密集烤房 陶瓷基无机非金属复合材料供热备技术要求.docx

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密集烤房陶瓷基无机非金属复合材料供热备技术要求

密集烤房陶瓷基无机非金属复合材料供热备技术要求

技术报告

一、非金属加热设备技术要求制定背景

随着我国烟农户均种植烤烟规模的增大和现代烟草农业的发展，密集烘烤在全国范围内得到了快速推广应用，集群式密集烘烤工场建设已经成为现代烟草农业的标志之一，在我国现代烟草农业建设中发挥了积极的作用。

但目前我国推广应用的密集烤房的供热设备多为金属材料，换热器存在腐蚀严重，使用寿命较短；烟叶烘烤过程中积灰严重，清灰困难；燃煤燃烧不够充分，能量利用率低、SO2排放量大，以及烘烤过程添煤次数多、劳动强度大等问题。

通过将耐腐蚀、导热系数高、抗热震性和压溃强度较高的无机非金属复合材料应用于密集烤房的供热设备，解决普通非金属材料密集烤房供热设备易开裂及导热性能差的问题，克服金属材料烤房供热系统易腐蚀的缺点，显著提升非金属材料烤房的供热性能，大大延长密集烤房供热设备的使用寿命，旨在降低密集烤房建造成本和烟叶烘烤成本，减少烟叶烘烤过程中有害气体排放量，进一步提高烟叶烘烤质量。

据统计，非金属密集烤房已在湖南、福建分别推广应用33770座和44000座，且在贵州、云南、四川、河南等省均用推广应用。

非金属密集烤房供热设备已实现了的成型化和标准化生产，供热设备的使用寿命和热能利用效率均显著提高，非金属烤房的应用降低了密集烤房的建造成本，显著减少了烟叶烘烤用工，降低了烟农的劳动强度，改善了烟叶外观质量和化学成分，提高了烟叶香气质量，增加了烟农的经济效益、政府的财政税收和烟草公司的经营利润，为卷烟工业企业提供了优质的烟叶原料，取得了显著的社会效益。

而目前没有对非金属烤房技术具有指导性的技术规范或标准，为规范非金属烤房的建设、供热设备的材料、供热设备的结构、性能指标以及安装、使用和维护等，制定无机非金属复合材料密集烤房技术标准非常必要。

二、非金属加热设备技术要求制定的意义

通过本项目的实施，进一步完善非金属密集烤房，确定无机非金属复合材料密集烤房的土建结构与技术参数（包括装烟室、加热室），无机非金属复合材料供热设备与技术参数（包括新材料密集烤房换热器及炉膛），无机非金属复合材料供热设备安装、使用与维护；从烤房结构、非金属材料、非金属加热设备、烟叶烘烤燃烧技术及节能减排等方面优化密集烤房，全面提升密集烤房省工、节能、提质、增效的优势水平，延长密集烤房设备的使用寿命。

其重要意义是改进无机非金属复合材料烤房、应用过程和服务的适用性，为烟叶可持续稳定发展提供支撑。

三、具体研究技术内容及主要结论

1密集烤房新材料供热设备研究

1.1研究方法

1.1.1供热设备物理性能检测：

新型无机非金属复合材料加热设备、普通非金属材料加热设备、金属材料加热设备的导热系数、压缩强度、压溃强度、径向压溃强度、抗热震性、密度、耐腐蚀性等物理性能指标由中南大学检测，换热效率由华中科技大学检测。

1.1.2烤房烘烤性能对比试验：

选择新材料密集烤房、普通非金属材料密集烤房、金属材料密集烤房各1座，烤房规格为装烟室2.7×8m，装烟三层。

供试烟叶的品种、营养条件、部位、成熟度均衡一致，烤房装烟数量按密集式烤房要求装烟，采用相同烘烤工艺烘烤烟叶，通过测定不同类型烤房的耗煤量、耗电量、烟叶外观质量、经济性状、化学成分、致香物质含量和感官评吸质量，分析不同类型烤房的烘烤性能。

