郭鳳文，周冀衡，傅源鋒

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長沙 410128；2.廣東省金葉科技開發(fā)有限公司，廣東 汕頭 515100)

在膨脹煙梗加工領(lǐng)域，國內(nèi)出現(xiàn)過不少膨化煙梗技術(shù)，如介質(zhì)膨梗等，多處于實驗研究或樣機階段[1-4]。有利用微波加熱比其它常用的加熱快速、均勻、能源利用率高特點的單獨微波膨化煙梗的技術(shù)，可硬化樹臘成份[5]，改善容積[6]，提高填充值，驅(qū)除雜氣和怪味[7]，可提高卷煙的香氣和吃味，還可以消滅煙草中害蟲[8]。但單獨微波處理易帶來局部過度碳化產(chǎn)生焦糊、枯焦味。有利用過熱蒸汽的比熱大、潛熱高、無過多氧化且不易達到物料燃點優(yōu)勢的過熱蒸汽膨化技術(shù)，但該技術(shù)單獨應(yīng)用處理溫度、壓力均較大，對設(shè)備要求較高，耗能亦較高[9]。

為解決上述缺陷，廣東某公司利用過熱蒸汽及微波兩者結(jié)合，取長補短，建設(shè)了全新的隧道式過熱蒸汽-微波協(xié)同膨化生產(chǎn)線[10]。但作為一條全新的生產(chǎn)線，其實際運行與理論存在較大差異，產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良，但成本還不夠低。故通過數(shù)據(jù)收集分析，并對生產(chǎn)線進行優(yōu)化，實現(xiàn)在產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上降低產(chǎn)品成本，利于該技術(shù)的進一步發(fā)展與推廣。

1 實驗

1.1 原料及試劑

烤煙煙梗(四川煙梗，水分12%～14%，廣東某公司提供)，三乙酸甘油酯(分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司)。

1.2 主要儀器、設(shè)備

電子天平(梅特勒-托利多儀器(上海)公司)，恒溫干燥箱(上海精宏實驗設(shè)備有限公司)，量筒(1000 mL)，壓梗器(自制)，皮帶秤(中國船舶重工九江七所精密機電科技有限公司)，振動輸送機(DPH-100昆明三機輕型設(shè)備機械制造有限公司)，隧道式過熱蒸汽-微波協(xié)同膨化主機(自主研發(fā))。

1.3 方法

1.3.1 生產(chǎn)線能耗數(shù)據(jù)分析

收集了一年內(nèi)產(chǎn)品產(chǎn)出量及用電、用蒸汽、用柴油量。按照《綜合能耗計算通則》計算電、蒸汽、柴油對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)煤，以當(dāng)量標(biāo)煤能耗進行對比分析，為節(jié)能減耗尋求方向。利用產(chǎn)品生產(chǎn)過程物料被加熱、水蒸氣被汽化所需要的理論熱能，計算實際能源利用率，考察進行生產(chǎn)線節(jié)能減耗的必要性。

1.3.2 生產(chǎn)線過程控制合理性論證

收集統(tǒng)計過程控制數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)線過程控制合理性進行論證。為節(jié)能減耗過程質(zhì)量控制明確方向。

1.3.3 生產(chǎn)線改造及參數(shù)優(yōu)化

對生產(chǎn)線進行適當(dāng)優(yōu)化改進，并進一步以產(chǎn)品密度指標(biāo)恒定為目標(biāo)，試驗不同物料流量、蒸汽流量梯度情況下需要的微波功率量，尋求最優(yōu)工藝參數(shù)。其中密度檢測采用排液法(三乙酸甘油酯)，檢測一定重量(如50 g)樣品的體積，計算而得其密度；水分按常規(guī)烘箱法進行檢測。優(yōu)化任務(wù)完成后，再對優(yōu)化前后產(chǎn)品作感官評價、常規(guī)煙氣指標(biāo)對比評價，并作簡要經(jīng)濟性對比分析。

2 討論

2.1 生產(chǎn)線能耗數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計生產(chǎn)線某段時間的產(chǎn)量為413 t，用電76304度，用蒸汽1444 t，用柴油17143 L。折算為標(biāo)準(zhǔn)煤的單位耗用量分別為：電22.71 kgce/t產(chǎn)品，蒸汽330.41 kgce/t產(chǎn)品，柴油51.41 kgce/t產(chǎn)品，合計噸耗標(biāo)煤為381.82 kgce/t產(chǎn)品，按標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱值29307 kJ/kg，噸產(chǎn)品耗能高達11189896 kJ?？梢娖渲姓羝芎淖畲螅急?2%，故改造重點可側(cè)重于蒸汽節(jié)能改造。

