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趙新帥1，羅會龍1，祁志敏2
（1.昆明理工大學建筑工程學院，云南昆明650500；2.宜良縣九鄉農友烤煙種植專業合作社，云南昆明652114）
摘要：為了推廣生物質顆粒替代煤炭成為烘烤新能源，本文通過對兩種不同能源密集烤房在烘烤成本、熱能利用率、烤后煙葉外觀質量、烤后煙葉等級結構和經濟性狀的對比分析以及投資回收期的靜態計算。與燃煤型密集烤房相比，生物質顆粒燃料密集烤房烘烤成本更低，熱能利用率更高，并且在提高烤后煙葉質量和經濟性狀上優勢明顯。同時，生物質顆粒燃料密集烤房改造簡單，投資少，靜態投資回收期僅為1.44年。因此，生物質顆粒作為替代煤炭成為烘烤新能源，不僅在降本增效方面效果顯著，而且通過減少使用煤炭燃料，極大地減少了對環境的污染，應得到全面推廣。
0引言
20世紀60年代，我國開始研究密集烤房[1]，經過幾十年的發展，密集烤房相對于普通烤房優勢非常明顯：（1）烤房容量大，裝煙密度大，省工節能；（2）煙葉烘烤質量得到進一步提高，經濟性狀更好；（3）有利于集約化管理，實現專業化烘烤[2－3]。現如今，密集烤房已成為我國煙葉烘烤中最主要的烤房形式[4]。
燃煤型密集烤房是我國使用最為普遍的一種能源形式的密集烤房，取得了很好的效果[5－6]。然而燃煤型密集烤房的缺陷也十分突出，尾氣污染物排放量大，煤炭燃燒有滯后效應，烘烤過程中人工投入大[7]。
因此，隨著我國環境污染日趨嚴重，煤炭資源面臨匱乏，急需一種新型能源取代煤炭作為燃料進行煙葉烘烤。生物質顆粒作為替代煤炭的一種能源已經在煙葉烘烤中得到了一定的應用和研究[8－9]。與煤炭相比，生物質顆粒是一種可再生能源，每年全球累計的生物質總量達1730億t，蘊含的能量相當于全球總能耗的10～20倍[10]，其中我國的生物質能源儲備十分豐富[11]。宋朝鵬等[12]研究發現，提供同樣能量，煤的S和NOx排放量分別是秸稈的7倍和1.15倍。生物質能源的開發利用有利于響應國家倡導的走可持續發展道路政策，對于保護生態環境具有重要意義。本試驗通過對比分析以型煤和生物質顆粒作為能源的密集烤房的烘烤效果，為推廣生物質顆粒燃料密集烤房提供理論依據和技術支撐。
1材料與方法
1.1試驗概況
試驗于2017年7～9月在云南省宜良縣九鄉農友烤煙種植專業合作社烘烤基地進行。密集烤房為新建的十連體構造，如圖1所示，各烤房的建造要求、建造材料和建造參數等指標一致。供試烤煙品種為K326，選取統一管理、煙葉成熟落黃適熟程度、鮮煙葉素質相同的上、中、下3個部位的煙葉分別進行烘烤試驗。烘烤技術均采用智能型密集烤房控制器設定的“三段式”烘烤工藝[13]，燃料分別為生物質顆粒和型煤。生物質顆粒的原材料為秸稈（煙桿、玉米桿）、廢棄木材、樹皮等，秸稈回收利用，農戶自行拉運至合作社稱重干秸稈，合作社按照0.3元/kg干秸稈進行付現，不僅實現了廢物利用，而且農戶還可以增加一部分收入。型煤是用適量水與煤攪拌成塊狀成型，由廠家將型煤運送到合作社煙草烘烤基地，型煤單價包含運費。
云南地區7～9月份為雨季，天氣因素也會對烘烤效果產生一定的影響，下雨天氣加大空氣濕度，使得煙葉水分增加，本試驗采用同一部位煙葉于同一時間進行采收，采煙當天完成編煙。裝煙過程，降低因天氣因素產生的試驗差異。烘烤前檢查烘烤設備是否存在問題，排除故障，保證對比試驗外部影響因素基本相同。
本試驗所用烤房均為智能型密集烤房，其主要特點有：節省電，節省燃料；智能化控制，實現了烤房內部溫濕度的精確自動控制；除人工加料外，烘烤過程自動控制，節約人力；溫差波動范圍小，烤房內溫濕度均勻，設備性能穩定，烘烤品質穩定。使用智能型密集烤房，減少了因烤房本身性能的優劣對實驗的影響，有利于得到更加準確、可靠的實驗數據。
1.2試驗設計
