打葉復烤成品片煙在線降溫系統(tǒng)的設計與應用

高 偉，吳 銘，王 麗，劉佳敏，吳 雷，米 鋒，馬致軼，張延鋒

1.咸陽煙葉復烤有限責任公司，陜西省西咸新區(qū)秦漢新城咸紅路 712042

2.陜西工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西省咸陽市文匯西路12 號 712000

在打葉復烤生產(chǎn)過程中，成品片煙含水率和溫度是保證片煙質(zhì)量的重要工藝指標。含水率和溫度過低，會降低片煙的耐加工性，打包時容易產(chǎn)生造碎，影響片煙存儲過程中醇化的有效性；含水率和溫度過高，片煙在存儲和醇化過程中容易發(fā)生霉變，降低片煙使用價值［1］。近年來成品片煙普遍采用套裝塑料內(nèi)膜袋的包裝方式，保持片煙含水率穩(wěn)定，防止病蟲害侵入。但因煙箱內(nèi)片煙打包時的溫度與存儲和運輸?shù)拳h(huán)境溫度存在較大差異，煙箱中的高溫高濕氣體在散發(fā)過程中容易在內(nèi)膜袋內(nèi)側形成冷凝水，造成片煙局部含水率超標，增加片煙霉變風險［2］。針對此，打葉復烤企業(yè)大多采用增加涼包工序以及開箱排查等方式解決該問題，但增加了作業(yè)工序和生產(chǎn)成本。郭春雷等［3］通過分析煙草熱濕區(qū)域結露發(fā)霉原因，采用切斷冷熱源的方式預防煙葉霉變，但不適用于連續(xù)生產(chǎn)場合。王春錄等［4］研制了一種煙葉密封堆垛結露預警裝置，通過保持庫房溫度預防煙葉結露，但不適用于打葉復烤生產(chǎn)線。劉斌等［5］研究了真空降溫技術在打葉復烤中的應用，結果表明采用真空降溫技術可有效降低復烤后片煙裝箱溫度，提高片煙存儲安全性，但需要配置獨立的真空降溫系統(tǒng)。咸陽煙葉復烤有限責任公司地處關中平原，打葉復烤加工時間主要集中在每年的11 月至次年4月，期間環(huán)境溫度低（10 ℃以下），復烤后片煙裝箱溫度要求35～45 ℃。為此，以咸陽煙葉復烤有限責任公司打葉復烤生產(chǎn)線為研究對象，采用真空降溫技術設計了一種成品片煙在線降溫系統(tǒng)（以下簡稱降溫系統(tǒng)），并對復壓打包機（以下簡稱復壓機）進行改進，同時利用2018—2020 年加工生產(chǎn)的成品片煙進行測試，以期降低成品片煙霉變風險，提高片煙質(zhì)量。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)結構

降溫系統(tǒng)主要由水環(huán)式真空泵（1）、一級真空緩沖罐（2）、管道（3）、二級真空緩沖罐（4）、反吹掃裝置（5）、紅外溫度傳感器（6）以及空腔壓頭（7）等部分組成，見圖1。采用水環(huán)式真空泵為降溫系統(tǒng)提供動力；通過一、二級真空緩沖罐平衡真空系統(tǒng)壓力，避免抽真空過程中壓力波動；利用管道連接系統(tǒng)中各個設備；采用反吹掃裝置實現(xiàn)系統(tǒng)自清潔，保持系統(tǒng)功能穩(wěn)定；用紅外溫度傳感器實時監(jiān)測煙箱溫度變化；降溫系統(tǒng)與復壓機共用空腔壓頭，并設置濕熱空氣排出通道。

圖1 在線降溫系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Structure of online cooling system

將降溫系統(tǒng)安裝在復壓機上，與復壓機共用空腔壓頭，在煙箱復壓過程中同時完成煙箱復壓定型和降溫工作。當復秤合格的成品煙箱進入復壓機時，空腔壓頭下行，抽氣閥門打開，降溫系統(tǒng)啟動。在保壓過程中，煙箱內(nèi)濕熱空氣在負壓作用下從底部和側面的真空吸口進入空腔壓頭，經(jīng)二級真空緩沖罐、管道、一級真空緩沖罐、真空泵后排出，抽真空過程一般持續(xù)10～20 s，當達到設定的抽真空時間時，抽氣閥門關閉。在抽真空過程中，真空泵自動啟停，將系統(tǒng)真空度穩(wěn)定在-50～-75 kPa 之間。當復壓機空腔壓頭運行至上位接近開關時，反吹掃裝置啟動，利用壓縮空氣對進入管道的煙末以及粘附在空腔壓頭上的碎煙片進行吹掃，避免真空吸口堵塞。此外，在空腔壓頭上方安裝溫度傳感器，用于反饋抽真空過程中煙箱溫度變化。在二級真空緩沖罐上方安裝壓力傳感器（檢測范圍0～100 kPa），采集真空吸口處的真空度值，并通過控制系統(tǒng)中的模擬量信號板傳輸?shù)絇LC，以曲線等形式實時顯示數(shù)據(jù)。

