蒸汽
——微波膨化生產線節能工藝優化

2020-11-27 04:45:40郭鳳文周冀衡傅源鋒

山東化工 2020年21期

郭鳳文，周冀衡，傅源鋒

(1.湖南農業大學，湖南長沙 410128；2.廣東省金葉科技開發有限公司，廣東汕頭 515100)

在膨脹煙梗加工領域，國內出現過不少膨化煙梗技術，如介質膨梗等，多處于實驗研究或樣機階段[1-4]。有利用微波加熱比其它常用的加熱快速、均勻、能源利用率高特點的單獨微波膨化煙梗的技術，可硬化樹臘成份[5]，改善容積[6]，提高填充值，驅除雜氣和怪味[7]，可提高卷煙的香氣和吃味，還可以消滅煙草中害蟲[8]。但單獨微波處理易帶來局部過度碳化產生焦糊、枯焦味。有利用過熱蒸汽的比熱大、潛熱高、無過多氧化且不易達到物料燃點優勢的過熱蒸汽膨化技術，但該技術單獨應用處理溫度、壓力均較大，對設備要求較高，耗能亦較高[9]。

為解決上述缺陷，廣東某公司利用過熱蒸汽及微波兩者結合，取長補短，建設了全新的隧道式過熱蒸汽-微波協同膨化生產線[10]。但作為一條全新的生產線，其實際運行與理論存在較大差異，產品品質優良，但成本還不夠低。故通過數據收集分析，并對生產線進行優化，實現在產品品質穩定的基礎上降低產品成本，利于該技術的進一步發展與推廣。

1 實驗

1.1 原料及試劑

烤煙煙梗(四川煙梗，水分12%～14%，廣東某公司提供)，三乙酸甘油酯(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)。

1.2 主要儀器、設備

電子天平(梅特勒-托利多儀器(上海)公司)，恒溫干燥箱(上海精宏實驗設備有限公司)，量筒(1000 mL)，壓梗器(自制)，皮帶秤(中國船舶重工九江七所精密機電科技有限公司)，振動輸送機(DPH-100昆明三機輕型設備機械制造有限公司)，隧道式過熱蒸汽-微波協同膨化主機(自主研發)。

1.3 方法

1.3.1 生產線能耗數據分析

收集了一年內產品產出量及用電、用蒸汽、用柴油量。按照《綜合能耗計算通則》計算電、蒸汽、柴油對應標準煤，以當量標煤能耗進行對比分析，為節能減耗尋求方向。利用產品生產過程物料被加熱、水蒸氣被汽化所需要的理論熱能，計算實際能源利用率，考察進行生產線節能減耗的必要性。

1.3.2 生產線過程控制合理性論證

收集統計過程控制數據，對生產線過程控制合理性進行論證。為節能減耗過程質量控制明確方向。

1.3.3 生產線改造及參數優化

對生產線進行適當優化改進，并進一步以產品密度指標恒定為目標，試驗不同物料流量、蒸汽流量梯度情況下需要的微波功率量，尋求最優工藝參數。其中密度檢測采用排液法(三乙酸甘油酯)，檢測一定重量(如50 g)樣品的體積，計算而得其密度；水分按常規烘箱法進行檢測。優化任務完成后，再對優化前后產品作感官評價、常規煙氣指標對比評價，并作簡要經濟性對比分析。

2 討論

2.1 生產線能耗數據分析

統計生產線某段時間的產量為413 t，用電76304度，用蒸汽1444 t，用柴油17143 L。折算為標準煤的單位耗用量分別為：電22.71 kgce/t產品，蒸汽330.41 kgce/t產品，柴油51.41 kgce/t產品，合計噸耗標煤為381.82 kgce/t產品，按標準煤發熱值29307 kJ/kg，噸產品耗能高達11189896 kJ。可見其中蒸汽能耗最大，占比82%，故改造重點可側重于蒸汽節能改造。

每小時產量300 kg，原料水分12%，處理后水分4%，物料由常溫20℃處理到99℃，進腔體蒸汽溫度148℃，出腔體蒸汽溫度135℃，腔體內壓力為0.1 MPa。顯熱及潛熱理論耗能為246547 kJ/t[10]。可見能源利用率僅2.2%，改造必要性很大。

經進一步研究發現，之所以能源利用率低，主要原因是生產線大部分蒸汽以排潮形式外排浪費掉，蒸汽熱量只有一小部分用于傳熱軟化煙梗、汽化水分，單位重量物料消耗鮮蒸汽是自身重量的3倍，可見生產過程參數如蒸汽、微波的使用、配比等均有優化必要性。

2.2 生產過程控制合理性驗證

根據生產操作經驗，產品質量主要以密度為0.5 g/cm3左右為關鍵產品指標，調控關鍵指標為微波功率及進腔體蒸汽溫度和出腔體蒸汽溫度。收集了一周左右正常生產數據，為了不漏掉任何一種可能的好結果，利用MINTAB軟件，“最佳子集”回歸方法，把三個都可能的自變量的子集進行回歸之結果都列出來，讓自變量全部“自由競爭”，不人為規定哪個變量 “必須進入”以便綜合考慮，從中選出一個最滿意的結果[11]。響應為密度，自變量為進腔體蒸汽溫度，出腔體蒸汽溫度，微波功率，輸出結果見表1。