每小時產(chǎn)量300 kg，原料水分12%，處理后水分4%，物料由常溫20℃處理到99℃，進腔體蒸汽溫度148℃，出腔體蒸汽溫度135℃，腔體內(nèi)壓力為0.1 MPa。顯熱及潛熱理論耗能為246547 kJ/t[10]。可見能源利用率僅2.2%，改造必要性很大。

經(jīng)進一步研究發(fā)現(xiàn)，之所以能源利用率低，主要原因是生產(chǎn)線大部分蒸汽以排潮形式外排浪費掉，蒸汽熱量只有一小部分用于傳熱軟化煙梗、汽化水分，單位重量物料消耗鮮蒸汽是自身重量的3倍，可見生產(chǎn)過程參數(shù)如蒸汽、微波的使用、配比等均有優(yōu)化必要性。

2.2 生產(chǎn)過程控制合理性驗證

根據(jù)生產(chǎn)操作經(jīng)驗，產(chǎn)品質(zhì)量主要以密度為0.5 g/cm3左右為關(guān)鍵產(chǎn)品指標(biāo)，調(diào)控關(guān)鍵指標(biāo)為微波功率及進腔體蒸汽溫度和出腔體蒸汽溫度。收集了一周左右正常生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為了不漏掉任何一種可能的好結(jié)果，利用MINTAB軟件，“最佳子集”回歸方法，把三個都可能的自變量的子集進行回歸之結(jié)果都列出來，讓自變量全部“自由競爭”，不人為規(guī)定哪個變量 “必須進入”以便綜合考慮，從中選出一個最滿意的結(jié)果[11]。響應(yīng)為密度，自變量為進腔體蒸汽溫度，出腔體蒸汽溫度，微波功率，輸出結(jié)果見表1。

表1 響應(yīng)為密度的最佳子集回歸輸出結(jié)果

參考R-Sq，R-Sq(調(diào)整)(越大且與R-Sq越接近越好)，Cp(越接近參數(shù)個數(shù)越好，包括常數(shù)項)，S值(越小越好)這幾項指標(biāo)來選取自變量。最終選擇三個自變量。

密度Y= 1.872-0.00570 X1-0.00348 X2-0.003528X3，P≤0.005

可見密度與三個自變量均呈負相關(guān)，即膨脹效果與三個自變量均呈正相關(guān)。從系數(shù)看，對密度結(jié)果影響效應(yīng)，進腔體蒸汽溫度>微波功率>出腔體蒸汽溫度。

假設(shè)進腔體蒸汽溫度與微波功率二者固定之后，根據(jù)熱量守恒定律，出腔體蒸汽溫度主要受物料耗用熱量影響，故選取物料流量驗證膨化效果。利用常規(guī)煙梗(水分12%～14%)，鮮蒸汽流量1050 kg/h，進腔體蒸汽溫度148℃，微波總功率39 kW，處理時間180 s相同工藝條件下，皮帶秤設(shè)置原料流量梯度180、210、240、270、300、330 kg/h，得到不同膨化效果產(chǎn)品，各取3個樣進行密度檢測，并對應(yīng)感官質(zhì)量評價見表2。由表2可知，其他工藝條件固定情況下，隨著物料流量的增大，膨化后產(chǎn)品密度呈升高趨勢(膨化強度逐漸減弱)，密度在0.51～0.56 g/cm3時產(chǎn)品感官質(zhì)量評價的確相對較好。

表2 不同煙梗原料流量處理后煙梗感官質(zhì)量評價表

可見通過控制進腔體蒸汽溫度與微波功率，固定其他參數(shù)實現(xiàn)密度在0.51～0.56 g/cm3控制的選擇是基本合理的。

2.3 生產(chǎn)線改造及參數(shù)優(yōu)化

針對原有生產(chǎn)線進行重新審視，經(jīng)研究后決定進行生產(chǎn)線熱能回收改造[12]，并組織車間設(shè)備人員按圖實施。

如圖1、圖2，主要改造為：將原蒸汽循環(huán)系統(tǒng)中排潮廢汽通過新增管道引入燃燒爐的進蒸汽口全部回流，與鮮蒸汽混合經(jīng)燃燒爐加熱到過熱態(tài)，再并入循環(huán)風(fēng)機的吸風(fēng)負壓側(cè)；整個系統(tǒng)僅通過微波腔體進料端進行廢汽自然溢流排潮。

