蒸汽干度在不同制絲工序中對產(chǎn)品質量的影響

吳玉生，鄧國棟，戴宇昕*

1. 廈門煙草工業(yè)有限責任公司，福建省廈門市海滄新陽工業(yè)區(qū)新陽路1 號 361022

2. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號 450001

蒸汽在制絲生產(chǎn)中有著廣泛的應用，蒸汽干度作為蒸汽的重要參數(shù)指標，對產(chǎn)品質量具有重要影響［1-3］。蒸汽干度是指每千克濕蒸汽中含有干飽和蒸汽的質量百分數(shù)，受溫度和壓力的影響比較大，在溫度和壓力相同的條件下，不同蒸汽干度的濕蒸汽中所含水分子的數(shù)量是不同的［4-5］。李世武等［6］依據(jù)能量守恒原理和凝結式蒸汽干度測量原理，研制了凝結式蒸汽干度測量裝置；邱麗燦等［7］闡述了熱注蒸汽開采稠油時的11 種蒸汽干度測量方法的原理、特點及應用情況，并對各方法做出了相應的優(yōu)劣勢分析；原遵東等［8］基于熱力學原理，構建了可調蒸汽干度的熱能計量標準實驗裝置；于清澄［9］、杜義朋等［10］采用雙儀表測試法進行蒸汽干度的測量。上述文獻雖然介紹了一些蒸汽干度的測量方法，但均是針對石油開采冶煉等高溫、高壓及大流量的蒸汽應用場景，不適用于管道中輸送的中低壓蒸汽，不能對煙草加工中的中低溫、低壓、小流量以及寬測量范圍蒸汽干度的測量作直接指導。

在煙草加工過程中有關蒸汽的研究主要集中在蒸汽使用的蒸汽壓力調節(jié)、節(jié)能降耗及對設備效能的影響等方面［11-14］，有關蒸汽干度的測量、調整及其對產(chǎn)品質量影響規(guī)律的研究較少。雙渦街聯(lián)合法［15］是測量蒸汽干度的有效方法。本研究中采用雙渦街聯(lián)合法在線測量、調整蒸汽干度，研究蒸汽干度在煙絲與蒸汽直接接觸工序以及非直接接觸工序中對產(chǎn)品質量的影響規(guī)律，旨在提高蒸汽在煙草制絲加工過程中的應用效果，提升產(chǎn)品加工質量。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器與設備

“七匹狼（豪情）”配方煙絲（由廈門煙草工業(yè)有限責任公司提供）。

CVA-1F 隧道式增溫增濕機（槽體長度2 870 mm，槽體寬度550 mm）、CEVJ 滾筒式烘絲機（滾筒長度4 850 mm，滾筒直徑900 mm）（意大利Comas公司）；LJD-25D 聯(lián)合干度測量儀（威海奧博特自動化設備有限公司）；LUGB渦街傳感器（德國Endress+Hauser公司）；TM710紅外水分儀（美國NDC紅外技術公司）；C/SLT 紅外測溫儀（美國Raytek 公司）；MT-C 快速水分測定儀（德國Brabender 公司）；ZJ17卷煙機（常德煙草機械有限責任公司）。

1.2 方法

1.2.1 雙渦街聯(lián)合法檢測濕蒸汽干度的計算方法

渦街傳感器是根據(jù)流體振動頻率與流速之間存在對應關系的原理工作的［15］，流體的平均流速根據(jù)公式（1）計算［16］。

式中：v 為流體經(jīng)過旋渦發(fā)生體的平均流速，m/s；f為旋渦的釋放頻率，Hz；Sr 為斯特勞哈爾數(shù)（無量綱常數(shù)）；D 為傳感器的管道內徑，m；d 為旋渦發(fā)生體的特征寬度，m。

濕蒸汽的質量流量根據(jù)公式（2）計算［14］：

式中：Qm為濕蒸汽的質量流量，kg/s；ρ為濕蒸汽的密度，kg/m3；K為常數(shù)，與渦街傳感器的儀表系數(shù)相關。

由于渦街傳感器僅適用于檢測單一相的介質參數(shù)，因此在測量蒸汽干度時，需在渦街傳感器前端將蒸汽及其攜帶的冷凝水做整流，使其成為溫度相同的均相狀態(tài)［14，17-18］。依據(jù)流體力學原理，處于均相流中的兩相流蒸汽滿足公式（3）［19］，據(jù)此計算濕蒸汽的干度。

