趙浩賓，胡永濤，李芳芳，王勇軍，韋鳳杰，王建安，常劍波

（1中國煙草總公司河南省公司，鄭州 450046；2河南農(nóng)業(yè)大學(xué)煙草學(xué)院，鄭州 450002；3河南省煙草公司三門峽市公司，三門峽 472099）

0 引言

中國是世界上烤煙種植面積最大的國家，傳統(tǒng)上煙葉烘烤利用煤炭直接燃燒供熱[1]。燃煤供熱不但熱能利用效率較低，而且環(huán)境污染嚴重[2-3]。目前，每年約需要300萬～400萬t煤炭用于中國煙葉的烘烤，CO2排放量接近800萬t，煙塵約60萬t，有害氣體3萬～5萬t，并產(chǎn)生大量的固體塵埃顆粒[4]。隨著人們的環(huán)保意識不斷提高，反對這種烤煙生產(chǎn)方式的呼聲越來越強烈[5]。燃煤烤煙無論是在供熱方式上還是在資源利用方式上，已不符合時代的發(fā)展[6]。然而烤煙作為中國的一種重要經(jīng)濟作物，現(xiàn)階段對國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展和偏遠山區(qū)的脫貧攻堅，起著不可替代的作用[7-8]。針對這一問題，近幾年煙草行業(yè)也積極響應(yīng)各級政府部門的減排號召，積極投入大量的資金研究替代煤炭的清潔能源，發(fā)展綠色烘烤[9]。

目前，烤煙上已研發(fā)的清潔能源主要包括生物質(zhì)成型顆粒燃料、燃氣、醇基液體燃料和空氣源熱泵等[10]?？緹熡蒙镔|(zhì)燃料采用粉碎后的農(nóng)林廢棄物擠壓造粒而成[11]，成型顆粒的規(guī)格為φ8～12 mm、長度是直徑的4～5 倍。燃氣類的天然氣、液化氣和頁巖氣燃料經(jīng)過多年開發(fā)，已經(jīng)在部分煙區(qū)進行示范應(yīng)用[12]。醇基燃料以甲醇為主，為了減少雜質(zhì)堵塞燃燒器噴嘴破壞，要求其含量在99%以上，熱值大約為22.7 MJ/kg[13]?？諝庠礋岜靡匀?80 V 供電為主，少數(shù)煙區(qū)使用兩相220 V線路[14]。當(dāng)前上述的各類清潔能源供熱設(shè)備陸續(xù)進入了推廣階段，但有關(guān)密集烤房改造和使用經(jīng)濟效益的分析方面報道較少，雖有學(xué)者對清潔能源供熱設(shè)備以商業(yè)市場運營的模式從年凈現(xiàn)流量角度進行了分析[15]，然而針對中國煙草專賣體制下的烘烤設(shè)備投資的評估，略顯不足。因此，本研究以煙草專用設(shè)備運營為切入點，通過實地調(diào)研和查閱文獻，結(jié)合投資和使用綜合評估各類清潔能源烤煙供熱的經(jīng)濟效益，旨在為中國下一步清潔能源供熱設(shè)備的批量推廣提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集2018—2019 年在河南省襄城縣雙廟烘烤工廠、洛寧縣凹村烘烤工廠、盧氏縣杜關(guān)烘烤工廠、四川省敘永縣麻城烘烤工廠、湖南省桂陽縣曾家村煙葉烘烤工廠、貴州省畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)藏馬坑烘烤工廠、重慶市巫溪縣古路烘烤工廠、江西省安?？h洋溪烘烤工廠等地駐點調(diào)研。

1.1.2 烘烤數(shù)據(jù)的收集 一是通過拷貝煙草公司內(nèi)部文件、現(xiàn)場抄錄烘烤時記載數(shù)據(jù)，二是挖掘網(wǎng)上文獻，主要登錄中國知網(wǎng)(http://www.cnki.net)，查閱的關(guān)鍵詞包括煙草、生物質(zhì)、熱泵、燃氣、液體燃料和清潔能源，關(guān)鍵詞之間采取單列或并列的方式檢索，下載資料，抽取數(shù)據(jù)。

1.2 分析方法

不同能源供熱設(shè)備在其使用的壽命期內(nèi)，以國家煙草專賣局418號文件規(guī)定的密集烤房[16]為裝煙和烘烤載體，并把傳統(tǒng)燃煤作為一個烤煙供熱處理，從設(shè)備投資、單體運營、烘烤操作和閑置維護等方面入手，參考煙葉烘烤環(huán)節(jié)的各項經(jīng)濟因素，采用文獻[10]對清潔能源供熱設(shè)備的經(jīng)濟效益分析方法，把供熱設(shè)備涉及到的各項費用折合到單炕煙葉烘烤費用C(元/炕)上，進行經(jīng)濟效益的綜合分析[式(1)]。

