密集烤房非金屬耐火材料供熱設備的設計及烘烤效果

李俊業(yè)， 鄭榮豪， 王曉賓， 鄒韜韻， 周振超， 鄧世媛， 陳建軍

(1華南農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，廣東 廣州 510642； 2廣東省煙草專賣局，廣東 廣州 510610；3韶關(guān)市永明機電實業(yè)有限公司，廣東 韶關(guān) 512023)

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密集烤房非金屬耐火材料供熱設備的設計及烘烤效果

李俊業(yè)1， 鄭榮豪2， 王曉賓2， 鄒韜韻3， 周振超1， 鄧世媛1， 陳建軍1

(1華南農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，廣東 廣州 510642； 2廣東省煙草專賣局，廣東 廣州 510610；3韶關(guān)市永明機電實業(yè)有限公司，廣東 韶關(guān) 512023)

【目的】解決烤煙密集烤房418型換熱器易腐蝕、使用壽命短等問題，優(yōu)化密集烤房供熱設備的結(jié)構(gòu)和性能。【方法】選用一種傳導性優(yōu)良的非金屬耐火材料制作換熱器，其結(jié)構(gòu)為圓形橫向雙列管道，3層排布，同一縱向平面的3條換熱管呈現(xiàn)S形連通，并配以一次性加煤方拱型火爐(爐蓋為鑄鐵)。以金屬供熱設備為對照，研究密集烤房非金屬材料供熱設備的性能及烘烤效果?！窘Y(jié)果】空載下采用非金屬材料供熱設備密集烤房的升溫速度(5.36 ℃·h-1)顯著低于對照的(21.73 ℃·h-1)，但降溫速度(1.28 ℃·h-1)緩慢，表明其溫度穩(wěn)定性能好，在3個烘烤關(guān)鍵溫度點(38、42、55 ℃)也呈現(xiàn)同樣趨勢；在烘烤過程中非金屬材料供熱設備密集烤房平面及垂直溫差較??；與對照相比，中部葉、上部葉烘烤的綜合熱效率分別提高12.42%和6.74%，煤耗分別降低22.50%和15.13%，烤后每千克干煙均價分別提高0.84、0.20元，中上等煙比例高，節(jié)能提質(zhì)效果顯著?！窘Y(jié)論】試驗采用傳導性優(yōu)良的非金屬耐火材料制作的供熱設備具有良好的烘烤性能，且耐腐蝕，可為烤煙密集烤房供熱設備的更新提供依據(jù)。

烤煙； 密集烤房； 非金屬材料； 耐火材料； 換熱器； 一次性加煤火爐； 熱效率

與自然通風烤房相比,烤煙密集烤房具有裝煙密度大、強制通風、溫濕度自控等特點[1]。密集烤房的供熱設備由火爐、換熱器和煙囪3 部分組成，換熱器是主要的供熱部件[2]。自國家煙草專賣局發(fā)布施行《密集烤房技術(shù)規(guī)范(試行)》(國煙辦綜[2009]418號)后，我國密集烤房建造更加規(guī)范，煙葉烘烤標準化水平明顯提高[3]，但是這類標準化密集烤房采用的金屬供熱設備存在易腐蝕、使用壽命短、更新成本高等問題，如何克服這些缺陷，研發(fā)供熱設備的新型材料成為目前亟待解決的問題[4- 8]。

據(jù)調(diào)查，僅廣東煙區(qū)，由于密集烤房供熱設備老化損毀嚴重，加工工藝得不到保證，造成煙葉質(zhì)量問題從而引起的煙農(nóng)損失約達20%。宮長榮[9]119-120研究表明非金屬材料供熱設備具有不易銹蝕、熱容量較大、供熱穩(wěn)溫能力良好、造價較低等優(yōu)點，但其換熱性能相對較低、材質(zhì)韌性差。楊威等[10]研究表明密集烤房配套雙制通風結(jié)構(gòu)可以提高供熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性、耐用性和熱效率。陳獻勇等[11]選用鑄鐵和碳化硅陶瓷耐腐蝕材料制作了烤房供熱設備，有效地降低了烘烤過程中裝煙室的溫差，具有易于清灰、安裝、保養(yǎng)的優(yōu)點。曾中等[12]采用碳纖維增強水泥基復合材料制作了供熱設備，提高了非金屬換熱器的導熱系數(shù)和熱效率，具有較好的耐腐蝕能力、升溫穩(wěn)溫性能強、可提高烤后中上等煙比例、減少烘烤能耗。但鮮見采用傳導性優(yōu)良的非金屬耐火材料制作密集烤房供熱設備的研究報道。