式中：x 為濕蒸汽的干度，%；ρ為濕蒸汽的密度，kg/m3；ρg為飽和蒸汽的密度，kg/m3；ρl為飽和水的密度，kg/m3。

1.2.2 雙渦街聯(lián)合法檢測蒸汽干度的工藝流程

在蒸汽管道平直段設置混相整流器，在其后串聯(lián)兩個渦街流量計，利用渦街流量計Ⅰ測量流體的平均流速，利用渦街流量計Ⅱ測量流體的質量流量。由所測流體的平均流速、質量流量并結合公式（1）、（2），可求得濕蒸汽的密度。

然后串聯(lián)溫度傳感器與壓力傳感器，分別測量流體蒸汽的溫度與壓力，根據(jù)蒸汽的溫度與壓力之間的關系［20］，可以獲得飽和蒸汽的密度與飽和水的密度，代入公式（3），即可求得濕蒸汽的干度［14］。

1.2.3 取樣與試驗方法

1.2.3.1 不同工序蒸汽干度調節(jié)方法

采用“七匹狼（豪情）”配方煙絲，分別對蒸汽與煙絲在直接接觸工序（隧道式增溫增濕機）和非直接接觸工序（滾筒式烘絲機）進行試驗，其他工序按正常生產(chǎn)模式。

蒸汽干度調節(jié)方法如圖1 所示。蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的飽和蒸汽分為3 條支路：支路1 的蒸汽通過管道和調節(jié)閥進入集氣罐；支路2 的蒸汽進入除濕裝置后，獲得的較高干度蒸汽通過管道和調節(jié)閥進入集氣罐；支路3 的蒸汽進入增濕裝置后，獲得的較低干度蒸汽通過管道和調節(jié)閥進入集氣罐；純凈水通過加壓定量泵匯入支路3 的增濕裝置后，獲得較低干度的蒸汽，通過管道和調節(jié)閥進入集氣罐。通過聯(lián)合干度測量儀在線實測蒸汽干度，并將干度信息傳送至控制器，與預設的干度進行比較，發(fā)出反饋信號控制電動調節(jié)閥，通過調節(jié)支路1 中蒸汽的通入量，并控制支路2 或支路3 的匯入量，實現(xiàn)不同比例的干、濕蒸汽混合，從而獲得不同干度的蒸汽［21-22］。

圖1 蒸汽干度調節(jié)方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of steam dryness adjustment method

通過下列設定條件獲取不同蒸汽干度下隧道式增溫增濕機及滾筒式烘絲機前、后的煙絲：

（1）保持隧道式增溫增濕機中蒸汽的施加壓力為0.5 MPa，滾筒式烘絲機所用的蒸汽為恒定干度（100%）。按照上述方法，調節(jié)蒸汽干度分別為70%、75%、80%、85%、90%、95%、99%（非過熱蒸汽）。

（2）保持滾筒式烘絲機中蒸汽的施加壓力為0.1 MPa，隧道式增溫增濕機所用的蒸汽為恒定干度（100%）。按照上述方法，調節(jié)蒸汽干度分別為65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、99%（非過熱蒸汽）。

1.2.3.2 取樣與評價指標檢測方法

（1）煙絲的溫度、含水率、脫水率的測定方法

待蒸汽干度調節(jié)好之后，使煙絲穩(wěn)定通過5 min，在隧道式增溫增濕機后通過紅外測溫儀讀取煙絲的溫度、水分測定儀讀取煙絲的含水率；在滾筒式烘絲機前、后通過水分測定儀讀取煙絲的含水率，滾筒式烘絲機前煙絲的含水率減去滾筒式烘絲機后煙絲的含水率即為煙絲脫水率。

（2）常規(guī)化學成分取樣與測定分析方法

待蒸汽干度調節(jié)好之后，使煙絲穩(wěn)定通過5 min，在隧道式增溫增濕機、滾筒式烘絲機的入口和出口分別取樣5 次，每次取樣約50 g，混合之后分別作為工序前和工序后化學成分測定的煙絲樣品，按照YC/T 31—1996［23］中的方法制備成煙末樣品。按照文獻［24-28］中的方法分別進行水溶性總糖、還原糖、總氮、總植物堿、鉀、氯質量分數(shù)的測定。

（3）煙氣成分取樣、測定分析方法及感官評價方法

待蒸汽干度調節(jié)好之后，使煙絲穩(wěn)定通過5 min，在隧道式增溫增濕機、滾筒式烘絲機的入口和出口分別取約10 kg煙絲樣品，在干燥的自然環(huán)境中使煙絲含水率平衡至12.5%后卷制成卷煙。在同一臺卷煙機上進行卷制，所采用的卷煙材料一致，保證同一工序卷制的單支卷煙的質量基本一致。

