打葉復(fù)烤烤后片煙微量噴淋加料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

任建新，符再德，羅 嘉，張 暉，韓 星，張其龍

1.湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙市勞動(dòng)中路386號(hào) 410007 2.湖南省湘西鶴盛原煙發(fā)展有限責(zé)任公司，湖南省吉首市鴉溪村科技園社區(qū) 416000

由于原煙存在不同程度的質(zhì)量缺陷，打葉復(fù)烤已成為改良煙葉質(zhì)量的重要工藝手段，且國(guó)內(nèi)煙草行業(yè)現(xiàn)已全面推行打葉復(fù)烤和片煙制絲工藝［1]。通過(guò)復(fù)烤加料改善片煙品質(zhì)已有較多研究報(bào)道［2-7]，添加的料液多為加香、保潤(rùn)和酶制劑［2]，作業(yè)位點(diǎn)一般設(shè)置在二潤(rùn)或烤片前［5]。其中，設(shè)置在烤片前的滾筒式加料系統(tǒng)［7]的料液添加比例通常＞1‰，通過(guò)加料實(shí)現(xiàn)增香保潤(rùn)、提高感官質(zhì)量以及改善片煙內(nèi)在品質(zhì)，但后續(xù)的高溫工序容易對(duì)料液中的有效成分造成不利影響，且輸送線路過(guò)長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致料液損失。烯蟲(chóng)酯是一種生物防蟲(chóng)劑，具有較好的生物活性［8]，其加料均勻性對(duì)于后續(xù)片煙倉(cāng)儲(chǔ)蟲(chóng)害防護(hù)影響顯著。但烯蟲(chóng)酯性質(zhì)不穩(wěn)定，見(jiàn)光易衰減，且打葉復(fù)烤中烯蟲(chóng)酯的用量很少，通常采用mg/kg級(jí)微量加料方式，因此加料后的工序越少越好，并盡量將料液添加作業(yè)位點(diǎn)設(shè)置在烤片后。為此，設(shè)計(jì)了一套打葉復(fù)烤烤后片煙微量噴淋加料系統(tǒng)，并使用烯蟲(chóng)酯在片煙上進(jìn)行mg/kg級(jí)微量加料試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證，以期提高加料均勻性，改善片煙質(zhì)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

打葉復(fù)烤烤后片煙微量噴淋加料系統(tǒng)主要由裝卸儲(chǔ)料系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和噴淋加料系統(tǒng)三大部分組成，見(jiàn)圖1。裝卸儲(chǔ)料系統(tǒng)包括儲(chǔ)料罐1、料液輸送管2、液位顯示器3、壓力變送器4、清洗水排水管5、進(jìn)料管6、氣動(dòng)進(jìn)料泵7、支架平臺(tái)20、物料桶25等；電氣控制系統(tǒng)包括手動(dòng)閘閥8、9和23，過(guò)濾器10和12，氣源控制閥組11，氣動(dòng)控制閥13和24，物料輸送管14，電控箱21等；噴淋加料系統(tǒng)包括料氣平衡裝置15（烯蟲(chóng)酯和壓縮空氣平衡裝置）、計(jì)量泵16、雙介質(zhì)噴嘴17等。

裝卸儲(chǔ)料系統(tǒng)主要完成料液輸入、存儲(chǔ)和余料排放等工作。儲(chǔ)料罐1配有慢速攪拌裝置，避免出現(xiàn)料液混合不均勻等問(wèn)題，存儲(chǔ)的料液至少可滿足一個(gè)班次的生產(chǎn)使用量。采用電氣控制系統(tǒng)控制料液噴淋，儲(chǔ)料罐1與料氣平衡裝置15之間通過(guò)物料輸送管14連接，物料輸送管14又分為兩組，每組物料輸送管14均安裝有計(jì)量泵16。開(kāi)啟壓縮空氣后，料氣平衡裝置15內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，帶動(dòng)料液從儲(chǔ)料罐1導(dǎo)出，再?gòu)碾p介質(zhì)噴嘴17中均勻噴出。兩組雙介質(zhì)噴嘴17各包含4個(gè)噴嘴，噴嘴的霧化顆粒粒徑≤5μm，流量范圍0.3～7.0 kg/h，利用料氣平衡裝置15可以使每個(gè)噴嘴的噴霧量與顆粒大小保持一致。

兩組雙介質(zhì)噴嘴均采用扇形噴霧，噴霧垂直于落料拋物面，噴霧幅寬約0.8 m。由圖2可見(jiàn)，在烤后片煙落料振槽3的前后端各設(shè)置1組噴嘴，兩組噴嘴相對(duì)錯(cuò)位且均勻分布，下落片煙處于兩組噴嘴之間。由圖3可見(jiàn)，8個(gè)噴嘴可覆蓋落料寬度約3.6 m，有效增加了料液與片煙的接觸面積，噴射面積及距離可通過(guò)料氣平衡裝置進(jìn)行調(diào)整。

1.2 作業(yè)位點(diǎn)

