片煙復(fù)烤機(jī)回潮段加溫加濕系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

戴永生，申玉軍，夏 飛，彭黎明

1.紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司楚雄卷煙廠，云南省楚雄市彝海東路 675000

2.中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)楓楊街2 號(hào) 450001

片煙復(fù)烤是打葉復(fù)烤工藝中的重要環(huán)節(jié)，其目的是對(duì)打葉去梗后的片煙進(jìn)行干燥處理，將其含水率控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，以保證片煙存貯安全并有利于片煙醇化［1］。根據(jù)煙葉吸濕和解濕原理［2］，在片煙復(fù)烤過(guò)程中首先將片煙含水率干燥至9%左右，再經(jīng)過(guò)冷卻和回潮處理，使其含水率趨于一致并達(dá)到工藝標(biāo)準(zhǔn)。片煙復(fù)烤機(jī)是打葉復(fù)烤生產(chǎn)中的重要加工設(shè)備，多采用隧道網(wǎng)帶式結(jié)構(gòu)，將片煙平鋪在網(wǎng)帶上，經(jīng)過(guò)干燥、冷卻與回潮處理，使片煙含水率達(dá)到工藝要求［3］。但該設(shè)備加溫加濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，無(wú)法實(shí)現(xiàn)片煙含水率的精確控制，導(dǎo)致生產(chǎn)中存在用水、蒸汽消耗量大，煙葉加工質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。對(duì)此，王兆鐵［4］在烤片機(jī)回潮系統(tǒng)中增加蒸汽管路并采用新型二元噴嘴，提高了含水率控制精度，降低了蒸汽消耗。陳昌華等［5］采用正交試驗(yàn)，對(duì)影響烤后片煙含水率的3種回潮方式的工藝參數(shù)進(jìn)行了組合試驗(yàn)分析，為提高復(fù)烤工藝水平提供了參考。謝曉斌等［6］以高壓水泵變頻調(diào)節(jié)作為主控制器，以混合水流量調(diào)節(jié)和混合蒸汽調(diào)節(jié)作為副控制器，基于預(yù)測(cè)PI 算法建立了以雙重控制算法為框架的回潮區(qū)加水控制算法，提高了出口含水率控制精度。任正云等［7］采用預(yù)測(cè)PI 和準(zhǔn)預(yù)測(cè)PI 算法控制片煙復(fù)烤機(jī)干燥、冷卻和回潮段的工藝參數(shù)，提升了控制效果。但上述改進(jìn)未能徹底解決回潮段加溫加濕精確控制的問(wèn)題。此外，李善蓮等［8］研究了滾筒復(fù)烤和氣流復(fù)烤對(duì)片煙加工質(zhì)量的影響，以提升片煙含水率均勻性，但該技術(shù)尚處于試驗(yàn)階段。為此，以KG235C 片煙復(fù)烤機(jī)為對(duì)象，采用汽水分離、分區(qū)多點(diǎn)噴射、精確控制加水量等方法對(duì)回潮段加溫加濕系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以期提高復(fù)烤煙葉質(zhì)量，降低能源消耗，提升打葉復(fù)烤生產(chǎn)自動(dòng)化水平。

1 問(wèn)題分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

KG235C 片煙復(fù)烤機(jī)分為干燥、冷卻和回潮3個(gè)工藝段。回潮段又分為3 個(gè)回潮區(qū)，各區(qū)設(shè)有蒸汽、高壓霧化水和汽水混合噴嘴3 組加溫加濕管路系統(tǒng)，通過(guò)3 組管路共同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)片煙的加水處理［9］。其中，一區(qū)為風(fēng)下降循環(huán)，二、三區(qū)為風(fēng)上升循環(huán)，3 個(gè)區(qū)的布局基本一致，均由加熱盤(pán)管、護(hù)煙板、循環(huán)風(fēng)機(jī)、底架、隔板、蒸汽噴嘴、高壓霧化水噴嘴、汽水混合噴嘴等部件組成，見(jiàn)圖1。生產(chǎn)中利用循環(huán)風(fēng)機(jī)帶動(dòng)汽水混合熱風(fēng)循環(huán)穿透片煙，對(duì)片煙連續(xù)加濕加熱。回潮段底部安裝有水槽用于收集冷凝水，并通過(guò)管道排出。此外，回潮段還安裝有排潮管將部分潮氣排出，以保證回潮段內(nèi)形成一定負(fù)壓，防止霧化水及蒸汽外溢。

