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        打葉復(fù)烤成品片煙在線降溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

        2023-03-15 01:46:22劉佳敏馬致軼張延鋒
        煙草科技 2023年2期
        關(guān)鍵詞:煙箱壓頭壓機(jī)

        高 偉,吳 銘,王 麗,劉佳敏,吳 雷,米 鋒,馬致軼,張延鋒

        1.咸陽(yáng)煙葉復(fù)烤有限責(zé)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(shù)學(xué)院,陜西省咸陽(yáng)市文匯西路12 號(hào) 712000

        在打葉復(fù)烤生產(chǎn)過(guò)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(biāo)。含水率和溫度過(guò)低,會(huì)降低片煙的耐加工性,打包時(shí)容易產(chǎn)生造碎,影響片煙存儲(chǔ)過(guò)程中醇化的有效性;含水率和溫度過(guò)高,片煙在存儲(chǔ)和醇化過(guò)程中容易發(fā)生霉變,降低片煙使用價(jià)值[1]。近年來(lái)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(chóng)害侵入。但因煙箱內(nèi)片煙打包時(shí)的溫度與存儲(chǔ)和運(yùn)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(guò)程中容易在內(nèi)膜袋內(nèi)側(cè)形成冷凝水,造成片煙局部含水率超標(biāo),增加片煙霉變風(fēng)險(xiǎn)[2]。針對(duì)此,打葉復(fù)烤企業(yè)大多采用增加涼包工序以及開(kāi)箱排查等方式解決該問(wèn)題,但增加了作業(yè)工序和生產(chǎn)成本。郭春雷等[3]通過(guò)分析煙草熱濕區(qū)域結(jié)露發(fā)霉原因,采用切斷冷熱源的方式預(yù)防煙葉霉變,但不適用于連續(xù)生產(chǎn)場(chǎng)合。王春錄等[4]研制了一種煙葉密封堆垛結(jié)露預(yù)警裝置,通過(guò)保持庫(kù)房溫度預(yù)防煙葉結(jié)露,但不適用于打葉復(fù)烤生產(chǎn)線。劉斌等[5]研究了真空降溫技術(shù)在打葉復(fù)烤中的應(yīng)用,結(jié)果表明采用真空降溫技術(shù)可有效降低復(fù)烤后片煙裝箱溫度,提高片煙存儲(chǔ)安全性,但需要配置獨(dú)立的真空降溫系統(tǒng)。咸陽(yáng)煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司地處關(guān)中平原,打葉復(fù)烤加工時(shí)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(fù)烤后片煙裝箱溫度要求35~45 ℃。為此,以咸陽(yáng)煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司打葉復(fù)烤生產(chǎn)線為研究對(duì)象,采用真空降溫技術(shù)設(shè)計(jì)了一種成品片煙在線降溫系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱降溫系統(tǒng)),并對(duì)復(fù)壓打包機(jī)(以下簡(jiǎn)稱復(fù)壓機(jī))進(jìn)行改進(jìn),同時(shí)利用2018—2020 年加工生產(chǎn)的成品片煙進(jìn)行測(cè)試,以期降低成品片煙霉變風(fēng)險(xiǎn),提高片煙質(zhì)量。

        1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        降溫系統(tǒng)主要由水環(huán)式真空泵(1)、一級(jí)真空緩沖罐(2)、管道(3)、二級(jí)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(jiàn)圖1。采用水環(huán)式真空泵為降溫系統(tǒng)提供動(dòng)力;通過(guò)一、二級(jí)真空緩沖罐平衡真空系統(tǒng)壓力,避免抽真空過(guò)程中壓力波動(dòng);利用管道連接系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備;采用反吹掃裝置實(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煙箱溫度變化;降溫系統(tǒng)與復(fù)壓機(jī)共用空腔壓頭,并設(shè)置濕熱空氣排出通道。

        圖1 在線降溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of online cooling system

