垂直料管式加香設備的研制和應用

高曉華，易斌，溫亞東，付亮，劉澤，馬寧，譚國治，張立業(yè)

1 云南中煙工業(yè)有限責任公司技術中心，云南省昆明市五華區(qū)紅錦路367號 650231；2 秦皇島煙草機械有限責任公司，河北省秦皇島經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)龍海道67號 066318

加香設備是制絲生產(chǎn)線中不可或缺的主機設備，其主要工藝任務是將配制好的香精按產(chǎn)品配方比例準確、均勻地施加到煙絲上，滿足產(chǎn)品配方設計要求。國內(nèi)外對加料加香設備已有較多研究[1-6]，文獻及調(diào)研都顯示目前國際及國內(nèi)煙機制造企業(yè)的加香設備均為滾筒式，其工作原理為：煙草物料在滾筒內(nèi)翻滾前進過程中與噴嘴噴射出的香精混合。滾筒式加香設備普遍存在加工過程時間長、處理強度大、加香均勻性差的缺點。

為滿足卷煙加香均勻性、降低損耗、快速響應牌號切換等諸多要求，我們研制了垂直料管式加香設備，利用葉絲自由落體時的松散狀態(tài)對葉絲進行加香。將該設備與大線傳統(tǒng)滾筒加香設備在加香精度、過程造碎、加香均勻性、產(chǎn)品感官質(zhì)量等方面進行了對比，以說明該設備的優(yōu)勢。

1 垂直料管式加香設備系統(tǒng)設計

垂直料管式加香設備主要由機械部分、控制部分和軟件系統(tǒng)組成。設備機械部分主要由提升喂料機、限量管、皮帶秤、振槽、垂直料管式加香機組成。卷煙制絲加工過程中，經(jīng)切絲及葉絲干燥后的煙絲經(jīng)提升喂料機送至限量管，由電子皮帶秤進行流量計量后，進入高頻低幅振槽，振槽將物料進行均勻攤薄后進入垂直料管式加香機，物料在自由下落時進行加香。設備機械部分組成見圖1。

圖1 垂直料管式加香設備系統(tǒng)設計結構圖Fig. 1 Design structure of vertical pipe flavoring equipment

1.1 垂直料管式加香機

垂直料管式加香機是加香設備的關鍵主機，主要設計原理是利用物料垂直自由下落過程中的松散狀態(tài)實現(xiàn)物料的均勻加香。加香機由機架、垂直料管、加香系統(tǒng)等部分組成，結構見圖2。機架由有型鋼焊接成型，對料管及管路系統(tǒng)提供支撐作用。垂直料管為立式不銹鋼筒體結構，是加香機的核心部件，物料的加香工藝處理全部在垂直料管內(nèi)部完成。加香系統(tǒng)由加香泵、壓空管路、雙介質(zhì)加香噴嘴及相應軟管、面板組成。

圖2 垂直料管式加香機結構Fig. 2 Structure of vertical pipe flavoring equipment

圖3 垂直料管結構Fig. 3 Structure of vertical pipe

垂直料管具體結構及功能區(qū)域見圖3，主要由進料區(qū)1、落料區(qū)2、加香區(qū)4、緩沖區(qū)7 和出料區(qū)8 組成，進料區(qū)1 成四棱錐狀結構，保證從振槽輸送的物料全部進入料管內(nèi)部。落料區(qū)2 設定一定的高度，使物料的下落速度滿足加香工藝需要。加香區(qū)4 為擴大結構，四周內(nèi)壁設置加香噴嘴3，加香區(qū)4 一面為玻璃觀察窗5，可以方便觀察物料在料管內(nèi)部的運行狀態(tài)，另一面為帶玻璃窗的清理門6，打開方便清理料管內(nèi)部粘附的物料及碎末。緩沖區(qū)7 設置45°傾斜角度的導料板，以減少物料垂直下落過程碰撞引起的造碎。管路系統(tǒng)針對小流量小比例加香進行了優(yōu)化，采用高精度流量型智能蠕動泵+透明硅膠管+微霧噴嘴方案，系統(tǒng)具備香精預填充、余料回收等基本功能。

加香噴嘴3 及霧化角度設置：加香噴嘴3 固定于加香區(qū)4 筒體的內(nèi)壁，四面內(nèi)壁中間位置分別設置一個加香噴嘴，加香噴嘴可實現(xiàn)0 ～45°范圍的調(diào)整，物料下落至加香區(qū)4 時需要通過調(diào)整加香噴嘴的角度來保證加香噴射的區(qū)域。噴嘴的噴射范圍為扇形80°角全噴霧區(qū)域均等分布，通過調(diào)整噴嘴角度調(diào)整噴嘴的噴射距離，保證噴霧寬幅與物料簾相符。

1.2 筒體高度的設計

垂直料管式加香機是利用物料自由落體時的松散狀態(tài)對物料進行加香處理，物料的下落高度決定了物料的下落速度及均勻性狀態(tài)，而物料的下落高度由筒體設計的高度所決定。因此，對筒體的設計高度進行了測算。