本試驗選用一種無機非金屬耐火材料制作密集烤房供熱設備，其換熱器的設計結(jié)構(gòu)為圓形橫向立式雙列，3層排布，同一縱向平面的3條換熱管呈現(xiàn)S形連通，配以一次性加煤方拱型火爐(爐蓋為鑄鐵)建造一種新型的密集烤房供熱設備，探討其烘烤效果，為優(yōu)化和更新烤房供熱設備提供新思路和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及處理

試驗于2013—2014年連續(xù)2年在韶關(guān)市始興縣斜潭村進行。供試土壤為牛肝土田，試驗田地勢平坦、肥力中等均勻、灌排方便，具有代表性。

煙草NicotianatabacumL.供試品種為K326。為保證供試煙葉的一致性，打頂后留葉數(shù)20片，對葉位進行標記，由下往上數(shù)，8～11葉為中部葉，14～17葉為上部葉。煙葉成熟后采收，單獨編竿，將編好的15竿煙葉作標記后分別掛置在供試烤房中層中部進行烘烤，按試驗方案取樣測定。田間管理按照當?shù)貎?yōu)質(zhì)烤煙生產(chǎn)方案進行。

本試驗密集烤房風機采用SGHT- 40NO7#，C式傳動，配套功率為三相2.2 kW，由標準控烤儀帶變頻器連接，并配備濟南數(shù)能電子有限公司生產(chǎn)的SN-1-S/D型密集烤房控制器，在烘烤過程中采取一致的烘烤曲線與變頻風速。烘烤用煤為統(tǒng)一購買的同一煤礦同一批次原煤。

本試驗換熱器材料采用高鋁黏土，高鋁黏土以含鋁量高、雜質(zhì)少、耐高溫為特征，是不可多得的耐火材料[13]，工業(yè)指標為質(zhì)量分數(shù)為50%的Al2O3，F(xiàn)e2O3質(zhì)量分數(shù)低于3%，耐火度大于1 770 ℃，主要成分為一水硬鋁石，次要成分為高嶺石和一水軟鋁石[14]。經(jīng)測定本試驗換熱器材料抗壓強度14 MPa，導熱系數(shù)為2.5 W/(m·K)，密度為2.48 g·cm-3。

1.2 方法

不同材料供熱設備試驗處理設計見表1，設置2個處理， A處理：采用按照國家煙草專賣局(2009)418 號文件標準設計的金屬翅片換熱器，配以一次性加煤方拱型爐膛(爐蓋為JNS耐露點鋼)的供熱設備； B處理：設計并采用傳導性優(yōu)良的非金屬耐火材料制作換熱器，配以一次性加煤方拱型爐膛(爐蓋為鑄鐵)的供熱設備。每個處理重復3次。試驗密集烤房為氣流下降式，裝煙室大小為8 000 mm×2 700 mm×3 490 mm，掛煙架3棚。

烤房最大供熱量及非金屬耐火材料供熱設備爐膛容積與換熱器面積的計算參照宮長榮[9]90-97的方法，本試驗供試烤房最大供熱量為：481 542.52 kJ·h-1；爐膛容積設計至少為0.80 m3；換熱器散熱面積設計至少為13.38 m2，烤房加熱爐爐膛容積必須大于0.80 m3，換熱器散熱管面積必須大于13.38 m2，才能滿足烤房的供熱要求，本試驗設計采用的非金屬耐火材料供熱設備爐膛容積為0.88 m3，換熱器散熱管面積為16.39 m2。

