密集烤房保溫材料篩選及其應(yīng)用效果

孫光偉， 陳振國(guó)*， 劉小偉， 張鵬龍， 孫敬國(guó)， 李建平， 馮 吉

(1.湖北省煙草科學(xué)研究院，湖北 武漢 430030；2.華中科技大學(xué) 煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；3.湖北省煙草公司 恩施州公司，湖北 恩施 445000)

烤煙調(diào)制是在烤房?jī)?nèi)利用熱能使煙葉內(nèi)部發(fā)生一系列生理生化變化，變黃、脫水干燥的過(guò)程[1]，此過(guò)程中需要消耗大量的能量，每烤成1 kg干煙需1.5～2.0 kg煤炭。我國(guó)烤煙年產(chǎn)量維持在150萬(wàn)t左右，烘烤煙葉需要消耗煤炭225萬(wàn)～300萬(wàn)t[2]。密集型烤房建造墻體多采用空心磚，熱能利用率低于60%，壁面散熱損失占能耗的10%～15%[3-5]，因此在烤房墻體加裝保溫層進(jìn)行隔熱以降低墻體散熱是烤房節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。目前多孔隔熱保溫材料[6]在密集烤房上的應(yīng)用較多，如納米涂料[7]、彩鋼巖棉夾心板[8]、聚氨脂板[9-10]、膠粉聚苯顆粒[11]、泡沫保溫層[12]、微孔無(wú)機(jī)保溫材料[13]等材料的應(yīng)用均可縮短烘烤時(shí)間，使烤煙耗煤、耗電量分別降低10%～20%，降低了粉塵和大氣污染物的排放，并且烤后煙葉的上等煙率提高，煙農(nóng)收入增加。但已有的研究均集中在單一保溫材料的應(yīng)用效果方面，未見有關(guān)不同保溫材料性能對(duì)比的報(bào)道，同時(shí)保溫材料在現(xiàn)有密集烤房的安裝均以布滿四周墻壁為主，不同安裝位置的保溫效果分析未見報(bào)道。為此，筆者以目前常見的橡塑板、聚苯乙烯板、巖棉板和聚氨酯板4種保溫材料進(jìn)行保溫及耐溫性能分析，同時(shí)對(duì)篩選出的保溫性能較好的材料進(jìn)行不同安裝位置測(cè)試，旨在為密集烤房保溫節(jié)能提供技術(shù)借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 室內(nèi)試驗(yàn) 在華中科技大學(xué)煤燃燒重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)橡塑板、聚苯乙烯板、巖棉板、聚氨酯板4種保溫材料進(jìn)行保溫及耐溫性能分析。

1.1.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 對(duì)篩選出的保溫性能較好的材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果研究。試驗(yàn)于2017年在湖北省恩施州鶴峰縣太平烘烤工場(chǎng)進(jìn)行，供試烤煙品種為云煙87。以不進(jìn)行保溫處理的常規(guī)烤房為對(duì)照(CK)，設(shè)置密集烤房裝煙室內(nèi)保溫板不同安裝位置3個(gè)處理：T1裝煙室頂部(天花板)；T2裝煙室頂部和兩側(cè)墻體；T3裝煙室頂部、兩側(cè)墻體和地面。4個(gè)烤房裝煙數(shù)量及鮮煙質(zhì)量一致，烤房類型為氣流上升式密集烤房，烘烤工藝按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)三段式烘烤工藝執(zhí)行，進(jìn)行下部葉、中部葉、上部葉3 次烘烤試驗(yàn)。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目

1.2.1 保溫性能測(cè)定 根據(jù)非金屬固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)[14]，用熱線法導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量?jī)x(TC 3000，西安夏溪電子科技有限公司)測(cè)量材料的導(dǎo)熱系數(shù)。材料的保溫性能除了與其導(dǎo)熱系數(shù)相關(guān)以外，還與材料厚度有關(guān)，用傳熱系數(shù)表征不同厚度材料的保溫性能，傳熱系數(shù)越小，則材料的保溫性能越好。傳熱系數(shù)計(jì)算如下：

試中，h1為外層平壁壁面與外部空間的對(duì)流換熱系數(shù)，δ1為第一層平壁的厚度，λ1為第一層平壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)，δ2為第二層平壁的厚度；λ2為第二層平壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)；h2為內(nèi)層平壁壁面與內(nèi)部空間的對(duì)流換熱系數(shù)。假定外層平壁壁面與外部空間的對(duì)流換熱系數(shù)h1以及內(nèi)層平壁壁面與內(nèi)部空間的對(duì)流換熱系數(shù)h2均為無(wú)窮大，傳熱系數(shù)計(jì)算過(guò)程可以簡(jiǎn)化為公式(2)