1.2 真空泵選型

降溫系統(tǒng)主要采用真空降溫技術降低煙箱內(nèi)部溫度，減少高溫高濕氣體的蓄積［6］。成品煙箱抽真空是一個準靜態(tài)絕熱過程，其中氣體溫度隨壓強的變化率為：

式中：T 為溫度，℃；p 為壓強，Pa；C 為比熱容，J/（kg·℃）；V 為煙箱體積，m3；α為體脹系數(shù)；S 為熵，J/K。

在抽真空過程中，氣體的熵S 保持不變，隨著氣體體積膨脹壓強降低，氣體溫度隨之下降。由公式（1）和（2）可得，在煙箱體積一定的情況下，通過負壓的方式可以降低氣體溫度。抽真空時間與真空容積存在以下關系：

式中：t 為抽真空時間，s；2.3 為常系數(shù)；Vb為真空容積，m3；Se為有效排氣速度，m3/s；P1為起始壓強，Pa；P2為極限壓強，Pa。

在一定壓強下單位時間內(nèi)從煙箱中抽出的氣體量定義為真空產(chǎn)生率，計算公式為：

式中：V'為單位時間內(nèi)流過管道截面的氣體體積，m3；P為管道截面處的壓強，Pa。

在煙箱抽真空過程中利用空氣作為工作介質(zhì)，使空氣與片煙發(fā)生濕熱交換過程。其中，一是使水分汽化的傳熱過程，二是汽化后的蒸汽因分壓較大而產(chǎn)生的擴散傳質(zhì)過程。抽真空時片煙水分主要是表面水的蒸發(fā)，而內(nèi)蒸發(fā)非常微弱可將其忽略［7］。水在汽化時吸收汽化潛熱，而汽化潛熱又隨著沸點的下降而升高。在對煙箱抽真空時，由于煙箱內(nèi)部壓力降低，在大氣壓力作用下，內(nèi)膜袋與片煙之間的間隙消除，隨著煙箱內(nèi)水分蒸發(fā)，煙箱內(nèi)溫度降低，避免在儲運過程中產(chǎn)生冷凝水［8-10］。根據(jù)生產(chǎn)線對成品片煙打包效率的需求（48 箱/h），真空抽氣時間在10～20 s內(nèi)即可達到設定的真空度，使煙箱內(nèi)溫度下降5 ℃以上。

利用公式（1）～（4）計算可確定二級真空緩沖罐體積為1.2 m3。依據(jù)成品煙箱的體積及溫度范圍，系統(tǒng)配置了1 臺單級水環(huán)真空泵（型號2BV51310KC00-7P，抽氣量400 m3/h，真空度可達到-96.7 kPa，德國西門子公司）和2 臺0.6 m3的二級真空緩沖罐［11］。為提高系統(tǒng)真空度的穩(wěn)定性，一級真空緩沖罐體積確定為2 m3，配合二級真空緩沖罐可以將真空度穩(wěn)定控制在-50～-75 kPa之間。

1.3 改進復壓機打包壓頭

在原有復壓機打包壓頭上增設真空抽氣功能，即將平板式打包壓頭改為安裝有真空吸口的空腔壓頭，在空腔壓頭下行復壓打包時，將煙箱中的濕熱空氣從真空吸口抽出，見圖2?？涨粔侯^與復壓機的下壓油缸連接，在抽真空過程中不改變生產(chǎn)流程，不影響打包效率，實現(xiàn)打包、取樣和抽真空3種功能。由圖2b可見，改進后在空腔壓頭的底部和側面分別增加真空吸口作為濕熱空氣的排出口。其中，底部設置18 個真空吸口，直徑50 mm；側面設置42 個真空吸口，直徑6 mm，可以滿足設定的10～20 s抽氣時間和抽氣量。因底部真空吸口直接接觸煙坯，為避免片煙和煙末進入管道，采取了以下措施：①擴大真空吸口與煙坯接觸部分的面積，通過降低抽吸風速避免片煙和煙末進入管道；②設置可快速拆裝的過濾器，避免煙草顆粒進入管道；③空腔壓頭可以整體拆卸，方便對抽真空管道進行清理。

圖2 改進前后復壓機打包壓頭結構示意圖Fig.2 Structure of pressing head of bale presser before and after modification

1.4 增加反吹掃裝置

為避免片煙或煙草顆粒進入真空管道，在空腔壓頭底部及側面的真空吸口處配置了過濾器，并增加壓縮空氣反吹掃裝置。反吹掃裝置由貯氣罐（1）、壓縮空氣氣源（2）、系統(tǒng)管路（3）、電控快速脈沖閥（4）、反吹掃口（5）組成，見圖3。在降溫系統(tǒng)抽真空完成后，空腔壓頭運行至上位接近開關，反吹掃裝置電控快速脈沖氣閥接通，射出的氣流產(chǎn)生較大沖擊力，將進入真空管道以及粘附在真空吸口處的碎煙片清除，保持抽真空系統(tǒng)性能穩(wěn)定。壓頭頂部配有可拆裝的密閉清理口，可由人工清理復壓機壓頭腔體內(nèi)積累的碎煙片及灰塵。