1.2设计要求

密集烤房新材料加热设备的设计原则和基本技术要求是：

（1）满足国家烟草专卖局（2009）418号文件规定的密集烤房建造标准要求，不改变烤房建设的基本结构和规格。

（2）满足密集烤房加热设备散热性能好和耐用性强的要求。

（3）满足加热设备要便于安装的要求。

1.3技术原理

本项目运用材料学和热工学原理，研发导热性能高的无机非金属复合材料，用于密集烤房供热设备制作，使其导热系数在铁及其合金材料与一般非金属无机材料之间，韧性优于普通陶瓷，抗强酸强碱腐蚀性好，耐高温，膨胀系数低，安全环保，便于成型加工。

1.4新型无机非金属复合材料设计

本项目设计研发的新型无机非金属复合材料为C/C结构材料，由各种高性能增强增韧体（织物纤维、晶须、颗粒）与各种聚合物、金属、碳及非碳的非金属材料基（陶瓷基）通过特殊工艺复合而成，具有高比模量、高比强度和优异的耐高温性能。

采用两种以上的纤维或颗粒的混杂增强增韧体材料，或两种以上的混杂基体，研制的性能、工艺、成本最佳平衡匹配的复合材料，其耐高温强度达1200℃以上，可用于制作密集烤房供热设备。

本项目研发的适用于密集烤房炉体和散热器的新型无机非金属复合材料的基本性能参数见表1和表2。

表1炉体新型无机非金属复合材料参数

导热系数（w/m.K）

高温压溃强度（Mpa）

材料密度（g/cm3）

1.72

10.6

2.15

表2散热管新型无机非金属复合材料材料参数

导热系数

（w/m.K）

压溃强度

（Mpa）

高温压溃强度（Mpa）

径向压溃强度（Mpa）

材料密度

（g/cm3）

3.20

26.4

22.4

12.0

1.65

1.5烟叶烘烤供热量计算

1.5.1设计给定参数：

设计烤房鲜烟叶装载量5000kg；烤后干烟叶量500—600kg。

烤房综合热效率≥50%。

1.5.2已知常数和经验参数：

鲜烟叶水分85%；烤房最大排湿时烟叶失水速度为烤房内烟叶总水分的2.5%；烟叶排水需热常数2590kJ/kg。

1.5.3火炉计算

（1）烤房最大需热量和耗煤量

烤房最大需热量Qzr=GpmＱn,arη或Qzr=2590Gg/η

式中Gpm——实际耗煤量，kg；

Ｑn,ar——实际燃煤的低位发热量，kJ/kg；

η——烤房综合热效率，%；

Gg——烟叶在烘烤过程单位时间内脱水量，kg。

经计算得出，装烟量5000kg密集烤房的最大耗热量为Qz=209300kJ/h。

火炉的最大耗煤量需满足烤房最大耗热量要求，Gpm＝

式中Qgr――火炉最大供热量，kJ/h；

Ｑn,ar——燃料的低位发热量，kJ/（kg·h）。

按煤的发热量Ｑn,ar=5000～7000kcal/kg计算得：

Gpm=7.143-10.0kg/h

（2）炉膛水平炉蓖面积

炉膛面积因烤房需热量、火炉燃烧形式、使用燃料类型和质量等不同而异。

按单位时间内火炉供给热量计算时，水平炉蓖面积为：

Fpt＝Qgr/RJt

固定床散煤火炉水平炉排在鼓风机鼓风条件下的可见发热强度RJt＝5.20×106kJ/（m2·h），经计算得Fpt＝0.4025m2。

按单位时间内火炉燃烧燃料计算时，炉蓖面积为：

Fpt=Gpm/P

P——固定床燃烧室燃烧强度。

发热量5000～7000kcal/kg的煤，有鼓风机鼓风条件下的P值为20-25kg/m2.h。

计算结果，Fpt=0.357～0.400m2

结合两种计算方法的结果，考虑低煤质情况，设计炉底面积0.4298m2。

（3）水平炉排的炉膛容积与高度

不包括煤所占空间燃烧室容积计算公式为：

VL＝

式中VL——炉膛容积，m2;

