薄層物料雙面噴射式加料系統的研制與應用

熊安言，彭桂新，姚光明，丁美宙*，孔 臻，黃光富，孫 覓，朱國成，李全勝，徐源宏，張海霞

1．河南中煙工業有限責任公司技術中心，鄭州市隴海東路72號 450000

2．中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2號 450001

3．河南中煙工業有限責任公司許昌卷煙廠，河南省許昌市中原電器谷魏武大道西 461000

4．昆明船舶設備集團有限公司，昆明市人民中路6號昆船大廈 650051

薄層物料雙面噴射式加料系統的研制與應用

熊安言1，彭桂新1，姚光明1，丁美宙*1，孔 臻2，黃光富3，孫 覓1，朱國成3，李全勝1，徐源宏4，張海霞4

1．河南中煙工業有限責任公司技術中心，鄭州市隴海東路72號 450000

2．中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2號 450001

3．河南中煙工業有限責任公司許昌卷煙廠，河南省許昌市中原電器谷魏武大道西 461000

4．昆明船舶設備集團有限公司，昆明市人民中路6號昆船大廈 650051

為解決傳統滾筒加料系統加料均勻性差、料液有效利用率低和物料粘附等問題，根據薄層物料雙面加料更加均勻的原理，研制了薄層物料雙面噴射式加料系統。該系統主要由松散均布、高速攤薄、雙面多點噴射加料和過濾吸附等裝置組成。通過對物料進行攤薄，形成穩定的物料簾，在物料簾的雙面實施多點噴射加料，保證料液施加的均勻性；通過排潮抽吸風使懸浮的霧化料液穿過物料層，利用物料層的吸附過濾作用，提高料液的利用率；加料腔為不對稱多孔罩式結構，使腔體內外氣壓保持平衡，減少物料與腔壁的接觸。利用“黃金葉（硬帝豪）”對雙面噴射加料和滾筒加料兩種方式的加工品質、產品質量、主流煙氣成分和能耗物耗進行對比試驗。結果表明，與滾筒加料方式相比，采用薄層物料雙面噴射加料方式，加料精度為0．08%，加料均勻系數提高1．69百分點，料液有效利用率提高13．7百分點，物料粘附量減少4．1 kg/批次；卷煙感官質量提高0．5分；綜合加工成本節約6．97元/箱。該系統有效提高了片煙加料的均勻性和料液有效利用率，避免了物料粘附現象，改善了卷煙感官質量，節約了能源和原材料消耗。

滾筒加料；片煙；薄層物料；雙面噴射；加料腔；過濾吸附；均勻性

目前國內卷煙企業使用的加料設備多為滾筒加料方式，具有設備結構簡單、物料混配均勻等特點，但在加料的均勻性、有效性和加料精度等方面存在一些不足，加料過程中容易產生造碎，增加煙葉消耗。多年來，對加香加料機已進行了許多改進和創新，對于如何提高加料均勻性和料液有效利用率也有大量研究［1-13］。同時，多點噴射加香加料系統［14］、向物料均勻噴灑料液的方法及裝置［15］、煙葉負壓加料工藝和設備［16］、塔式加料機［17］、一種煙草物料加工方法及設備［18］、倒錐形立式加料滾筒［19］等多項專利技術的應用，取得了一定的使用效果。國外對于加料工藝技術的研究主要集中在煙葉加料裝置與控制系統方面，Dam ianov［20］研究了煙草加料控制系統，為加料設備控制系統的設計和改進提供了依據。但上述研究并未解決滾筒式加料機存在的物料層厚、單點噴射加料面積小、直接排潮料液損耗大、滾筒粘附物料多等問題。為此，利用薄層物料雙面加料更加均勻的原理，研制了薄層物料雙面噴射式加料系統，通過對物料進行攤薄形成物料簾，在物料簾的雙面實施多點噴射均勻加料，并通過改進加料腔結構避免物料與腔壁粘附，以期解決現有加料裝置存在問題，提高料液施加的均勻性和利用率。