據(jù)測算，煙絲自由落體加速度約為2.00 m/s2，煙絲下落至加香區(qū)域時物料密度約為2.00～3.00 kg/m3，物料下落橫截面積約0.004 m2（落料區(qū)橫截面尺寸200 mm，物料自由下落狀態(tài)厚度20 mm），按100 kg/h 流量計算：

其中：

V 為物料下落速度m/s

ρ 為物料下落時的密度，取2～3 kg/m3

S 為物料下落時的截面積，取0.004 m2

物料下落高度：

其中：

g 為物料下落重力加速度，取2.00 m/s2

t 為物料下落至加香區(qū)域時所需要的時間

物體自由落體速度：

由以上算式（1）、（2）、（3）可得：

將各數(shù)值帶入，可測算物料的下落高度約為0.40～1.20 m 之間，即設備筒體的設計高度為0.40～1.20 m。

1.3 控制系統(tǒng)

設備設計了一套自動化加香軟件系統(tǒng)。軟件控制系統(tǒng)以PROFINET 網(wǎng)絡為主線，采用西門子S7-1500系列PLC 以及ET200SP 系列分布式I/O 產(chǎn)品。現(xiàn)場分布式I/O、變頻器等采用PROFINET 接口，不具備PROFINET 接口功能的設備通過PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡與PLC 進行通訊。主要控制內(nèi)容有提升喂料機水平倉和提升段電機速度、限量管高低料位檢測、振槽啟停和加香機香料泵的預填充、加香比例等，其控制主界面見圖4，控制流程圖見圖5。每個控制段都有三種不同的段狀態(tài)模式，分別是“閉鎖模式”、“手動模式”、“自動模式”。每個控制段都有“自動按鈕”、“手動按鈕”、“閉鎖按鈕”、“線啟動按鈕”、“線停止按鈕”。

設備啟動前，檢查壓縮空氣壓力是否正常，在加香罐中添加待加香料，開啟“主電源”。 輸入喂料機提升帶、底帶、振槽電機的頻率設定值，按照生產(chǎn)要求設定加料比例、香精密度、秤的瞬時流量、秤的堆棧時間、管道預填充時間。為保證加香精度，應經(jīng)多次試驗準確計算預填充時間，保證物料與施加香精信號的精確匹配?！白詣幽Ｊ健毕?，將電子秤設置為遠程/自動狀態(tài)，點擊香料預填充，待預填充完成，點擊“自動啟動”按鈕，預警10 秒后，設備進入自動運行狀態(tài)。生產(chǎn)結束需要保養(yǎng)時，將控制段狀態(tài)切換到“手動模式”，在手動模式下可以通過觸摸屏實現(xiàn)對設備電磁閥的控制,通過對泵的本地操作實現(xiàn)對料液的回收。

圖4 垂直料管式加香設備控制系統(tǒng)顯示界面Fig. 4 Display interface of control system of vertical pipe flavoring equipment

圖5 設備控制流程圖Fig. 5 Flow chart of equipment control

2 應用效果測試

2.1 材料與設備

紅塔山、玉溪某牌號生產(chǎn)線摻配后混合絲及對應品牌專用香精（玉溪卷煙廠）。

自行設計與制造的100 kg/h 垂直料管式加香設備；云南中煙工業(yè)有限責任公司技術中心5～30 kg 產(chǎn)品研發(fā)試驗線；玉溪卷煙廠制絲、卷制生產(chǎn)線；頂空-氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀（HS-GC/MS）；Chemmind Chempattern 2017 專業(yè)版分析軟件。

2.2 測試方法

加香精度測試：取玉溪卷煙廠紅塔山某牌號摻配后混合絲進行試驗。垂直料管式加香設備電子流量秤設定流量固定為75 kg/h，分別設置加香比例為0.20%、 0.33%、 0.40%、0.50 %、0.60%、0.80%、1.00%。待流量穩(wěn)定后（機器正常運行3 min 后）每隔15 s 記錄1 次數(shù)據(jù)，記錄電子秤瞬時量、電子秤累積量、加料瞬時量、加料累積量等，每個設定加香比例連續(xù)記錄10 min。通過瞬時累積量計算瞬時加香比例及變異系數(shù)。

加香均勻性測試：加香均勻性是衡量加香后煙絲中香精含量一致性程度的重要指標。通過檢測煙絲中的化學成分，結合PCA 主成分分析法來評價煙絲加香的均勻性是行業(yè)內(nèi)較為普遍的方法[7-11]。測試及取樣方法：取玉溪卷煙廠紅塔山、玉溪某牌號摻配后混合絲進行試驗。加香工序分別使用傳統(tǒng)滾筒加香設備、研制開發(fā)的垂直料管式加香設備，加香比例按照正常產(chǎn)品設計要求施加。待流量穩(wěn)定后在加香出口按時間間隔1 個/2min 均勻取樣，每個樣品10 g 左右，取好后及時裝入塑料袋，排出袋中空氣后密封，共連續(xù)取樣30 個樣品?；瘜W成分檢測及及加香均勻性分析采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（SPME-GC/MS）檢測每個樣品中的揮發(fā)與半揮發(fā)性成分，結合Chemmind Chempattern 2017 專業(yè)版分析軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，繪制PCA 圖，利用圖中數(shù)據(jù)點分布的離散性來評價煙絲加香的均勻性[12]。

