戴永生，申玉軍，夏 飛，彭黎明

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

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

片煙復烤是打葉復烤工藝中的重要環(huán)節(jié)，其目的是對打葉去梗后的片煙進行干燥處理，將其含水率控制在標準范圍內，以保證片煙存貯安全并有利于片煙醇化［1］。根據煙葉吸濕和解濕原理［2］，在片煙復烤過程中首先將片煙含水率干燥至9%左右，再經過冷卻和回潮處理，使其含水率趨于一致并達到工藝標準。片煙復烤機是打葉復烤生產中的重要加工設備，多采用隧道網帶式結構，將片煙平鋪在網帶上，經過干燥、冷卻與回潮處理，使片煙含水率達到工藝要求［3］。但該設備加溫加濕系統(tǒng)設計較簡單，無法實現(xiàn)片煙含水率的精確控制，導致生產中存在用水、蒸汽消耗量大，煙葉加工質量不穩(wěn)定等問題。對此，王兆鐵［4］在烤片機回潮系統(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，對影響烤后片煙含水率的3種回潮方式的工藝參數進行了組合試驗分析，為提高復烤工藝水平提供了參考。謝曉斌等［6］以高壓水泵變頻調節(jié)作為主控制器，以混合水流量調節(jié)和混合蒸汽調節(jié)作為副控制器，基于預測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］采用預測PI 和準預測PI 算法控制片煙復烤機干燥、冷卻和回潮段的工藝參數，提升了控制效果。但上述改進未能徹底解決回潮段加溫加濕精確控制的問題。此外，李善蓮等［8］研究了滾筒復烤和氣流復烤對片煙加工質量的影響，以提升片煙含水率均勻性，但該技術尚處于試驗階段。為此，以KG235C 片煙復烤機為對象，采用汽水分離、分區(qū)多點噴射、精確控制加水量等方法對回潮段加溫加濕系統(tǒng)進行改進，以期提高復烤煙葉質量，降低能源消耗，提升打葉復烤生產自動化水平。

1 問題分析

1.1 系統(tǒng)結構

KG235C 片煙復烤機分為干燥、冷卻和回潮3個工藝段。回潮段又分為3 個回潮區(qū)，各區(qū)設有蒸汽、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3 組管路共同作用，實現(xiàn)對片煙的加水處理［9］。其中，一區(qū)為風下降循環(huán)，二、三區(qū)為風上升循環(huán)，3 個區(qū)的布局基本一致，均由加熱盤管、護煙板、循環(huán)風機、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，見圖1。生產中利用循環(huán)風機帶動汽水混合熱風循環(huán)穿透片煙，對片煙連續(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，以保證回潮段內形成一定負壓，防止霧化水及蒸汽外溢。

圖1 片煙復烤機回潮段結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure of reordering section in strip redryer

加溫加濕管路系統(tǒng)和噴嘴布局見圖2 和圖3。在回潮過程中：①蒸汽管路系統(tǒng)采用氣動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)根據設置在各回潮區(qū)上方的溫度檢測器檢測溫度，與設定溫度對比后，實時調節(jié)氣動薄膜閥開度，實現(xiàn)對回潮各區(qū)的溫度控制。②高壓霧化水系統(tǒng)采用高壓水泵供水，通過噴嘴將水噴射到回潮各區(qū)的循環(huán)熱風中加濕片煙，加水量可通過調節(jié)高壓水泵電機頻率進行調整。③汽水混合噴嘴系統(tǒng)采用薄膜閥調節(jié)加水量和蒸汽壓力，通過蒸汽的引射作用將水霧化后施加到片煙上，對片煙含水率進行微調。

1.2 存在問題

KG235C 片煙復烤機回潮段主要根據物料入口含水率與出口含水率的對比結果，調節(jié)汽水混合噴嘴系統(tǒng)薄膜閥開度以控制加水量，實現(xiàn)對出口片煙含水率的微調。當加水量變化較大時，需要通過人工調節(jié)高壓水泵電機頻率進行調整。因此，加溫加濕系統(tǒng)存在以下問題：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，對加水量形成交互影響，無法實現(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)，加水量的調整只能通過調節(jié)高壓水泵轉速實現(xiàn)。當加水量需求較小時，水泵轉速過低，管路壓力也隨之降低，導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。③高壓霧化水噴嘴和汽水混合噴嘴噴出的水霧顆粒較大，導致回潮后片煙水分吸收不均勻，影響片煙加工質量。

圖2 改進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)設計

2.1 系統(tǒng)結構

根據汽水分離、分區(qū)多點噴射、精確控制加水量等設計思路，對回潮段加溫加濕系統(tǒng)進行重新設計，改進后加溫加濕管路系統(tǒng)和噴嘴布局見圖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)獨立設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)采用無需引射介質的高壓霧化水噴嘴，均勻分布在回潮段網帶底部，噴嘴數量根據加水量計算并確定，以5～10 個霧化水噴嘴為一組，每個回潮區(qū)設置n組噴嘴，每組噴嘴設置一個電磁閥，系統(tǒng)根據物料出口含水率自動控制各組噴嘴管路的開啟或閉合，實現(xiàn)加水量的精確控制。