1 系統結構

薄層物料雙面噴射加料系統主要由松散均布、高速攤薄、雙面多點噴射、過濾吸附等裝置組成，見圖1。松散均布系統的作用是保證物料的均勻分布和流量的連續穩定；高速攤薄系統由高速皮帶機實現對物料的攤??；雙面多點噴射系統的作用是實現均勻加料；過濾吸附系統用于提高料液的有效利用率，減少物料粘附。雙面噴射加料系統在生產過程中，將增溫后的物料均鋪，經高速皮帶機攤薄后進入加料腔體，形成穩定的物料簾；利用分布在物料簾雙側的多點集成雙介質噴嘴，向下落的物料施加料液；物料落至出料網帶形成一定厚度的過濾層，下吸式負壓排潮裝置將懸浮的霧狀料液經過濾層吸附后排出。

圖1 薄層物料雙面噴射式加料系統示意圖

2 技術實現

2.1 松散均布系統

為保證物料流量的均勻穩定，主要采取以下措施：①使用電子皮帶秤和定量喂料管控制物料流量的穩定；②采用振槽輸送機及導流板對加料前物料進行橫向拉寬和均布；③在雙面噴射加料前設置物料均勻裝置，防止進料振槽輸送的物料由于“雪崩”效應使輸出物料厚度出現波動。因此，物料松散均布系統主要由定量喂料裝置、振動輸送機和勻料裝置組成。其中，定量喂料裝置由喂料機、計量管和電子皮帶秤組成，保證了批次整體物料流量的穩定。振動輸送機振槽寬度1 400mm，上部設有多組導流板，以“/”和“＜”形狀排布，對振動輸送的物料進行橫向均鋪。勻料裝置安裝在振動輸送機的后方和進料罩的下方，由左右側框架、前框架、后擋板、5個輥子組件等組成，見圖2。工作時5個輥子組件以相同的轉速向同一方向轉動，物料先落到第一個輥子組件上，旋轉一定角度后滾落到下一個輥子組件上，如此重復傳遞，使物料均勻分布。

圖2 勻料裝置示意圖

2.2 高速攤薄系統

高速攤薄主要由高速皮帶機實現。皮帶機安裝在松散均布裝置的下方，通過高速輸送方式對物料進行薄層化處理并形成一定厚度的物料層。試驗表明，在帶寬1 400mm，額定生產能力4 000 kg/h，高速皮帶機的輸送速度分別為2，3，4，5m/s時，對應的料層厚度分別為5.0，3.3，2.5，2.0mm。

高速皮帶機主要由框架、驅動組件、被動輥組件、皮帶跑偏檢測裝置、檢修門、糾偏裝置等組成，見圖3。框架由異形管和鋼板組合焊接而成，皮帶機的其余部件均安裝在框架上；框架的頂部為槽形結構，其與輸送帶一起形成用于輸送物料的通道。驅動組件由主傳動電機、主（被）動同步帶輪、張緊同步帶輪、同步帶、主動輥、軸承座、帶輪罩等組成，是皮帶機的動力裝置。高速皮帶機在物料輸送過程中最高速度達5m/s，為保證帶速穩定，防止在持續高速運行狀態下皮帶跑偏，設計了高速皮帶機帶速穩定和自動糾偏裝置，通過變頻器調速并控制帶速穩定，由自動糾偏系統進行皮帶跑偏檢測與自動糾偏。

圖3 高速皮帶機示意圖

2.3 雙面多點噴射系統

雙面多點噴射系統主要由落料導流裝置、加料腔體、雙面多點噴射裝置和加料系統構成。

2.3.1 落料導流裝置

落料導流裝置安裝在高速皮帶機后方，由導流彎頭和托風裝置組成，見圖4。根據物料飛行速度及軌跡設置導流彎頭，形成薄層的物料簾，以利于實施雙面加料；在高速皮帶機輸送帶末端下方設置托風裝置，托風風速與輸送帶速度相匹配，保證物料在平拋過程中以相對穩定的軌跡飛行并防止輸送帶返程帶料。

圖4 落料導流裝置示意圖

2.3.2 加料腔體

加料腔體是加料機的主體組成部分，為不對稱多孔罩式結構，由落料腔和出料斗組成，見圖5。該裝置主要是為物料加料提供穩定的環境，并實現物料在腔體底部的堆積。通過在腔體四面壁板表面設置多個補氣小孔，使腔體內外氣壓保持平衡，消除腔體內部因噴嘴的高速噴射產生的氣流渦旋，減少掛壁粘料現象。

