生物质气化用于烟叶烘烤的试验研究

张华蔡正达王文红

昆明电器科学研究所650221

摘要：采用生物质气化发生装置将废弃烟杆、烟梗等农作物秸秆在控氧燃烧状态下转化为由一氧化碳、氢气、甲烷等组成的可燃气体，经过除尘净化后送往各烤房实现自动控制烘烤烟叶。从操作、烘烤工艺控制、烟叶品质、干烟成本和节能减排等方面获得的测试数据证明生物质能源烟叶烘烤系统优于传统烟叶烘烤系统，在技术经济上是完全可行的。该系统的实施能够促进节能减排，降低烤烟生产成本，惠及千万烟农，带来良好的经济和社会效益。

关键词：生物质气化；烟叶烘烤；技术经济研究

一、前言

生物质能源是一种可再生能源，是植物通过光合作用将太阳能储藏在有机物中的能源。虽然光合作用中太阳光利用效率只有平均约1%，但每年全球积累的生物质总量达到1730亿吨，蕴含的能量相当于目前全球总能耗的10～20倍。它具有资源量大、无污染和可再生等优点。生物质包括各种农林废弃物、速生的能源植物等，有代表性的如农作物秸秆、林业加工边角料和动物粪便。

烟草作为云南省的支柱产业，规划每年烟草种植面积将达到550～600万亩左右，相应的烟杆数量将有500万吨左右，主要烤烟种植区分布在昆明、曲靖和玉溪等地区。随着农民生活水平的日益提高，过去被用作燃料的烟杆，如今被随意堆弃在田间地头或做简单焚烧处理，这样不仅容易传播病虫害，而且容易对农村及其周边环境造成污染。与此同时，每年的烤烟季节消耗大量的煤炭，不仅造成了环境污染，而且加大了烤烟成本。昆明电研新能源科技开发有限公司尝试将烤烟废弃的烟杆转化为气体燃料，实现烤烟的自动化生产。分别于2008年在石林县，文山县等地建立了三个示范点，通过实验，该系统将废弃烟杆作为能源替代煤炭能够满足烤烟需要，为烟区找到了一条烤烟能源循环利用的发展路线。

二、生物质气化系统的原理和性能

生物质气化系统是一种将固态生物质原料（包括锯木、木柴，野草，松针树叶，作物秸秆，牛羊畜粪，食用菌渣）转变为气态可燃气体的系统。在缺氧状态下，生物质中的大分子有机物转变成一氧化碳、甲烷、氢气等可燃性小分子气体，经过净化，粗燃气变成洁净燃气，再通过管道和电磁阀将可燃气体按需送到各烤房，实现生物质能源和烤烟自动化运行的结合。原理如图1所示。

生物质气化炉内的分为干燥、热解、氧化、还原、灰烬五个层次，如图2所示。在干燥层主要发生吸附水的蒸发（常温～150℃）。热解层主要发生有机高分子的分解反应（150℃～450℃），化学反应比较复杂，主要产生一氧化碳、醋酸、甲烷和低温炭等物质，可看作生物质的干馏炭化过程。还原层主要发生水蒸气和二氧化碳的还原反应（450℃～900℃），基本化学反应有以下几个：

蒸汽与碳反应是吸热反应：C+H2OCO+H2

氧气和碳反应时就放出热量：2C+O22CO

一氧化碳与蒸汽反应：CO+H2OCO2+H2

未反应完全的生物炭在氧化层与空气中的氧气发生氧化反应，构造出高温环境（900℃～1200℃），为其他各层化学反应的顺利进行提供条件。

燃尽的生物质炭变成灰烬，通过除灰口排出，可作为草木灰肥料直接还田。

（2）感官评吸描述比较

QH01（生物质气化烘烤）：香韵以清香，甜香，干草香为主；香气表现优雅性较好，丰富性较好，透发性好；香气量较充足；青杂气微有；烟气表现细腻度较好，成团性较好，浓度中偏高；劲头适中；口感干净，生津，甜。

MH01（煤烘烤）：香韵以烘烤，干草，坚果香为主；香气表现优雅性一般，丰富性一般，透发性一般；香气量较充足；枯焦气微有；烟气表现细腻度一般，成团性较好，浓度高；劲头适中；口感较干净，生津，甜，微涩。

从上述感官评吸结果看，采用生物质气化烘烤与传统的燃煤烘烤相比，烟叶的内在品质得到了一定的改善。其中，香气质、杂气、干净度均优于煤炭燃料烘烤的烟叶，而在香气量、劲头、回味、湿润上也体现出一定的优势。

（五）操作强度

生物质气化烘烤烟叶系统在操作中，由于采用了自动上料系统、流量自动控制系统和自动除渣系统，18间烤房每班只需要2人就能控制，自动化程度较高，而烧煤烤房在操作中是手动加煤和除渣，每班人控制6间烤房，18间烤房共需3人，在当前的试验规模还看不到生物质气化的明显优势。如果将烤烟规模放大到1000座烤房，那么生物质气化烘烤系统需要2人操作，而煤炭烘烤需要167人操作，因此大规模运用生物质气化烘烤烟叶系统时能够大大降低劳动强度，提高工作效率。

五、结论

通过研究对比试验，获得的主要研究结果有：

1.初步确定了生物质能烘烤烟叶的“供热可行性”；

2.通过对生物质气化烘烤与传统的燃煤烘烤的烟叶进行感官评吸，生物质气化与传统的燃煤烘烤的烟叶相比，生物质气化烘烤烟叶不仅不会对烟叶产生不良影响，而且烤烟的内在品质还有一定的改善。其中，香气质、杂气、干净度均优于煤炭燃料烘烤的烟叶，而在香气量、劲头、回味、湿润上也体现出一定的优势；

3.从设备成本看，降低大型生物质气化设备的成本是今后的主要研究内容，随着节能减排的不断深入，生物质能源在烟叶烘烤领域将发挥重要的作用，因此持续开发性价比高的生物质气化设备才能更好地拥有市场。

据统计，云南省共有约160万座烤烟房，每年的耗煤量460万吨，若采用生物质能源替代煤烘烤烟叶，一方面，每年可减少CO2排放917万吨，减少SO2的排放2.9万吨，灰渣减少35万吨，减排效益巨大；另一方面，有利于降低烤烟成本，提高烤烟质量，控制烟田病害的流行，促进烟叶生产健康持续发展，为烟农节支增收，为国家节约能源，具有显著的能源、经济生态环境效益。

参考文献：

[1]赵兴，宫长荣，烤烟三段式烘烤及配套技术的推广应用[J]，中国烟草科学，1999（3）：39-41.