茍文濤¹，王曉劍²，鐘俊周³，郭鴻雁²，陳建軍¹，李茂軍²，張澤民¹，鄧世媛¹

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草研究室，廣東廣州510642；2.廣東煙草韶關(guān)市有限公司，廣東韶關(guān)512000；3.廣東煙草韶關(guān)市有限公司始興分公司，廣東始興512500)

　　摘要：為研究生物質(zhì)燃料在煙葉烘烤應(yīng)用上的可行性，以前期篩選出的最佳生物質(zhì)燃料配方50%木屑+50%煙稈為原料，利用HCK045A型高效生物質(zhì)顆粒機(jī)壓制成直徑8mm的顆粒燃料，以此作為替代能源進(jìn)行了煙葉烘烤試驗(yàn)。試驗(yàn)共設(shè)置T0(0替代，CK)、T1(30%替代)、T2(50%替代)、T3(70%替代)、T4(100%替代)5個(gè)處理，對烘烤中不同處理烤房的干濕球溫度、烤房綜合熱效率、烤后煙葉化學(xué)成分及協(xié)調(diào)性、燃燒煙氣中污染物含量、烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀及烘烤成本等指標(biāo)進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明：不同替代程度的生物質(zhì)燃料所加熱的烤房，在變黃期和定色期干濕球溫度上升較快，干筋期上升較慢，烤房熱效率較高；烤后煙葉化學(xué)成分適中、協(xié)調(diào)性較好；烘烤時(shí)排放煙氣中的主要污染源物質(zhì)SO₂含量顯著降低，尤其是T4處理的排放量只有CK的4.17%；由于生物質(zhì)燃料烘烤用工和能耗成本的增加導(dǎo)致整體烘烤成本有所升高，T1幅度最小為1.72%，T4升幅較大，達(dá)20.62%，但由于生物質(zhì)燃料烘烤的煙葉中上等煙比例增加，最后的產(chǎn)值仍然提升，其中T1增加幅度最大，達(dá)22.91%。

　　煙葉生產(chǎn)中的烘烤環(huán)節(jié)是一個(gè)大量耗能的過程^[1]，雖然我國的煙葉烤房已經(jīng)從普通烤房改進(jìn)成了密集型烤房，在一定程度上達(dá)到了節(jié)能的目的，但在全國各煙區(qū)，煙葉烘烤的熱量來源仍然以煤炭為主，隨著能源的日趨緊張，尋找煙葉烘烤能源替代途徑已成為當(dāng)前烤煙生產(chǎn)中亟待解決的問題^[2]。

　　生物質(zhì)是指直接或間接利用綠色植物光合作用形成的有機(jī)物質(zhì)，包括所有的植物、動(dòng)物和微生物及其代謝與排泄物等^[3]。每年全球積累的生物質(zhì)總量達(dá)1730億t，蘊(yùn)含的能量相當(dāng)于目前全球總能耗的10～20倍^[4]，我國擁有居世界首位的生物質(zhì)能源產(chǎn)量，年產(chǎn)農(nóng)作物秸稈、谷殼等總量約14億t，如開發(fā)用于燃燒，可折合7億t標(biāo)準(zhǔn)煤^[5]。前人研究發(fā)現(xiàn)，提供相同能量，煤的S和NO_x排放量分別是秸稈的7.00倍和1.15倍^[6]。因此，生物質(zhì)能源作為一種可再生的低碳能源，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ拈_發(fā)利用對于建立可持續(xù)能源系統(tǒng)、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重大意義^[7]。目前，煙葉烘烤上研究應(yīng)用的生物質(zhì)多為農(nóng)作物秸稈，應(yīng)用方式主要有生物質(zhì)型煤、生物質(zhì)氣化、生物質(zhì)壓塊等^[8－11]，但有關(guān)提高煙稈利用率和利用煙稈制備生物質(zhì)燃料應(yīng)用于煙葉烘烤的研究還未見報(bào)道。