圖5 加料機腔體模型示意圖

2.3.3 雙面多點噴射裝置

物料與料液于物料垂直下落位置交匯，在物料下落幅面兩側設置了兩排雙介質多點集成噴嘴。噴嘴施加料液時，相鄰噴嘴形成的噴射霧面疊加排列，多個噴射霧面交叉形成雙側均布的料液場，在整個噴射霧面上形成均勻的噴射效果，保證攤薄物料的正反面都能均勻地接觸到料液，提高片煙施加料液的均勻性。

（1）物料流與料液流交匯點。由于高速皮帶產生的氣流、物料流、雙側料液流互相交匯，風場比較紊亂，霧化料液受紊亂風場作用分散飄逸，導致存在實際施加到物料上的料液量少、料液施加均勻性差、料液損耗大等問題。因此，將物料流、料液流交匯點設置在距離高速皮帶尾輥較遠，且物料流較穩定的位置，即設置在物料垂直下落過程中與噴嘴水平面向下垂直距離320mm處，噴射出的料液流與物料流交匯夾角為25°，見圖6。

圖6 料液流與物料流交匯點示意圖

（2）噴嘴結構。傳統噴嘴自身不具備獨立控制和調節流量的功能，無法滿足多噴嘴加料需求，因此需要制作專用噴嘴。專用噴嘴由傳統噴嘴、節流閥和氣控通斷閥組成。其中，節流閥可以調節單個噴嘴的流量，氣控通斷閥可以實現噴嘴的單獨啟停。為減少科恩達空氣放大效應和文丘里效應的影響［21-22］，避免出現渦流和霧滴粘附現象，噴嘴的安裝方式為向內伸出16mm，以噴嘴為中心與腔壁形成環狀補氣孔，補氣孔內外徑分別為41mm和60mm，見圖7。

圖7 噴嘴安裝示意圖

（3）霧形狀態。由于物料下落幅面寬度為1 320mm，為保證整個物料幅面都能均勻接觸到料液，噴嘴噴射的幅面要略大于物料幅寬。在引射壓力0.2MPa條件下，對所需的噴嘴數量進行了測試，結果見表1?？芍攪娮鞌盗繛?個時，霧形夾角為55°，有效噴射距離為340～360mm，可滿足噴嘴噴射距離350mm的設計要求。因此，4個噴嘴并列排布，間距相等，均為300mm，且4個噴嘴有效噴射霧面與物料下落幅面等寬，見圖8。

表1 不同噴嘴數量噴射參數測試結果

圖8 噴嘴排布示意圖

（4）多噴嘴集成與開啟。料液的噴射采用雙介質多點集成噴射裝置，由兩組線陣式集成噴嘴組成，采用多點集成、單點控制的總成技術，在同一噴淋桿上均布多個可獨立控制的雙介質噴嘴，噴淋桿可在5°～10°范圍內調節噴射方向，見圖9。多噴嘴可以同時或分組開啟，在調試單組噴嘴流量時，可以將噴嘴分組開啟分別調試。在正常工作時，將兩組噴嘴同時開啟，保證料液同時施加。噴嘴引射系統設計為壓縮空氣和蒸汽雙介質可切換系統，引射介質和引射壓力可根據需要選擇和設定，同時壓縮空氣可增溫。

2.3.4 加料系統

圖9 噴嘴集成示意圖

加料系統可根據物料流量和設定的加料比例快速準確地施加料液，主要包括噴射預填充系統和精度控制系統。

（1）噴射預填充系統。多點噴射系統的料管管徑根據料液流量大小和最大限度降低管道沿程阻力的要求進行設計，使管道進出料端的料液壓力近似相等，保證多個噴射點的料液流量一致，且為總流量的1/n（n為噴頭數量）。為提高加料響應速度，多點噴射系統將4個雙介質噴嘴均布集成到同一噴淋桿上，料液預填充到專用噴嘴的氣控通斷閥處，見圖10。

圖10 多點噴射預填充系統示意圖

（2）精度控制系統。由電控系統根據電子皮帶秤所檢測到的片煙流量瞬時值，經堆棧和平滑處理后計算出片煙在加料點的加料量，該加料量與料液質量流量計檢測反饋的瞬時流量信號比對，經PID控制器計算后實時調節加料泵的流量，同時采用電子皮帶秤的片煙質量累計值與質量流量計檢測反饋的料液質量累計值進行比對，利用補償修正的方法控制加料誤差。該算法可實現加料機控制精度小于0.5%。