Qgr——烤房最大供热量，kJ/h

RLt——燃烧室强度，可取R＝1.046×106～1.463×106kJ/（㎡·h）。

经计算得：

VL=0.2000m3。

根据经验，有炉蓖的火炉，在燃烧室内煤所占空间不得超过燃气空间，否则，影响可燃挥发分充分燃烧，烟气也不能顺畅流通，容易在换热器内形成积灰。

所以，燃烧室总空间应为Vlz≥0.4m3。

经计算，根据煤质差异，有炉蓖的立式火炉的炉膛高度为：

HlL≥85cm。

蜂窝煤火炉，煤所占空间更大，但必须保证最大供热时有足够的烟气流通炉膛空间。

通常根据煤质和加煤方式设计煤与烟气所占比例为2～3；1，炉膛总容积为Vfz=0.67～0.843，炉膛高度：

HfL≥85cm，加煤高度60cm后其上部空间仍然有25～30cm。

1.5.4换热器（火管）散热面积计算

烤房加热设备散热面积常用下式计算：

Fg=Qgr/KgtteJ

式中kgt——烟管传热系数。

设计新材料的传热系数经测定为kgt＝22.5kJ/（m2·℃）；

teJ——烟管内烟气平均温度，℃。

根据实测结果，炉膛温度tLc＝850℃±50℃，3层换热管平均温度450℃±50℃，进烟囱口处温度tpy＝180℃±20℃，因此取teJ＝525℃。

经计算Fg=12.46m2

1.6供热设备的设计及主要技术参数

根据计算结果，对加热设备设计时充分考虑煤质、烧火方法和烟叶烘烤的实际情况，以满足生产需要为根本，兼顾设备生产和安装。

1.6.1火炉设计：

为减少烟叶烘烤过程中的加煤次数，降低烘烤用工量，新材料密集烤房供热设备的火炉采用一次性加煤、隧道式炉体设计，其主要技术如表3所示。

表3新材料加热设备炉体基本参数

项目

火炉长（mm）

火炉宽（mm）

炉壁高（mm）

炉顶高（mm）

炉顶弧度（mm）

炉顶厚（mm）

炉壁厚（mm）

炉膛容积（m3）

参数

1400

730

900

1020

120

33

60

0.92

1.6.2换热器设计：

新材料密集烤房供热设备的散热器采用圆管式设计，由12条散热管组成，4-4-4三层结构排列，其基本技术见表4。

表4新材料加热设备换热器（管）基本参数

项目

散热管数（条）

散热管径

（mm）

散热管长

（mm）

散热管厚

（mm）

散热器散热

面积（m2）

总换热

面积（m2）

相对理论值（%）

参数

12

190

1400

6

11.95

15.49

124

1.7新材料密集烤房供热设备的加工生产

炉膛、换热器烟管、清灰门等部件，由不同类型的无机非金属复合材料制成，分别按照设计规格和新材料加工的密度、强度等技术指标及安装要求加工生产，并制定了《新材料密集烤房供热设备生产技术规程》，实现了非金属材料密集烤房供热设备的标准化生产，一体化组装。

1.8新材料密集烤房供热设备材料性能检测

1.8.1导热系数：

新材料密集烤房供热设备采用两种以上的纤维或颗粒的混杂增强增韧材料或两种以上的混杂基体研制而成，其化学成分指标符合国家或行业标准。

据中南大学检测结果，无机非金属复合材料散热器的导热系数达3.2W/Km，虽低于金属材料散热器的导热系数，但显著高于陶瓷和普通非金属材料散热器的导热系数（表5）。

其炉体材料的导热系数为1.72W/mK，也明显高于普通非金属炉体材料。

由此材料制作密集烤房供热设备，可以显著提高非金属材料烤房供热系统的热交换效率。

表5不同材料导热系数比较

供热设备名称

材料名称

导热系数（W/mK）

检测值

国家局非金属材料

供热设备技术参数

散热管

新型无机非金属复合材料

3.2

≥2.5

普通非金属材料

1.0

陶瓦材料

0.79

金属材料

17.7

炉体

新型无机非金属复合材料

1.72

无要求

普通非金属材料

1.10

1.8.2压溃强度：

据中南大学检测结果，在常温下不同材料散热管的压溃强度以陶瓦材料散热管最高达39.1Mpa；新型无机非金属复合材料散热管和普通非金属材料散热管的压溃强度基本一致，分别为26.4Mpa和26.3Mpa。