　　因此，本試驗(yàn)就是在前期試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以篩選出的最佳配方50%煙稈+50%木屑為原料壓制成生物質(zhì)顆粒燃料，研究了不同程度生物質(zhì)燃料替代煤炭對煙葉烘烤的影響，以期為生物質(zhì)燃料在煙葉烘烤上的廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)和參考。

　　1材料和方法

　　1.1供試材料和試驗(yàn)地點(diǎn)

　　供試烤煙(Nicotiana tabacum L.)品種為K326，種子由廣東省煙草南雄科學(xué)研究所提供。試驗(yàn)于2015年3－12月，在廣東省韶關(guān)市始興縣馬市鎮(zhèn)安水村和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草研究室進(jìn)行。試驗(yàn)土壤為牛肝土，土壤肥力均勻，株距0.65m、行距1.20m，田間密度為12000株/hm²，前茬作物為水稻。本試驗(yàn)采用氣流上升式密集性烤房，裝煙室長8.0m、寬2.7m、高3.5m，裝煙容量4500kg左右。風(fēng)機(jī)功率為1.5～2.2kW，并根據(jù)不同的烘烤階段需求調(diào)節(jié)風(fēng)速轉(zhuǎn)速，以確保烘烤順利進(jìn)行。

　　1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　本試驗(yàn)以前期試驗(yàn)篩選出的最佳生物質(zhì)燃料配方50%煙稈+50%木屑作為替代燃料配方，以廣東煙草韶關(guān)市有限公司始興縣公司馬市煙站提供優(yōu)質(zhì)的無煙煤作為對照(T0)，設(shè)置4種生物質(zhì)燃料替代程度，共5個(gè)處理(表1)。選擇同一田塊具有相同成熟度的上二棚鮮煙葉，按照優(yōu)質(zhì)烤煙三段式烘烤工藝進(jìn)行烘烤。

　　1.3測定項(xiàng)目與方法

　　1.3.1烤房溫度和濕度的測定　烘烤時(shí)平面和垂直溫差：采用北京宏海永昌技術(shù)開發(fā)中心生產(chǎn)的DTM-280LCD數(shù)顯溫度計(jì)，分別在每個(gè)烤房上、中、下3層安裝9個(gè)溫度計(jì)^[12]，當(dāng)煙葉開始烘烤后，在各取樣時(shí)間點(diǎn)記錄各點(diǎn)溫度計(jì)的溫度值，計(jì)算平面和垂直溫差。使用烤房溫濕度自控儀進(jìn)行烤房濕度的測定。

　　1.3.2綜合熱效率　烤房熱效率(熱能利用率)測定：熱效率η=G_水×2590/G_煤×Q，式中G水表示烘烤過程中排出的水分重量，kg；烤房中每排出煙葉內(nèi)1kg水分約耗熱量2590kJ；G_煤表示烘烤過程中燒煤的重量，kg；Q表示所用煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg；烘烤過程中煙葉內(nèi)排出的水分可以通過烤前和烤后每竿煙重量的變化計(jì)算得出。

　　1.3.3煙葉化學(xué)成分的測定　烤后煙葉化學(xué)成分的測定，各處理煙葉取C3F樣品，測定總糖、淀粉、總氮、煙堿、蛋白質(zhì)氨基酸^[13－14]，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T176-2003測定煙葉中石油醚提取物的含量^[15]，利用原子吸收光譜法測定鉀含量^[16]。

　　1.3.4試驗(yàn)烤房爐廢氣測定　由韶關(guān)市環(huán)保檢測站進(jìn)行測定，參照HJ/T57-2000測定廢氣中的SO₂^[17]，參照魏復(fù)盛^[18]《空氣和廢氣監(jiān)測分析方法》測定廢氣中的NO、NO₂，參照GB/T16157-1996測定廢氣中的CO^[19]。

　　1.3.5經(jīng)濟(jì)性狀的測定　每個(gè)試驗(yàn)烤房標(biāo)記10竿樣煙，記錄煙葉總片數(shù)、烤房總竿數(shù)、煙葉烘烤結(jié)束所用時(shí)間，稱量鮮煙葉凈重、干煙葉凈重，分別測定樣煙初烤煙平均單葉重、千克干煙燃料耗用量，最后采用國家技術(shù)監(jiān)督局烤煙GB2635-92標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級^[20]，記錄烤后煙葉上等煙、低次等煙及橘色煙的葉片數(shù)和重量，并參照當(dāng)?shù)責(zé)熑~收購價(jià)格計(jì)算等級比例和均價(jià)。

