燃料配方，以期為下一步大范圍推廣應用生物質燃料提供理論依據，進而推動烘烤向清潔可持續(xù)健康發(fā)展。

1材料與方法

供試材料為統(tǒng)一管理、煙葉成熟落黃一致、鮮煙葉素質相同的烤煙品種K326的上、中、下３個部位的煙葉；供試能源以烤煙稈、麥稈和鋸末作為主要原料，設計不同燃料配方，加工出不同的生物質顆粒燃料。

1.1試驗地點及設備

烤房和生物質原料主要選取試驗地點在云南省麗江市玉龍縣黎明鄉(xiāng)（27°07′N，90°50′E），位于玉龍縣金沙江河谷特色優(yōu)質煙葉產區(qū)中心地帶，屬于亞熱帶高原河谷氣候，主要有河谷區(qū)、半山區(qū)、高寒山區(qū)3類地形，海拔1800～4513m。采用由云南佳葉工貿有限公司生產的氣流下降式臥式密集型烤房專用全自動生物質燃料顆粒燃燒機，具有自動精準控溫功能，受外界氣溫變化因素的影響小；可自動進料，并與烤房控制箱連接，按照控制器所設定的溫度曲線自動進行火力控制，實現煙葉烘烤的自動燒火目標。

1.2試驗設計

試驗處理分別為100%用烤煙稈加工（T1）、75%烤煙稈+25%麥稈（T2）、50%烤煙稈+50%麥稈（T3）、75%煙稈+25%鋸末（T4）、50%煙稈+50%鋸末（T5）、密集型燃煤（CK）。選取長勢均勻一致的煙田，待煙葉正常成熟落黃后采收，并全部采用煙夾編煙。各烤房裝煙稈數基本相同，并都按K326煙葉烘烤技術標準進行烘烤。每個處理的烤房選取等級為C3F的烤后煙葉各2kg，用于效果指標的測定。另選取15夾具有位置代表性的煙夾進行標記，用于經濟性狀統(tǒng)計分析。

1.3成本及經濟效益調查

工人成本、燃料成本、烤房數量、煙葉種植面積、烤煙稈回收價格等通過走訪、網絡查詢等方式獲得。

1.4外觀品質感官評價

煙葉烘烤后，通過肉眼觀察葉面色澤、紋理，嗅聞葉片味道，以及觸摸葉片質感的方式進行評定。

1.5燃燒性能測定

燃料燃燒性能委托云南省佳葉工貿有限公司送至云南省煤炭產品質量監(jiān)督檢驗站進行專業(yè)檢測，參照國標GB/T212—2008《煤的工業(yè)分析方法》，采用SDTGA—2000型工業(yè)分析儀測定生物質燃料和燃煤的空氣干燥基水分（Mad）、揮發(fā)分（Vdaf）、空氣干燥基氫元素（Had）、全水分（Mt）、全硫（Stad）、結焦率（Ad+Fcd）和燃燒值（AVG），每個樣品測量3次取平均值。

1.6污染物排放檢測

委托云南省能源技術中心，依據GB/T15316—2009《節(jié)能監(jiān)測技術通則》、GB/T3486—1993《評價企業(yè)合理用熱技術導則》、GB/T15371—2009《燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測》，分別對不同能源密集烤房整個烘烤過程的排放進行監(jiān)測。

1.7烘烤曲線設定烘烤曲線設定參見表1。

1.8數據分析試驗數據處理、方差分析和作圖采用MicrosoftExcel和SPSS21.0軟件完成。

2結果與分析

2.1成本與經濟效益

截至2023年9月，燃煤銷售價格約為900元/t，而生物質燃料銷售價格為850元/t，參考以煤代柴的政策補貼200元/t，燃料成本降低50元/t；傳統(tǒng)燃煤烤房的用工量是生物質烤房的2.5倍，按工人工資以100元/d計算，生物質烤房工人成本降低了60%（表2）。雖然生物質烤房的中等及上中等煙葉質量比傳統(tǒng)燃煤烤房略高，但烘烤后的整體煙葉質量高于傳統(tǒng)燃煤烤房，故而均價也比傳統(tǒng)燃煤烤房高0.49元/kg（表3）。

