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(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，陜西省咸陽市文匯西路12 號(hào) 712000

在打葉復(fù)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(biāo)。含水率和溫度過低，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)過程中醇化的有效性；含水率和溫度過高，片煙在存儲(chǔ)和醇化過程中容易發(fā)生霉變，降低片煙使用價(jià)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(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(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，見圖1。采用水環(huán)式真空泵為降溫系統(tǒng)提供動(dòng)力；通過一、二級(jí)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(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，抽氣閥門打開，降溫系統(tǒng)啟動(dòng)。在保壓過程中，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)，抽氣閥門關(guān)閉。在抽真空過程中，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(kuò)散傳質(zhì)過程。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，見圖2?？涨粔侯^與復(fù)壓機(jī)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(shí)現(xiàn)打包、取樣和抽真空3種功能。由圖2b可見，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(yùn)行至上位接近開關(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，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)后取消了人工開箱排查工序，可節(jié)約人工費(fèi)用約1.5 萬元/萬箱。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程中出現(xiàn)的局部片煙含水率超標(biāo)問題，降低了片煙霉變風(fēng)險(xiǎn)。在抽真空過程中不改變生產(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 萬元/萬箱，節(jié)省采暖蒸汽費(fèi)用約24 萬元/年，在打葉復(fù)烤企業(yè)中具有推廣應(yīng)用價(jià)值。