CTD烘絲機進料系統堵料問題的分析與改進

戴宇昕

廈門煙草工業有限責任公司，福建省廈門市海滄區新陽工業區新陽路1號 361022

CTD（Comas Tower Dryer）是意大利COMAS公司研制的新型塔式氣流烘絲機，具有塔身高度低、膨脹與干燥一體化等優點，目前已在國內卷煙企業開始使用。由于CTD進料系統結構設計過于緊湊，在生產過程中經常出現進料系統堵料問題，對后續烘絲生產造成影響［1-3］。針對類似堵料問題，李計剛等［4］調整了風速的穩定性，并指出輸送管道表面光滑度對進料系統影響較大，可加強表面修磨及維保力度。王建偉等［5］進行了風速理論計算，并在進料器中增設了吸風管。由于CTD烘絲機在國內尚處于初期使用階段，上述改進方法尚未取得理想效果。為此，通過研究進料系統的氣流走向，分析了各生產階段的堵料原因，采用調整系統水汽、平衡壓力、穩定煙絲流量等方法對CTD烘絲機進料系統進行了改進，以解決在生產過程中存在的頻繁堵料問題，提高烘絲生產效率。

1 存在問題

1.1 工作流程

CTD烘絲機采用的是對流式干燥方式，主要由計量系統、進料高頻振槽、進料氣鎖、膨脹單元、干燥塔、切向落料器、燃燒爐、出料氣鎖等組成，見圖1。煙絲經計量管1、電子秤2稱量后，由輸送帶3進入CTD進料端的勻料器4，隨后落入高頻振槽5，經松散后從進料氣鎖6進入煙絲膨脹單元8。在膨脹單元8內被引射蒸汽及熱風共同作用后推送至干燥塔9，在高溫中快速脫水干燥，經切向落料器11的氣料分離，由出料氣鎖12離開CTD。烘絲干燥的整體熱量由燃燒爐13提供，并在其熱風出口處施加蒸汽控制整體含氧量。在生產過程中，堵料主要發生在進料氣鎖6至膨脹單元8末端，分別出現在長時間停機后的料頭階段、流量異常驟降階段以及間歇生產中段，由此影響生產進度。

圖1 CTD烘絲機結構示意圖

1.2 料頭階段堵料過程分析

料頭階段堵料主要存在于氣鎖至膨脹單元段的“L”型通道，見圖2。膨脹單元呈文丘里管型，在其末端有5路蒸汽引射熱風。依據流體動力學方程，流體在封閉管道中作穩恒流運動時，任意一點均滿足伯努利定律［6］：

式中：P——管道中的靜壓（Pa），ρ——流體密度（kg/m3），V——流體速度（m/s），C——常量。

即流體的靜壓與速度的平方成反比，速度越大，靜壓越小。該處管道的文丘里管處于由收縮轉為擴張階段，因而氣速快、壓強降低。在此處下落的煙絲在快速吸濕后，內部水分迅速突破煙絲組織脫出，產生膨脹作用，提高煙絲填充值。同時由于收縮段壓強降低形成負壓，引導熱風快速從此處經過，并將煙絲迅速推送至干燥塔，形成使煙絲能夠流向干燥塔的直接動力［6］。分析可知，快速流體未能及時將物料帶走是造成“L”段堵料的直接原因。料頭階段造成煙絲流動受阻的原因是物料在管道內結垢，阻礙了煙絲流動。

圖2 膨脹單元“L”型結構示意圖

1.2.1 初始堵料位置

由于流經膨脹單元的風量設定為5500 m3/h，如果忽略流體的壓縮因素，那么根據流體連續性方程，封閉性管道中作穩恒流運動的流體，在單位時間內流進某截面的流體質量必等于在另一截面流出的流體質量，即管道的進出口流量相等［6］。

因此，穿過膨脹單元平均截面的風速為：

式中：v——風速（m/s），Q——風量（m3/h），b——膨脹單元寬度（m），h——膨脹單元平均高度（m）。

該風速造成“L”型結構垂直段與水平段產生1.40 kPa的負壓壓差［7］。由于干燥塔內主工藝風機抽吸的負壓作用，熱風攜帶的水汽無法從垂直段的通道溢出，也不可能在垂直段附著。因此水汽附著是造成水平段煙絲粘黏堵料的主要原因。