表1 不同材料供熱設備試驗處理設計

1.2.1 供熱設備設計 非金屬耐火材料供熱設備見圖1，包括一次性加煤方拱形爐膛，在爐膛頂端的出火口處設置換熱器。換熱器包括鑄鐵爐蓋、煙囪、6根換熱管和固定換熱管的耐高溫支架；換熱管分3層排布，每層2根，同一縱向平面的3根換熱管呈現(xiàn)S形連通；鑄鐵爐蓋連通最底層2根換熱管的中間，煙囪連通最頂層2根換熱管的一端。換熱管的兩端設有可打開的端蓋。爐膛長2 700 mm，寬500 mm，高650 mm，容積為0.88 m3，爐底和左右爐墻材料為紅磚，墻寬180 mm，并設1個圓形出火口與換熱器相連。鑄鐵爐蓋頂端的中間段截面呈半圓狀，內(nèi)徑為530 mm，兩端逐漸收窄。鑄鐵爐蓋和換熱管的總高度為1 350 mm，總寬度為1 083 mm，煙囪的橫向段長度為600 mm，縱向段鑄鐵爐蓋的總長為2 980 mm。換熱管長2 200 mm，直徑270 mm，厚度10 mm。換熱管層間距為100 mm，同一層換熱管間距為400 mm，散熱面積為16.39 m2；鑄鐵爐蓋長度為1 900 mm。本試驗供熱設備已取得國家實用新型專利，專利號：ZL201520133385.9[15]。

1.2.2 溫度相關(guān)參數(shù)測定 采用北京宏海永昌技術(shù)開發(fā)中心生產(chǎn)的DTM-280LCD數(shù)顯溫度計測定烘烤過程中烤房內(nèi)各棚的溫度，每棚安裝9個熱電偶感溫探頭，分別安裝在裝煙室棚的前(距裝煙室前墻內(nèi)壁 200 mm)、中(烤房中部)、后(距烤房門內(nèi)壁 200 mm)部，3棚共27個測溫點，參照李偉等[16]的方法測定計算不同處理升溫穩(wěn)溫性能及烘烤溫差。每棚測溫點位置見圖2。

圖1 非金屬耐火材料供熱設備立體圖

圖2 密集烤房中每棚測溫點位置

1.3 數(shù)據(jù)處理

計算烤后單位質(zhì)量煙葉的耗煤量和耗電量。各處理烤后煙葉按烤煙國家標準(GB2635—1992)進行分級，記錄各等級煙葉葉片數(shù)和質(zhì)量，計算等級比例，按照當?shù)禺斈隉熑~收購價格計算均價。

烤房熱效率(熱能利用率)測定公式為：

綜合熱效率(η)=m水×2 590/m煤×Q，

式中,m水表示烘烤過程中排出的水分質(zhì)量，kg；烤房中每排出煙葉內(nèi)1 kg水分約耗熱量2 590 kJ；m煤表示烘烤過程中燃燒煤的質(zhì)量，kg；Q表示單位用煤的低位發(fā)熱量，kJ·kg-1，經(jīng)廣東省質(zhì)量監(jiān)督煤炭檢驗站測定，本試驗單位用煤低位發(fā)熱量為19 340 kJ·kg-1；烘烤過程中煙葉內(nèi)排出的水分可以通過烘烤前后每竿煙質(zhì)量的變化估算得到[8, 11]。

數(shù)據(jù)用SPSS 22.0進行獨立樣本分析，Excel 2013制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 空載下不同材料供熱設備溫度相關(guān)性能的比較

不同材料供熱設備空載下的溫度性能的比較結(jié)果見表2，不同處理空載平均升溫速度有明顯的差異，A處理升溫速度顯著高于B處理，這與A處理供熱設備的導熱系數(shù)較高有關(guān)，但B處理升溫速度依然能滿足每小時升溫大于3 ℃的密集烤房基本性能要求[9]119-120。B處理在空載下的穩(wěn)溫性能顯著優(yōu)于A處理，穩(wěn)溫速度為1.28 ℃·h-1。由此可見，B處理升溫性能良好，穩(wěn)溫性能強，有利于煙葉烘烤工藝條件的準確控制。