按照文獻［29-32］中的方法分別進行總粒相物、焦油、水分、煙堿、CO釋放量的測定。

按照YC/T 415—2011［33］中的方法進行感官評價。

2 結果與討論

2.1 蒸汽干度對直接接觸工序加工產(chǎn)品質量的影響

2.1.1 對增溫增濕后煙絲的溫度及含水率的影響

煙絲的溫度、含水率隨蒸汽干度的變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，隨著增溫增濕工序中蒸汽干度的增加，增溫增濕后煙絲的溫度呈上升趨勢，當蒸汽干度大于85%時，煙絲溫度的上升幅度增大。這是由于蒸汽中干組分的相變潛熱可為煙絲提供更多的熱量，當施加蒸汽的比例相同時，蒸汽干度越大，干組分的占比越大，能提供給煙絲的相變潛熱就越大，因此當蒸汽干度達到85%以后，煙絲溫度的上升幅度較大。較高的蒸汽干度直接接觸煙絲能更好地提升加熱效果，從而提高煙絲的溫度。

圖2 直接接觸工序中不同蒸汽干度下煙絲的溫度及含水率的變化Fig.2 Variations in temperature and moisture content of cut tobacco under different steam dryness in the direct contact process

煙絲的含水率隨著蒸汽干度的增加呈緩慢降低的趨勢，這是由于當施加蒸汽的比例相同時，隨著蒸汽干度的增加，所施加給煙絲的水分總量逐漸減少。當蒸汽干度大于85%時，煙絲含水率的下降趨勢進一步趨緩，但不顯著，這是由于煙絲對水分的吸收不僅與施加蒸汽的比例有關，還與蒸汽的相變及傳質的動力梯度有關［34-35］。

2.1.2 對增溫增濕后煙絲中常規(guī)化學成分的影響

煙絲中常規(guī)化學成分的質量分數(shù)隨蒸汽干度變化的結果如圖3所示。由圖3可知，當蒸汽干度高于85%時，煙絲中的總植物堿、水溶性總糖、還原糖、鉀和氯的質量分數(shù)呈增大的趨勢。這是由于在蒸汽與煙絲的接觸過程中，隨著蒸汽干度的增加，蒸汽的相變潛熱也隨之增加，加劇了化學反應，從而增加了煙絲中一些常規(guī)化學成分的質量分數(shù)［36］。

圖3 直接接觸工序中不同蒸汽干度下煙絲中常規(guī)化學成分的質量分數(shù)Fig.3 Mass fractions of routine chemical components in cut tobacco under different steam dryness in the direct contact process

2.1.3 對增溫增濕后卷煙中主流煙氣成分的影響

增溫增濕后不同蒸汽干度下單支卷煙中主流煙氣成分釋放量的測定結果如圖4所示。由圖4可知，隨著蒸汽干度的增加，單支卷煙中主流煙氣成分的釋放量無明顯變化，說明蒸汽干度的變化對主流煙氣成分的影響不明顯。

圖4 直接接觸工序中不同蒸汽干度下單支卷煙主流煙氣成分的釋放量Fig.4 Yields of main chemical components in mainstream smoke of cigarette under different dryness in the direct contact process

2.1.4 對增溫增濕后卷煙感官質量的影響

以隧道式增溫增濕機前（工序前）卷煙的感官評價得分為基準，不同蒸汽干度下（工序后）卷煙的感官評價得分與隧道式增溫增濕機前卷煙的感官評價得分的差值作為相對評價得分，評價結果如表1 所示。由表1可知，隨著蒸汽干度的增加，風格特征變化程度得分呈上升趨勢，說明蒸汽干度較高時，卷煙的感官質量得到提升。當蒸汽干度高于85%時，雜氣及干凈程度的相對評價得分中不再出現(xiàn)負值，說明卷煙的雜氣減少、干凈程度提升，而蒸汽干度的變化對香氣質、透發(fā)性、濃度、勁頭、細膩程度、成團性、干燥感等指標無明顯影響。

2.2 蒸汽干度對非直接接觸工序加工產(chǎn)品質量的影響

2.2.1 對煙絲脫水率及含水率穩(wěn)定性的影響

2.2.1.1 對煙絲脫水率的影響

不同蒸汽干度下煙絲的脫水率如圖5 所示。由圖5可知，煙絲的脫水率隨著蒸汽干度的增加呈上升趨勢。當蒸汽干度高于80%時，煙絲脫水率上升的幅度增大，主要是由于隨著蒸汽干度的增加，蒸汽中的干組分占比增大，蒸汽中的相變潛熱快速增加，使得滾筒式烘絲機的筒壁溫度快速上升，導致煙絲的脫水率顯著提升。

圖5 不同蒸汽干度對煙絲脫水率的影響Fig.5 Effects of different steam dryness on dehydration rate of cut tobacco

