PDF《生物质燃料替代煤炭在烟叶烘烤中的应用》

生物质燃料替代煤炭在烟叶烘烤中的应用 苟文涛1 ,王晓剑2 ,钟俊周3 ,郭鸿雁2 ,陈建军1 ,李茂军2 ,张泽民1 ,邓世媛1 (1.

华南农业大学烟草研究室,广东广州510642;

2.广东烟草韶关市有限公司,广东韶关512000;

3.广东烟草韶关市有限 公司始兴分公司,广东始兴512500) 摘要:为研究生物质燃料在烟叶烘烤应用上的可行性,以前期筛选出的最佳生物质燃料配方50%木屑+50%烟秆为 原料,利用HCK045A型高效生物质颗粒机压制成直径8mm的颗粒燃料,以此作为替代能源进行了烟叶烘烤试验.试 验共设置T0(0替代,CK)、T1(30%替代)、T2(50%替代)、T3(70%替代)、T4(100%替代)5个处理,对烘烤中不同处理烤 房的干湿球温度、烤房综合热效率、烤后烟叶化学成分及协调性、燃烧烟气中污染物含量、烤后烟叶经济性状及烘烤 成本等指标进行了比较研究.结果表明:不同替代程度的生物质燃料所加热的烤房,在变黄期和定色期干湿球温度上 升较快,干筋期上升较慢,烤房热效率较高;

烤后烟叶化学成分适中、协调性较好;

烘烤时排放烟气中的主要污染源 物质SO2 含量显著降低,尤其是T4处理的排放量只有CK的4.17%;

由于生物质燃料烘烤用工和能耗成本的增加导致整体烘烤成 本有所升高,T1幅度最小为1.72%,T4升幅较大,达20.62%,但由于生物质燃料烘烤的烟叶中上等烟比例增加,最后 的产值仍然提升,其中T1增加幅度最大,达22.91%. 烟叶生产中的烘烤环节是一个大量耗能的过程 [1] ,虽然我国的烟叶烤房已经从普通烤房改进成了密集型烤房,在一定程度上达到了节能的目的,但在全国各烟区,烟 叶烘烤的热量来源仍然以煤炭为主,随着能源的日趋紧张,寻找烟叶烘烤能源替代途径已成为当前烤烟生产中亟待解 决的问题[2] . 生物质是指直接或间接利用绿色植物光合作用形成的有机物质,包括所有的植物、动物和微生物及其代谢与排泄物 等[3] .每年全球积累的生物质总量 达1730亿t,蕴含的能量相当于目前全球总能耗的10~20倍[4] ,我国拥有居世界首位的生物质能源产量,年产农作物秸秆、谷壳等总量约14亿t,如开发用于燃烧,可折合7亿t标准 煤[5] .前人研究发现,提供相同能量,煤的S和NOx 排放量分别是秸秆的7.00倍和1.15倍[6] .因此,生物质能源作为一种可再生的低碳能源,具有巨大的发展潜力,它的开发利用对于建立可持续能源系统、促 进国民经济发展,保护生态环境具有重大意义[7] . 目前 ,烟叶烘 烤上研究应用的生 物质多为农作物秸秆,应用方式主要 有生物质型煤、生物质气化、生物质压块等[8-11] ,但有关提高烟秆利用率和利用烟秆制备生物质燃料应用于烟叶烘烤的研究还未见报道. 因此,本试验就是在前期试验基础上,以筛选出的最佳配方50%烟秆+50%木屑为原料压制成生物质颗粒燃料,研 究了不同程度生物质燃料替代煤炭对烟叶烘烤的影响,以期为生物质燃料在烟叶烘烤上的广泛应用提供理论依据和参 考. 1材料和方法 1.1供试材料和试验地点 供试烤烟(Nicotiana tabacum L.)品种为K326,种子由广东省烟草南雄科学研究所提供.试验于2015年3-12月,在广 东省韶关市始兴县马市镇安水村和华南农业大学烟草研究室进行.试验土壤为牛肝土,土壤肥力均匀,株距0.65m、 行距1.20m,田间密度为12000株/hm2 ,前茬作物为水稻.本试验采用气流上升式密集性烤房,装烟室长8.0m、宽2.7m、高3.5m,装烟容量4500kg左右.风 机功率为1.5~2.2kW,并根据不同的烘烤阶段需求调节风速转速,以确保烘烤顺利进行. 页面

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9 1.2试验设计 本试验以前期试验筛选出的最佳生物质燃料配方50%烟秆+50%木屑作为替代燃料配方,以广东烟草韶关市有限公 司始兴县公司马市烟站提供优质的无烟煤作为对照(T0),设置4种生物质燃料替代程度,共5个处理(表1).选择同一田 块具有相同成熟度的上二棚鲜烟叶,按照优质烤烟三段式烘烤工艺进行烘烤. 1.3测定项目与方法 1.3.1烤房温度和湿度的测定 烘烤时平面和垂直温差:采用北京宏海永昌技术开发中心生产的DTM-280LCD数显温 度计,分别在每个烤房上、中、下3层安装9个温度计[12] ,当烟叶开始烘烤后,在各取样时间点记录各点温度计的温度值,计算平面和垂直温差.使用烤房温湿度自控仪进行 烤房湿度的测定. 1.3.2综合热效率 烤房热效率(热能利用率)测定:热效率η=G水*2590/G煤*Q,式中G水 表示烘烤过程中排出的水分重 量,kg;

烤房中每排出烟叶内1kg水分约耗热量2590kJ;