試驗設置2個處理：T1：型煤為燃料；T2：生物質顆粒為燃料。每個處理設置烤房1座，每個處理烘烤3個部位煙葉各一房，同一部位煙葉采用同一時間，相同烘烤工藝進行烘烤。如圖1，十連體烤房從左至右，依次編號從1JHJ至10JHJ烤房，選取2JHJ和5JHJ密集烤房進行試驗，試驗期間所用烤房兩側烤房均無煙葉烘烤工作。每房選取24夾代表煙葉進行標記，烤房裝煙4層，每層放置標記煙葉6夾，左右兩路，按照前、中、后部位，均勻分布。裝煙室尺寸為8000mm×2700mm×3500mm（長×寬×高）。循環風機型號為：GKF7－6/4，風量＞15000m3/h，且分為兩檔，風壓為170～250Pa的烤煙專用軸流風機，送風方式為氣流下降式。生物質顆粒燃料燃燒機采用云南名澤煙草機械有限公司生產的設備，型號為5HY－108。試驗使用統一規格、重量相同的不銹鋼梳式烤煙夾裝煙。在烘烤前紀錄裝煙夾數、鮮煙葉重量、電表開始讀數；烘烤過程中紀錄燃料用量；烘烤結束后記錄干煙葉重量、電表結束讀數，計算鮮干比，統計煙葉等級、各等級煙葉比重及上、中、下等煙比例。從而進行煙葉烘烤成本、熱能利用率、外觀質量、結構等級和煙葉均價的對比分析以及投資回收期的靜態計算。選取每處理每房標記的24夾代表煙葉進行烘烤效果的統計分析，數據統計使用Word、Origin等軟件。
2結果與分析
2.1烘烤成本對比
烘烤成本主要包括用工成本和燃料成本。烘烤用工費由九鄉農友烤煙種植專業合作社統一核算，再折算為單位烤房費用。每20座燃煤型密集烤房、生物質顆粒燃料密集烤房分別需要4人、1人管理，資費200元/（人.d）。每房烘烤時間統一為7d。因此，經計算，T1和T2烘烤一房煙葉需要人工成本分別為280元/座、70元/座。
由表1可知，單位烤房T2比T1平均多耗電約20kW.h，這是因為生物質顆粒燃料密集烤房所使用的生物質燃燒機需要消耗部分電量，因此耗電成本略高；經計算單位烤房T2比T1可節省烘烤成本133.1元，再加上秸稈回收，農戶也可以增加一部分收入，降本增效更加突出。
2.2熱能利用率對比
熱能利用率受很多外部因素的影響，如：烤房、換熱器、火爐、風機等[14]，本試驗所用設備及烤房等外部參數條件基本一致，因此，它們對T1和T2的熱能利用率的影響基本一致。通過比較能耗大小來分析T1和T2熱能利用率的高低。即得到1kg干煙葉所消耗的熱能越少，則說明熱能利用率越高。
烤房的能耗主要包括耗電量與燃料燃燒所釋放的熱量。在此，將耗電量換算成耗熱量，電的熱值為0.36×104kJ/kg，型煤的發熱量約為2.50×104kJ/kg。所用生物質顆粒的發熱量約為16.75kJ/kg，即1.67×104kJ/kg。由表2可知，T1較T2在相同部位煙葉烘烤時更加消耗熱量，1kg干煙葉T1平均多消耗熱量0.8×104kJ，說明生物質密集烤房能耗更少，熱能利用率更高。從表中還可以看出，用生物質顆粒作為燃料進行烘烤時，上、中、下3個部位煙葉的鮮干比分別提高了0.8、0.5、1.5，說明煙葉在烘干過程中，吸收了更多的熱量，失水更多，在某種程度上可反映出熱能利用率更高。
2.3烤后煙葉外觀質量對比
烤后煙葉質量等級評定標準采用GB2635—92分級標準進行[15]，選取X2F、X3F、C2F、C3F、B1F、B2F六種主要煙葉外觀質量等級進行比較。由表3可知，兩種不同能源密集烤房對烤后各等級煙葉外觀質量除生物質顆粒燃料B1F身份優于型煤燃料外，其他各方面表現兩者基本相同，說明生物質顆粒取代煤炭作為煙葉烘烤燃料不會對烤后煙葉外觀質量產生較大影響。
2.4烤后煙葉等級結構對比
烤后煙葉的等級結構能夠直觀反映兩種不同能源密集烤房烘烤性能的優劣。由表4可知，T2較T1，中、上等煙葉整體比例更高；中、上部位烤后煙葉：T2的上等煙葉比例較T1提高了1.50和5.00個百分點；下部烤后煙葉的中等煙比例T2較T1提高了3.60個百分點，而且級外煙葉比例T2更低。表明生物質顆粒燃料密集烤房在提高烤后煙葉質量上效果顯著，具有更好的經濟效益。
2.5烤后煙葉經濟性狀