2.2烤煙外觀品質分析

由圖1～3可知，從外觀質量來看，生物質燃料烘烤的煙葉外觀質量接近，且整體外觀質量比傳統(tǒng)燃料烘烤的煙葉較清爽干凈，烤壞的煙葉較少，上等煙比例也較高。

2.3燃燒性能分析

由圖4、5可知，空氣干燥基水分（Mad）、揮發(fā)分（Vdaf）和空氣干燥基氫元素（Had）含量處理之間均相差不大。CK全水分（Mt）含量最低（3.2%），T1、T2和T5較高。全硫（Stad）含量T3最高（1.21%），其余都很低且較接近。結焦率（Ad+Fcd）CK＞T3＞T4＞T2＞T1＞T5。燃燒值（AVG）CK＞T3＞T4＞T1＞T5＞TT2燃燒值過低，建議棄用。

2.4污染物排放量與濃度差異

由圖6a可知，在6%～22%的含氧量下，傳統(tǒng)燃煤的SO2排放量明顯比生物質燃料高出4倍，生物質燃料的SO2排放量≤0.01kg/h；隨著O2含量的不斷增加，傳統(tǒng)燃煤SO2排放量下降幅度較大，生物質燃料依舊保持著趨近零的較低SO2排放量。由圖6b可知，生物質燃料產生的SO2濃度變化隨O2含量增加而前期平緩發(fā)展、后期逐漸緩慢上升；傳統(tǒng)燃煤的SO2濃度集中在1239～2797mg/m3，并且整體比生物質燃料多485～2789mg/m3。

由圖6c、6d可知，生物質燃料產生的氮氧化物（NO"n）（n=2）排放量（≥0.02kg/h）和濃度（≥300mg/m3）都高于傳統(tǒng)燃煤；但是隨著O2含量的增加，生物質燃料產生的NO"n趨近于傳統(tǒng)燃煤較低的排放量，生物質燃料處理的NO"n濃度在526～1188mg/m3無序變化，傳統(tǒng)燃煤處理的NO"n濃度則在300mg/m3以下較平穩(wěn)的緩慢變化。

由圖6e、6f可知，生物質燃料和傳統(tǒng)燃煤各自產生的顆粒污染物排放量均隨O2濃度增加呈現明顯下降趨勢，而顆粒污染物濃度則是出現明顯上升趨勢。并且傳統(tǒng)燃煤產生的顆粒污染物排放量和濃度分別比生物質燃料高1.60倍和1.96倍。

綜上所述，生物質燃料產生的SO2和顆粒污染物排放量和濃度均比傳統(tǒng)燃煤低，產生的NO"n排放量和濃度比傳統(tǒng)燃煤高。SO2、NO"n和顆粒污染物的排放量隨O2含量的增加而明顯地下降；另外，即使是SO2、NO"n濃度變化無序，也和顆粒污染物的濃度變化一樣，隨O2含量的增加，存在不同程度的上升趨勢。

2.5烘烤曲線差異

除了38.0/54.0℃、40.0/68.0℃外，其余干/濕球關鍵溫度點的烘烤時間為上部葉（U）＞中部葉（M）＞下部葉（L），與不同葉片位置的烘烤總時間變化相同；38.0/54.0℃的烘烤時間基本為10h（除了T3處理的上部葉）；40.0/68.0℃的烘烤時間為上部葉＞下部葉＞中部葉。不同處理在37.0/48.0℃、38.0/54.0℃、40.0/68.0℃時的烘烤時間變化較小；T4和T5處理在34.0/35.0℃時的中部葉、下部葉烘烤時間較短，僅8h；T3和T5處理在36.0/38.0℃時的不同葉片位置的烘烤時間均比其他處理用時短；在35.5/42.0℃時，不同葉片位置的烘烤時間為CK＞T1＞T2＞T4＞T3=T5（圖7a）。

從煙葉的位置看，總烘烤時間為上部葉＞中部葉＞下部葉；從不同處理看，總烘烤時間為CK＞T1＞T2＞T3＞T4＞T5，即“50%烤煙稈+50%鋸末”處理的烤房用時最短，傳統(tǒng)燃煤烤房用時最長（圖7b）。