热震处理温度500℃、40次循环后，新型无机非金属复合材料散热管的压溃强度为21.1Mpa，远高于普通非金属材料散热管压溃强度的10.9Mpa；热震处理温度750℃、10次循环后，新型无机非金属复合材料散热管的压溃强度为11.8Mpa，仍高于普通非金属材料散热管的压溃强度的2.8Mpa（表6）。

新型无机非金属复合炉体材料的压溃强度也较普通耐火砖炉体材料高。

温度500℃、1次加热后，新型无机非金属复合炉体材料和普通耐火砖炉体材料的压溃强度分别为10.6Mpa和5.9Mpa；温度为750℃、1次加热后，二者的压溃强度分别为6.6Mpa和3.4Mpa。

表6不同材料供热设备压溃强度比较

测定项目

材料名称

检测条件

检测值

国家局非金属材料

供热设备技术参数

压溃强度

（Mpa）

新型无机非金属

复合材料散热管

常温

26.4

无要求

普通非金属材料散热管

26.3

陶瓦材料散热管

39.1

高温

压溃强度

（Mpa）

新型无机非金属

复合材料散热管

热震处理温度：

500℃

40次循环后

21.1

300℃时

抗压强度≥20；

500℃时

抗压强度≥10；

热震处理温度：

750℃

10次循环后

11.8

普通非金属材料散热管

热震处理温度：

500℃

40次循环后

10.9

热震处理温度：

750℃

10次循环后

2.8

新型无机非金属

复合材料散热管

500℃1次加热后

22.4

750℃1次加热后

15.3

普通非金属材料散热管

500℃1次加热后

19.3

750℃1次加热后

9.6

陶瓦材料散热管

500℃1次加热后

20.5

750℃1次加热后

14.3

新型无机非金属

复合材料炉体

500℃1次加热后

10.6

无要求

750℃1次加热后

6.6

普通耐火砖炉体

500℃1次加热后

5.9

750℃1次加热后

3.4

径向

压溃强度

（Mpa）

新型无机非金属

复合材料散热管

常温

12

≥7

普通非金属材料散热管

8

陶瓦材料散热管

9

不同材料散热管的径向压溃强度以新型无机非金属复合材料散热管最高，依次是陶瓦材料散热管、普通非金属材料散热管，其径向压溃强度分别为12Mpa、9Mpa、8Mpa。

1.8.3密度：

据中南大学检测结果，新型无机非金属复合材料散热管的密度最低，为1.65g/cm3，其次为普通非金属材料散热管其密度为1.8g/cm3，密度最大的为陶瓦材料散热管，为1.99g/cm3。

新型无机非金属复合炉体材料的密度与普通耐火砖接近（表7）。

可见，新材料供热设备比重小，重量轻，搬运安装方便。

表7不同材料供热设备密度比较

供热设备名称

材料名称

密度（g/cm3）

检测值

国家局非金属材料

供热设备技术参数

散热管

新型无机非金属复合材料

1.65

≤4.0g/cm3

普通非金属材料

1.80

陶瓦材料

1.99

炉体

新型无机非金属复合材料

2.15

普通耐火砖材料

2.05

1.8.4换热效率：

国家烟草专卖局（2009）418号文件对密集烤房非金属材料供热设备要求其整体换热效率为≥50%。

经华中科技大学国家煤燃烧重点实验室对本项目研发的新材料密集烤房供热设备检测，整体换热效率达到53.86%（表8），虽低于未使用的金属材料供热设备，但高于烤2房烟后的金属材料供热设备和普通非金属材料供热设备，超过国家局对密集烤房供热设备整体换热效率的要求。