圖3 反吹掃裝置結構示意圖Fig.3 Structure of opposite-blow cleaning device

1.5 增加PLC控制系統(tǒng)

為提高降溫系統(tǒng)的自動化程度，增加了PLC控制系統(tǒng)，經(jīng)PLC采集和處理后的真空度值和煙箱溫度可實時顯示在觸摸屏上，見圖4。觸摸屏作為主要的人機界面，可實時顯示系統(tǒng)結構圖以及真空泵、電磁閥的工作狀態(tài)，并可根據(jù)權限控制設備的啟停、設定一二級緩沖罐真空度以及設定壓縮空氣反吹頻次等。系統(tǒng)具有本地和遠程控制功能，可在現(xiàn)場和中央控制室對觸摸屏上的參數(shù)進行調(diào)整。數(shù)顯儀表配有模擬或數(shù)字通信接口，可將數(shù)據(jù)上傳至生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

圖4 PLC控制系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of PLC control system

2 應用效果

2.1 實驗設計

材料：2018、2020 年烤季（每年11 月份至次年4月份）咸陽煙葉復烤有限責任公司生產(chǎn)的打葉復烤成品煙箱，共162 310箱。加工煙葉摻配比例為陜西煙葉約67%，甘肅約10%，其他省份約13%，加工方式為模塊化加工。

儀器和設備：在線抽真空降溫系統(tǒng)（自制）；雙金屬溫度計（精度0.5，上海自動化儀器三廠）；HS-100AiP 型紅外溫度傳感器（臺灣樂通電子科技有限公司）；D-47055 型快速烘箱（精度0.01%，德國布拉本德公司）。

方法：應用降溫系統(tǒng)前后，由人工對復烤后涼包7 d的所有成品煙箱進行開箱排查，若煙箱中出現(xiàn)局部冷凝水聚集現(xiàn)象，則對冷凝水聚集部位的片煙進行取樣，并利用D-47055 型快速烘箱進行片煙含水率檢測。依據(jù)YC/T 147—2010［12］將片煙含水率＞13.0%的煙箱記為含水率超標，統(tǒng)計含水率超標箱數(shù)，計算超標比例；分別選取約2 000箱成品煙箱，利用雙金屬溫度計依據(jù)YC/T 146—2010［13］測量煙箱中片煙溫度，取平均值。應用前檢測時間為2018年11月—2019年4月，共生產(chǎn)成品煙箱95 785箱；應用后檢測時間為2020年11月—2021年4月，共生產(chǎn)成品煙箱66 525箱。

2.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見，應用降溫系統(tǒng)后，成品煙箱局部含水率超標比例降低1.995百分點，降幅為91.5%；僅有2 箱成品煙箱出現(xiàn)霉變現(xiàn)象，霉變煙箱所占比例為0.003%，降幅為99.4%；煙箱平均溫度為24.27 ℃，下降3.12 ℃。說明在復壓打包工序中使用降溫系統(tǒng)可以有效減小煙箱內(nèi)片煙與環(huán)境溫度的差異，降低片煙含水率超標比例。此外，改進后取消了人工開箱排查工序，可節(jié)約人工費用約1.5 萬元/萬箱。因煙箱溫度降低，涼包庫房室溫高于煙箱露點，塑料內(nèi)膜袋內(nèi)未再出現(xiàn)結露現(xiàn)象，因此庫房內(nèi)不需設置采暖設施，每年可節(jié)約采暖蒸汽費用約24 萬元（應用前每年采暖使用蒸汽量約1 200 t，蒸汽價格為200元/t）。

表1 降溫系統(tǒng)應用前后成品煙箱檢測結果Tab.1 Test results of tobacco strip case before and after applying cooling system

3 結論

在打葉復烤復壓打包工序中增加在線降溫系統(tǒng)，利用水環(huán)式真空泵將成品煙箱中的濕熱氣體抽出，解決了成品煙箱在涼包過程中出現(xiàn)的局部片煙含水率超標問題，降低了片煙霉變風險。在抽真空過程中不改變生產(chǎn)流程，不影響打包效率，實現(xiàn)打包、取樣和抽真空3種功能。以咸陽煙葉復烤有限責任公司生產(chǎn)的成品煙箱為對象進行測試，結果表明：使用降溫系統(tǒng)后，煙箱平均溫度下降3.12 ℃，局部片煙含水率超標比例降低1.995 百分點，降幅超過90%，有效提高了打葉復烤生產(chǎn)質(zhì)量；可節(jié)約人工費用約1.5 萬元/萬箱，節(jié)省采暖蒸汽費用約24 萬元/年，在打葉復烤企業(yè)中具有推廣應用價值。