2.2 管路系統(tǒng)

2.2.1 加水量計算

KG235C 片煙復烤機額定生產能力為9 000 kg/h，根據工藝規(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］，計算可得回潮段最大加水量為495 L/h?？紤]到霧化水的吸收效率和極端工況條件，本設計中最大加水量取600 L/h 進行計算，并以此選擇高壓霧化水噴嘴型號和數量。

圖4 改進后加溫加濕管路系統(tǒng)結構圖Fig.4 Structure of modified heating and humidifying pipeline system

圖5 改進后加溫加濕系統(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

經過試驗，選擇1533T 型噴嘴作為高壓霧化水噴嘴。該噴嘴無需采用蒸汽或壓縮空氣作為引射介質，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 噴嘴數量及分組

根據最大加水量600 L/h 計算，共設置200 個1533T 型噴嘴?；跓熑~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”的設計思路，將片煙復烤機3 個回潮區(qū)的加水量比例設為3∶4∶3，一區(qū)和三區(qū)各設置60 個噴嘴，二區(qū)設置80 個噴嘴。一、二區(qū)每10 個噴嘴為一組，三區(qū)每5 個噴嘴為一組，在每組噴嘴管路上均設置有可自動開閉的電磁閥，實現(xiàn)每組噴嘴的獨立控制。測試結果表明，每打開或關閉一組噴嘴時，物料含水率調整量一、二區(qū)約為0.2%，三區(qū)約為0.1%。

2.2.4 加濕水供給

在片煙復烤機的供水管網上設置一臺工業(yè)凈水機作為水源，采用可變頻調節(jié)的高壓水泵通過不銹鋼總管連接到各組噴嘴管路，為各組霧化水噴嘴供水?？偣芘c各噴嘴管路上均設置有電磁閥，用于控制每組噴嘴管路的開閉?？偣苣┒嗽O置有壓力傳感器，根據系統(tǒng)設定壓力與實際檢測壓力進行比對，實時調節(jié)高壓水泵電機頻率，保證噴嘴壓力恒定。此外，在高壓水泵出口處還設置有溢流閥，以實現(xiàn)管路系統(tǒng)壓力的過載保護。

2.2.5 蒸汽管路

改進后3 個回潮區(qū)均獨立設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烤機網帶底部靠近風機一側，以保證噴射出的蒸汽能夠均勻通過循環(huán)風機對片煙進行加熱。

2.3 控制模式

2.3.1 回潮段溫度控制

在3 個回潮區(qū)蒸汽管路上分別設置有氣動薄膜閥，用于調節(jié)蒸汽施加量。在各回潮區(qū)物料上方還設置有溫度傳感器，用于檢測回潮區(qū)溫度。系統(tǒng)根據預設的回潮區(qū)溫度與實際溫度比對后，自動調節(jié)氣動薄膜閥開度，調整蒸汽施加量，實現(xiàn)回潮區(qū)溫度的精確控制。

2.3.2 片煙含水率控制

根據優(yōu)先級別分級控制的思想，對各回潮區(qū)的加濕水分兩級進行控制，回潮一區(qū)和二區(qū)設置為一級控制區(qū)，回潮三區(qū)設置為二級控制區(qū)。根據片煙實際含水率與出口含水率對比結果，采用模糊PID控制技術，以分區(qū)智能PID 控制算法為基礎，分別對3 個回潮區(qū)的加水噴嘴按照優(yōu)先控制級別進行開啟或閉合，實現(xiàn)出口含水率的精確控制。

3 應用效果

3.1 試驗設計

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

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

方法：采用同一品種、同一等級的配方模塊煙葉，預處理、打葉風分和復烤工序均按相同工藝參數進行控制，在相同生產工藝條件下對比改進前后加溫加濕系統(tǒng)的回潮效果。利用生產線控制系統(tǒng)自動采集物料流量、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、加濕水流量等數據［11］。成品片煙每隔5 箱取一個樣品檢測含水率［12］，測試時間為6 個工作日，對獲得的試驗數據進行統(tǒng)計分析。

3.2 數據分析

由表1 可見，在工藝參數和成品片煙含水率均保持一致的前提下，改進后片煙復烤機回潮段節(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由1.83%降低到1.41%，降低0.42 百分點。

表1 片煙復烤機改進前后工藝質量參數對比Tab.1 Comparison of technical parameters of strip redryer before and after modification

4 結論

根據汽水分離、分區(qū)多點噴射、精確控制加水量的思路，對片煙復烤機回潮段加溫加濕系統(tǒng)進行了改進，實現(xiàn)了片煙復烤機回潮段加溫加濕自動控制，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題。以KG235C 片煙復烤機為對象進行測試，結果表明：在工藝參數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到0.1%，片煙含水率CV 值降低0.42 百分點；回潮段蒸汽耗用量降低35.2%，耗水量減少85.3%，有效降低了復烤加工過程能耗，提升了片煙產品的均質化水平。