　　1.4數(shù)據(jù)分析

　　采用MicrosoftExcel、SPSS軟件，運(yùn)用方差分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；用單因素方差分析比較處理之間的差異性，采用鄧肯氏新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性比較。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1不同生物質(zhì)燃料替代程度對烤房干濕球溫度的影響由圖1，2可知，隨著烘烤的進(jìn)行，各處理所加熱的烤房干濕球溫度呈現(xiàn)逐漸上升趨勢。烘烤0～96h(變黃期和定色期)，干濕球溫度上升較慢，與T0加熱的烤房相比，不同替代程度的生物質(zhì)燃料所加熱的烤房干濕球溫度上升較快，且干濕球溫度略高于煤炭加熱的烤房，尤以T1加熱的烤房干球溫度增長最快、干球溫度的增速為0.13℃/h，T4加熱的烤房濕球溫度增加最快、增速為0.06℃/h，T2加熱的烤房濕球溫度增加最慢(0.03℃/h)；烘烤96h－烘烤結(jié)束(干筋期)，干濕球溫度上升較快，T0加熱的烤房干濕球溫度增加最快，分別為0.41，0.07℃/h。

　　2.2不同生物質(zhì)燃料替代程度對烤房燃料消耗量及綜合熱效率的影響

　　表2顯示，在煙葉烘烤過程中，不同生物質(zhì)燃料替代煤炭烘烤煙葉時(shí)，燃料消耗量和燃料添加次數(shù)較多，烤房綜合熱效稍低。與T0相比，T4處理進(jìn)行煙葉烘烤時(shí)的燃料需生物質(zhì)燃料1754.73kg，比T0所需的1155.00kg煤炭高出34.18%，這是因?yàn)樯镔|(zhì)燃料燃燒過程中的熱量比煤炭低。隨著生物質(zhì)燃料替代程度的增加，烘烤所需生物質(zhì)燃料的量不斷增加，燃料添加次數(shù)也增多，T4處理整個(gè)烘烤過程中的燃料添加次數(shù)最多、達(dá)332次，而T0處理的燃料添加次數(shù)僅為73次。從烤房的綜合熱效率來看，T0(100%煤炭)處理最高(42.97%)，T1其次(41.15%)，T2則最低(40.42%)，比T0低了2.55個(gè)百分點(diǎn)。

　　2.3不同生物質(zhì)燃料替代程度對烤后煙葉主要化學(xué)成分及協(xié)調(diào)性的影響

　　前人研究表明，烤煙煙葉石油醚提取物含量高時(shí)，煙葉的油分較足，其香氣物質(zhì)較多，因此，石油醚提取物含量的高低通常作為衡量煙葉內(nèi)在品質(zhì)的重要指標(biāo)之一^[21－23]。煙葉在烘烤過程中，淀粉分解產(chǎn)生的游離糖與蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生的氨基酸進(jìn)行美拉德反應(yīng)，產(chǎn)生一系列致香前體物質(zhì)以及糖的衍生物，對煙葉的香吃味有重要作用，但烤后煙葉殘留的淀粉對煙葉色、香、味不利，嚴(yán)重影響煙葉的外觀和內(nèi)在質(zhì)量^[24－26]。濃香型特征烤煙要求烤后煙葉的淀粉含量小于4.5%、總糖為18%～22%、還原糖為16%～18%，煙堿為2.5%～3.0%，糖堿比為6～8，氮堿比為0.8～1.0^[27－28]。從表3可以看出，不同生物質(zhì)燃料替代程度烘烤后的煙葉化學(xué)成分及其協(xié)調(diào)性表現(xiàn)出明顯差異，尤以淀粉和石油醚提取物差異最為顯著。與T0相比，不僅不同生物質(zhì)燃料替代程度烘烤后的煙葉淀粉含量顯著較低，尤以T3和T4最為顯著，分別為2.74%，2.94%；而且不同生物質(zhì)燃料替代程度烘烤的煙葉，石油醚提取物含量除T2外其他處理均極顯著較高，與T0相比，T3和T1所烘烤的煙葉石油醚含量最高，分別為8.62%和8.05%。

