非空調(diào)環(huán)境下制絲車間微霧加濕控制系統(tǒng)的設(shè)計

張 煒，王道銓，林苗俏，游龍華，鄧宏博，詹 露，陳滿金，江家森*

1. 福建中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，福建省廈門市集美區(qū)濱水路298 號 361021

2. 龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省龍巖市新羅區(qū)乘風(fēng)路1299 號 364021

煙草本身具有吸濕與解濕的特性，在不同溫濕度條件下，煙草在制品的平衡含水率容易發(fā)生變化，尤其在貯存和輸送環(huán)節(jié)變化顯著，因此保障生產(chǎn)車間環(huán)境溫濕度穩(wěn)定是提高生產(chǎn)過程質(zhì)量的重要基礎(chǔ)。為防止環(huán)境溫濕度波動對生產(chǎn)過程質(zhì)量產(chǎn)生影響，卷煙工業(yè)企業(yè)的卷包車間等生產(chǎn)區(qū)域大多使用了空調(diào)系統(tǒng)，而制絲車間、復(fù)烤車間等區(qū)域由于空間大，采用空調(diào)系統(tǒng)則會產(chǎn)生較大能耗，增加生產(chǎn)成本。以龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司制絲車間為例，生產(chǎn)區(qū)域無空調(diào)系統(tǒng)，車間僅配備有送新風(fēng)系統(tǒng)。統(tǒng)計顯示，制絲車間的相對濕度日平均值在19.6%～74.7%之間，其中相對濕度高于65%的占比10.7%，低于55%的占比44.1%。由于過程貯柜（含貯梗絲柜）無獨立隔離房，輸送裝置上的煙絲物料始終暴露于空氣中，在干燥季節(jié)極易散失水分，導(dǎo)致設(shè)備控制參數(shù)不穩(wěn)定、成品煙絲含水率超標(biāo)，影響產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。針對環(huán)境溫濕度對煙草生產(chǎn)過程的影響已有較多研究和報道［1-6］。王虎等［7］分析了高壓微霧加濕技術(shù)在夏熱冬冷地區(qū)卷煙廠空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出了不同運行條件下的加濕控制策略；萬少超等［8］應(yīng)用高壓微霧加濕技術(shù)，減少了蒸汽使用量，降低了空調(diào)系統(tǒng)運行費用；劉威等［9］通過對復(fù)烤廠環(huán)境溫濕度自動監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程參數(shù)的實時調(diào)整；賀孟春等［10］在高架庫增設(shè)兩臺空調(diào)機組用于新回風(fēng)的混合與送風(fēng)，將氣流組織方式由側(cè)邊送風(fēng)和回風(fēng)改進為頂部送風(fēng)和底部回風(fēng)，提高了溫濕度場分布的均勻性。但對于非空調(diào)環(huán)境下生產(chǎn)車間環(huán)境濕度的控制研究則鮮見報道。為此，以龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司制絲車間為研究對象，設(shè)計了一套非空調(diào)環(huán)境下微霧加濕控制系統(tǒng)，以期提高干燥季節(jié)車間濕度控制穩(wěn)定性，提升成品煙絲工藝質(zhì)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 工作原理

在制絲車間原有送新風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，于新風(fēng)入口處配置微霧加濕控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括供應(yīng)水單元、高壓柱塞泵、加濕閥、霧化噴嘴以及濕度傳感器等部分，見圖1。在生產(chǎn)中供應(yīng)水由高壓柱塞泵增加壓力后，經(jīng)噴嘴霧化產(chǎn)生1～15 μm的微霧顆粒并迅速在空氣中汽化和擴散，實現(xiàn)空氣加濕功能；通過外界和生產(chǎn)區(qū)域的濕度傳感器對微霧加濕量進行控制，進而實現(xiàn)送風(fēng)區(qū)域的濕度控制，減少環(huán)境濕度對煙絲含水率的影響；為防止供應(yīng)水中的雜質(zhì)堵塞噴嘴并減少對煙絲物料的污染，霧化水采用軟水。

圖1 微霧加濕控制系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of micro-fog air humidifying system

