罗贞宝，李德仑，黄宁，黄翔，马云飞，史训瑶，武圣江，涂永高

摘  要：为减少烤房能耗过高和污染等问题，采用新型内置一体式生物质密集烤房，与燃煤、外置式生物质密集烤房在烘烤性能、废气排放、烤后烟叶产质量、综合效益等方面进行了对比研究。结果表明，新型内置一体式生物质密集烤房稳温性能优于燃煤密集烤房，与外置式生物质烤房性能相当;综合热效率分别提高了12.54%和5.01%，干烟用工成本分别降低了88.98%和10.80%，烤后烟叶均价分别提高了1.89和0.26元/kg，烤后烟叶油分略有提升、杂气略有减轻，烟叶烘烤平均净均价分别增加2.63和0.46元/kg;中部烟叶烘烤过程中4种有害废气总含量分别降低了9 235.70和1 524.73 mg/m3。因此，新型内置一体式生物质密集烤房烘烤效果最佳，更具有推广价值。

关键词：生物质烤房;内置一体式燃烧机;烘烤成本;烟叶质量;废气排放

Study on Curing Effects of New Built-in Type Integrated Biomass Curing Barn

LUO Zhenbao1， LI Delun2*， HUANG Ning3， HUANG Xiang3， MA Yunfei2， SHI Xunyao4，

WU Shengjiang2， TU Yonggao2

（1. Bijie Company of Guizhou Provincial Tobacco Company， Bijie， Guizhou 551700， China; 2. Guizhou Academy of Tobacco Science， Guiyang 550081， China; 3. Guiyang Company of Guizhou Provincial Tobacco Company， Guiyang 550000， China; 4. Guizhou Provincial Company of CNTC， Guiyang 550002， China）

Abstract： In order to solve the problems of high energy consumption， cost and pollution in biomass energy curing barn， a new built-in type of integrated biomass intensive curing barn was designed. The device performance， economic characteristics， appearance and sensory quality of cured-leaves， gas emission and integrative benefit in three types of bulk curing barn （coal-fired， external biomass， built-in biomass） were compared. The results showed that the temperature stability performance of the new built-in biomass curing barn was better than that of the coal-fired bulk barn and was equivalent to that of the external biomass curing barn in cutter leaves. The average labor cost of cutter and upper leaves decreased with the amplitudes of 88.98 and 10.80 percentage points， respectively; The average price of the same part of tobacco leaves increased by 1.89 and 0.26 yuan/kg， respectively; The oil content of cutter and upper tobacco leaves were all increased slightly and the impurity gas were all decreased slightly; The average net income increased by 2.63 and 0.46 yuan per kilogram of tobacco leaves， respectively; The total emissions contents of four harmful gases in the stack gas of the new built-in biomass curing barn under cutter leaves were reduced by 9235.70 and 1 524.73 mg/m3， respectively. Therefore， the new built-in biomass barn has the best curing effect and is worth popularizing.

Keywords： biomass energy curing barn; built-in integrated burner; curing cost; quality of tobacco leaves; exhaust emission

多年來，我国烟叶烘烤主要以燃煤密集烤房为主，存在热能利用率不高、排放污染重、用工耗能高、自动化程度低、控温不精准等问题，已不能满足时代需求[1-4]。生物质能源具有分布广、资源多、含硫低、灰分少、可再生的特点[5-6]，现已成为烟叶烘烤中清洁能源的主流。

