密集烤房保溫材料篩選及其應用效果

孫光偉， 陳振國*， 劉小偉， 張鵬龍， 孫敬國， 李建平， 馮 吉

(1.湖北省煙草科學研究院，湖北 武漢 430030；2.華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；3.湖北省煙草公司 恩施州公司，湖北 恩施 445000)

烤煙調制是在烤房內利用熱能使煙葉內部發生一系列生理生化變化，變黃、脫水干燥的過程[1]，此過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。我國烤煙年產量維持在150萬t左右，烘烤煙葉需要消耗煤炭225萬～300萬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行隔熱以降低墻體散熱是烤房節能的重要環節。目前多孔隔熱保溫材料[6]在密集烤房上的應用較多，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]、微孔無機保溫材料[13]等材料的應用均可縮短烘烤時間，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，煙農收入增加。但已有的研究均集中在單一保溫材料的應用效果方面，未見有關不同保溫材料性能對比的報道，同時保溫材料在現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種保溫材料進行保溫及耐溫性能分析，同時對篩選出的保溫性能較好的材料進行不同安裝位置測試，旨在為密集烤房保溫節能提供技術借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

1.1.1 室內試驗 在華中科技大學煤燃燒重點實驗室對橡塑板、聚苯乙烯板、巖棉板、聚氨酯板4種保溫材料進行保溫及耐溫性能分析。

1.1.2 現場試驗 對篩選出的保溫性能較好的材料進行現場應用效果研究。試驗于2017年在湖北省恩施州鶴峰縣太平烘烤工場進行，供試烤煙品種為云煙87。以不進行保溫處理的常規烤房為對照(CK)，設置密集烤房裝煙室內保溫板不同安裝位置3個處理：T1裝煙室頂部(天花板)；T2裝煙室頂部和兩側墻體；T3裝煙室頂部、兩側墻體和地面。4個烤房裝煙數量及鮮煙質量一致，烤房類型為氣流上升式密集烤房，烘烤工藝按照當地常規三段式烘烤工藝執行，進行下部葉、中部葉、上部葉3 次烘烤試驗。

1.2 測定項目

1.2.1 保溫性能測定 根據非金屬固體材料導熱系數的測定標準[14]，用熱線法導熱系數測量儀(TC 3000，西安夏溪電子科技有限公司)測量材料的導熱系數。材料的保溫性能除了與其導熱系數相關以外，還與材料厚度有關，用傳熱系數表征不同厚度材料的保溫性能，傳熱系數越小，則材料的保溫性能越好。傳熱系數計算如下：

試中，h1為外層平壁壁面與外部空間的對流換熱系數，δ1為第一層平壁的厚度，λ1為第一層平壁材料的導熱系數，δ2為第二層平壁的厚度；λ2為第二層平壁材料的導熱系數；h2為內層平壁壁面與內部空間的對流換熱系數。假定外層平壁壁面與外部空間的對流換熱系數h1以及內層平壁壁面與內部空間的對流換熱系數h2均為無窮大，傳熱系數計算過程可以簡化為公式(2)

1.2.2 耐溫性能測定 馬弗爐(德國納博熱公司)測試4種材料的耐溫性能，將試驗樣品裝入瓷舟后放入馬弗爐中，設置好升溫程序，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 經濟性狀分析 現場試驗記錄烘烤時間、耗煤量、耗電量，烤后煙葉進行經濟性狀分析。

2 結果與分析

2.1 不同保溫材料的保溫性能

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

表1 不同材料的保溫參數

2.2 不同保溫材料的耐溫性能

經測定，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。在常態下橡塑板的顏色為灰黑色，隨著溫度越來越高，樣品的顏色越來越黑，表面的微孔由于高溫收縮而變得越來越少，超過90℃材料變形程度較大；聚苯乙烯顆粒超過80℃收縮厲害，略高于烤房內干筋期溫度；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 烤房內溫度分布情況 從表2可知，烤房加裝聚氨酯板保溫材料可顯著降低烤房內垂直溫差，同時有利于降低烤房內水平溫差，但影響差異不顯著；不同安裝位置處理對烤房內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、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，與試驗烤房為五連體烤房有關，兩側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950元/t，電價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 經濟效益 從表4可知，與對照相比，安裝聚氨酯板可提高烤后煙葉上等煙比例及均價，降低雜色煙比例。T3處理(四面安裝)較CK可節約能耗成本0.28元/kg干煙，干煙均價提高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，干煙均價提高0.65元/ kg，經濟效益最佳。

表4 聚氨酯板不同安裝處理的經濟效益

注：經濟性狀為下、中、上3炕煙葉的統計值；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。

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 結論與討論

隨著“十三五”綠色發展理念的提出，“綠水青山就是金山銀山”在各行業形成了廣泛認同。煙葉綠色烘烤，降低烘烤的能耗、減輕環境污染是今后密集烤房發展的必然趨勢[15]。烤房保溫技術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%，全國每年可節約煤炭資源約30萬t，具有重要的經濟效益和環保效益。試驗對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行保溫性能對比，結果表明，聚氨酯板導熱系數最低，為0.02 W/m·K，保溫性能較好，耐溫極限可達150℃，遠高于烤房干筋期的高溫要求，安全性較高；同時安裝較方便、成本較低，具有較好的防潮性和較長的使用壽命[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，導熱系數為0.58 W/m·K，導熱性能是保溫材料的15～20倍；由于其空心結構，厚度較厚，傳熱系數為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]等報道了聚氨脂板式密集烤房與磚混結構密集烤房的對比研究，結果表明聚氨酯材料的烤房性能較優，具有較好的應用前景。在現有密集烤房安裝聚氨酯板可有效改善磚混結構密集烤房的保溫性能，其中以烤房頂部安裝聚氨酯板經濟效果最佳，頂部安裝聚氨酯板使烤房垂直溫差降低0.98℃，同時避免水泥板烤房頂部結露滴水的現象，提高烤房的使用性能，降低烤壞煙現象的發生頻率，烤后上等煙比例提高，雜色煙比例降低。試驗烤房為五連體密集烤房，烤房的側墻加裝聚氨酯板節能效果不明顯，墻體散失的熱量被相鄰烤房利用，但五連體烤房兩邊烤房的側墻加裝聚氨酯板，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，導熱系數為0.02 W/m·K，傳熱系數為0.67 W/m2·K，保溫性能較好，耐溫極限可達150 ℃?？痉宽敳堪惭b聚氨酯板經濟效果最佳，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，干煙均價提高0.65元/kg。