2.4 過濾吸附系統

過濾吸附系統由排潮裝置和出料裝置組成，主要是利用物料層對懸浮的霧化料液進行吸附過濾，提高料液的有效利用率。彌漫在腔體中的料液霧滴在下吸式負壓排潮風機的抽吸下，經過厚度為40～80mm的物料層時被吸附過濾，僅有少量料液穿透網帶后排出。

2.4.1 排潮裝置

排潮裝置采用下吸式負壓排潮，為保證網面風速一致，設置3排導流板，將吸風口均分成4個區域（圖5）。落料方式為平鋪式，料層厚度低，整個物料層都能均勻過風，腔體內部料液吸附均勻，霧化料液不會四處彌漫，見圖11。為保證加料腔和排潮風道的密封性，在加料腔的覆蓋范圍及輸送網帶的下方設計了托板，輸送網帶運行于加料腔與托板之間，見圖12。加料腔底部除出料口采用電動輥筒進行壓封外，其余三面均采用擋帶密封，可將加料腔的底部與外界有效隔離。排潮口的開口位置及范圍小于鋪料區域，可避免加料腔與排潮風道“短路”，并使加料腔內彌漫的霧氣需穿透物料層才能進入排潮風道。

圖11 下吸式負壓排潮裝置示意圖

圖12 過濾吸附口示意圖

2.4.2 出料裝置

出料裝置是根據物料過濾吸附料液的需要，令下落的物料形成一定厚度的物料層，并通過調節出料皮帶速度來控制物料堆積厚度，以保證加料腔的密封效果和物料的過濾吸附效果。系統采用平鋪連續出料方式，加料腔出料口采用電動輥筒進行壓封，電動輥筒采用變頻調速，從而使其線速度與出料網帶運行速度保持一致，見圖13。

圖13 平鋪連續出料示意圖

3 應用效果

以河南中煙工業有限責任公司許昌卷煙廠提供的“黃金葉（硬帝豪）”配方葉組和料液為材料，采用薄層物料雙面噴射加料和滾筒加料兩種方式對“黃金葉（硬帝豪）”片煙加工品質，卷煙樣品產品質量，主流煙氣成分，設備能源、原材料消耗進行對比試驗。其中，薄層雙面加料設備工藝參數為優化后工藝參數組合；加料均勻系數、卷煙物理質量、主流煙氣成分、感官質量和能耗物耗的測定分別按相應的行業和國家標準［23-28］執行；料液有效利用率是依據行業標準［23］測定物料中的標記物丙二醇含量（質量分數），再通過下式計算得到。

式中：Q為料液有效利用率，%；q物為物料中的丙二醇含量，%；q料為料液中的丙二醇含量，%；w為料液施加比例，%。

3.1 加工品質

兩種加料方式下片煙加工品質檢測結果見表2。由表2可知，采用薄層物料雙面噴射加料，加料精度為0.08%，比滾筒加料提高0.15百分點；加料均勻系數平均為94.83%，比滾筒加料降低1.69百分點；料液有效利用率平均為91.3%，比滾筒加料提高13.7百分點；物料粘附量平均為1.4 kg/批次，比滾筒加料降低約4.0 kg/批次。

3.2 產品質量和主流煙氣成分

兩種加料方式下卷煙樣品產品質量和主流煙氣成分檢測結果見表3～表5。由表3和表4可知，兩種加料方式下卷煙樣品物理質量相近，主流煙氣成分差異較小。由表5可知，與滾筒加料樣品相比，采用雙面噴射加料方式，卷煙感官質量提高0.5分，余味和刺激性有所改善。

表2 兩種加料方式下片煙加工品質檢測結果

表3 兩種加料方式下卷煙樣品物理質量檢測結果

表4 兩種加料方式下卷煙樣品主流煙氣成分檢測結果

表5 兩種加料方式下卷煙樣品感官質量評價結果

表6 兩種加料方式下設備能源和原材料消耗測試結果①

3.3 能源和原材料消耗

兩種加料方式下設備能源和原材料消耗測試結果見表6。由表6可知，與滾筒加料方式相比，采用雙面噴射加料，可節約0.000 4元/kg片煙，節約0.014元/5萬支。同時，可節約片煙4.1 kg/批次，節約片煙成本287元/批次；節約料液9.3 kg/批次，節約料液成本706.8元/批次，合計原材料消耗可節約6.96元/5萬支。綜合以上結果，采用雙面噴射加料方式至少可節約生產成本6.97元/5萬支。