目前，关于外置式生物质烤房在减工降本、提质增效等方面的文献报道较多[3-4]，但内置式生物質能源烤房的研究报道较少。内置式生物质燃烧机将燃料的燃烧位置由外置喷火改为内置于炉膛，从能量损耗角度分析，更有利降低损耗。生物质燃烧机内置化改进是进一步降低能耗，实现烤烟低碳烘烤技术途径之一[5]。生物质燃料具有挥发分高，热值低，碱金属元素含量高的特点，其燃烧产物易对燃烧设备造成腐蚀、积灰和结渣的不良影响[6]。匹配合适的燃烧设备及散热设备不仅可以提高燃料的燃烧效率，还可以减少燃烧过程中的污染物排放，实现节能减排[7-9]。因此，为进一步提高生物质的燃烧效率，降低排放，设计了一种新型内置一体式生物质密集烤房，采用智能控制、四级配风和二次燃烧技术，使燃烧更充分、温控更精准。采用的板式两极换热技术，相比普通密集烤房，换热面积增加1.2倍，换热更高效。为明确其烤房性能及效果，试验以燃煤密集烤房和当前烘烤中主推的外置式生物质烤房为对照，开展了新型内置一体式生物质密集烤房烘烤效果研究，以期为新型内置一体式生物质密集烤房改进及推广应用提供依据。

1  材料与方法

1.1  试验材料

试验于2020年8—9月在贵州省六盘水市水城县箐口烟叶烘烤基地进行。供试烤烟品种为云烟87，试验用地为黄壤土，土壤肥力中等。田间栽培管理和烟叶烘烤调制按当地优质烤烟生产技术规范进行。选取同一烟田长势均匀、成熟度一致的中、上部烟叶（以第9～11叶位为中部，以第14～16叶位为上部）进行烘烤试验。烘烤技术按照“十个关键稳温点”烘烤工艺进行。起火温度控制在30 ℃，稳温4 h，以1 ℃/h的速率升温到36 ℃，稳温6～8 h，直至观察窗水雾明显，叶尖变黄10 cm。变黄阶段干球温度控制于38 ℃，湿球37 ℃，保湿变黄时间24 h，烟叶达到7～8成黄（中部叶7～8成黄，上部叶达7成黄）。变黄后期（40～42 ℃），保持湿度36 ℃，以1 ℃/3 h升温至45～48 ℃，湿球温度为36～37 ℃，使烟叶主脉褪绿变黄。定色后期（51～54 ℃）控制湿球温度为38～39 ℃，稳温8～10 h，使烟叶达到大卷筒。干筋阶段以1 ℃/h的速率升温到68 ℃，湿球温度在40～41 ℃，稳温24 h以上，直至整炕烟叶干燥，停火。

1.2  试验设计

试验设3个处理，CK1：燃煤标准密集烤房（气流下降式，燃煤）;CK2：外置式生物质烤房（气流下降式，生物质颗粒），外置式生物质燃烧机设备由湖南鑫迪新能源科技有限公司提供，型号为BM305-10K，散热器采用燃煤密集烤房散热器;CT：新型内置一体式生物质烤房（气流下降式，生物质颗粒），新型内置一体式生物质燃烧机设备由贵州省烟草科学研究院设计，贵州黔丰源新能源科技有限公司提供，型号为CR-10。烤房规格均2.7 m×3.5m× 8.0 m。装烟使用1.35 m×0.08 m不锈钢梳式烤烟夹，每房装烟380夹。随机选取9夹烟叶，3夹为1个重复，测鲜烟质量和干烟质量，烤后按等级统计各级烟叶比重及上等烟比例。

1.3  测定指标与方法

1.3.1  性能指标  包括综合热效率和稳温性能。其中综合热效率（η）是指烘烤排出烟叶水分所需热量与燃料消耗热量的比值[10]。综合热效率测定公式为：

η=mw×2590/（mf Qf）×100%

式中，mw表示烘烤过程中排出的水分质量（kg），可通过烘烤前后每竿烟质量的变化测算得出;2590表示烤房中每排出烟叶内1 kg水分约耗热量2590 kJ;mf表示烘烤过程中燃烧燃料的质量（kg）;Qf表示单位用料的低位发热量（kJ/kg），由厂家提供的贵州省煤田地质局实验室测定报告为依据（测定标准依据GB/T 213—2008），本试验单位用煤低位发热量为28 800 kJ，单位生物质颗粒低位发热量为17 562 kJ。