表8不同材料供热设备换热效率比较

材料名称

换热效率（%）

检测值

国家局密集烤房供热设备技术参数

新型无机非金属复合材料散热管

53.86

≥50

普通非金属材料散热管

50.28

陶瓦材料散热管

43.0

金属材料散热管（新）

62.68

金属材料散热管（烤2房烟）

51.7

1.9密集烤房供热设备改进设计

本项目对普通非金属材料密集烤房火炉和散热器等供热设备进行一体化改进，全部用新研制的无机非金属材料制作，并与金属供热设备烤房和普通非金属供热设备烤房进行对比研究。

1.9.1火炉改进：

以CFRC新型无机非金属复合材料代替耐火材料炉体，采用隧道式一次性加煤设计。

炉体长1400mm、高900mm、宽730mm，炉壁厚60mm，炉膛容积0.92m3。

其导热系数远高于耐火材料，抗压、抗折强度大，韧性强，抗蚀性好，膨胀系数低，安全环保，材料性能稳定。

本材料所有性能都达到或超过国家烟草专卖局颁发的《密集烤房技术规范（试行）》对材料的要求（表9）。

表9新型非金属材料炉体改进参数对比

项目

新材料非金属炉体

技术参数

耐火炉体

技术参数

国家局非金属

炉体技术参数

金属材料炉体

技术参数

炉体材质

CFRC无机非金属复合材料

耐火材料

普通非金属材料

耐硫酸露点腐蚀钢

炉体结构

包括隧道式

燃烧管式或隧道式

隧道式炉体

圆柱形

炉体尺寸（mm）

长×宽×高＝

1400×900×730

/

/

高920，外径760

炉膛容量（m3）

0.92

/

≥0.53

0.53

炉顶结构

弧形

/

/

圆形

炉顶尺寸（mm）

拱高120，厚度33

/

/

内径750，内高240

炉壁厚度（mm）

60

70

/

4

高温抗压强度（Mpa）

10.6

≤5.0

/

≥410

导热系数（W/mK）

1.72

≤0.55

/

17.7

耐温性（℃）

≥1200

≤1350

≥1000

≥500

1.9.2散热器改进：

新材料非金属供热设备换热器采用RHM-II新型非金属复合材料制成，由12根管径190mm，长1400mm的无机非金属散热管组成，按4-4-4横列排列。

表10新型非金属材料散热器改进参数对比

项目

新材料换热器

技术参数

陶瓦管换热器技术参数

国家局非金属

换热器技术参数

国家局金属换热器技术参数

材质

RHM-II无机非金属材料

陶瓦

普通非金属材料

耐硫酸露点腐蚀钢

散热器结构

由换热管和弯头连接器组成

由直管和弯管组成

/

由换热管和火箱组成

火箱结构

由4个厚9mm，Φ220mm连接散热管双弯头、4mm厚清灰装置组成

由两个单弯头对接组成，无清灰装置

/

由内壁、外壁、清灰门、烟气隔板构成，冲压拉伸成型。

火箱材质

RHM-II无机非金属材料

耐火陶瓦管

/

4mm厚耐酸钢

散热管规格

管径190mm,管长1400mm

管径

Φ280×350mm

/

管径133mm，管长745mm

管壁厚

6mm

10mm

/

4mm

散热管排序

组成方式

8个Φ220mm弯头，12根无机非金属散热管，按4-4-4横列结构

36根陶瓦管横列结构

/

3-3-4自上而下三层10根换热管横列结构

热疲劳性能

高温管750℃高温10次无裂痕，中高温管500℃高温50次无裂痕

/

高温管750℃10次无裂痕，中高温管500℃40次无裂痕

/

径向

压溃强度

12Mpa

＜7Mpa

≥7Mpa

≥410Mpa

导热系数

3.2W/mK

0.79W/mK

≥2.5W/mK

17.7W/mK

材料密度

1.65g/cm3

/

≤4.0g/cm3

/

换热效率

53.86%

43.0%

50%以上

50%以上

具备良好的抗腐蚀性及导热性，强度好、比重轻（表10）。

其生产成本低于金属材料散热器，换热效率与金属散热器接近，导热性能和换热效率远高于陶瓦管散热器；用火箱代替原来使用的弯管，便于清灰等操作，同时解决了瓦管易开裂及导热性能差的问题，优化了产品结构。