1.2 加濕量計算

制絲車間送新風(fēng)系統(tǒng)有3臺新風(fēng)風(fēng)機（每臺風(fēng)機額定風(fēng)量為80 000 m3/h），為預(yù)留冗余量，目標(biāo)相對濕度（RH）設(shè)為65%。通過文獻［11］可知干燥季節(jié)極端天氣（15 ℃，20%RH）時的空氣含濕量為2.10 g/kg，目標(biāo)狀態(tài)（15 ℃，65%RH）下的空氣含濕量為6.88 g/kg。依據(jù)水蒸氣質(zhì)量守恒原理可得到系統(tǒng)加濕量：

式中：W 為加濕量，kg/h；ρ為空氣密度，取1.2 kg/m3；Q 為單臺新風(fēng)風(fēng)機風(fēng)量，m3/h；d1、d2分別為加濕前后空氣含濕量，g/kg；10-3為換算系數(shù)；3為風(fēng)機數(shù)量，臺。

將Q=80 000 m3/h，d1=2.10 g/kg，d2=6.88 g/kg 帶入公式（1），得到系統(tǒng)加濕量設(shè)計值（最大值）為1 376.64 kg/h。

1.3 加濕系統(tǒng)設(shè)計

考慮到制絲車間的空間布局，微霧加濕控制系統(tǒng)設(shè)置了2臺微霧加濕器，每臺加濕器各配備1臺流量為700 kg/h 的SWB2 高壓柱塞泵，見圖2a。取噴嘴流量為4.5 kg/h，2 臺高壓柱塞泵所提供的總加濕量為1 400 kg/h，故噴嘴數(shù)量為1 400/4.5=311.11個，取整為311 個噴嘴。根據(jù)3 臺新風(fēng)風(fēng)機的新風(fēng)入口位置及尺寸，共設(shè)置7 組噴嘴，由于311/7=44.42，因此噴嘴按照7組×45個/組方式布局，即實際總噴嘴數(shù)為315個。為實現(xiàn)階梯式加濕，每臺高壓柱塞泵設(shè)計有4條出水管，通過調(diào)節(jié)加濕閥開度調(diào)整加濕量；為保證輸出水壓均衡，每臺高壓柱塞泵控制1/2數(shù)量的噴嘴（即3.5組噴嘴），每組噴嘴與4條高壓出水管分別按2∶3∶4∶6的比例進行設(shè)置，見圖2b。

圖2 加濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（a）及霧化噴嘴布局（b）示意圖Fig.2 Schematic diagrams of humidifying system structure (a) and atomizing nozzle layout (b)

1.4 分段式加濕控制設(shè)計

送新風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)濕度會隨季節(jié)變化而波動，為避免初始加濕量過大而導(dǎo)致送新風(fēng)入口管路出現(xiàn)結(jié)露滴水現(xiàn)象，需對加濕閥的初始開度進行計算：

式中：W1為將新風(fēng)加濕至目標(biāo)濕度所需的加濕量，g/kg；W2為微霧加濕控制系統(tǒng)額定能力，即2 臺高壓柱塞泵提供的總加濕量（1 400 kg/h）。

實際生產(chǎn)中每臺新風(fēng)風(fēng)機的運行風(fēng)量為60 000 m3/h，總風(fēng)量為180 000 m3/h。制絲車間相對濕度設(shè)計值取60%（溫度15 ℃時空氣含濕量為6.42 g/kg），則不同新風(fēng)狀態(tài)下所需加濕量及加濕閥初始開度見表1。

表1 不同新風(fēng)狀態(tài)下所需加濕量及加濕閥初始開度Tab.1 Amount of water addition and initial opening of humidification valve under different fresh air conditions

如圖3 所示，加濕系統(tǒng)開始運行時，依據(jù)加濕閥初始開度進行微霧加濕；運行一段時間后，根據(jù)主生產(chǎn)區(qū)域濕度傳感器的檢測反饋，調(diào)節(jié)系統(tǒng)加濕量，直至底限加濕閥門開啟并保持當(dāng)前開度運行，使車間相對濕度保持在目標(biāo)狀態(tài)值±5%范圍內(nèi)。