3討論

3.1烘烤燃料與經濟效益的聯結效應

玉龍縣黎明鄉(xiāng)上游有玉龍縣巨甸鎮(zhèn)、魯甸鄉(xiāng)、塔城鄉(xiāng)等傳統(tǒng)老煙區(qū)，隔江對望的有香格里拉市五境鄉(xiāng)、拖頂鄉(xiāng)、上江鄉(xiāng)、金江鎮(zhèn)等優(yōu)質煙區(qū)，下游有石鼓鎮(zhèn)、石頭鄉(xiāng)、九河鄉(xiāng)、龍蟠鄉(xiāng)等優(yōu)秀煙葉產區(qū)，這些地區(qū)屬于金沙江河谷特色優(yōu)質煙葉產區(qū)中心地帶，氣候適宜，土壤肥沃，煙草貿易交通便利，在麗江煙區(qū)的主要植煙區(qū)中具有很高的代表性，在該中心地段種植和運輸煙草的成本較低。

生物質燃料烘烤煙葉有4個方面的經濟效益。一是燃料成本，在不可再生能源開采量日益減少的情況下，煤價逐年上漲，即使在2023年海外能源供需趨于寬松和供給增加等影響下有所下降^［8］，也不可避免煤價的長期增長趨勢，反而生物質燃料展現出了不斷擴大發(fā)展的優(yōu)勢。黎明鄉(xiāng)現有超過1 266.7 hm2烤煙和約1 300座的密集型烤房，使用生物質燃料的烤房每年燃料成本的降本優(yōu)勢為1 500元/座，每年降本約達195萬元。二是烤煙稈回收的經濟效益，烤煙稈回收價格為300元/t，以往毫無價值丟棄的廢物，按實測的2 250 kg/hm2回收，黎明鄉(xiāng)1 266.7 hm2烤煙產出的烤煙稈回收帶來全區(qū)域約85.5萬元的經濟收入。三是優(yōu)質煙葉的市場均價效益，因為傳統(tǒng)燃料火勢比較難掌握，火勢時大時小，烤壞的煙葉自然較多，而生物質燃料機送料速度和火勢可控，送料平穩(wěn)，對煙葉造成損壞較小，所以上等、中等和上中等煙比例自然要稍微高一些，烘烤的煙葉由于質量普遍優(yōu)于傳統(tǒng)燃煤烘烤，均價也比傳統(tǒng)燃煤烤房高0.49元/kg，與王亮^［9］的研究一致。四是人工成本，傳統(tǒng)烘烤用工是生物質燃料烘烤用工的2.5倍，且工作量完全不是一個檔次，量化下來能夠節(jié)約烘烤用工約90%，僅原先10%的用工和工作量就能完成烘烤工作，對農戶的節(jié)工增收具有巨大的意義。綜合可知，生物質燃料是基本可以取代燃煤燃料的。

3.2燃料配比與燃燒性能的關系

燃料中的水分過低、燃燒值過高，煙葉容易烤焦，影響風味物質積累；水分過高、燃燒值過低，容易增加污染物的排放，也不利于煙葉的品質形成。因此就全水分含量和燃燒值而言，“75%烤煙稈+25%鋸末”的燃料配比對煙葉風味的形成較適合。

烤煙燃燒性會隨著硫含量的增加而變差，硫對煙葉的燃燒起阻礙作用^［10］；而結焦率越高，說明燃燒越不充分^［11］。所以就全硫含量和結焦率而言，“50%烤煙稈+50%鋸末”配比的生物質燃料更適合煙葉風味的形成。