        將降溫系統(tǒng)安裝在復(fù)壓機(jī)上,與復(fù)壓機(jī)共用空腔壓頭,在煙箱復(fù)壓過(guò)程中同時(shí)完成煙箱復(fù)壓定型和降溫工作。當(dāng)復(fù)秤合格的成品煙箱進(jìn)入復(fù)壓機(jī)時(shí),空腔壓頭下行,抽氣閥門(mén)打開(kāi),降溫系統(tǒng)啟動(dòng)。在保壓過(guò)程中,煙箱內(nèi)濕熱空氣在負(fù)壓作用下從底部和側(cè)面的真空吸口進(jìn)入空腔壓頭,經(jīng)二級(jí)真空緩沖罐、管道、一級(jí)真空緩沖罐、真空泵后排出,抽真空過(guò)程一般持續(xù)10~20 s,當(dāng)達(dá)到設(shè)定的抽真空時(shí)間時(shí),抽氣閥門(mén)關(guān)閉。在抽真空過(guò)程中,真空泵自動(dòng)啟停,將系統(tǒng)真空度穩(wěn)定在-50~-75 kPa 之間。當(dāng)復(fù)壓機(jī)空腔壓頭運(yùn)行至上位接近開(kāi)關(guān)時(shí),反吹掃裝置啟動(dòng),利用壓縮空氣對(duì)進(jìn)入管道的煙末以及粘附在空腔壓頭上的碎煙片進(jìn)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(guò)程中煙箱溫度變化。在二級(jí)真空緩沖罐上方安裝壓力傳感器(檢測(cè)范圍0~100 kPa),采集真空吸口處的真空度值,并通過(guò)控制系統(tǒng)中的模擬量信號(hào)板傳輸?shù)絇LC,以曲線等形式實(shí)時(shí)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(shù)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(gè)準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過(guò)程,其中氣體溫度隨壓強(qiáng)的變化率為:

        式中:T 為溫度,℃;p 為壓強(qiáng),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(guò)程中,氣體的熵S 保持不變,隨著氣體體積膨脹壓強(qiáng)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(guò)負(fù)壓的方式可以降低氣體溫度。抽真空時(shí)間與真空容積存在以下關(guān)系:

        式中:t 為抽真空時(shí)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?jí)簭?qiáng),Pa;P2為極限壓強(qiáng),Pa。

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

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

        在煙箱抽真空過(guò)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(guò)程。其中,一是使水分汽化的傳熱過(guò)程,二是汽化后的蒸汽因分壓較大而產(chǎn)生的擴(kuò)散傳質(zhì)過(guò)程。抽真空時(shí)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(shí)吸收汽化潛熱,而汽化潛熱又隨著沸點(diǎn)的下降而升高。在對(duì)煙箱抽真空時(shí),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(chǔ)運(yùn)過(guò)程中產(chǎn)生冷凝水[8-10]。根據(jù)生產(chǎn)線對(duì)成品片煙打包效率的需求(48 箱/h),真空抽氣時(shí)間在10~20 s內(nèi)即可達(dá)到設(shè)定的真空度,使煙箱內(nèi)溫度下降5 ℃以上。

        利用公式(1)~(4)計(jì)算可確定二級(jí)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(tái)單級(jí)水環(huán)真空泵(型號(hào)2BV51310KC00-7P,抽氣量400 m3/h,真空度可達(dá)到-96.7 kPa,德國(guó)西門(mén)子公司)和2 臺(tái)0.6 m3的二級(jí)真空緩沖罐[11]。為提高系統(tǒng)真空度的穩(wěn)定性,一級(jí)真空緩沖罐體積確定為2 m3,配合二級(jí)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(jìn)復(fù)壓機(jī)打包壓頭

        在原有復(fù)壓機(jī)打包壓頭上增設(shè)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(fù)壓打包時(shí),將煙箱中的濕熱空氣從真空吸口抽出,見(jiàn)圖2。空腔壓頭與復(fù)壓機(jī)的下壓油缸連接,在抽真空過(guò)程中不改變生產(chǎn)流程,不影響打包效率,實(shí)現(xiàn)打包、取樣和抽真空3種功能。由圖2b可見(jiàn),改進(jìn)后在空腔壓頭的底部和側(cè)面分別增加真空吸口作為濕熱空氣的排出口。其中,底部設(shè)置18 個(gè)真空吸口,直徑50 mm;側(cè)面設(shè)置42 個(gè)真空吸口,直徑6 mm,可以滿足設(shè)定的10~20 s抽氣時(shí)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(jìn)入管道,采取了以下措施:①擴(kuò)大真空吸口與煙坯接觸部分的面積,通過(guò)降低抽吸風(fēng)速避免片煙和煙末進(jìn)入管道;②設(shè)置可快速拆裝的過(guò)濾器,避免煙草顆粒進(jìn)入管道;③空腔壓頭可以整體拆卸,方便對(duì)抽真空管道進(jìn)行清理。