1.9.3燃烧方式改进：

新材料非金属炉体采用一次性加煤和分级着火燃烧技术，燃烧效率较高（表11）。

烘烤过程中无需加煤，升温平稳，稳温持续，无忽高忽低现象而降低能耗；因操作简单、温湿度易控而确保烟叶烘烤质量；烟叶烘烤过程中无需人员值守，大大降低了劳动强度，节约了烘烤用工，减轻了烟农负担。

表11不同材料烤房燃烧方式对比

项目

新型非金属炉膛技术参数

陶瓦炉膛技术参数

国家局金属供热设备技术参数

加煤方式

一次性加煤Φ120mm煤球720个

多次

散煤

炉膛容量

900mm×1400mm×730mm

Ø340mm×2000mm×4个

Ø760mm×920mm

燃烧技术

回流区分级着火燃烧

正压

正压或负压

燃烧效率

≥95%

≥90%

≥95%

1.9.4新材料密集烤房供热设备结构：

新材料密集烤房供热设备结构如图2。

其火炉和散热器均采用导热性能高的非金属材料制作，炉膛、炉顶砌块、连接器均采用一次性高压成型工艺加工而成，强度达30Mpa，实现了成型化和标准化生产。

散热器能与金属材料密集烤房火炉对接，精度高，密封性能良好，安装简单方便。

换热器采用4-4-4自下而上三层12根换热管横列结构，其中底部为高温管，中层、顶层为中高温管。

供热设备的成型化和标准化生产、散热器可与金属材料密集烤房火炉对接，为金属材料烤房供热设备的非金属化改造奠定了基础。

图2新材料密集烤房供热系统加热室正面剖视图

新材料密集烤房一体化供热系统效果图如图3，与金属火炉连接效果图如图4。

图3新材料密集烤房供热系统效果图

图4新材料非金属换热器与金属火炉连接效果图

1.9.5新材料供热设备生产成本：

按目前原材料市场价格及相关生产成本测算，新材料加热设备的生产成本为3964元/套，较金属加热设备生产成本的4970元/套下降1006元/套，生产成本降低20.2%（表12）。

表12不同材料供热设备生产成本

供热设备

名称

耗材（kg/套）

成本（元/套）

成本合计（元/套）

金属材料供热设备

炉体

317.85

2436

4970

换热器

300.67

2534

新材料非金属供热设备

炉体

538.3

1923

3964

换热器

172.2

2041

1.9.6新材料供热设备使用寿命：

根据中南大学检测结果（表13），在相同试验条件下，金属材料加热设备散热管NS钢3次重复试验的平均腐蚀量为357.28g/（m2·h），腐蚀率为18.42％；新型无机非金属复合材料散热管的平均腐蚀量为68.05g/（m2·h），腐蚀率为12.7％。

按平均腐蚀率计算，新材料散热管的耐腐蚀强度比NS钢高31％。

因此，采用新型无机非金属复合材料制作散热器，可显著延长密集烤房供热设备的使用寿命。

表13不同材质散热管的耐腐蚀性检测结果

样品

长×宽×高

（mm）

面积

（m2）

试验时间（h）

试验前

（g）

试验后

（g）

腐蚀量

[g/（m2.h）]

腐蚀率

（％）

NS钢散热管

38.0×40.0×4.0

0.003453

6.0

40.1759

32.7700

357.28

18.42

新材料散热管

31.5×30.0×7.5

0.002942

6.0

9.4608

8.2514

68.05

12.70

注：

表中数据为3次试验结果平均值

1.10新材料密集烤房应用验证

1.10.1升温性能：

从表14可看出,新材料密集烤房在变黄期、定色期、干筋期的升温速度与金属密集烤房相近，能够满足烟叶烘烤需要。

表14不同类型烤房的供热性能比较

烤房类型

变黄期

定色期

干筋期

开始温度（℃）

2h后温度（℃）

升温

速度

（℃/h）

开始温度（℃）

2h后温度（℃）

升温

速度

（℃/h）

开始温度（℃）

2h后温度（℃）

升温

速度

（℃/h）

新材料烤房

36.1

43.5

3.70

45.2

51.6

3.20

56.7

61.5

2.40

普通非金属

材料烤房

36.