稳温性能是指在烘烤稳温阶段实际温度与设定温度偏差[11]。测定方法参照严显进等[11]的方法。分别在38、42、54和60 ℃稳温2 h后，每隔30 min记录烤房实际温度与设定温度温差，连续测定5次，取其平均值。

1.3.2  烤房烟囱废气  3种类型烤房分别在42、54、68 ℃稳温2 h后，选取烟囱中部平面9点进行检测，每点测3次取平均值。检测由贵州跃庆谐环境检测服务有限公司依据GB/T 213—2008进行，测试仪器使用崂应3012 YQX-107烟尘气自动检测仪检测。SO2、CO、NO和NOx参照《空气和废气监测分析方法》[10]中点位电解法测定。

1.3.3  烤后烟叶质量    取各处理C3F和B2F烟叶样品各1.0 kg由贵州省烟草科学研究院进行外观质量检测和感官质量评价，外观质量依据GB 2635—1992对颜色、成熟度、结构、身份、油分、色度6个指标进行评价;依据YC/T 138—1998进行感官评价。

1.3.4  效益指标  烘烤成本包括用工成本和能耗成本。能耗成本=耗能量×单价÷烤后干烟质量，用工成本=每座烤房烘烤过程管理用工量×单价÷烤后干烟质量。其中每个工人工作8 h计算为1个用工量。

依据GB 2635—1992进行烟叶分级，计算烟叶等级比例、均价等[9]。干烟净均价=均价?用工成本?能耗成本。

1.4  数据统计分析

采用Excel和SPSS 13.0软件进行统计分析。

2  结  果

2.1  性能比较

2.1.1  燃料用量及综合热效率比较  由表1可知，不同类型烤房鲜烟量和干烟量无显著差异（p>0.05）。综合热效率指标存在显著差异（p<0.05），以CT的综合热效率最高，CK2次之，CK1最低。具体表现在：中部叶烘烤综合热效率CT处理较CK1提高13.69%，较CK2提高5.46%;上部烟叶烘烤综合热效率CT处理较CK1提高11.38%，较CK2提高4.55%。CT处理中上部烟叶平均每炕综合热效率较CK1提高12.54%，较CK2提高了5.01%。

2.1.2  稳温性能比较  由表2可知，不同类型烤房CK1的温度偏差在?1.78～1.52℃，CK2在?0.06～0.28 ℃，CT在0.00～0.24 ℃。其中，CK2和CT处理在上部烟叶烘烤中42、60及54 ℃稳温阶段温度偏差绝对值显著小于CK1（p<0.05）。

2.1.3  烟气污染物对比  如表3所示，CK1的SO2平均排放量显著高于生物质能烤房（CK2和CT），是其25倍以上。而CK1的NOx、NO、CO平均排放量略低于生物质能烤房（CK2和CT）。3个温度段4种废气总排放量平均值存在显著差异（p<0.05），其中CK1显著高于CK2和CT（p<0.05）;除54 ℃温度段外，CK2显著高于CT（p<0.05）。相较于CK1和CK2，CT处理的4种废气总排放量平均值分别降低了9 235.70和1 524.73 mg/m3，降幅分别为89.62%和58.77%。

2.2  烤后烟叶质量比较

2.2.1  外观质量  由表4可知，中部烟叶，CT处理油分为“多”，颜色“金黄至橘黄”，好于其他处理;上部烟叶，CT处理和CK1处理的油分相对较足、色度较强，外观质量较好。

2.2.2  感官质量  由表5可知，中部烟叶感官质量以CK2和CT表现较好，感官总分相当，稍高于CK1，主要表现在香气量较足，吃味较舒适，杂气较轻，刺激性较小。上部烟叶，CT处理感官质量总分稍高于CK1和CK2处理，主要表现在吃味较舒适，杂气较轻，劲头适中。CT处理的中上部烟叶感官质量在杂气上均略有减轻。