3.3傳統(tǒng)燃煤與生物質燃料的污染物排放對比

研究結果顯示，生物質燃料產生的SO 2和顆粒污染物的排放量和濃度均比傳統(tǒng)燃煤低，這說明生物質自身含礦物質含量豐富，更多的組成成分是被燃燒形成固體灰渣，所以產生的氣體硫化物和氣溶性小顆粒污染物較少。Tang等^［12］發(fā)現，較低的燃燒溫度可以減少SO 2的實際排放量和轉化率，這與筆者研究中生物質燃料的燃燒值普遍比傳統(tǒng)燃煤低的現象相同，較低的燃燒溫度即可對生物質燃料進行燃燒轉化。此外，Tang等^［12］還發(fā)現，一定范圍的反應壓力可以抑制實際的SO 2排放，促進硫向CaSO 4和K 2SO 4固體形式的硫化物轉化，這對后續(xù)改進生物質燃料烤房的烘爐具有一定的借鑒價值。

生物質燃料NO "n 排放量和濃度比傳統(tǒng)燃煤高，是由于生物質本身由蛋白質構成基本骨架，而蛋白質的基本組成元素之一就是N，加之生物質燃料的含氮量較高，而燃煤的主要組成物質為C和H，所以燃燒產生的氮氧化物自然比傳統(tǒng)燃煤產生的高^［13］。另外，在吳正余等^［14］的研究中，燃料中增加H "不僅烘爐燃燒溫度會提高，煙囪口NO "n 的排放也會增加，所以生物質燃料的配料中，也應注意減少生物質的水分，避免高溫分解產生較多的H 2。

SO2、NO"n、顆粒污染物的排放量和濃度隨O2含量的增加，分別出現不同幅度的降低和上升，這說明O2含量越高，越有利于抑制污染物的排放；值得注意的是，污染物的排放量與濃度變化，在O2的影響下存在不同程度的相關性，這可能對以后污染物的排放監(jiān)測起到一定的幫助。

3.4烘烤時間的影響因素

試驗結果表明，生物質烤房在烘烤過程中具有升溫速度均衡、穩(wěn)溫性能好的特點，燃料供給及時，烘烤工藝及烘烤設控溫控濕性能好，便于煙農操作與控制烤房溫濕度，所以生物質燃料烤房的烘烤曲線溫度變化和總烘烤時間均低于傳統(tǒng)燃煤烤房，與高強等^［15］研究一致。“50%烤煙桿+50%鋸末”處理的生物質烤房用時最短，可能與鋸末燃燒的熱值低，揮發(fā)分高有關。研究中，煙葉不同位置的烘烤時間呈上部葉＞中部葉＞下部葉位的特點，符合煙葉葉片的生理特性：上部葉最厚、水分較多，不容易烤，下部葉最薄、水分較少。至于在最后40/68 ℃時出現的上部葉＞下部葉＞中部葉的烘烤時間，可能是下部葉煙筋較老，韌性較大，故而烤干下部葉的煙筋就會比中部葉花費更多的時間。

4結論

該研究以玉龍縣黎明鄉(xiāng)生產的烤煙品種K326為對象，以烤煙稈、麥稈和鋸末作為主要烘烤原料，燃煤為對照（CK），設計不同生物質燃料配方，對燃料的成本與經濟效益、燃燒性能、污染物排放以及煙葉烘烤的外觀品質和烘烤曲線進行了分析研究，結論如下：

（1）生物質燃料烤房的燃燒成本、人工成本均低于傳統(tǒng)燃煤烤房，烤煙稈的回收效益、市場均價也均高于傳統(tǒng)燃煤烤房。

（2）生物質燃料的燃燒性能方面，從全水分含量、燃燒值來看，“75%烤煙桿+25%鋸末”處理較適合煙葉風味物質形成；從全硫含量和結焦率來看，“50%烤煙桿+50%鋸末”處理更利于煙葉風味物質形成。

（3）生物質燃料排放的SO2和顆粒污染物低于傳統(tǒng)燃煤，而排放的NOn較高于傳統(tǒng)燃煤，且在一定范圍內，隨O2含量的增加，排放量呈逐漸下降的趨勢。

（4）“50%烤煙稈+50%鋸末”處理的生物質烤房用時最短，在最后40/68℃階段，下部葉的煙筋比中部葉需要花更多時間烘烤。

（5）綜上所述，生物質燃料烤房在節(jié)約成本、經濟效益增收、燃燒性能、煙葉外觀品質和烘烤曲線時間上，均優(yōu)于傳統(tǒng)燃煤烤房。

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