非空調環境下制絲車間微霧加濕控制系統的設計

張 煒，王道銓，林苗俏，游龍華，鄧宏博，詹 露，陳滿金，江家森*

1. 福建中煙工業有限責任公司技術中心，福建省廈門市集美區濱水路298 號 361021

2. 龍巖煙草工業有限責任公司，福建省龍巖市新羅區乘風路1299 號 364021

煙草本身具有吸濕與解濕的特性，在不同溫濕度條件下，煙草在制品的平衡含水率容易發生變化，尤其在貯存和輸送環節變化顯著，因此保障生產車間環境溫濕度穩定是提高生產過程質量的重要基礎。為防止環境溫濕度波動對生產過程質量產生影響，卷煙工業企業的卷包車間等生產區域大多使用了空調系統，而制絲車間、復烤車間等區域由于空間大，采用空調系統則會產生較大能耗，增加生產成本。以龍巖煙草工業有限責任公司制絲車間為例，生產區域無空調系統，車間僅配備有送新風系統。統計顯示，制絲車間的相對濕度日平均值在19.6%～74.7%之間，其中相對濕度高于65%的占比10.7%，低于55%的占比44.1%。由于過程貯柜（含貯梗絲柜）無獨立隔離房，輸送裝置上的煙絲物料始終暴露于空氣中，在干燥季節極易散失水分，導致設備控制參數不穩定、成品煙絲含水率超標，影響產品質量的穩定性。針對環境溫濕度對煙草生產過程的影響已有較多研究和報道［1-6］。王虎等［7］分析了高壓微霧加濕技術在夏熱冬冷地區卷煙廠空調系統中的應用，提出了不同運行條件下的加濕控制策略；萬少超等［8］應用高壓微霧加濕技術，減少了蒸汽使用量，降低了空調系統運行費用；劉威等［9］通過對復烤廠環境溫濕度自動監控和數據采集，實現了生產過程參數的實時調整；賀孟春等［10］在高架庫增設兩臺空調機組用于新回風的混合與送風，將氣流組織方式由側邊送風和回風改進為頂部送風和底部回風，提高了溫濕度場分布的均勻性。但對于非空調環境下生產車間環境濕度的控制研究則鮮見報道。為此，以龍巖煙草工業有限責任公司制絲車間為研究對象，設計了一套非空調環境下微霧加濕控制系統，以期提高干燥季節車間濕度控制穩定性，提升成品煙絲工藝質量。

1 系統設計

1.1 工作原理

在制絲車間原有送新風系統的基礎上，于新風入口處配置微霧加濕控制系統。該系統包括供應水單元、高壓柱塞泵、加濕閥、霧化噴嘴以及濕度傳感器等部分，見圖1。在生產中供應水由高壓柱塞泵增加壓力后，經噴嘴霧化產生1～15 μm的微霧顆粒并迅速在空氣中汽化和擴散，實現空氣加濕功能；通過外界和生產區域的濕度傳感器對微霧加濕量進行控制，進而實現送風區域的濕度控制，減少環境濕度對煙絲含水率的影響；為防止供應水中的雜質堵塞噴嘴并減少對煙絲物料的污染，霧化水采用軟水。

圖1 微霧加濕控制系統工作原理Fig.1 Working principle of micro-fog air humidifying system

1.2 加濕量計算

制絲車間送新風系統有3臺新風風機（每臺風機額定風量為80 000 m3/h），為預留冗余量，目標相對濕度（RH）設為65%。通過文獻［11］可知干燥季節極端天氣（15 ℃，20%RH）時的空氣含濕量為2.10 g/kg，目標狀態（15 ℃，65%RH）下的空氣含濕量為6.88 g/kg。依據水蒸氣質量守恒原理可得到系統加濕量：

式中：W 為加濕量，kg/h；ρ為空氣密度，取1.2 kg/m3；Q 為單臺新風風機風量，m3/h；d1、d2分別為加濕前后空氣含濕量，g/kg；10-3為換算系數；3為風機數量，臺。

將Q=80 000 m3/h，d1=2.10 g/kg，d2=6.88 g/kg 帶入公式（1），得到系統加濕量設計值（最大值）為1 376.64 kg/h。

1.3 加濕系統設計

考慮到制絲車間的空間布局，微霧加濕控制系統設置了2臺微霧加濕器，每臺加濕器各配備1臺流量為700 kg/h 的SWB2 高壓柱塞泵，見圖2a。取噴嘴流量為4.5 kg/h，2 臺高壓柱塞泵所提供的總加濕量為1 400 kg/h，故噴嘴數量為1 400/4.5=311.11個，取整為311 個噴嘴。根據3 臺新風風機的新風入口位置及尺寸，共設置7 組噴嘴，由于311/7=44.42，因此噴嘴按照7組×45個/組方式布局，即實際總噴嘴數為315個。為實現階梯式加濕，每臺高壓柱塞泵設計有4條出水管，通過調節加濕閥開度調整加濕量；為保證輸出水壓均衡，每臺高壓柱塞泵控制1/2數量的噴嘴（即3.5組噴嘴），每組噴嘴與4條高壓出水管分別按2∶3∶4∶6的比例進行設置，見圖2b。