        圖2 改進(jìn)前后復(fù)壓機(jī)打包壓頭結(jié)構(gòu)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(jìn)入真空管道,在空腔壓頭底部及側(cè)面的真空吸口處配置了過(guò)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(jiàn)圖3。在降溫系統(tǒng)抽真空完成后,空腔壓頭運(yùn)行至上位接近開(kāi)關(guān),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(jìn)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(fù)壓機(jī)壓頭腔體內(nèi)積累的碎煙片及灰塵。

        圖3 反吹掃裝置結(jié)構(gòu)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(dòng)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(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上,見(jiàn)圖4。觸摸屏作為主要的人機(jī)界面,可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖以及真空泵、電磁閥的工作狀態(tài),并可根據(jù)權(quán)限控制設(shè)備的啟停、設(shè)定一二級(jí)緩沖罐真空度以及設(shè)定壓縮空氣反吹頻次等。系統(tǒng)具有本地和遠(yuǎn)程控制功能,可在現(xiàn)場(chǎng)和中央控制室對(duì)觸摸屏上的參數(shù)進(jìn)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(yīng)用效果

        2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        材料:2018、2020 年烤季(每年11 月份至次年4月份)咸陽(yáng)煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司生產(chǎn)的打葉復(fù)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(shè)備:在線抽真空降溫系統(tǒng)(自制);雙金屬溫度計(jì)(精度0.5,上海自動(dòng)化儀器三廠);HS-100AiP 型紅外溫度傳感器(臺(tái)灣樂(lè)通電子科技有限公司);D-47055 型快速烘箱(精度0.01%,德國(guó)布拉本德公司)。

        方法:應(yīng)用降溫系統(tǒng)前后,由人工對(duì)復(fù)烤后涼包7 d的所有成品煙箱進(jìn)行開(kāi)箱排查,若煙箱中出現(xiàn)局部冷凝水聚集現(xiàn)象,則對(duì)冷凝水聚集部位的片煙進(jìn)行取樣,并利用D-47055 型快速烘箱進(jìn)行片煙含水率檢測(cè)。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(biāo),統(tǒng)計(jì)含水率超標(biāo)箱數(shù),計(jì)算超標(biāo)比例;分別選取約2 000箱成品煙箱,利用雙金屬溫度計(jì)依據(jù)YC/T 146—2010[13]測(cè)量煙箱中片煙溫度,取平均值。應(yīng)用前檢測(cè)時(shí)間為2018年11月—2019年4月,共生產(chǎn)成品煙箱95 785箱;應(yīng)用后檢測(cè)時(shí)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(jiàn),應(yīng)用降溫系統(tǒng)后,成品煙箱局部含水率超標(biāo)比例降低1.995百分點(diǎn),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(shuō)明在復(fù)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(biāo)比例。此外,改進(jìn)后取消了人工開(kāi)箱排查工序,可節(jié)約人工費(fèi)用約1.5 萬(wàn)元/萬(wàn)箱。因煙箱溫度降低,涼包庫(kù)房室溫高于煙箱露點(diǎn),塑料內(nèi)膜袋內(nèi)未再出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象,因此庫(kù)房?jī)?nèi)不需設(shè)置采暖設(shè)施,每年可節(jié)約采暖蒸汽費(fèi)用約24 萬(wàn)元(應(yīng)用前每年采暖使用蒸汽量約1 200 t,蒸汽價(jià)格為200元/t)。

        表1 降溫系統(tǒng)應(yīng)用前后成品煙箱檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Test results of tobacco strip case before and after applying cooling system

        3 結(jié)論

        在打葉復(fù)烤復(fù)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(guò)程中出現(xiàn)的局部片煙含水率超標(biāo)問(wèn)題,降低了片煙霉變風(fēng)險(xiǎn)。在抽真空過(guò)程中不改變生產(chǎn)流程,不影響打包效率,實(shí)現(xiàn)打包、取樣和抽真空3種功能。以咸陽(yáng)煙葉復(fù)烤有限責(zé)任公司生產(chǎn)的成品煙箱為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試,結(jié)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(biāo)比例降低1.995 百分點(diǎn),降幅超過(guò)90%,有效提高了打葉復(fù)烤生產(chǎn)質(zhì)量;可節(jié)約人工費(fèi)用約1.5 萬(wàn)元/萬(wàn)箱,節(jié)省采暖蒸汽費(fèi)用約24 萬(wàn)元/年,在打葉復(fù)烤企業(yè)中具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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