垂直料管式加香設備的研制和應用

高曉華，易斌，溫亞東，付亮，劉澤，馬寧，譚國治，張立業

1 云南中煙工業有限責任公司技術中心，云南省昆明市五華區紅錦路367號 650231；2 秦皇島煙草機械有限責任公司，河北省秦皇島經濟技術開發區龍海道67號 066318

加香設備是制絲生產線中不可或缺的主機設備，其主要工藝任務是將配制好的香精按產品配方比例準確、均勻地施加到煙絲上，滿足產品配方設計要求。國內外對加料加香設備已有較多研究[1-6]，文獻及調研都顯示目前國際及國內煙機制造企業的加香設備均為滾筒式，其工作原理為：煙草物料在滾筒內翻滾前進過程中與噴嘴噴射出的香精混合。滾筒式加香設備普遍存在加工過程時間長、處理強度大、加香均勻性差的缺點。

為滿足卷煙加香均勻性、降低損耗、快速響應牌號切換等諸多要求，我們研制了垂直料管式加香設備，利用葉絲自由落體時的松散狀態對葉絲進行加香。將該設備與大線傳統滾筒加香設備在加香精度、過程造碎、加香均勻性、產品感官質量等方面進行了對比，以說明該設備的優勢。

1 垂直料管式加香設備系統設計

垂直料管式加香設備主要由機械部分、控制部分和軟件系統組成。設備機械部分主要由提升喂料機、限量管、皮帶秤、振槽、垂直料管式加香機組成。卷煙制絲加工過程中，經切絲及葉絲干燥后的煙絲經提升喂料機送至限量管，由電子皮帶秤進行流量計量后，進入高頻低幅振槽，振槽將物料進行均勻攤薄后進入垂直料管式加香機，物料在自由下落時進行加香。設備機械部分組成見圖1。

圖1 垂直料管式加香設備系統設計結構圖Fig. 1 Design structure of vertical pipe flavoring equipment

1.1 垂直料管式加香機

垂直料管式加香機是加香設備的關鍵主機，主要設計原理是利用物料垂直自由下落過程中的松散狀態實現物料的均勻加香。加香機由機架、垂直料管、加香系統等部分組成，結構見圖2。機架由有型鋼焊接成型，對料管及管路系統提供支撐作用。垂直料管為立式不銹鋼筒體結構，是加香機的核心部件，物料的加香工藝處理全部在垂直料管內部完成。加香系統由加香泵、壓空管路、雙介質加香噴嘴及相應軟管、面板組成。

圖2 垂直料管式加香機結構Fig. 2 Structure of vertical pipe flavoring equipment

圖3 垂直料管結構Fig. 3 Structure of vertical pipe

垂直料管具體結構及功能區域見圖3，主要由進料區1、落料區2、加香區4、緩沖區7 和出料區8 組成，進料區1 成四棱錐狀結構，保證從振槽輸送的物料全部進入料管內部。落料區2 設定一定的高度，使物料的下落速度滿足加香工藝需要。加香區4 為擴大結構，四周內壁設置加香噴嘴3，加香區4 一面為玻璃觀察窗5，可以方便觀察物料在料管內部的運行狀態，另一面為帶玻璃窗的清理門6，打開方便清理料管內部粘附的物料及碎末。緩沖區7 設置45°傾斜角度的導料板，以減少物料垂直下落過程碰撞引起的造碎。管路系統針對小流量小比例加香進行了優化，采用高精度流量型智能蠕動泵+透明硅膠管+微霧噴嘴方案，系統具備香精預填充、余料回收等基本功能。

加香噴嘴3 及霧化角度設置：加香噴嘴3 固定于加香區4 筒體的內壁，四面內壁中間位置分別設置一個加香噴嘴，加香噴嘴可實現0 ～45°范圍的調整，物料下落至加香區4 時需要通過調整加香噴嘴的角度來保證加香噴射的區域。噴嘴的噴射范圍為扇形80°角全噴霧區域均等分布，通過調整噴嘴角度調整噴嘴的噴射距離，保證噴霧寬幅與物料簾相符。

1.2 筒體高度的設計

垂直料管式加香機是利用物料自由落體時的松散狀態對物料進行加香處理，物料的下落高度決定了物料的下落速度及均勻性狀態，而物料的下落高度由筒體設計的高度所決定。因此，對筒體的設計高度進行了測算。