1.2.2 耐溫性能測(cè)定 馬弗爐(德國(guó)納博熱公司)測(cè)試4種材料的耐溫性能，將試驗(yàn)樣品裝入瓷舟后放入馬弗爐中，設(shè)置好升溫程序，升溫至70℃后每1 h升5℃，隔2 h左右觀察樣品的變形程度，根據(jù)樣品的變形程度確定材料的最高耐溫溫度。

圖1裝煙室溫濕度探頭懸掛示意圖

Fig.1 Schematic diagram of temperature and humidity sensors’ location in a heating chamber

1.2.4 經(jīng)濟(jì)性狀分析 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)記錄烘烤時(shí)間、耗煤量、耗電量，烤后煙葉進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性狀分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同保溫材料的保溫性能

從表1可知，4種保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)和傳熱系數(shù)均明顯低于空心磚。橡塑板保溫材料為表面粘附一層銀白色有機(jī)薄膜的灰黑色有機(jī)泡沫材料，主要原料為丁腈橡膠和聚氯乙烯，該材料內(nèi)部為細(xì)孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱系數(shù)較低，為0.037 W/m·K，但材料較薄，傳熱系數(shù)較高；聚苯乙烯板和巖棉板表面均為厚度是1 mm的乳白色彩鋼，中間內(nèi)襯分別是厚度為48 mm的聚苯乙烯高分子有機(jī)泡沫材料和厚度為58 mm黃色蓬松狀短細(xì)纖維的巖棉，聚苯乙烯板導(dǎo)熱系數(shù)較低，巖棉板傳熱系數(shù)較低；聚氨酯板是有聚氨酯A料和B料按一定比例調(diào)制的白色高分子有機(jī)發(fā)泡材料，其導(dǎo)熱系數(shù)最低，為0.02 W/m·K，厚度僅為巖棉板的一半，傳熱系數(shù)與巖棉板相當(dāng)。

表1 不同材料的保溫參數(shù)

2.2 不同保溫材料的耐溫性能

經(jīng)測(cè)定，橡塑板、聚苯乙烯板、巖棉板和聚氨酯板的耐溫極限分別為90℃、80℃、200℃和150℃，耐溫極限由高到低分別為巖棉板>聚氨酯板>橡塑板>聚苯乙烯板。在常態(tài)下橡塑板的顏色為灰黑色，隨著溫度越來(lái)越高，樣品的顏色越來(lái)越黑，表面的微孔由于高溫收縮而變得越來(lái)越少，超過(guò)90℃材料變形程度較大；聚苯乙烯顆粒超過(guò)80℃收縮厲害，略高于烤房?jī)?nèi)干筋期溫度；從安全角考慮密集烤房保溫材料以巖棉板和聚氨酯板較好。

2.3 聚氨酯板不同安裝位置效果

2.3.1 烤房?jī)?nèi)溫度分布情況 從表2可知，烤房加裝聚氨酯板保溫材料可顯著降低烤房?jī)?nèi)垂直溫差，同時(shí)有利于降低烤房?jī)?nèi)水平溫差，但影響差異不顯著；不同安裝位置處理對(duì)烤房?jī)?nèi)垂直和水平溫差影響差異不顯著，裝煙室頂部安裝聚氨酯板保溫材料可增加烤房的保溫性能，降低垂直溫差0.98℃。

2.3.2 烘烤能耗 從表3可知，與CK相比，安裝聚氨酯板可顯著降低烘烤用時(shí)、耗煤量和耗電量，T1、T2、T3處理間能耗成本差異不顯著。裝煙室頂部安裝聚氨酯板耗煤量和耗電量較CK分別降低12.10%和14.25%，烘烤能耗降低12.49%。T2處理裝煙室頂部和兩側(cè)墻體加裝聚氨酯板與T1裝煙室頂部安裝處理相比能耗反而升高，與試驗(yàn)烤房為五連體烤房有關(guān)，兩側(cè)墻體不加裝聚氨酯板可利用隔壁烤房墻壁的散熱，可在五連體烤房的兩邊烤房的側(cè)墻加裝聚氨酯板。

表2聚氨酯板不同安裝處理的平面溫差和垂直溫差

Table 2 Level temperature difference and vertical temperature difference of polyurethane board under different installation sites in a bulk curing barn ℃

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note:Different lowercase letters in the table indicate significance of difference atP<0.05 level.The same below.

表3 聚氨酯板不同安裝處理的能耗

注：煤價(jià)950元/t，電價(jià)0.558元/ Kw·h。

Note:The price of coal and electricity is 950 Yuan/t and 0.558 Yuan / Kw·h respectively.