G煤 表示烘烤过程中烧煤的重量,kg;

Q表示所用煤的低位发热量,kJ/kg;

烘烤过程中烟叶内排出的水分可以通过烤前和 烤后每竿烟重量的变化计算得出. 1.3.3烟叶化学成分的测定 烤后烟叶化学成分 的测定,各处理烟叶取C3F样品,测 定总糖、淀粉、总氮、烟碱、蛋白质氨基酸[13-14] ,参照行业标准YC/T176-2003测定烟叶中石油醚提取物的含量[15] ,利用原子吸收光谱法测定钾含量[16] . 1.3.4试验烤房炉废气测定 由韶关市环保检测站进行测定,参照HJ/T57-2000测 定废气中的SO2 [17] ,参照魏复盛[18] 《空气和废气监测分析方法》测定废气中的NO、NO2,参照GB/T16157-1996测定废气中的CO[19] . 页面

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9 1.3.5经济性状的测定 每个试验烤房标记10竿样烟,记录烟叶总片数、烤房总竿数、烟叶烘烤结束所用时间,称量鲜 烟叶净重、干烟叶净重,分别测定样烟初烤烟平均单叶重、千克干烟燃料耗用量,最后采用国家技术监督局烤烟GB2 635-92标准进行分级[20] ,记录烤后烟叶上等烟、低次等烟及橘色烟的叶片数和重量,并参照当地烟叶收购价格计算等级比例和均价. 1.4数据分析 采用MicrosoftExcel、SPSS软件,运用方差分析法进行数据处理;

用单因素方差分析比较处理之间的差异性,采用邓 肯氏新复极差法进行差异显著性比较. 2结果与分析 2.1不同生物质燃料替代程度对烤房干湿球温度的影响由图1,2可知,随着烘烤的进行,各处理所加热的烤房干湿 球温度呈现逐渐上升趋势.烘烤0~96h(变黄期和定色期),干湿球温度上升较慢,与T0加热的烤房相比,不同替代程 度的生物质燃料所加热的烤房干湿球温度上升较快,且干湿球温度略高于煤炭加热的烤房,尤以T1加热的烤房干球 温度增长最快、干球温度的增速为0.13℃/h,T4加热的烤房湿球温度增加最快、增速为0.06℃/h,T2加热的烤房湿球 温度增加最慢(0.03℃/h);

烘烤96h-烘烤结束(干筋期),干湿球温度上升较快,T0加热的烤房干湿球温度增加最快, 分别为0.41,0.07℃/h. 2.2不同生物质燃料替代程度对烤房燃料消耗量及综合热效率的影响 表2显示,在烟叶烘烤过程中,不同生物质燃料替代煤炭烘烤烟叶时,燃料消耗量和燃料添加次数较多,烤房综合 热效稍低.与T0相比,T4处理进行烟叶烘烤时的燃料需生物质燃料1754.73kg,比T0所需的1155.00kg煤炭高出34.18%, 这是因为生物质燃料燃烧过程中的热量比煤炭低.随着生物质燃料替代程度的增加,烘烤所需生物质燃料的量不断增 加,燃料添加次数也增多,T4处理整个烘烤过程中的燃料添加次数最多、达332次,而T0处理的燃料添加次数仅为73 次.从烤房的综合热效率来看,T0(100%煤炭)处理最高(42.97%),T1其次(41.15%),T2则最低(40.42%),比T0低了2.55 个百分点. 页面

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9 2.3不同生物质燃料替代程度对烤后烟叶主要化学成分及协调性的影响 前人研究表明,烤烟烟叶石油醚提取物含量高时,烟叶的油分较足,其香气物质较多,因此,石油醚提取物含量的 高低通常作为衡量烟叶内在品质的重要指标之一[21-23] .烟叶在烘烤过程中,淀粉分解产生的游离糖与蛋白质水解产生的氨基酸进行美拉德反应,产生一系列致香前体物质 以及糖的衍生物,对烟叶的香吃味有重要作用,但烤后烟叶残留的淀粉对烟叶色、香、味不利,严重影响烟叶的外观 和内在质量[24-26] .浓香型特征烤烟要求烤后烟叶的淀粉含量小于4.5%、总糖为18%~22%、还原糖为16%~18%,烟碱为2.5%~3.0%, 糖碱比为6~8,氮碱比为0.8~1.0[27-28] .从表3可以看出,不同生物质燃料替代程度烘烤后的烟叶化学成分及其协调性表现出明显差异,尤以淀粉和石油醚 提取物差异最为显著.与T0相比,不仅不同生物质燃料替代程度烘烤后的烟叶淀粉含量显著较低,尤以T3和T4最为 显著,分别为2.74%,2.94%;

而且不同生物质燃料替代程度烘烤的烟叶,石油醚提取物含量除T2外其他处理均极显著 较高,与T0相比,T3和T1所烘烤的烟叶石油醚含量最高,分别为8.62%和8.05%. 2.4不同生物质燃料替代程度对烟叶烘烤中排放烟气污染物含量的影响 随着经济发展和城市化进程的加快,空气污染物的排放量不断增加,污染范围不断扩大,以二氧化硫、颗粒物、氮 氧化物等为主要污染物的大气环境污染问题日趋严重[29].由表4可以看出,T0(100%煤炭)处理烘烤烟叶时,所排放 烟气中SO2的含量非常高,达1368mg/m3 ,而利用生物质燃料替代煤炭烘烤烟叶后,SO2 的含量则大大降低,不同替代程度也大不相 同,其中T1最高,达210mg/m3 ,但仍然比T0低........