1.2.2 水汽主要來源

在來料煙絲含水率正常情況下，堵料頻繁發生在長時間停機后的首次開機初始階段，且每次能清理出“L”型通道水平段粘料量約3.7 kg，說明在進料過程中存在大量的水汽冷凝于通道壁上。水汽的來源可能有引射的蒸汽、熱風攜帶的水分、物料自帶的水分。初始堵料的位置位于豎直段或水平段，與長時間停機有必然聯系，可以排除物料自帶水分在遇熱后附著于通道側壁的因素，那么水汽的來源只可能是熱風中的水分或引射蒸汽帶的水分。

對于長時間停機后的蒸汽管道，雖然蒸汽控制柜安裝了多路排冷凝水管路，但停機后氣動薄膜閥關閉，致使閥與閥之間的管道被阻隔，殘存其中的冷凝水在引射噴嘴前積壓，難以在預熱階段被全部帶出噴嘴并在膨脹單元被烘干［8］，由此引起的高溫高濕使煙絲在膨脹單元內的粘性迅速增大。而在膨脹單元水平段管壁處于紊流狀的熱風，推送物料的能力不足，使這些煙絲粘附在管壁上，縮小了水平段管徑，增加了堵料的幾率。后面的批次即使在料頭階段，由于殘存冷凝水已排凈，堵料中斷的次數明顯減少。因此，控制好生產初始階段的噴射蒸汽含水量是控制此類問題的關鍵。

1.3 流量異常驟降階段堵料過程分析

流量異常驟降后發生的堵料問題所占比例最大，平均0.9次/批。通過觀察發現，在流量驟降后，勻料器的物料量會突然增大，煙絲堆來不及被高頻振槽松散就涌向進料氣鎖，而氣鎖下狹小的“L”型通道無法應對大量的煙絲，由此產生堵料現象。流量驟降時勻料器料量突然增大的原因是勻料器上游無松散振送設備，配置的輸送帶也沒有變頻功能，只能勻速運轉，致使其帶速不能及時與加速后的電子秤相匹配。

當來料流量穩定時，電子秤上的物料量也穩定在設定值范圍內，此時輸送帶以設定速度平穩運行。即使流量波動而導致電子秤帶速調整，其變化量也不會影響后續輸送帶的勻速運行。當流量波動較大時，計量管的低料位光電管導通，上游輸送帶提速，使上游物料快速輸送到電子秤上，穩定電子秤帶速。

但是當流量異常驟降時，電子秤上的物料由均勻分布改變為靠計量管側物料分布較低，使輸送帶上的物料總質量降低。此時計量管低料位光電管導通，由上游輸送帶提速輸送煙絲進行補充，如果上游缺煙絲或尾料等其他異常狀況而不能及時補償，則會使電子秤上的煙絲越來越少。為保持后續流量穩定，電子秤只能不斷地加速運行進行補償。當電子秤皮帶開始加速時，遠離計量管一側的物料仍是正常物料量，由此造成下游輸送帶上的煙絲過量堆積，見圖3。由于下游設備為非變頻的勻速輸送帶，只能提供緩沖，對持續增大的電子秤帶速所輸送的煙絲堆積無法進行匹配。當煙絲堆積超過CTD進料氣鎖的堵料極限時，就會產生堵料，見圖4。因此控制好電子秤與下游勻速輸送帶的匹配關系，可以解決下游輸送帶物料過量堆積的問題。

1.4 生產中段堵料過程分析

圖3 尾料階段電子秤帶面物料分布圖

CTD烘絲過程是一套獨立系統，為了保證內部熱風對煙絲進行干燥，系統與外界空氣不斷進行交換。當系統出現排潮不暢時，系統內部的回收熱風量增多，壓力相對變大，由此對物料進入造成較大阻力，產生堵料問題。當系統的排潮量發生變化時，其與外界進出的空氣量也會發生變化。由于大氣的含氧量約為21%，而系統設定值僅為3.5%，過多空氣進入系統會提高系統含氧量、降低風溫，并增加蒸汽噴射量，致使出口煙絲含水率上升；當進入系統的空氣量減少時，會降低系統含氧量，減少蒸汽噴射量，同時系統內氣體干燥能力增大，造成出口煙絲含水率下降。這些變化與流量中斷并行發生時，排潮狀況就有可能出現異常［7］。