根據烘烤后干煙葉質量等級數量（除去表4中級外煙葉數量）和各等級煙葉收購單價計算得表5，均價=烤后干煙葉收購價格÷烤后干煙葉質量，經計算得圖2所示。T2較T1，上、中、下3個部位烤后干煙葉均價分別提高了1.26元/kg、0.53元/kg、0.90元/kg，整體均價提高了1.018元/kg。表明生物質顆粒燃料密集烤房相對于燃煤型密集烤房，能夠明顯提高烤后煙葉均價。
2.6投資回收期
投資回收期是指使累計的經濟效益等于最初的投資費用所需的時間，是用來考察項目投資盈利水平的經濟效益指標[16]。本試驗采用不考慮時間價值的靜態投資回收期進行簡單的投資回收期計算。
靜態投資回收期的表達式為：
生物質顆粒燃料密集烤房相對于燃煤型密集烤房增加了一臺生物質顆粒燃燒機，單價為7500元/臺，商家免費安裝，即一座烤房的改造總投資為7500元。經計算T2烤后干煙葉均價28.295元/kg、T1烤后干煙葉均價27.277元/kg。由于在實際煙葉烘烤中，無法保證每座烤房產值相同，因此為避免在比較中因產值差異而引起的影響，產量統一為干煙葉600kg/房，則T2較T1每房烤后煙葉產值增加610.8元，又因為T2較T1平均每房節省烘烤成本133.1元，按照每年烘烤季節內每座烤房平均烘烤7房煙葉。經計算，一座生物質顆粒燃料密集烤房比燃煤型密集烤房每年多產生經濟效益之和為5207.3元，可得出靜態投資回收期（Pt）為1.44年，本試驗使用的生物質顆粒燃料燃燒機使用壽命為5年，第2年累計凈現金流量出現正值的年份，即兩年內回收投資。
3結論
通過對生物質顆粒燃料密集烤房和燃煤型密集烤房在烘烤成本、熱能利用率、烤后煙葉外觀質量、烤后煙葉等級結構和經濟性狀的對比分析以及投資回收期的靜態計算。研究結果表明：
1）通過集約化烘烤，生物質顆粒燃料密集烤房能夠減少用工成本，充分發揮生物質顆粒燃料燃燒機的優勢，極大地減少了加料次數和降低了工作強度。由于煤炭燃燒具有滯后性，對烘烤加料人員技術經驗要求較高，而生物質顆粒燃料密集烤房在烘烤過程中管理簡單，燃燒機自動送料，實現了自動控制，省工省時；
2）生物質顆粒燃料密集烤房改造簡單，只需在原有密集烤房上增加生物質顆粒燃料燃燒機即可，投資少，靜態投資回收期僅為1.44年。宜良縣九鄉農友烤煙種植專業合作社擁有自己的生物質顆粒生產設備，降低了生產成本。同時，生物質顆粒原材料就地取材，將秸稈（煙桿、玉米桿）、廢棄木材、樹皮等材料廢物利用，農戶自行將干秸稈拉運至合作社稱重，合作社按照0.3元/千克干秸稈進行付現，不僅實現了廢物利用，而且農戶還可以增加一部分收入；
3）在烤后煙葉質量和經濟性狀方面，生物質顆粒燃料密集烤房烤后干煙葉整體質量優于燃煤型密集烤房，上、中、下3個部位烤后干煙葉均價均有所提高，整體均價提升明顯。由表5可知，T2較T1，雖然均價有所提升，但是干煙葉收購總價卻有所減少，原因是各煙葉部位的鮮干比均有所加大，雖然能夠反映生物質顆粒燃料密集烤房熱能利用率更高，但是也導致T2烤后干煙葉產量少于T1，試驗有待優化。鮮干比是指鮮煙葉質量和烤后干煙葉質量的比值，因此，下一步還需要針對煙葉鮮干比進行深入研究，降低生物質顆粒燃料密集烤房的鮮干比，保證煙葉品質的前提下，增加烤后干煙葉產量；
4）熱能利用率方面，研究表明，生物質顆粒燃料密集烤房較燃煤型密集烤房，1kg干煙葉消耗熱量減少0.8×104kJ；雖然生物質顆粒燃料密集烤房熱能利用率有所提高，但提升空間很大。可進行以下方面的加強與完善：（1）完善烘烤技術，探究最佳裝煙密度、烘烤溫濕度、烤房內氣流速度等；（2）改進烤房建筑結構，尋找適宜烤房建造的材料，降低密集烤房建造成本，規范配套設備的安全可靠；（3）改進生物質顆粒生產設備，提高生物質顆粒質量，也可以通過采用燃燒性能更好的生物質顆粒原材料，提高生物質顆粒的熱值。
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