圖1 熱能回收改造前

圖2 熱能回收改造后

本改造將原排潮汽回流，可保證蒸汽循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)熱量及蒸汽量不減少情況下，減少鮮蒸汽投入量。同時可提高加熱爐的效率[13]。理論上平衡后投入鮮蒸汽量與排潮量基本保持一致，故鮮蒸汽量可足夠小。同時新的排潮汽通過系統(tǒng)進料口自然溢出，可實現(xiàn)預(yù)熱或加濕物料目的，物料進入主機前處于預(yù)熱狀態(tài)，利于進一步膨化。

通過熱能回收改造后，需重新優(yōu)化過熱蒸汽-微波協(xié)同膨化煙梗過程中蒸汽與微波配比情況，尋求經(jīng)濟高效的膨化生產(chǎn)工藝。并考察改造后生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)量變化情況。

利用常規(guī)煙梗(水分12%～14%)，處理時間180 s，燃燒爐參數(shù)保持進腔體蒸汽溫度在148℃左右，物料流量按梯度300、400、550 kg/h；鮮蒸汽流量按梯度400、450、500、550、600、700、800、900 kg/h，蒸汽流量與物料流量排列組合逐一進行試驗，調(diào)整微波功率，使處理后煙梗密度檢測值穩(wěn)定在0.5 g/cm3左右30 min以上，記錄密度及微波功率。

從圖3可知，為達成0.5 g/cm3相同密度膨化效果，按物料流量繪制的三條線由上到下，形狀基本相似，同等蒸汽流量情況下，物料流量越大所需微波功率越大，符合能量守恒定律；

圖3 達成同等密度，按物料流量分組，蒸汽流量對應(yīng)波功率

圖3可知，同等物料流量情況下，微波功率隨蒸汽流量增加呈“浴盆狀曲線”，即先減小，平穩(wěn)過渡后再升高趨勢。前面的先減小后平穩(wěn)說明隨著蒸汽量的增加，即蒸汽配比到一定量后，微波所需提供功率減少，平穩(wěn)狀態(tài)是蒸汽與微波協(xié)同膨化所提供能力比較平穩(wěn)的階段，再隨著蒸汽量的增加，所需微波功率開始升高，主要原因應(yīng)是部分微波能做功于過量的蒸汽中，造成了能量的浪費。

綜合考慮三種物料流量下微波功率均較低的情況，優(yōu)選500kg/h蒸汽流量作為改造后最優(yōu)參數(shù)。

2.4 改造前后效果評價

取改造前后最優(yōu)狀態(tài)相同密度產(chǎn)品，經(jīng)專家評吸。表3數(shù)據(jù)表明，改造前后感官質(zhì)量得分無明顯差異。

表3 改造前后產(chǎn)品感官評吸表

取改造前后最優(yōu)狀態(tài)相同密度產(chǎn)品，檢測煙氣指標(biāo)。表4數(shù)據(jù)表明，改造前后指標(biāo)無明顯差異(數(shù)據(jù)為送樣鄭州煙草研究院檢測所得)。

表4 改造前后產(chǎn)品常規(guī)煙氣指標(biāo)檢測結(jié)果

統(tǒng)計改造前與改造后一整年的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，計算電、蒸汽、柴油噸耗節(jié)省情況。從表5數(shù)據(jù)可知，噸耗汽及噸耗柴油均有所降低，噸耗電稍有增高。按電單價0.95元/度，蒸汽單價200元/t，柴油單價5.11元/L計，噸節(jié)省效益為403元；年節(jié)能減耗效益為16.78萬元。說明改造在保證產(chǎn)品質(zhì)量情況下，帶來一定經(jīng)濟效益。

表5 改造前后產(chǎn)品一年產(chǎn)出及能耗數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

(1)生產(chǎn)線能源利用率僅2.2%，改造必要性很大，在電、蒸汽、柴油三種能源中，蒸汽占比最高，達82%，以此作為節(jié)能改造重點方向。

(2)進腔體蒸汽溫度與微波功率均與密度呈負相關(guān)(P≤0.005)，通過控制進腔體蒸汽溫度與微波功率，固定其他參數(shù)實現(xiàn)密度在0.51～0.56 g/cm3控制的選擇是基本合理的。

(3)生產(chǎn)線蒸汽節(jié)能改造，將原大量外排的廢汽回流加熱再次利用，并通過系統(tǒng)進物料側(cè)自然溢流排潮，同時達成預(yù)熱原料目的。經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后，保證產(chǎn)品同等品質(zhì)情況下，可將鮮蒸汽量由原1000 kg/h降低至500 kg/h，同時原柴油過熱燃燒爐省油2.62 L/t產(chǎn)品。節(jié)能減耗年度實際效益在16.78萬左右。