圖2 加濕系統結構（a）及霧化噴嘴布局（b）示意圖Fig.2 Schematic diagrams of humidifying system structure (a) and atomizing nozzle layout (b)

1.4 分段式加濕控制設計

送新風系統的新風濕度會隨季節變化而波動，為避免初始加濕量過大而導致送新風入口管路出現結露滴水現象，需對加濕閥的初始開度進行計算：

式中：W1為將新風加濕至目標濕度所需的加濕量，g/kg；W2為微霧加濕控制系統額定能力，即2 臺高壓柱塞泵提供的總加濕量（1 400 kg/h）。

實際生產中每臺新風風機的運行風量為60 000 m3/h，總風量為180 000 m3/h。制絲車間相對濕度設計值取60%（溫度15 ℃時空氣含濕量為6.42 g/kg），則不同新風狀態下所需加濕量及加濕閥初始開度見表1。

表1 不同新風狀態下所需加濕量及加濕閥初始開度Tab.1 Amount of water addition and initial opening of humidification valve under different fresh air conditions

如圖3 所示，加濕系統開始運行時，依據加濕閥初始開度進行微霧加濕；運行一段時間后，根據主生產區域濕度傳感器的檢測反饋，調節系統加濕量，直至底限加濕閥門開啟并保持當前開度運行，使車間相對濕度保持在目標狀態值±5%范圍內。

圖3 微霧加濕系統控制流程圖Fig.3 Flow chart of micro-fog air humidifying system

2 應用效果

2.1 實驗設計

材料：“七匹狼”牌卷煙配方原料（龍巖煙草工業有限責任公司）。

儀器和設備：龍巖煙草工業有限責任公司6 000 kg/h制絲線；VAISALA MHW60U/Y型溫濕度檢測儀（德國西門子公司）；M115X 型烘箱（德國BINDE公司）。

方法：對比干燥季節應用微霧加濕控制系統前后制絲車間（松散回潮區域和摻配加香區域）相對濕度以及過程物料（烘后葉絲、摻配梗絲、加香后煙絲）含水率的穩定性。其中，車間相對濕度采用VAISALA MHW60U/Y 型溫濕度檢測儀進行檢測，過程物料含水率依據 YC/T 31—1996［12］進行檢測。應用前檢測時間為 2019 年 11 月 14 日—2020 年 2 月28 日，共取 253 批次；應用后為 2020 年 11 月 14 日—2021年2月28日，共取319批次。取平均值，考察批次間穩定性。

2.2 數據分析

2.2.1 車間環境濕度控制

由圖4 可見，應用微霧加濕控制系統后，松散回潮及摻配加香區域的環境相對濕度顯著上升且波動減小。由表2可見，松散回潮區域相對濕度標準偏差由10.37%下降至4.35%，降幅達58.1%；摻配加香區域相對濕度標準偏差由9.63%下降至4.39%，降幅達54.4%，與應用前相比批次間相對濕度穩定性平均提升56.3%。

表2 應用微霧加濕控制系統前后車間相對濕度穩定性對比Tab.2 Consistency of relative humidity in workshop before and after application of micro-fog air humidifying system（%）

圖4 應用微霧加濕控制系統前后車間相對濕度變化對比Fig.4 Variations of relative humidity in workshop before and after application of micro-fog air humidifying system

2.2.2 物料含水率控制

由圖5 可見，應用微霧加濕控制系統后，烘后葉絲、摻配梗絲以及加香后煙絲的含水率波動減小，穩定性得到有效提升。由表3可見，烘后葉絲、摻配梗絲和加香后煙絲含水率批次間標準偏差由應用前的0.21%、0.31%、0.13%分別下降至0.17%、0.27%和0.09%，批次間穩定性分別提升19.0%、12.9%和30.8%。

表3 應用微霧加濕控制系統前后物料含水率穩定性對比Tab.3 Consistency of moisture content in tobacco before and after application of micro-fog air humidifying system （%）

圖5 應用微霧加濕控制系統前后物料含水率變化對比Fig.5 Variations of moisture content in tobacco before and after application of micro-fog air humidifying system

3 結論

為提高干燥季節非空調環境下制絲車間相對濕度，減少煙絲物料在輸送過程中水分散失，在車間送新風系統中增加了一套微霧加濕控制系統，實現了不同環境條件下分段式加濕控制，使車間相對濕度始終處于目標狀態范圍內。以龍巖煙草工業有限責任公司6 000 kg/h 制絲線生產的“七匹狼”牌卷煙為對象進行測試，結果表明：應用微霧加濕控制系統后，干燥季節非空調環境下松散回潮及摻配加香區域的相對濕度標準偏差分別降低58.1%和54.4%，烘后葉絲、摻配梗絲以及加香后煙絲的含水率批次間穩定性分別提升19.0%、12.9%和30.8%，有效減小了生產過程中環境相對濕度的波動幅度，提高了過程產品質量穩定性。