式中，P為設(shè)備購置、安裝和修建配套設(shè)施的費用(元/臺)；W為設(shè)備報廢后回收價格(元/臺)；b為設(shè)備使用壽命內(nèi)所能烘烤煙葉的總炕次(炕/臺)，按照“單次4片，5次采收”的煙葉采收方式計算每年設(shè)備被使用的年炕次數(shù)，乘以各類不同設(shè)備使用的年限，進而得出壽命期內(nèi)所烘烤煙葉的總炕次數(shù)；D為設(shè)備壽命內(nèi)使用過程中的維修費，設(shè)備均采用現(xiàn)代成熟的機電技術(shù)，按照購買價格的10%分攤計算(元/臺)；L為每臺供熱設(shè)備每炕烘烤操作的人工費用(元/炕)；Ct為每炕煙葉烘烤消耗的燃料費用(元/炕)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同燃料供熱類型的烤房改造成本分析

不同燃料單體供熱設(shè)備、電力配備和土建改造成本見表1。不同能源設(shè)備之間的價位差別較大。以熱泵較高，因為供熱時電負荷較大，需要對原有用電線路及變壓器進行升級改造。受密集烤房群擁有烤房數(shù)量的影響，每座空氣源熱泵電源線路改造價格也存在差異。對于在煙葉烘烤季節(jié)供電不正常的煙區(qū)，還需另配發(fā)電機；對于中等規(guī)模的（20～30座）密集烤房群，為了安全起見，燃氣和醇基燃料烤煙供熱需要配備燃氣儲存罐或液體燃料儲存罐，加上輸油管道、儀表安裝等折合每座造價1.2 萬～1.5 萬元。對于生物質(zhì)供熱烤房的改造，外置式生物質(zhì)燃燒機直接插接原燃煤設(shè)備連接即可供熱，不需要額外的配備；對于內(nèi)置式生物質(zhì)供熱設(shè)備，需要對烤房的加熱室進行拆墻安裝，基建造價2000～3000元。

表1 不同能源類型的烤房設(shè)備改造及其配套費用

2.2 煙葉烘烤的能耗成本分析

表2顯示不同烤煙供熱能源的烘烤成本。目前生物質(zhì)成型顆粒燃料市場價格在800～1100 元/t；醇基燃料中甲醇的含量不一，純度99.90%一般都在2800元左右。燃氣類燃料的購買價格差異受運輸距離的影響較大，產(chǎn)地價格與非產(chǎn)地的價格差異在2倍以上；由于生物質(zhì)、燃氣和醇基燃料烤煙供熱使用機電裝置替代人工供料燃燒，用電比燃煤密集烤房略高?？諝庠礋岜脡嚎s機工作，用電量遠大于其他燃料類型。每千克干煙葉烘烤耗能成本顯示燃氣＞醇基燃料＞燃煤＞生物質(zhì)＞空氣源熱泵。

表2 不同能源類型烤煙供熱的烘烤能耗分析

2.3 煙葉烘烤過程中人工操作的費用統(tǒng)計

表3顯示各種燃料每炕煙葉的人工操作費用。依據(jù)煙葉在烘烤過程中供熱不間斷的要求，除燃煤需要人工進行燒火管理外，其他燃料類型均可利用現(xiàn)代成熟的機電和計算機控制技術(shù)，實現(xiàn)無人值守烘烤煙葉。燃氣和醇基燃料供熱設(shè)備有檢查燃料或更換罐體的操作，而生物質(zhì)在燃氣和醇基燃料操作的基礎(chǔ)上，還需要向料筒添加生物質(zhì)顆粒燃料。每2人搭配值守管理煙葉同時烘烤時密集烤房的數(shù)量，以空氣源熱泵烤房數(shù)量最多。單座密集烤房的每炕烘烤用工上，以燃煤烘烤操作最為耗工。

表3 每炕煙葉烘烤的人工操作成本

2.4 不同類型燃料供熱對烘烤過程工藝參數(shù)和烘烤效果的影響

通過試點調(diào)研和對比分析文獻，得到不同能源供熱對烘烤過程工藝參數(shù)和烘烤效果的影響（表4）。由于燃料的燃燒供熱具有一定的周期性，不同能源烤煙供熱不僅對煙葉烘烤過程中的升溫和穩(wěn)溫產(chǎn)生影響，還會對烤后的煙葉質(zhì)量產(chǎn)生了一定影響。4類清潔能源供熱設(shè)備的烤房內(nèi)穩(wěn)溫和升溫性能均好于燃煤，烤后煙葉質(zhì)量表現(xiàn)為空氣源熱泵＞燃氣＞生物質(zhì)＞醇基燃料＞煤炭。

