密集烤房 陶瓷基无机非金属复合材料供热备技术要求文档格式.docx
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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/(㎡·
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
散热管数(条)
散热管径
(mm)
散热管长
散热管厚
散热器散热
面积(m2)
总换热
相对理论值(%)
12
190
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
无要求
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
检测条件
新型无机非金属
复合材料散热管
常温
普通非金属材料散热管
26.3
陶瓦材料散热管
39.1
高温
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;
750℃
10次循环后
11.8
10.9
2.8
500℃1次加热后
750℃1次加热后
15.3
19.3
9.6
20.5
14.3
复合材料炉体
6.6
普通耐火砖炉体
5.9
3.4
径向
≥7
8
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
密度(g/cm3)
≤4.0g/cm3
1.80
1.99
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
换热效率(%)
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
50.28
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
新材料非金属炉体
技术参数
耐火炉体
国家局非金属
炉体技术参数
金属材料炉体
炉体材质
CFRC无机非金属复合材料
耐火材料
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×
/
高920,外径760
炉膛容量(m3)
≥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)
70
4
高温抗压强度(Mpa)
≤5.0
≥410
导热系数(W/mK)
≤0.55
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
新材料换热器
陶瓦管换热器技术参数
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
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
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
12Mpa
<7Mpa
≥7Mpa
≥410Mpa
3.2W/mK
0.79W/mK
≥2.5W/mK
17.7W/mK
1.65g/cm3
≤4.0g/cm3
换热效率
53.86%
43.0%
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
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
Ø
340mm×
2000mm×
4个
760mm×
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%
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
317.85
2436
4970
换热器
300.67
2534
新材料非金属供热设备
538.3
1923
3964
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
高
面积
(m2)
试验时间(h)
试验前
(g)
试验后
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
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)
新材料烤房
36.1
43.5
3.70
45.2
51.6
56.7
61.5
2.40
普通非金属
材料烤房
36.
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