4 結語

與傳統滾筒加料方式相比，采用薄層物料雙面噴射加料系統，提高了片煙加料的均勻性和料液的有效利用率，避免了物料粘附現象，改善了卷煙感官質量，節約了能源和原材料消耗。雙面噴射加料精度提高0.15百分點；加料均勻系數平均為94.83%，加料均勻系數提高1.69百分點。料液有效利用率提高13.7百分點；物料粘附量減小4.1 kg/批次；卷煙感官質量提高0.5分；綜合加工成本節約6.97元/5萬支。本系統在提高加料均勻性、穩定產品品質、降低卷煙消耗等方面，具有推廣應用價值。但雙面加料的薄層化處理、多點噴射技術的使用等，對前道工序的來料狀態、工藝任務等提出了更高要求，而且本設備不具備物料增溫功能，還需繼續改進和完善，以進一步提高物料對料液的吸收效果。

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責任編輯 曹娟

Development and App lication of Double Side Injection Casing System for Thin Layer Material

XIONG Anyan1,PENG Guixin1,YAO Guangm ing1,DING Meizhou*1,KONG Zhen2,HUANG Guangfu3, SUN Mi1,ZHU Guocheng3,LI Quansheng1,XU Yuanhong4,and ZHANG Haixia4
1.Technology Center,China Tobacco Henan Industrial Co.,Ltd.,Zhengzhou 450000,China
2.Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC,Zhengzhou 450001,China
3.Xuchang Cigarette Factory,China Tobacco Henan Industrial Co.,Ltd.,Xuchang 461000,Henan,China
4.Kunm ing Shipbuilding Equipment Co.,Ltd.,Kunm ing 650051,China

Aiming at the problems of uneven casing,lowcasing utilization and tobacco buildup on cy linder wall associated with traditional casing cylinder,a double side injection casing system for thin layer material was developed.The casing system was mainly composed of loosening and distributing device,high-speed thin layer spreading device,double side multi-point injection casing nozzles,filtrationadsorption device,etc.Strips were spread to form a continuous strip curtain,casing was injected via nozzles on both sides of the strip curtainto ensure casing uniform ity.The floated atom ized casing droplets were drawnthrough the strip layer by means of suction air,and the utilization of casing was promoted by the filtrating adsorption of strip layer.The casing chamber was inthe form of asymmetric perforating hood to keep the pressure in balance between inside and outside of the chamber and m inim ize the contact between strips and chamber wall.For casing cigarette brand“Golden Leaf”(YDH),the newcasing system and casing cylinder were compared interms of processing quality,product quality and the consumption of energy and material.The results showed that,the newsystem’s casing precision was 0.08%,its casing uniformity coefficient and casing utilization increased by 1.69 and 13.7 percentage points respectively,the amount of tobacco buildup onthe wall reduced by 4.1 kg/shift,the score of cigarette sensory quality raised by 0.5 points,and the comprehensive processing cost saved by 6.97 RMB yuan per case.

Cylinder casing;Strip;Thin layer material;Double side injection;Casing chamber;Filtration adsorption;Uniform ity

TS432

B

1002-0861（2015）09-0081-07

10.16135/j.issn1002-0861.20150914

2015-03-13

2015-06-09

中國煙草總公司2008年科技重大專項“中式卷煙制絲生產線”子項目“薄層物料雙面噴射式加料機研發及應用研究”（0120140177）。

熊安言（1969—），本科，高級工程師，主要從事卷煙工藝研究。E-mail：xyxay@126.com；*

丁美宙，E-mail：dingmeizhou999@163.com

熊安言，彭桂新，姚光明，等.薄層物料雙面噴射式加料系統的研制與應用［J］.煙草科技，2015，48（9）：81-87.

XIONG Anyan,PENG Guixin,YAO Guangm ing,etal.Development and application of double side injection casing system for thin layermaterial［J］.Tobacco Science&Technology，2015，48（9）：81-87.