表2 不同材料供熱設備空載升溫及穩(wěn)溫性能的比較1)

進一步對2個處理在3個關(guān)鍵溫度點(38、42、55 ℃)的穩(wěn)溫能力進行比較(表3)。從表3可以看出，停止加煤3 h后，B處理烤房平均溫度皆高于A處理烤房，變化幅度較低，特別是在烘烤關(guān)鍵溫度點55 ℃時，表現(xiàn)出更好的保溫控溫性能，這有利于烤煙致香物質(zhì)的生成和防止煙葉酶促棕色化反應的發(fā)生[17-18]。

表3 不同材料供熱設備關(guān)鍵溫度點穩(wěn)溫性能的比較

2.2 烘烤過程中不同材料供熱設備溫差的比較

烤房溫差大小與煙葉變黃和脫水的一致程度相關(guān)，烤房內(nèi)平面和垂直溫差越小，同炕煙葉變化越趨于一致[16]，并有利于烘烤工藝的準確實施。不同材料供熱設備處理平面溫差和垂直溫差基本呈現(xiàn)倒“V”形變化趨勢。以中部葉烘烤為例，對兩處理烤房內(nèi)27個測量點進行平面溫差和垂直溫差測定，結(jié)果如表4和表5所示。

由表4可知，在平面溫差中， 42℃時A處理烤房上棚平面溫差顯著高于B處理，其余溫度兩處理差異不顯著。隨烘烤溫度的升高，中棚兩處理的差異逐漸顯著，除38 ℃外，B處理其余溫度點中棚平面溫差明顯低于A處理。42、47 ℃時，B處理的下棚平面溫差顯著低于A處理，其余溫度點兩處理差異不顯著。結(jié)果表明B處理烤房同一棚溫度分布較A處理更為均勻。

由表5可知，在垂直溫差中，除38 ℃中棚與下棚、上棚與下棚，42 ℃上棚與下棚的垂直溫差外，B處理烤房其余各棚垂直溫差均小于A處理，層間溫度變化幅度較小，兩處理上棚與下棚垂直溫差相差較大。B處理各棚垂直溫差變化幅度為0.50～2.78 ℃，A處理各棚垂直溫差變化幅度為0.22～3.91 ℃。在烘烤大排濕階段(變黃末期～定色期)，兩處理平面溫差和垂直溫差均有增大趨勢，此時兩種溫差均達到峰值?？傮w來說，B處理在烘烤過程中裝煙室溫度分布更均勻，這與其穩(wěn)溫性能良好相關(guān)，有助于減少同炕煙葉烘烤過程中的差異。

表4 不同材料烘烤設備烘烤平面溫差的比較1)

表5 不同材料烘烤設備烘烤垂直溫差的比較1)

2.3 不同材料供熱設備綜合熱效率及烘烤能耗的比較

煙葉烘烤綜合熱效率可以反映烘烤過程中的有效耗熱[19]。中、上部煙葉烘烤過程中熱效率測定結(jié)果見表6，B處理綜合熱效率顯著高于A處理，中部葉、上部葉烘烤的綜合熱效率分別高12.42%和6.74%，這與非金屬材料供熱設備熱容量大、穩(wěn)溫性能較好、烘烤無效耗熱少有關(guān)，有助于節(jié)約用煤、減少烘烤煙氣排放。

由表6可知，從烘烤能耗角度來看，在中部葉烘烤中，B處理的耗煤量與耗電量均低于A處理，且耗煤量差異顯著；每千克干煙電耗和電耗成本兩烤房處理差異不明顯，其余每千克干煙能耗中，B處理均優(yōu)于A處理，每千克干煙平均煤耗為1.38 kg，煤耗較A處理降低22.50%，每千克干煙煤耗成本降低0.46元，總成本降低0.51元。在上部葉烘烤中，B處理的耗煤量與耗電量均低于A處理，且耗煤量差異顯著；每千克干煙平均煤耗為1.29 kg，煤耗較A處理降低15.13%，每千克干煙煤耗成本較A處理降低了0.27元，總成本降低了0.30元。