據測算，煙絲自由落體加速度約為2.00 m/s2，煙絲下落至加香區域時物料密度約為2.00～3.00 kg/m3，物料下落橫截面積約0.004 m2（落料區橫截面尺寸200 mm，物料自由下落狀態厚度20 mm），按100 kg/h 流量計算：

其中：

V 為物料下落速度m/s

ρ 為物料下落時的密度，取2～3 kg/m3

S 為物料下落時的截面積，取0.004 m2

物料下落高度：

其中：

g 為物料下落重力加速度，取2.00 m/s2

t 為物料下落至加香區域時所需要的時間

物體自由落體速度：

由以上算式（1）、（2）、（3）可得：

將各數值帶入，可測算物料的下落高度約為0.40～1.20 m 之間，即設備筒體的設計高度為0.40～1.20 m。

1.3 控制系統

設備設計了一套自動化加香軟件系統。軟件控制系統以PROFINET 網絡為主線，采用西門子S7-1500系列PLC 以及ET200SP 系列分布式I/O 產品。現場分布式I/O、變頻器等采用PROFINET 接口，不具備PROFINET 接口功能的設備通過PROFIBUS-DP 網絡與PLC 進行通訊。主要控制內容有提升喂料機水平倉和提升段電機速度、限量管高低料位檢測、振槽啟停和加香機香料泵的預填充、加香比例等，其控制主界面見圖4，控制流程圖見圖5。每個控制段都有三種不同的段狀態模式，分別是“閉鎖模式”、“手動模式”、“自動模式”。每個控制段都有“自動按鈕”、“手動按鈕”、“閉鎖按鈕”、“線啟動按鈕”、“線停止按鈕”。

設備啟動前，檢查壓縮空氣壓力是否正常，在加香罐中添加待加香料，開啟“主電源”。 輸入喂料機提升帶、底帶、振槽電機的頻率設定值，按照生產要求設定加料比例、香精密度、秤的瞬時流量、秤的堆棧時間、管道預填充時間。為保證加香精度，應經多次試驗準確計算預填充時間，保證物料與施加香精信號的精確匹配。“自動模式”下，將電子秤設置為遠程/自動狀態，點擊香料預填充，待預填充完成，點擊“自動啟動”按鈕，預警10 秒后，設備進入自動運行狀態。生產結束需要保養時，將控制段狀態切換到“手動模式”，在手動模式下可以通過觸摸屏實現對設備電磁閥的控制,通過對泵的本地操作實現對料液的回收。

圖4 垂直料管式加香設備控制系統顯示界面Fig. 4 Display interface of control system of vertical pipe flavoring equipment

圖5 設備控制流程圖Fig. 5 Flow chart of equipment control

2 應用效果測試

2.1 材料與設備

紅塔山、玉溪某牌號生產線摻配后混合絲及對應品牌專用香精（玉溪卷煙廠）。

自行設計與制造的100 kg/h 垂直料管式加香設備；云南中煙工業有限責任公司技術中心5～30 kg 產品研發試驗線；玉溪卷煙廠制絲、卷制生產線；頂空-氣相色譜/質譜聯用儀（HS-GC/MS）；Chemmind Chempattern 2017 專業版分析軟件。

2.2 測試方法

加香精度測試：取玉溪卷煙廠紅塔山某牌號摻配后混合絲進行試驗。垂直料管式加香設備電子流量秤設定流量固定為75 kg/h，分別設置加香比例為0.20%、 0.33%、 0.40%、0.50 %、0.60%、0.80%、1.00%。待流量穩定后（機器正常運行3 min 后）每隔15 s 記錄1 次數據，記錄電子秤瞬時量、電子秤累積量、加料瞬時量、加料累積量等，每個設定加香比例連續記錄10 min。通過瞬時累積量計算瞬時加香比例及變異系數。

加香均勻性測試：加香均勻性是衡量加香后煙絲中香精含量一致性程度的重要指標。通過檢測煙絲中的化學成分，結合PCA 主成分分析法來評價煙絲加香的均勻性是行業內較為普遍的方法[7-11]。測試及取樣方法：取玉溪卷煙廠紅塔山、玉溪某牌號摻配后混合絲進行試驗。加香工序分別使用傳統滾筒加香設備、研制開發的垂直料管式加香設備，加香比例按照正常產品設計要求施加。待流量穩定后在加香出口按時間間隔1 個/2min 均勻取樣，每個樣品10 g 左右，取好后及時裝入塑料袋，排出袋中空氣后密封，共連續取樣30 個樣品。化學成分檢測及及加香均勻性分析采用氣相色譜-質譜聯用法（SPME-GC/MS）檢測每個樣品中的揮發與半揮發性成分，結合Chemmind Chempattern 2017 專業版分析軟件對數據進行統計分析，繪制PCA 圖，利用圖中數據點分布的離散性來評價煙絲加香的均勻性[12]。