進料氣鎖葉片的銅耐磨條與氣鎖側壁間隙也會影響系統內部壓力。耐磨條與側壁存在適當的間隙，可以使一定量的空氣進入，空氣在“L”型結構噴吹負壓的導引下推動煙絲前進。如果耐磨條間隙過小，進入的空氣量少，推動物料的壓力減少，不利于進料；如果耐磨條間隙過大，大量空氣進入，雖有利于進料，但會影響含氧量、熱風溫度等，不利于煙絲膨脹［8］。因此，該階段應控制好排潮量及氣鎖密閉性。

2 改進方法

2.1 冷凝水排放

改進前蒸汽管路中殘存冷凝水因停機時閥門關閉無法有效排放，并在開機預熱階段通過噴射器和管道被帶進膨脹單元［9］。觀察發現，積水現象主要存在于蒸汽管路減壓閥與文丘里管噴嘴氣動開關閥之間，以及減壓閥與含氧量控制噴嘴氣動開關閥之間。

改進后在往膨脹單元的蒸汽管路中加裝一套疏水系統，同時在往燃燒爐蒸汽管路的薄膜開關閥后加裝一路旁通排放系統，降低燃燒爐工藝熱風在生產初始時的潮濕程度，見圖5。疏水系統解決了文丘里管噴嘴預熱時積水對膨脹單元的影響，旁通閥在開機前進行積水排放，疏水閥對生產時的冷凝水進行控制。燃燒爐旁通排放系統解決了控制含氧量蒸汽的冷凝積水問題，消除了因冷凝水融入熱風而對膨脹單元及系統濕度產生的影響，避免熱風帶有水分引起膨脹單元堵料。

圖4 尾料階段電子秤頻率、速度曲線截圖

圖5 疏水管路結構示意圖

2.2 料量控制

對于流量異常驟降階段,為解決電子秤帶速無法與下游勻速輸送帶相匹配而引起堵料的問題，主要通過改善電子秤與勻速輸送帶的匹配關系，以解決電子秤出口輸送帶上物料過量堆積問題，使物料進入氣鎖前能充分松散均布。改進后電子秤下游輸送帶中段加裝了撥輥，作為電子秤變速時的補償。設計時撥輥前后走料留有空間，輥高可以調整。當電子秤加速引起物料扎堆時，過高的物料經過撥輥保證了物料量的穩定。當正常物料流量時，撥輥不參與物料高度的調整。

2.3 系統內壓力控制

生產中段的堵料現象出現較少，一般發生在烘絲系統內外氣體交換異常或內部壓力異常時。對此要以預防性維修為主，保證排潮管道的抽吸順暢及氣鎖的氣密程度。設備在管道接口處一般利用軟連接實現伸縮變化，原軟連接材質為內層石棉帆布與外層高溫硅橡膠，在高溫高濕環境下，內外層容易發生徑向剝離并產生硬化，從而使軟連接的通徑減小，排潮受阻。

改進后將軟連接更換為聚四氟乙烯耐高溫硅橡膠軟布，為避免硬化拉伸或撕裂，在拉伸管道接口處法蘭連接一對嵌套式不銹鋼伸縮套管，以避免軟連接腐蝕塌縮影響管徑內的氣流，同時也可減少軟連接伸縮積垢，保證排潮管道暢通。

3 改進效果

改進后CTD烘絲機在使用過程中，較好地解決了進料系統堵料問題，保證了進料流量的穩定性，提升了烘絲品質，堵料頻次由原來的2.3次/批減少到0.2次/批，出口含水率標準偏差由3.8%減少到1.7%，有效改善了加工工藝，降低了生產能耗，提高了設備生產效率。

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