表6 不同材料供熱設備綜合熱效率及烘烤能耗的比較1)

2.4 不同材料供熱設備烤后煙葉經(jīng)濟性狀的比較

烤后煙葉經(jīng)濟性狀如表7所示，中部葉烤后煙葉經(jīng)濟性狀中，B處理的上等煙葉比例較A處理高8.34%，中等煙比例較A處理高1.80%，下等煙比例較A處理低10.14%，均價較A處理每千克干煙提高0.84元。上部葉烤后經(jīng)濟性狀中，B處理上等煙比例較A處理高0.69%，中等煙比例較A處理高5.13%，下等煙比例較A處理少5.82%，均價較A處理每千克干煙提高0.20元。結(jié)果表明使用非金屬材料烘烤設備可以在一定程度上改善烤后煙葉的經(jīng)濟性狀。

表7 不同材料供熱設備烤后煙葉經(jīng)濟性狀的比較1)

3 討論與結(jié)論

本研究設計的密集烤房非金屬材料供熱設備爐膛為一次性加煤方拱型爐膛(爐蓋為鑄鐵)，爐膛長2 700 mm，寬500 mm，高650 mm，容積為0.88 m3。鑄鐵爐蓋截面呈半圓狀，長2 980 mm，內(nèi)徑530 mm，爐膛容積為理論值的1.1倍。換熱器由傳導性優(yōu)良的高鋁耐火粘土制作，包括6條換熱管和用于固定的耐高溫支架。換熱管長2 200 mm，直徑270 mm，厚度10 mm。換熱管圓形橫向立式雙列，3層，S形走向的方式連接，總散熱面積為16.39 m2，為理論值的1.2倍。換熱器為可拆卸結(jié)構(gòu)，運輸和安裝方便，且兩端設有可打開的端蓋，便于打掃和清理換熱管內(nèi)的灰塵和污垢，其耐腐蝕性彌補了金屬換熱管容易腐蝕生銹的缺陷。

非金屬材料供熱設備升溫與降溫速度較慢，更符合目前密集烘烤工藝中慢速升溫和穩(wěn)溫的需要[20-21]，同時也有利于烘烤工藝操作的準確實施。在各烘烤溫度關(guān)鍵點(38、42、55 ℃)，非金屬材料供熱設備均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)溫性能，可以滿足密集烘烤工藝中42、55 ℃階段的穩(wěn)溫需要。在該階段保持較長時間，溫度變化波動小，有利于淀粉、葉綠素、類胡蘿卜素等物質(zhì)的降解及小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為香氣物質(zhì)[22]，并有助于調(diào)控煙葉酶促棕色化反應[18]。

烤房內(nèi)溫度分布是否均勻，是評判烤房性能的重要指標[8]，本試驗非金屬材料供熱設備各烘烤階段的平面溫差、垂直溫差均不大于金屬材料供熱設備的，溫濕度較為均衡，兩處理平面溫差和垂直溫差呈現(xiàn)出基本一致的倒“V“形變化趨勢。烤房內(nèi)溫濕度場的穩(wěn)定，有利于煙葉內(nèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化與失水協(xié)調(diào)一致，有利于提高烘烤煙葉整體質(zhì)量水平[23]。對比前人[7, 11, 16]研究，本試驗定色期至干筋期2個處理烤房溫差都相對偏大，但與楊威等[24]研究結(jié)果基本一致。分析可能有以下原因：煙葉采收前為濕潤多雨天氣，煙葉含水量較高，變黃末期至定色中期烤房排濕壓力較大，加熱室供應的熱氣流在移動過程中被快速地用于煙葉排濕，從而使得烤房內(nèi)部熱量分配不均；在定色末期至干筋期，為防止風速過大使得煙葉香氣物質(zhì)散失，變頻器控制風機轉(zhuǎn)速隨烤房內(nèi)相對濕度降低而下降，從而使得熱氣流對流速度降低，烤房溫差較大[25]。