物料造碎測試：選取同一批次生產線摻配后煙絲作為試驗煙絲，分別使用傳統滾筒加香設備與垂直料管加香設備兩種不同的加香設備進行加香，取樣檢測加香前后煙絲整絲率及碎絲率，平行測試5 個批次。測試方法見相關行業標準。

2.3 結果與分析

2.3.1 加香精度分析

表1 垂直料管式加香設備加香精度測試結果Tab. 1 Flavoring accuracy of vertical pipe flavoring equipment

加香精度的測試結果見表1。由表1 可知，在設備加香比例可控制范圍0.20%～1.00%之內，垂直料管式加香設備瞬時加香比例變異系數在0.13%～0.35%之間、總體加香精度在0.129%～0.356%之間。與大線滾筒加香設備相比（以玉溪卷煙廠的一個滾筒加香設備為例，其加香比例控制范圍0.20%～0.60%，瞬時加香比例變異系數0.12%～0.45%，總體加香精度0.01%～0.20%），新設備的加香比例可控范圍更大，其瞬時加香比例變異系數、總體加香精度基本一致。

2.3.2 加香均勻性分析

兩種不同加香設備加香均勻性檢測結果見圖6。圖中，藍色方點代表滾筒加香設備檢測數據，紅色圓點代表垂直料管式加香設備檢測數據。測試的兩個牌號玉溪某牌號（見圖6-1）、紅塔山某牌號（見圖6-2），紅色圓點分布區域面積均明顯小于藍色方點分布區域面積，說明垂直料管式加香設備的加香均勻性明顯好于滾筒加香設備，加香效果更好。通過公式：A ＝π*std（X）*std（Y）計算數據分布區域的橢圓面積即“離散度”來定量表征加香的均勻性，結果見表2。從定量表征結果來看，垂直料管式加香設備的加香均勻性為滾筒加香設備的1.5～2.0倍，具備更好的加香效果。

圖6 兩種不同加香設備加香均勻性PCA 圖比較Fig. 6 Flavoring uniformity of two different flavoring equipments

表2 兩種不同加香設備加香均勻性（離散度）分析Tab. 2 Flavoring uniformity (discreteness) of two different flavoring equipments

2.3.3 過程消耗及生產成本分析

兩種不同的加香設備加香前后煙絲結構的檢測結果見表3。從5 個批次測試結果來看，滾筒加香設備加香前后煙絲整絲率平均下降3.41%，碎絲率平均增加1.04%；垂直料管式加香設備加香前后煙絲整絲率平均下降1.76%，碎絲率平均增加0.40%。與滾筒加香設備相比，垂直料管式加香設備整絲率整體提高1.65%，碎絲率減少0.64%。結合設備的加工原理分析，使用垂直料管式加香設備物料在加香過程中僅有一次落料，且出料口設計有緩沖導板減少煙絲造碎，設備對煙絲的物理沖擊較小，能更好的保持來料煙絲的結構，減少加香過程造碎；而滾筒加香設備煙絲在滾筒內經多次落料及翻滾，容易造成煙絲的造碎。按照煙絲過程消耗降低1.0%進行測算，年產能50 萬箱的生產線，每年可節約煙絲25000 kg，節約成本約150.0 萬元。

表3 兩種不同加香設備加香前后煙絲結構變化情況Tab. 3 Structural change of tobacco of before and after flavoring by two different flavoring equipments

3 結論

1）垂直料管式加香設備結構、控制方式簡單，占地面積小，維護操作簡單方便，加香精度與大線滾筒加香設備基本一致，滿足大線生產要求；

2）采用靜態立式加香筒設計，有效減少了加香過程物料的翻轉及碰撞，較傳統滾筒加香設備煙絲消耗約降低1.0%～1.5%，可有效節約卷煙生產企業的生產成本；

3）加香均勻性明顯優于傳統滾筒加香設備。

現階段試驗組研制開發的為卷煙中試小設備，在實際生產過程中進行推廣應用時，還需對設備的結構和控制方式進行進一步的優化和調整，在設備的加香效果、能耗、物耗等方面還需開展更深入的試驗驗證。