2.3  效益评价

2.3.1  烤后烟叶经济性状  由表6可知，中部烟叶以CT均价显著高于CK1和CK2（p<0.05），CT分别高出CK1和CK2 2.33和0.70元/kg，具体表现在橘黄烟率略高，杂色烟率较低。上部烟叶以CT均价显著高于CK1（p<0.05），较CK1高1.44元/kg。CT均价较CK2低0.18元/kg，但两者在统计学上无显著差异（p<0.05）。综合中上部数据看，CT处理较CK1和CK2，平均每炕烤后烟叶均价分别提高了1.89和0.26元/kg。

2.3.2  烘烤成本及凈收益  由表7可以看出，中、上部烟叶均表现为CT处理的干烟用工成本显著低于CK1。综合中上部烟叶数据，干烟用工成本CT处理较CK1和CK2分别降低88.98%和10.80%。干烟耗电成本CT高于CK1，与CK2相当。综合中上部烟叶数据，烘烤综合成本CT处理较CK1和CK2分别降低28.23%和8.19%。

由烤后干烟净均价可见，中部叶CT处理较CK1和CK2分别高出3.21、0.93元/kg，上部叶净均价CK2、CT相当，CT较CK1高出2.04元/kg，增幅为9.48%。综合中上部烟叶数据，CT处理较CK1和CK2烘烤平均净均价分别增加2.63和0.46元/kg。

3  讨  论

本研究结果表明，与燃煤密集烤房和外置式生物质密集烤房相比，新型内置一体式生物质烤房节省耗料热量、提升综合热效率，其大规模应用将是实现烤房节能降耗有效途径之一。同时，新型内置一体式生物质烤房采用自动填料控制技术，减少了人工操作的劳动投入和强度，并可提高专业化烘烤效率[7-8，12-13]，降低了烘烤成本。

与燃煤密集烤房相比，新型内置一体式生物质烤房烤后烟叶的橘黄烟率提升，杂色烟率降低，烤后质量略有改观，主要表现在油分略有提升、杂气略有减轻。主要是因为新型内置一体式生物质烤房采用工业成熟的PID控制技术，结合生物燃料燃烧特性及烤房温湿度控制参数，精准控制加料时间及加料量，控温精准度在±0.5 ℃以内，烤房稳温性能优于燃煤密集烤房，与外置式生物质烤房性能相当。且相较燃煤密集烤房采用人工添加煤方式，新型内置式生物质烤房解决了燃煤密集烤房温度控制的时变性及滞后性[14]，提升其温湿度控制响应速度和精度[15]，使其在烘烤过程中对升温、稳温的调控较精准，能够为烟叶的烘烤工艺执行提供科学保障。同时，新型内置一体式生物质烤房采用四级配风、智能控制技术，实现了温度控制精准，并按照烟叶的烘烤工艺曲线调制烟叶，有利于烟叶体内酶活性提高、内在物质的转化和水分及时排出[16-18]，在一定程度上提升烟叶等级结构和均价，从而提高烤后烟叶质量，与王建安等[19]使用醇基燃料设备精确烘烤烟叶的结论相似。

新型内置一体式生物质烤房4种废气总排放量显著降低，可能与烤房采用二次燃烧技术有关，二次燃烧技术的应用促使氮氧化物排放降低[20]，与张灵辉等[21]高温三次燃烧可有效降低氮氧化物生成的研究结果相似。

新型内置一体式生物质密集烤房设备整体集成促使设备成本进一步降低，且李峥等[22]研究表明规模化应用生物质烤房，累计净现值和效益费用比相对较高，收益较好。同时，我国每年可利用生物质资源的总量丰富[3-6，23]，因此，规模化应用新型内置一体式生物质烤房具有较高的收益比。

4  结  论

试验结果表明，新型内置一体式生物质烤房稳温性能精准，烘烤能耗低和热效率高，省工，烤后烟叶橘黄烟率略有提升，均价增加较显著，烤后烟叶油分略有提高，杂气略有减轻，总排放量显著降低，净均价显著提升。因此，新型内置一体式生物质烤房具有一定可行性及应用前景。

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