表4 烘烤過程中熱量供給性能和烘烤效果

2.5 不同能源類型供熱設(shè)備的綜合經(jīng)濟烘烤參數(shù)的評估

綜合經(jīng)濟烘烤參數(shù)是影響不同類型能源推廣的重要因素，表5 顯示不同能源類型供熱設(shè)備在使用壽命內(nèi)的綜合烘烤費用。煙葉的烘烤效果受人為影響較大，排除此因素外，當(dāng)前各類能源烤煙折合到單炕次的綜合烘烤投入比為燃氣燃料＞醇基燃料＞空氣源熱泵＞煤炭＞生物質(zhì)，可見生物質(zhì)成型顆粒燃料是目前代替燃煤烤煙的最佳能源，空氣源熱泵烤煙供熱可作為生物質(zhì)資源缺乏地區(qū)的替代能源。

表5 不同能源單座烤房單炕綜合效益分析

3 結(jié)論與討論

3.1 不同能源類型烤房對煙葉烘烤效果的影響

在煙葉的烘烤中，目標溫度曲線是烘烤技術(shù)人員根據(jù)鮮煙的營養(yǎng)素質(zhì)確定的[21]，最佳的烤煙供熱是實際溫度和目標溫度曲線重合[22]，然而受不同類型能源進料方式、燃燒特性、放熱方式和釋放速率差異的影響[23]，烤房內(nèi)的目標溫度和實際控制的溫度之間或多或少地存在差異，進而影響到葉片內(nèi)物質(zhì)的分解與合成。由于不同能源烤煙不僅改變了傳統(tǒng)燃煤的熱量供給方式，也改變了烤煙自控儀內(nèi)部的軟件程序和外部通訊端口的控制[24]，有必要根據(jù)各類能源烤煙供熱方式，從生理角度上對烘烤中煙葉的酶活性和內(nèi)在物質(zhì)轉(zhuǎn)化進行研究。

3.2 智能控制裝置對不同能源類型烤房降工的影響

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，近年來用工費用占煙葉生產(chǎn)成本急劇上升[25]。燃煤烤煙操作平均2 人能管理5 個烤房，替換加煤、壓火、剔渣等人工操作[26]。新能源采用工業(yè)上成熟的機電控制技術(shù)[27]，使用機械裝置替代人工進行燒火管理，量化熱量的輸出，大幅降低了烘烤用工。烘烤人員主要任務(wù)由原來的“燒火+調(diào)控”并重，轉(zhuǎn)向把主要精力集中到烘烤工藝的把控上，通過識別煙葉在烤房內(nèi)的變化設(shè)置并調(diào)控各密集烤房的溫濕度和時間節(jié)點，不僅有利于工廠化烘烤操作，也有利于進一步提高煙葉的烘烤質(zhì)量，增加煙農(nóng)的收入。

3.3 生物質(zhì)燃料未來烤煙供熱的潛力

隨著生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)技術(shù)的成熟，目前已可以實現(xiàn)煙草農(nóng)業(yè)廢棄物（如煙稈）的循環(huán)利用[28]。有學(xué)者表明生物質(zhì)燃料為烤煙供熱是實現(xiàn)煙草綠色生產(chǎn)的最佳途徑[29]。雖然生物質(zhì)成型顆粒燃料在煙葉的烘烤過程中存在人工向設(shè)備的料筒添加燃料的操作[30]，但其優(yōu)點是改造成本較低、投入少。如果大面積推廣生物質(zhì)燃料烤煙供熱后，通過當(dāng)?shù)責(zé)熮r(nóng)合作社等組織形式進行本地化生物質(zhì)燃料生產(chǎn)，可以進一步降低20%～30%的燃料成本。

在烤煙供熱設(shè)備使用的壽命內(nèi)，通過對比分析采購、改建、配套設(shè)施、每千克干煙烘烤和烘烤勞動操作等成本，得出目前可替代燃煤烤煙供熱的清潔能源類型中，生物質(zhì)成型顆粒燃料是最佳的燃煤替代能源；對于在生物質(zhì)燃料缺乏的煙區(qū)，有電力保障的情況下，空氣源熱泵是烤煙供熱最佳的后備方式。燃氣和醇基燃料的單炕煙葉烘烤使用成本偏高，按照當(dāng)前的經(jīng)濟發(fā)展水平，不適合在國內(nèi)煙區(qū)大面積推廣。