圖1 片煙復(fù)烤機(jī)回潮段結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of reordering section in strip redryer

加溫加濕管路系統(tǒng)和噴嘴布局見(jiàn)圖2 和圖3。在回潮過(guò)程中：①蒸汽管路系統(tǒng)采用氣動(dòng)薄膜閥控制蒸汽流量，以提高循環(huán)空氣的溫度和濕度。控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置在各回潮區(qū)上方的溫度檢測(cè)器檢測(cè)溫度，與設(shè)定溫度對(duì)比后，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)氣動(dòng)薄膜閥開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)回潮各區(qū)的溫度控制。②高壓霧化水系統(tǒng)采用高壓水泵供水，通過(guò)噴嘴將水噴射到回潮各區(qū)的循環(huán)熱風(fēng)中加濕片煙，加水量可通過(guò)調(diào)節(jié)高壓水泵電機(jī)頻率進(jìn)行調(diào)整。③汽水混合噴嘴系統(tǒng)采用薄膜閥調(diào)節(jié)加水量和蒸汽壓力，通過(guò)蒸汽的引射作用將水霧化后施加到片煙上，對(duì)片煙含水率進(jìn)行微調(diào)。

1.2 存在問(wèn)題

KG235C 片煙復(fù)烤機(jī)回潮段主要根據(jù)物料入口含水率與出口含水率的對(duì)比結(jié)果，調(diào)節(jié)汽水混合噴嘴系統(tǒng)薄膜閥開(kāi)度以控制加水量，實(shí)現(xiàn)對(duì)出口片煙含水率的微調(diào)。當(dāng)加水量變化較大時(shí)，需要通過(guò)人工調(diào)節(jié)高壓水泵電機(jī)頻率進(jìn)行調(diào)整。因此，加溫加濕系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：①蒸汽、高壓霧化水和汽水混合噴嘴3 組加溫加濕管路系統(tǒng)共同作用，對(duì)加水量形成交互影響，無(wú)法實(shí)現(xiàn)片煙含水率的精確控制。②高壓霧化水是回潮段的主要加水系統(tǒng)，加水量的調(diào)整只能通過(guò)調(diào)節(jié)高壓水泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。當(dāng)加水量需求較小時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速過(guò)低，管路壓力也隨之降低，導(dǎo)致噴嘴的霧化效果變差，噴出的水大部分從水槽中直接排出，造成能源浪費(fèi)。③高壓霧化水噴嘴和汽水混合噴嘴噴出的水霧顆粒較大，導(dǎo)致回潮后片煙水分吸收不均勻，影響片煙加工質(zhì)量。

圖2 改進(jìn)前加溫加濕管路系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of heating and humidifying pipeline system before modification

圖3 改進(jìn)前加溫加濕系統(tǒng)噴嘴布局圖Fig.3 Layout of nozzles in heating and humidifying system before modification

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)汽水分離、分區(qū)多點(diǎn)噴射、精確控制加水量等設(shè)計(jì)思路，對(duì)回潮段加溫加濕系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，改進(jìn)后加溫加濕管路系統(tǒng)和噴嘴布局見(jiàn)圖4和圖5。其中，取消了汽水混合噴嘴加濕系統(tǒng)，各回潮區(qū)獨(dú)立設(shè)置可精確控制蒸汽施加量的蒸汽噴嘴管路系統(tǒng)，用于增加片煙溫度。加水系統(tǒng)采用無(wú)需引射介質(zhì)的高壓霧化水噴嘴，均勻分布在回潮段網(wǎng)帶底部，噴嘴數(shù)量根據(jù)加水量計(jì)算并確定，以5～10 個(gè)霧化水噴嘴為一組，每個(gè)回潮區(qū)設(shè)置n組噴嘴，每組噴嘴設(shè)置一個(gè)電磁閥，系統(tǒng)根據(jù)物料出口含水率自動(dòng)控制各組噴嘴管路的開(kāi)啟或閉合，實(shí)現(xiàn)加水量的精確控制。