　　2.4不同生物質(zhì)燃料替代程度對煙葉烘烤中排放煙氣污染物含量的影響

　　隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，空氣污染物的排放量不斷增加，污染范圍不斷擴(kuò)大，以二氧化硫、顆粒物、氮氧化物等為主要污染物的大氣環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重[29]。由表4可以看出，T0(100%煤炭)處理烘烤煙葉時(shí)，所排放煙氣中SO₂的含量非常高，達(dá)1368mg/m³，而利用生物質(zhì)燃料替代煤炭烘烤煙葉后，SO₂的含量則大大降低，不同替代程度也大不相同，其中T1最高，達(dá)210mg/m³，但仍然比T0低了6.5倍，T4處理最低、僅為57mg/m³，只有T0的4.17%。從氮氧化物的排放來看，T0處理所排放煙氣中NO的含量較低、為52mg/m³，但不同生物質(zhì)燃料替代程度間的結(jié)果有所不同，T2處理降低了NO的排放量(為38mg/m³)，但其他3個(gè)處理反而增加了NO的排放量，其中T4最高，達(dá)118mg/m³，與T0相差2.27倍；煙氣中NO₂的含量在各個(gè)處理間也沒有明顯的規(guī)律，T1、T3與T0處理間差異不明顯，但T2、T4處理煙氣中NO₂的含量高于T0，尤其是T4處理的NO₂含量，比對照高2倍。煙氣中CO的含量以T0(100%煤炭)和T3處理最低(均為293mg/m³)，其次是T1處理，T4最高，達(dá)693mg/m³，比T0高出2.37倍。

　　2.5不同生物質(zhì)燃料替代程度對烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀的影響

　　由表5可知，生物質(zhì)燃料烘烤處理在烤后煙葉經(jīng)濟(jì)性狀方面比煤炭烘烤處理有所提高。不同生物質(zhì)燃料替代程度烤后煙葉的中上等煙比例均高于T0，其中以T1最高，為89.98%，比T0高出3.22個(gè)百分點(diǎn)，T2較低，但仍然比T0高。不同處理間均價(jià)差異較大，煤炭烘烤(T0)的煙葉均價(jià)低于其他處理，其中T1處理烘烤的煙葉均價(jià)最高、達(dá)27.52元/kg，與T0(23.24元/kg)相比高出4.28元/kg、相差了15.55%。T0處理的產(chǎn)值最低(14674.89元)，T1處理的產(chǎn)值最高(30%替代)、達(dá)18036.33元，比T0增加了4400.14元，相差22.91%。

　　表6顯示了不同處理的烘烤成本。從表中可以看到，T0的烘烤時(shí)間最長、達(dá)192h，其余處理的時(shí)間相同、均為180h；待烘烤結(jié)束煙葉回潮后，測得各處理間的平均單煙葉干質(zhì)量表現(xiàn)為T3最大，而T0最小。在整個(gè)烘烤過程中，T0所需人工量最少，其他處理的用工量和用工成本，隨著生物質(zhì)燃料替代程度的增加而增大，T4的用工成本最大，為600元，較T0的高250元。不同處理間燃料成本和耗電成本的不同導(dǎo)致了能耗成本的差異，T0的耗電最多但燃料成本最低，T4的燃料成本最大、較T0高出17.4%，但耗電下降，綜合燃料成本和耗電成本來看，還是以T0的能耗成本最低。不同處理上烤時(shí)的裝煙密度約為65～70kg/m³，烤后不同處理的干煙生產(chǎn)量表現(xiàn)為T3最高，而T0最低。綜合來看，T4(100%替代)的每千克干煙烘烤成本最高，需3.51元，比T0處理每千克干煙的烘烤成本2.91元高出20.62%，T1的烘烤成本增長幅度最小為1.72%。