由圖4可見(jiàn)，噴淋加料系統(tǒng)安裝在烤片機(jī)下料口至落料振槽之間，噴淋后片煙可直接打包裝箱，以減少后續(xù)高溫工序和較長(zhǎng)輸送線路而造成料液損失。該區(qū)間烤后片煙的落料寬度超過(guò)3 m，下落高度達(dá)0.9 m，下落片煙形成一個(gè)較大的拋物面，有利于提高霧化后料液在片煙上的添加均勻性。

2 試驗(yàn)方法

2.1 材料、試劑和儀器

材料：2017年湘西龍山C3F-A煙葉（湖南省湘西鶴盛原煙發(fā)展有限責(zé)任公司提供）。

試劑：烯蟲(chóng)酯藥液（自配），溶劑為V水∶V乙醇=1∶1，烯蟲(chóng)酯含量2.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

儀器：打葉復(fù)烤烤后片煙微量噴淋加料系統(tǒng)（自制）；7980A/5975C氣質(zhì)聯(lián)用儀（美國(guó)安捷倫公司）。

2.2 儀器條件

色譜柱：DB-5MS彈性石英毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.25μm）；進(jìn)樣口溫度：280℃；程序升溫：50℃（1 min）280℃（1 min）；進(jìn)樣模式：分流進(jìn)樣，分流比10∶1；載氣：氦氣（99.999%）；恒流流速：1.5 mL/min；進(jìn)樣量：1μL。電離模式：電子轟擊（EI）；電離能量：70 eV；燈絲電流：35μA；離子源溫度：230℃；四極桿溫度：150℃；傳輸線溫度：280℃；Q2碰撞氣：氮?dú)猓?9.999%），流量1.5 mL/min；淬滅氣：氦氣（99.999%），流量2.25 mL/min；掃描方式：選擇離子（SIM）。

2.3 加料準(zhǔn)確度測(cè)試

以加料相對(duì)誤差絕對(duì)值的平均值來(lái)考察加料系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，測(cè)試方案見(jiàn)表1。模擬打葉復(fù)烤片煙流量分別為5 000、7 000和9 000 kg/h，同時(shí)設(shè)定烯蟲(chóng)酯加料比例分別為0.40‰、0.48‰和0.60‰，待流量穩(wěn)定后，每隔15 min記錄1次該時(shí)間段內(nèi)通過(guò)輸送帶的片煙質(zhì)量M和烯蟲(chóng)酯的實(shí)際加料量m，片煙質(zhì)量M與烯蟲(chóng)酯加料比例c的乘積為設(shè)定加料量。不同片煙流量和加料比例下各記錄5次，計(jì)算每次加料的相對(duì)誤差Ei以及所有Ei絕對(duì)值的平均值E-，利用E-來(lái)評(píng)估加料系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。計(jì)算公式為：

表1 噴淋加料系統(tǒng)準(zhǔn)確度測(cè)試方案Tab.1 Test scheme for accuracy of micro-spray casing system

式中：n為記錄次數(shù)；mi為第i次記錄時(shí)實(shí)際加料量，kg；Mi為第i次記錄時(shí)片煙質(zhì)量，kg；c為烯蟲(chóng)酯的加料比例，‰；Ei為第i次記錄時(shí)加料相對(duì)誤差，%；E-為n次記錄的平均相對(duì)誤差，%。

2.4 加料均勻性測(cè)試

根據(jù)YC/T 353—2010《卷煙加料均勻性的測(cè)定》［9]的方法測(cè)試加料均勻性，采用烯蟲(chóng)酯替代文獻(xiàn)［9]中的標(biāo)記物丙二醇。加料均勻系數(shù)CU（Coefficient Uniformity）的計(jì)算公式為：

式中：n為樣品個(gè)數(shù)，n≥30；xi為第i個(gè)樣品的烯蟲(chóng)酯含量，mg/kg；x-為n個(gè)樣品烯蟲(chóng)酯含量的平均值，mg/kg。

采用湘西龍山C3F-A煙葉進(jìn)行打葉復(fù)烤試驗(yàn)，固定片煙流量為7 000 kg/h，設(shè)置烯蟲(chóng)酯加料比例為0.48‰。考慮到烤片機(jī)排風(fēng)系統(tǒng)負(fù)壓對(duì)霧化后料液的影響，分別在排風(fēng)風(fēng)門關(guān)閉、半開(kāi)和全開(kāi)3種情況下進(jìn)行測(cè)試，待流量穩(wěn)定后（加料系統(tǒng)正常運(yùn)行10 min），每隔5 min取1次片煙樣品，樣品量≥50 g，連續(xù)取樣各54個(gè)。采用GC/MS方法檢測(cè)片煙上的烯蟲(chóng)酯含量，每3個(gè)樣品的檢測(cè)平均值為一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（即每15 min為一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)）。此外，根據(jù)YC/T147—2010《打葉煙葉質(zhì)量檢驗(yàn)》［10]要求，分別在系統(tǒng)關(guān)閉（風(fēng)門半開(kāi)）、系統(tǒng)開(kāi)啟（風(fēng)門全開(kāi)）、系統(tǒng)開(kāi)啟（風(fēng)門半開(kāi)）和系統(tǒng)開(kāi)啟（風(fēng)門關(guān)閉）4種情況下檢測(cè)成品片煙含水率，并計(jì)算其平均值和變化值。