2.2.1.2 對煙絲含水率穩(wěn)定性的影響

依照1.2.3.1 節(jié)所述方法調節(jié)滾筒式烘絲機筒壁加熱的蒸汽干度后，測定經(jīng)滾筒式烘絲機烘后煙絲的含水率，并計算煙絲含水率的標準偏差，結果如圖6 所示。由圖6 可知，當蒸汽干度低于80%時，隨著蒸汽干度的增加，煙絲含水率標準偏差下降趨勢顯著，說明煙絲含水率的波動幅度減小，主要是由于當蒸汽干度較低時蒸汽相變潛熱提供不足，導致煙絲脫水穩(wěn)定性差。當蒸汽干度高于80%時，隨著蒸汽干度的增加，烘后煙絲含水率的標準偏差持續(xù)下降，但下降幅度減小，表明煙絲含水率的穩(wěn)定性逐漸增加。原因主要是當蒸汽干度較高時，蒸汽中干組分占比較大，與滾筒式烘絲機壓力-溫度之間的換算符合性較好［20］，因此較高蒸汽干度的溫度換算值與實際的筒壁溫度較為接近，有利于提高滾筒式烘絲機筒壁溫度控制的穩(wěn)定性，從而提高烘后煙絲含水率的穩(wěn)定性。

圖6 不同蒸汽干度對煙絲含水率標準偏差的影響Fig.6 Effects of different steam dryness on SD of moisture content in cut tobacco

2.2.2 對卷煙主流煙氣成分的影響

不同蒸汽干度下單支卷煙中主流煙氣成分的釋放量如圖7 所示。由圖7 可知，隨著蒸汽干度的增加，除蒸汽干度為90%時單支卷煙中CO的釋放量略降低以外，其他主流煙氣成分釋放量的變化幅度不明顯，說明非直接接觸工序中，不同蒸汽干度對主流煙氣成分的影響較小。

圖7 不同蒸汽干度下單支卷煙中主流煙氣成分的釋放量Fig.7 Yields of chemical components in mainstream smoke of cigarette under different steam dryness

2.2.3 對卷煙感官質量的影響

以滾筒式烘絲機前（工序前）卷煙的感官評價得分為基準，不同蒸汽干度下（工序后）卷煙感官評價得分與滾筒式烘絲機前卷煙感官評價得分的差值作為相對評價得分，評價結果如表2 所示。由表2 可知，隨著蒸汽干度的增加，卷煙的風格特征變化程度得分由負值轉為正值，且分值持續(xù)增大，表明感官質量隨著蒸汽干度的增加呈上升的趨勢，當蒸汽干度高于90%時，卷煙的感官質量明顯提升。這是由于隨著蒸汽干度的增加，蒸汽在非直接接觸工序中所提供的潛熱明顯增加，有利于卷煙中香氣質、香氣量、透發(fā)性的好轉，雜氣的減少以及干凈程度的提升，感官評價結果較好。

表2 不同蒸汽干度下烘絲工序前后卷煙感官質量的相對評價得分Tab.2 Relative sensory quality scores of cigarette before and after drying under different steam dryness in cylinder（分）

3 結論

（1）在直接接觸工序中，隨著蒸汽干度的增加，煙絲溫度呈上升趨勢，當蒸汽干度大于85%時，煙絲溫度上升幅度增大。煙絲含水率隨著蒸汽干度的增加呈緩慢降低的趨勢，當蒸汽干度大于85%時，煙絲含水率下降幅度減小。當蒸汽干度大于85%時，煙絲中常規(guī)化學成分的質量分數(shù)出現(xiàn)一定程度的變化，化學成分指標中總植物堿、水溶性總糖、還原糖、鉀和氯的質量分數(shù)呈增大的趨勢。在不同蒸汽干度下，卷煙中主流煙氣成分的釋放量無明顯變化。隨著蒸汽干度的增加，卷煙的感官質量呈現(xiàn)向好的趨勢，主要表現(xiàn)為雜氣減少、干凈程度提升。即在直接接觸工序中選用高于85%的蒸汽干度，產(chǎn)品質量較好。

（2）在非直接接觸工序中，隨著蒸汽干度的增加，煙絲脫水率呈增大的趨勢，當蒸汽干度大于80%時，煙絲脫水率上升的幅度增大。隨著蒸汽干度的增加，煙絲含水率的標準偏差呈下降趨勢，當蒸汽干度高于80%時，煙絲含水率的標準偏差下降幅度減小。在不同蒸汽干度下，單支卷煙中主流煙氣成分的釋放量變化不明顯。當蒸汽干度高于90%時，卷煙的感官質量呈現(xiàn)向好的趨勢，表現(xiàn)為香氣質、香氣量、透發(fā)性好轉，雜氣減少及干凈程度提升。即在非直接接觸工序中選用高于90%的蒸汽干度，產(chǎn)品質量較好。