2.2 管路系統(tǒng)

2.2.1 加水量計(jì)算

KG235C 片煙復(fù)烤機(jī)額定生產(chǎn)能力為9 000 kg/h，根據(jù)工藝規(guī)范要求，入口物料含水率為17.0%～21.0%，冷卻區(qū)物料含水率為8.0%～10.0%，回潮段物料出口含水率為11.5%～13.5%［10］，計(jì)算可得回潮段最大加水量為495 L/h。考慮到霧化水的吸收效率和極端工況條件，本設(shè)計(jì)中最大加水量取600 L/h 進(jìn)行計(jì)算，并以此選擇高壓霧化水噴嘴型號(hào)和數(shù)量。

圖4 改進(jìn)后加溫加濕管路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of modified heating and humidifying pipeline system

圖5 改進(jìn)后加溫加濕系統(tǒng)噴嘴布局圖Fig.5 Layout of nozzles in modified heating and humidifying system

2.2.2 霧化水噴嘴選擇

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，選擇1533T 型噴嘴作為高壓霧化水噴嘴。該噴嘴無(wú)需采用蒸汽或壓縮空氣作為引射介質(zhì)，利用水壓即可形成5～15 μm 的水霧顆粒，有利于片煙均勻吸收。噴嘴孔徑0.015 mm，霧化角度45°～90°（螺旋狀），噴射長(zhǎng)度50～700 mm，工作壓力0.3～0.5 MPa，額定加濕量0.050 L/min。

2.2.3 噴嘴數(shù)量及分組

根據(jù)最大加水量600 L/h 計(jì)算，共設(shè)置200 個(gè)1533T 型噴嘴。基于煙葉的吸濕特性，按照“一區(qū)主升溫、二區(qū)主加濕、三區(qū)作微調(diào)”的設(shè)計(jì)思路，將片煙復(fù)烤機(jī)3 個(gè)回潮區(qū)的加水量比例設(shè)為3∶4∶3，一區(qū)和三區(qū)各設(shè)置60 個(gè)噴嘴，二區(qū)設(shè)置80 個(gè)噴嘴。一、二區(qū)每10 個(gè)噴嘴為一組，三區(qū)每5 個(gè)噴嘴為一組，在每組噴嘴管路上均設(shè)置有可自動(dòng)開(kāi)閉的電磁閥，實(shí)現(xiàn)每組噴嘴的獨(dú)立控制。測(cè)試結(jié)果表明，每打開(kāi)或關(guān)閉一組噴嘴時(shí)，物料含水率調(diào)整量一、二區(qū)約為0.2%，三區(qū)約為0.1%。

2.2.4 加濕水供給

在片煙復(fù)烤機(jī)的供水管網(wǎng)上設(shè)置一臺(tái)工業(yè)凈水機(jī)作為水源，采用可變頻調(diào)節(jié)的高壓水泵通過(guò)不銹鋼總管連接到各組噴嘴管路，為各組霧化水噴嘴供水。總管與各噴嘴管路上均設(shè)置有電磁閥，用于控制每組噴嘴管路的開(kāi)閉。總管末端設(shè)置有壓力傳感器，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定壓力與實(shí)際檢測(cè)壓力進(jìn)行比對(duì)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)高壓水泵電機(jī)頻率，保證噴嘴壓力恒定。此外，在高壓水泵出口處還設(shè)置有溢流閥，以實(shí)現(xiàn)管路系統(tǒng)壓力的過(guò)載保護(hù)。

2.2.5 蒸汽管路

改進(jìn)后3 個(gè)回潮區(qū)均獨(dú)立設(shè)置有可精確控制蒸汽施加量的蒸汽噴嘴管路系統(tǒng)，蒸汽噴嘴均勻分布在復(fù)烤機(jī)網(wǎng)帶底部靠近風(fēng)機(jī)一側(cè)，以保證噴射出的蒸汽能夠均勻通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)對(duì)片煙進(jìn)行加熱。