表1 響應為密度的最佳子集回歸輸出結果

參考R-Sq，R-Sq(調整)(越大且與R-Sq越接近越好)，Cp(越接近參數個數越好，包括常數項)，S值(越小越好)這幾項指標來選取自變量。最終選擇三個自變量。

密度Y= 1.872-0.00570 X1-0.00348 X2-0.003528X3，P≤0.005

可見密度與三個自變量均呈負相關，即膨脹效果與三個自變量均呈正相關。從系數看，對密度結果影響效應，進腔體蒸汽溫度>微波功率>出腔體蒸汽溫度。

假設進腔體蒸汽溫度與微波功率二者固定之后，根據熱量守恒定律，出腔體蒸汽溫度主要受物料耗用熱量影響，故選取物料流量驗證膨化效果。利用常規煙梗(水分12%～14%)，鮮蒸汽流量1050 kg/h，進腔體蒸汽溫度148℃，微波總功率39 kW，處理時間180 s相同工藝條件下，皮帶秤設置原料流量梯度180、210、240、270、300、330 kg/h，得到不同膨化效果產品，各取3個樣進行密度檢測，并對應感官質量評價見表2。由表2可知，其他工藝條件固定情況下，隨著物料流量的增大，膨化后產品密度呈升高趨勢(膨化強度逐漸減弱)，密度在0.51～0.56 g/cm3時產品感官質量評價的確相對較好。

表2 不同煙梗原料流量處理后煙梗感官質量評價表

可見通過控制進腔體蒸汽溫度與微波功率，固定其他參數實現密度在0.51～0.56 g/cm3控制的選擇是基本合理的。

2.3 生產線改造及參數優化

針對原有生產線進行重新審視，經研究后決定進行生產線熱能回收改造[12]，并組織車間設備人員按圖實施。

如圖1、圖2，主要改造為：將原蒸汽循環系統中排潮廢汽通過新增管道引入燃燒爐的進蒸汽口全部回流，與鮮蒸汽混合經燃燒爐加熱到過熱態，再并入循環風機的吸風負壓側；整個系統僅通過微波腔體進料端進行廢汽自然溢流排潮。

圖1 熱能回收改造前

圖2 熱能回收改造后

本改造將原排潮汽回流，可保證蒸汽循環系統循環熱量及蒸汽量不減少情況下，減少鮮蒸汽投入量。同時可提高加熱爐的效率[13]。理論上平衡后投入鮮蒸汽量與排潮量基本保持一致，故鮮蒸汽量可足夠小。同時新的排潮汽通過系統進料口自然溢出，可實現預熱或加濕物料目的，物料進入主機前處于預熱狀態，利于進一步膨化。

通過熱能回收改造后，需重新優化過熱蒸汽-微波協同膨化煙梗過程中蒸汽與微波配比情況，尋求經濟高效的膨化生產工藝。并考察改造后生產線產品質量變化情況。

利用常規煙梗(水分12%～14%)，處理時間180 s，燃燒爐參數保持進腔體蒸汽溫度在148℃左右，物料流量按梯度300、400、550 kg/h；鮮蒸汽流量按梯度400、450、500、550、600、700、800、900 kg/h，蒸汽流量與物料流量排列組合逐一進行試驗，調整微波功率，使處理后煙梗密度檢測值穩定在0.5 g/cm3左右30 min以上，記錄密度及微波功率。

從圖3可知，為達成0.5 g/cm3相同密度膨化效果，按物料流量繪制的三條線由上到下，形狀基本相似，同等蒸汽流量情況下，物料流量越大所需微波功率越大，符合能量守恒定律；

圖3 達成同等密度，按物料流量分組，蒸汽流量對應波功率

圖3可知，同等物料流量情況下，微波功率隨蒸汽流量增加呈“浴盆狀曲線”，即先減小，平穩過渡后再升高趨勢。前面的先減小后平穩說明隨著蒸汽量的增加，即蒸汽配比到一定量后，微波所需提供功率減少，平穩狀態是蒸汽與微波協同膨化所提供能力比較平穩的階段，再隨著蒸汽量的增加，所需微波功率開始升高，主要原因應是部分微波能做功于過量的蒸汽中，造成了能量的浪費。

綜合考慮三種物料流量下微波功率均較低的情況，優選500kg/h蒸汽流量作為改造后最優參數。

2.4 改造前后效果評價

取改造前后最優狀態相同密度產品，經專家評吸。表3數據表明，改造前后感官質量得分無明顯差異。

表3 改造前后產品感官評吸表

取改造前后最優狀態相同密度產品，檢測煙氣指標。表4數據表明，改造前后指標無明顯差異(數據為送樣鄭州煙草研究院檢測所得)。

表4 改造前后產品常規煙氣指標檢測結果

統計改造前與改造后一整年的生產數據，計算電、蒸汽、柴油噸耗節省情況。從表5數據可知，噸耗汽及噸耗柴油均有所降低，噸耗電稍有增高。按電單價0.95元/度，蒸汽單價200元/t，柴油單價5.11元/L計，噸節省效益為403元；年節能減耗效益為16.78萬元。說明改造在保證產品質量情況下，帶來一定經濟效益。