　　3討論與結(jié)論

　　煙葉烘烤是一個(gè)既伴隨著物理變化又進(jìn)行著復(fù)雜的生理生化變化的過程，煙葉烘烤過程中烤房內(nèi)部的溫濕度環(huán)境既決定著煙葉生理生化物質(zhì)轉(zhuǎn)化速度，也決定著各種化學(xué)成分合成的量。因此，創(chuàng)造一個(gè)適宜的烘烤溫濕度條件既能促進(jìn)烤煙各種生理生化變化過程合理進(jìn)行，同時(shí)使得煙葉的失水和變黃基本同步進(jìn)行，才能進(jìn)一步提高烤煙的質(zhì)量^[28，30]。本試驗(yàn)研究表明：與煤炭烘烤相比，不同替代程度的生物質(zhì)燃料所加熱的烤房干濕球溫度在煙葉變黃期和定色期上升較快，干筋期上升較慢，升溫效果好，這與徐成龍等^[31]研究結(jié)果相似。

　　宮長榮等^[32]研究發(fā)現(xiàn)，低溫中濕變黃和中濕定色處理能有效改善煙葉的外觀質(zhì)量，其烘烤的煙葉化學(xué)成分更協(xié)調(diào)，本試驗(yàn)使用不同替代程度的生物質(zhì)燃料所加熱的烤房，雖然在變黃期和定色期干濕球溫度略高于煤炭加熱的烤房，但烤后煙葉的中上等煙比例明顯提高。

　　煙葉烘烤的最終目的就是要最大限度地顯現(xiàn)和獲取煙葉在生長過程中形成和積累起來的質(zhì)量潛勢，達(dá)到烤熟、烤黃、烤香，充分彰顯煙葉的特色^[28，33]。本試驗(yàn)研究表明，雖然煤炭烘烤的煙葉化學(xué)成分協(xié)調(diào)性較好，但不同替代程度的生物質(zhì)燃料所烘烤的煙葉化學(xué)成分更為接近孫福山等^[27]提出的濃香型煙葉主要化學(xué)成分要求，尤以淀粉含量和石油醚提取物含量最為突出，這對改善和提高煙葉品質(zhì)有借鑒意義。

　　目前，我國大氣污染控制的重點(diǎn)仍然是SO₂、煙塵和粉塵等一次污染物，能源排放的SO₂占總排放量的90%左右^[34]。本試驗(yàn)采用生物質(zhì)燃料替代煤炭烘烤煙葉時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著生物質(zhì)燃料替代比例的增加，SO₂的排放量顯著降低，大幅度減少了煤炭燃燒時(shí)SO₂的釋放量，這將為節(jié)能減排及環(huán)境保護(hù)做出重大貢獻(xiàn)。王文杰等^[5]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)壓塊使用農(nóng)作物秸稈加工而成，其含硫量低，與使用煤炭相比，實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的零排放和微硫化物排放，對改善環(huán)境、降低溫室效應(yīng)都有極大的好處。該試驗(yàn)結(jié)果與本研究結(jié)果相類似，但NO_x和CO的排放量稍有增大，這可能是爐膛體積小一次性燃料添加過多造成的，如果對烤房烤房爐膛進(jìn)行改造并配備鼓風(fēng)機(jī)，上述問題可以得以改善。宋春宇等^[35]研究表明，秸稈壓塊烤煙雖然燃料成本有所增加，但可降低烘烤用工成本，總體上可節(jié)約成本。本試驗(yàn)研究表明，不同替代程度的生物質(zhì)燃料烘烤的煙葉因燃料成本較大導(dǎo)致千克干煙成本較高，但烤后煙葉的產(chǎn)值和中上等煙比例均高于煤炭烘烤的煙葉，尤以T1最為顯著。此外，前期試驗(yàn)結(jié)果表明，與煤炭相比，生物質(zhì)燃料的爐灰鉀含高，結(jié)渣率底，可以作為有機(jī)肥利用。

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