圖3 微霧加濕系統(tǒng)控制流程圖Fig.3 Flow chart of micro-fog air humidifying system

2 應(yīng)用效果

2.1 實驗設(shè)計

材料：“七匹狼”牌卷煙配方原料（龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司）。

儀器和設(shè)備：龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司6 000 kg/h制絲線；VAISALA MHW60U/Y型溫濕度檢測儀（德國西門子公司）；M115X 型烘箱（德國BINDE公司）。

方法：對比干燥季節(jié)應(yīng)用微霧加濕控制系統(tǒng)前后制絲車間（松散回潮區(qū)域和摻配加香區(qū)域）相對濕度以及過程物料（烘后葉絲、摻配梗絲、加香后煙絲）含水率的穩(wěn)定性。其中，車間相對濕度采用VAISALA MHW60U/Y 型溫濕度檢測儀進行檢測，過程物料含水率依據(jù) YC/T 31—1996［12］進行檢測。應(yīng)用前檢測時間為 2019 年 11 月 14 日—2020 年 2 月28 日，共取 253 批次；應(yīng)用后為 2020 年 11 月 14 日—2021年2月28日，共取319批次。取平均值，考察批次間穩(wěn)定性。

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 車間環(huán)境濕度控制

由圖4 可見，應(yīng)用微霧加濕控制系統(tǒng)后，松散回潮及摻配加香區(qū)域的環(huán)境相對濕度顯著上升且波動減小。由表2可見，松散回潮區(qū)域相對濕度標(biāo)準(zhǔn)偏差由10.37%下降至4.35%，降幅達58.1%；摻配加香區(qū)域相對濕度標(biāo)準(zhǔn)偏差由9.63%下降至4.39%，降幅達54.4%，與應(yīng)用前相比批次間相對濕度穩(wěn)定性平均提升56.3%。

表2 應(yīng)用微霧加濕控制系統(tǒng)前后車間相對濕度穩(wěn)定性對比Tab.2 Consistency of relative humidity in workshop before and after application of micro-fog air humidifying system（%）

圖4 應(yīng)用微霧加濕控制系統(tǒng)前后車間相對濕度變化對比Fig.4 Variations of relative humidity in workshop before and after application of micro-fog air humidifying system

2.2.2 物料含水率控制

由圖5 可見，應(yīng)用微霧加濕控制系統(tǒng)后，烘后葉絲、摻配梗絲以及加香后煙絲的含水率波動減小，穩(wěn)定性得到有效提升。由表3可見，烘后葉絲、摻配梗絲和加香后煙絲含水率批次間標(biāo)準(zhǔn)偏差由應(yīng)用前的0.21%、0.31%、0.13%分別下降至0.17%、0.27%和0.09%，批次間穩(wěn)定性分別提升19.0%、12.9%和30.8%。

表3 應(yīng)用微霧加濕控制系統(tǒng)前后物料含水率穩(wěn)定性對比Tab.3 Consistency of moisture content in tobacco before and after application of micro-fog air humidifying system （%）

圖5 應(yīng)用微霧加濕控制系統(tǒng)前后物料含水率變化對比Fig.5 Variations of moisture content in tobacco before and after application of micro-fog air humidifying system

3 結(jié)論

為提高干燥季節(jié)非空調(diào)環(huán)境下制絲車間相對濕度，減少煙絲物料在輸送過程中水分散失，在車間送新風(fēng)系統(tǒng)中增加了一套微霧加濕控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了不同環(huán)境條件下分段式加濕控制，使車間相對濕度始終處于目標(biāo)狀態(tài)范圍內(nèi)。以龍巖煙草工業(yè)有限責(zé)任公司6 000 kg/h 制絲線生產(chǎn)的“七匹狼”牌卷煙為對象進行測試，結(jié)果表明：應(yīng)用微霧加濕控制系統(tǒng)后，干燥季節(jié)非空調(diào)環(huán)境下松散回潮及摻配加香區(qū)域的相對濕度標(biāo)準(zhǔn)偏差分別降低58.1%和54.4%，烘后葉絲、摻配梗絲以及加香后煙絲的含水率批次間穩(wěn)定性分別提升19.0%、12.9%和30.8%，有效減小了生產(chǎn)過程中環(huán)境相對濕度的波動幅度，提高了過程產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。