2.3 控制模式

2.3.1 回潮段溫度控制

在3 個(gè)回潮區(qū)蒸汽管路上分別設(shè)置有氣動(dòng)薄膜閥，用于調(diào)節(jié)蒸汽施加量。在各回潮區(qū)物料上方還設(shè)置有溫度傳感器，用于檢測(cè)回潮區(qū)溫度。系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的回潮區(qū)溫度與實(shí)際溫度比對(duì)后，自動(dòng)調(diào)節(jié)氣動(dòng)薄膜閥開(kāi)度，調(diào)整蒸汽施加量，實(shí)現(xiàn)回潮區(qū)溫度的精確控制。

2.3.2 片煙含水率控制

根據(jù)優(yōu)先級(jí)別分級(jí)控制的思想，對(duì)各回潮區(qū)的加濕水分兩級(jí)進(jìn)行控制，回潮一區(qū)和二區(qū)設(shè)置為一級(jí)控制區(qū)，回潮三區(qū)設(shè)置為二級(jí)控制區(qū)。根據(jù)片煙實(shí)際含水率與出口含水率對(duì)比結(jié)果，采用模糊PID控制技術(shù)，以分區(qū)智能PID 控制算法為基礎(chǔ)，分別對(duì)3 個(gè)回潮區(qū)的加水噴嘴按照優(yōu)先控制級(jí)別進(jìn)行開(kāi)啟或閉合，實(shí)現(xiàn)出口含水率的精確控制。

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：K326 品種C2F、B2F 工業(yè)分級(jí)后配方組合模塊煙葉［紅塔煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司楚雄卷煙廠提供］。

設(shè)備與儀器：KG235C 片煙復(fù)烤機(jī)（秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）；FED-115 電熱鼓風(fēng)干燥箱（溫度精度±2 ℃，德國(guó)Binder 公司）；AX204 分析天平（d=0.1 mg，德國(guó)Mettler Toledo 公司）。

方法：采用同一品種、同一等級(jí)的配方模塊煙葉，預(yù)處理、打葉風(fēng)分和復(fù)烤工序均按相同工藝參數(shù)進(jìn)行控制，在相同生產(chǎn)工藝條件下對(duì)比改進(jìn)前后加溫加濕系統(tǒng)的回潮效果。利用生產(chǎn)線控制系統(tǒng)自動(dòng)采集物料流量、入口物料含水率、干燥區(qū)溫度、冷卻段出口物料含水率、回潮段蒸汽流量、回潮段混合噴嘴加水量、加濕水流量等數(shù)據(jù)［11］。成品片煙每隔5 箱取一個(gè)樣品檢測(cè)含水率［12］，測(cè)試時(shí)間為6 個(gè)工作日，對(duì)獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見(jiàn)，在工藝參數(shù)和成品片煙含水率均保持一致的前提下，改進(jìn)后片煙復(fù)烤機(jī)回潮段節(jié)約蒸汽410 kg/h，蒸汽消耗量減少35.2%；節(jié)約用水1 631 kg/h，耗水量減少85.3%；成品片煙含水率變異系數(shù)由1.83%降低到1.41%，降低0.42 百分點(diǎn)。

表1 片煙復(fù)烤機(jī)改進(jìn)前后工藝質(zhì)量參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of technical parameters of strip redryer before and after modification

4 結(jié)論

根據(jù)汽水分離、分區(qū)多點(diǎn)噴射、精確控制加水量的思路，對(duì)片煙復(fù)烤機(jī)回潮段加溫加濕系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了片煙復(fù)烤機(jī)回潮段加溫加濕自動(dòng)控制，有效解決了原系統(tǒng)片煙含水率控制精度低、能源消耗大和片煙含水率不均勻等問(wèn)題。以KG235C 片煙復(fù)烤機(jī)為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：在工藝參數(shù)和成品片煙含水率均保持一致的前提下，片煙含水率控制精度達(dá)到0.1%，片煙含水率CV 值降低0.42 百分點(diǎn)；回潮段蒸汽耗用量降低35.2%，耗水量減少85.3%，有效降低了復(fù)烤加工過(guò)程能耗，提升了片煙產(chǎn)品的均質(zhì)化水平。