2.3.3 經(jīng)濟(jì)效益 從表4可知，與對(duì)照相比，安裝聚氨酯板可提高烤后煙葉上等煙比例及均價(jià)，降低雜色煙比例。T3處理(四面安裝)較CK可節(jié)約能耗成本0.28元/kg干煙，干煙均價(jià)提高0.74元/kg，T1處理(在烤房裝煙室頂部，天花板)安裝聚氨酯板可提高烤后上等煙比例5.86百分點(diǎn)，干煙均價(jià)提高0.65元/ kg，經(jīng)濟(jì)效益最佳。

表4 聚氨酯板不同安裝處理的經(jīng)濟(jì)效益

注：經(jīng)濟(jì)性狀為下、中、上3炕煙葉的統(tǒng)計(jì)值；聚氨酯板材料及安裝成本60元/m2，以使用5年每年烤5炕煙，每炕出500 kg干煙計(jì)。

Note:The economic characters are the statistical values of bottom,middle and upper tobacco leaves.The cost of polyurethane material and installation is 60 yuan/m2according to 5 times/year and 500 kg dry tobacco /time for 5 years.

3 結(jié)論與討論

隨著“十三五”綠色發(fā)展理念的提出，“綠水青山就是金山銀山”在各行業(yè)形成了廣泛認(rèn)同。煙葉綠色烘烤，降低烘烤的能耗、減輕環(huán)境污染是今后密集烤房發(fā)展的必然趨勢(shì)[15]?？痉勘丶夹g(shù)是降低密集烤房散熱損失，提高烤房熱能利用效率的重要措施[16]，烤煙能耗每降低10%，全國(guó)每年可節(jié)約煤炭資源約30萬(wàn)t，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。試驗(yàn)對(duì)纖維狀隔熱保溫材料巖棉板、氣泡型隔熱保溫材料聚苯乙烯板及聚氨酯板、層狀隔熱保溫材料橡塑板4種多孔隔熱保溫材料進(jìn)行保溫性能對(duì)比，結(jié)果表明，聚氨酯板導(dǎo)熱系數(shù)最低，為0.02 W/m·K，保溫性能較好，耐溫極限可達(dá)150℃，遠(yuǎn)高于烤房干筋期的高溫要求，安全性較高；同時(shí)安裝較方便、成本較低，具有較好的防潮性和較長(zhǎng)的使用壽命[17]，符合目前密集烤房保溫材料的需求。

目前，密集烤房建造以空心磚墻體為主，導(dǎo)熱系數(shù)為0.58 W/m·K，導(dǎo)熱性能是保溫材料的15～20倍；由于其空心結(jié)構(gòu)，厚度較厚，傳熱系數(shù)為2.37 W/m2·K，低于橡塑板，為聚氨酯板的3.5倍，保溫性能與聚氨酯板相比較差。殷紅等[9-10]等報(bào)道了聚氨脂板式密集烤房與磚混結(jié)構(gòu)密集烤房的對(duì)比研究，結(jié)果表明聚氨酯材料的烤房性能較優(yōu)，具有較好的應(yīng)用前景。在現(xiàn)有密集烤房安裝聚氨酯板可有效改善磚混結(jié)構(gòu)密集烤房的保溫性能，其中以烤房頂部安裝聚氨酯板經(jīng)濟(jì)效果最佳，頂部安裝聚氨酯板使烤房垂直溫差降低0.98℃，同時(shí)避免水泥板烤房頂部結(jié)露滴水的現(xiàn)象，提高烤房的使用性能，降低烤壞煙現(xiàn)象的發(fā)生頻率，烤后上等煙比例提高，雜色煙比例降低。試驗(yàn)烤房為五連體密集烤房，烤房的側(cè)墻加裝聚氨酯板節(jié)能效果不明顯，墻體散失的熱量被相鄰烤房利用，但五連體烤房?jī)蛇吙痉康膫?cè)墻加裝聚氨酯板，可避免墻體散熱。

橡塑板、聚苯乙烯彩鋼板、巖棉彩鋼板、聚氨酯板等目前常見的4種保溫材料以聚氨酯板更符合目前密集烤房保溫材料的需求，導(dǎo)熱系數(shù)為0.02 W/m·K，傳熱系數(shù)為0.67 W/m2·K，保溫性能較好，耐溫極限可達(dá)150 ℃?？痉宽敳堪惭b聚氨酯板經(jīng)濟(jì)效果最佳，烘烤能耗降低12.49%，降低烤房垂直溫差0.98℃，烤后上等煙比例提高5.86百分點(diǎn)，干煙均價(jià)提高0.65元/kg。