物料造碎測試：選取同一批次生產(chǎn)線摻配后煙絲作為試驗煙絲，分別使用傳統(tǒng)滾筒加香設備與垂直料管加香設備兩種不同的加香設備進行加香，取樣檢測加香前后煙絲整絲率及碎絲率，平行測試5 個批次。測試方法見相關行業(yè)標準。

2.3 結果與分析

2.3.1 加香精度分析

表1 垂直料管式加香設備加香精度測試結果Tab. 1 Flavoring accuracy of vertical pipe flavoring equipment

加香精度的測試結果見表1。由表1 可知，在設備加香比例可控制范圍0.20%～1.00%之內(nèi)，垂直料管式加香設備瞬時加香比例變異系數(shù)在0.13%～0.35%之間、總體加香精度在0.129%～0.356%之間。與大線滾筒加香設備相比（以玉溪卷煙廠的一個滾筒加香設備為例，其加香比例控制范圍0.20%～0.60%，瞬時加香比例變異系數(shù)0.12%～0.45%，總體加香精度0.01%～0.20%），新設備的加香比例可控范圍更大，其瞬時加香比例變異系數(shù)、總體加香精度基本一致。

2.3.2 加香均勻性分析

兩種不同加香設備加香均勻性檢測結果見圖6。圖中，藍色方點代表滾筒加香設備檢測數(shù)據(jù)，紅色圓點代表垂直料管式加香設備檢測數(shù)據(jù)。測試的兩個牌號玉溪某牌號（見圖6-1）、紅塔山某牌號（見圖6-2），紅色圓點分布區(qū)域面積均明顯小于藍色方點分布區(qū)域面積，說明垂直料管式加香設備的加香均勻性明顯好于滾筒加香設備，加香效果更好。通過公式：A ＝π*std（X）*std（Y）計算數(shù)據(jù)分布區(qū)域的橢圓面積即“離散度”來定量表征加香的均勻性，結果見表2。從定量表征結果來看，垂直料管式加香設備的加香均勻性為滾筒加香設備的1.5～2.0倍，具備更好的加香效果。

圖6 兩種不同加香設備加香均勻性PCA 圖比較Fig. 6 Flavoring uniformity of two different flavoring equipments

表2 兩種不同加香設備加香均勻性（離散度）分析Tab. 2 Flavoring uniformity (discreteness) of two different flavoring equipments

2.3.3 過程消耗及生產(chǎn)成本分析

兩種不同的加香設備加香前后煙絲結構的檢測結果見表3。從5 個批次測試結果來看，滾筒加香設備加香前后煙絲整絲率平均下降3.41%，碎絲率平均增加1.04%；垂直料管式加香設備加香前后煙絲整絲率平均下降1.76%，碎絲率平均增加0.40%。與滾筒加香設備相比，垂直料管式加香設備整絲率整體提高1.65%，碎絲率減少0.64%。結合設備的加工原理分析，使用垂直料管式加香設備物料在加香過程中僅有一次落料，且出料口設計有緩沖導板減少煙絲造碎，設備對煙絲的物理沖擊較小，能更好的保持來料煙絲的結構，減少加香過程造碎；而滾筒加香設備煙絲在滾筒內(nèi)經(jīng)多次落料及翻滾，容易造成煙絲的造碎。按照煙絲過程消耗降低1.0%進行測算，年產(chǎn)能50 萬箱的生產(chǎn)線，每年可節(jié)約煙絲25000 kg，節(jié)約成本約150.0 萬元。

表3 兩種不同加香設備加香前后煙絲結構變化情況Tab. 3 Structural change of tobacco of before and after flavoring by two different flavoring equipments

3 結論

1）垂直料管式加香設備結構、控制方式簡單，占地面積小，維護操作簡單方便，加香精度與大線滾筒加香設備基本一致，滿足大線生產(chǎn)要求；

2）采用靜態(tài)立式加香筒設計，有效減少了加香過程物料的翻轉(zhuǎn)及碰撞，較傳統(tǒng)滾筒加香設備煙絲消耗約降低1.0%～1.5%，可有效節(jié)約卷煙生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)成本；

3）加香均勻性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)滾筒加香設備。

現(xiàn)階段試驗組研制開發(fā)的為卷煙中試小設備，在實際生產(chǎn)過程中進行推廣應用時，還需對設備的結構和控制方式進行進一步的優(yōu)化和調(diào)整，在設備的加香效果、能耗、物耗等方面還需開展更深入的試驗驗證。