2.5 料液有效利用率測(cè)試

采用參考文獻(xiàn)［11]中的方法檢測(cè)料液有效利用率，采用烯蟲(chóng)酯替代文獻(xiàn)［11]中的標(biāo)記物丙二醇。料液有效利用率Q的計(jì)算公式為：

式中：q物為物料中的烯蟲(chóng)酯含量，%；q料為噴淋料液中的烯蟲(chóng)酯含量，%；w為烯蟲(chóng)酯加料比例，‰。

3 結(jié)果與分析

3.1 加料系統(tǒng)的準(zhǔn)確度

由表2可知，在不同片煙流量和烯蟲(chóng)酯加料比例下，噴淋加料系統(tǒng)的平均相對(duì)誤差為0.54%，能夠滿足打葉復(fù)烤加料平均相對(duì)誤差小于1%的控制精度要求。

表2 噴淋加料系統(tǒng)的平均相對(duì)誤差Tab.2 Average relative error of micro-spray casing system

3.2 加料均勻系數(shù)

由表3可見(jiàn)，在排風(fēng)風(fēng)門關(guān)閉狀態(tài)下，噴淋加料系統(tǒng)的加料均勻系數(shù)達(dá)95.1%；在風(fēng)門半開(kāi)和全開(kāi)狀態(tài)下，加料均勻系數(shù)有所降低，分別為88.2%和80.0%。表明系統(tǒng)能夠滿足打葉復(fù)烤加料工藝要求，確保烯蟲(chóng)酯在片煙上均勻覆蓋。

表3 烯蟲(chóng)酯的加料均勻系數(shù)Tab.3 Uniformity coefficient of casing for methoprene（%）

由圖5可見(jiàn)，排風(fēng)風(fēng)門開(kāi)啟狀態(tài)對(duì)加料均勻性影響較大，風(fēng)門開(kāi)啟越大，加料均勻性波動(dòng)越大。這是由于風(fēng)門開(kāi)啟會(huì)導(dǎo)致烤后片煙出料口處負(fù)壓不穩(wěn)定，進(jìn)而對(duì)霧化后料液產(chǎn)生影響。若因氣候等原因必須打開(kāi)風(fēng)門，則需要適當(dāng)提高料液濃度以保證噴淋效果。

3.3 料液有效利用率

由表4可見(jiàn)，排風(fēng)風(fēng)門開(kāi)啟狀態(tài)對(duì)料液有效利用率影響較大。在風(fēng)門關(guān)閉狀態(tài)下，料液有效利用率達(dá)到92.6%；當(dāng)風(fēng)門全開(kāi)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致烤片機(jī)內(nèi)形成較大負(fù)壓，霧化后料液可能隨負(fù)壓排出，造成料液有效利用率降低。因此，打葉復(fù)烤中應(yīng)綜合考慮氣候條件和風(fēng)機(jī)排濕效果，適當(dāng)調(diào)整料液濃度，或通過(guò)調(diào)節(jié)料氣平衡裝置調(diào)整料液的霧化程度。

表4 烯蟲(chóng)酯的加料有效利用率Tab.4 Effective utilization rate of methoprene solution（%）

3.4 成品片煙含水率

由表5可見(jiàn)，與對(duì)照相比，噴淋系統(tǒng)開(kāi)啟對(duì)烤后片煙含水率基本無(wú)影響，加料后片煙含水率變化不超過(guò)0.1百分點(diǎn)，符合成品片煙質(zhì)檢要求。

表5 噴淋加料對(duì)于成品片煙含水率的影響Tab.5 Influence of micro-spray casing on moisture content in finished tobacco strips

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一套烤后片煙微量噴淋加料系統(tǒng)，安裝于烤片機(jī)下料口與落料振槽之間，并采用兩組雙介質(zhì)噴嘴將霧化后料液定量噴射在片煙上，滿足了生產(chǎn)中加香或生物防蟲(chóng)劑等微量添加的需求，避免了高溫工序?qū)α弦寒a(chǎn)生影響，減少了因輸送距離過(guò)長(zhǎng)而造成料液損失等問(wèn)題。采用湘西龍山C3F-A煙葉和烯蟲(chóng)酯藥液對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：①系統(tǒng)加料平均相對(duì)誤差在1%以內(nèi)，排風(fēng)風(fēng)門關(guān)閉時(shí)加料均勻系數(shù)達(dá)95.1%，料液有效利用率達(dá)92.6%，表明該系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確度、均勻性和料液利用率；②微量加料后片煙含水率變化不超過(guò)0.1百分點(diǎn)，對(duì)片煙含水率基本無(wú)影響，符合成品片煙質(zhì)檢要求。該加料系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，可拆卸并適用于無(wú)加料時(shí)的正常生產(chǎn)，在打葉復(fù)烤生產(chǎn)線中具有推廣應(yīng)用價(jià)值。