換熱器材料及結(jié)構(gòu)的改變，降低了中、上部葉烘烤能耗指標。與本試驗使用的金屬供熱設備相比，非金屬材料供熱設備煙葉烘烤經(jīng)濟性能良好，其中、上部葉烘烤的綜合熱效率分別提高12.42%和6.74%，煤耗分別降低22.50%和15.13%，每千克干煙均價分別提高0.84、0.20元，中上等煙比例高。本試驗設計的非金屬耐火材料供熱設備在廣東煙區(qū)具有良好的推廣應用前景，可為烤煙密集烤房供熱設備的更新提供依據(jù)。

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【責任編輯 霍 歡】

Design of nonmetallic refractory heating equipment in bulk curing barn and its baking effects

LI Junye1, ZHENG Ronghao2, WANG Xiaobin2, ZOU Taoyun3，ZHOU Zhenchao1, DENG Shiyuan1， CHEN Jianjun1

(1 College of Agriculture, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China； 2 Guangdong Tobacco Monopoly Administration, Guangzhou 510610, China； 3 Shaoguan Yongming Industrial Limited Company, Shaoguan 512023, China)

【Objective】 To overcome the defects of 418-type heat interchanger in bulk curing barn, such as being susceptible to corrosion and having short service life, and to optimize the structure and performance of heating equipment in bulk curing barn.【Method】 A nonmetallic refractory material with high conductivity was choosen to make the heat interchanger. The heat interchanger was structured with three layers of circular horizontal dual pipelines and three heating interchange pipelines in the same vertical plane were connected by an S-shape connector. The heat interchanger was equipped with a squared and vaulted stove (with a cast iron cover)feeding disposable coal. Using bulk curing barn with metal heating equipments as the control, the performances and baking effects of the nonmetallic refractory heating equipment in bulk curing barn were studied.【Result】The heating rate of bulk curing barn installed with the nonmetallic refractory heating equipment(5.36 ℃·h-1) was significantly lower than the control(21.73 ℃·h-1) without loading tobacco, while its cooling rate was slower than the control. The results showed that bulk curing barn installed with nonmetallic refractory heating equipment showed great temperature stability and the trends at three key point temperatures(38,42,55 ℃)were the same. Its plane and vertical temperature difference was less than the control during curing. Compared with the control, the heat efficiencies of baking the middle and upper tobacco leaves increased by 12.42% and 6.74%, the coal consumption rates reduced by 22.50% and 15.13%, the average prices of the dried tobacco leaves after curing increased by 0.84 and 0.20 yuan per kilogram respectively, the proportion of medium-high grade tobacco leaves increased, and the effects of energy saving and quality improving was obvious in the bulk curing barn with nonmetallic refractory heating equipment.【Conclusion】The heating equipment made of nonmetallic refractory material with high conductivity has excellent baking performence and high corrosion resistant, and can be applied for heating equipment update in bulk curing barn.

flue-cured tobacco; bulk curing barn; nonmetallic material; refractory material; heat interchanger; stove feeding disposable coal; heat efficiency

2016- 01- 17 優(yōu)先出版時間：2016-10-24

李俊業(yè)(1990—)，男，碩士，E-mail：595017113@qq.com；通信作者：陳建軍(1965—)，男，教授，博士，E-mail：chenjianjun@scau.edu.cn

廣東省煙草專賣局項目(粵煙科[2011]28號，粵煙科[2012]26號，粵煙科[2014]1號)

S226.6;S572

A

1001- 411X(2016)06- 0110- 07

優(yōu)先出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/44.1110.s.20161024.1041.026.html

李俊業(yè)， 鄭榮豪， 王曉賓， 等.密集烤房非金屬耐火材料供熱設備的設計及烘烤效果[J].華南農(nóng)業(yè)大學學報，2016,37(6):110- 116.