戴永生，申玉军，夏 飞，彭黎明

1.红塔烟草（集团）有限责任公司楚雄卷烟厂，云南省楚雄市彝海东路 675000

2.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

片烟复烤是打叶复烤工艺中的重要环节，其目的是对打叶去梗后的片烟进行干燥处理，将其含水率控制在标准范围内，以保证片烟存贮安全并有利于片烟醇化［1］。根据烟叶吸湿和解湿原理［2］，在片烟复烤过程中首先将片烟含水率干燥至9%左右，再经过冷却和回潮处理，使其含水率趋于一致并达到工艺标准。片烟复烤机是打叶复烤生产中的重要加工设备，多采用隧道网带式结构，将片烟平铺在网带上，经过干燥、冷却与回潮处理，使片烟含水率达到工艺要求［3］。但该设备加温加湿系统设计较简单，无法实现片烟含水率的精确控制，导致生产中存在用水、蒸汽消耗量大，烟叶加工质量不稳定等问题。对此，王兆铁［4］在烤片机回潮系统中增加蒸汽管路并采用新型二元喷嘴，提高了含水率控制精度，降低了蒸汽消耗。陈昌华等［5］采用正交试验，对影响烤后片烟含水率的3种回潮方式的工艺参数进行了组合试验分析，为提高复烤工艺水平提供了参考。谢晓斌等［6］以高压水泵变频调节作为主控制器，以混合水流量调节和混合蒸汽调节作为副控制器，基于预测PI 算法建立了以双重控制算法为框架的回潮区加水控制算法，提高了出口含水率控制精度。任正云等［7］采用预测PI 和准预测PI 算法控制片烟复烤机干燥、冷却和回潮段的工艺参数，提升了控制效果。但上述改进未能彻底解决回潮段加温加湿精确控制的问题。此外，李善莲等［8］研究了滚筒复烤和气流复烤对片烟加工质量的影响，以提升片烟含水率均匀性，但该技术尚处于试验阶段。为此，以KG235C 片烟复烤机为对象，采用汽水分离、分区多点喷射、精确控制加水量等方法对回潮段加温加湿系统进行改进，以期提高复烤烟叶质量，降低能源消耗，提升打叶复烤生产自动化水平。

1 问题分析

1.1 系统结构

KG235C 片烟复烤机分为干燥、冷却和回潮3个工艺段。回潮段又分为3 个回潮区，各区设有蒸汽、高压雾化水和汽水混合喷嘴3 组加温加湿管路系统，通过3 组管路共同作用，实现对片烟的加水处理［9］。其中，一区为风下降循环，二、三区为风上升循环，3 个区的布局基本一致，均由加热盘管、护烟板、循环风机、底架、隔板、蒸汽喷嘴、高压雾化水喷嘴、汽水混合喷嘴等部件组成，见图1。生产中利用循环风机带动汽水混合热风循环穿透片烟，对片烟连续加湿加热。回潮段底部安装有水槽用于收集冷凝水，并通过管道排出。此外，回潮段还安装有排潮管将部分潮气排出，以保证回潮段内形成一定负压，防止雾化水及蒸汽外溢。

图1 片烟复烤机回潮段结构示意图Fig.1 Schematic diagram of structure of reordering section in strip redryer

加温加湿管路系统和喷嘴布局见图2 和图3。在回潮过程中：①蒸汽管路系统采用气动薄膜阀控制蒸汽流量，以提高循环空气的温度和湿度。控制系统根据设置在各回潮区上方的温度检测器检测温度，与设定温度对比后，实时调节气动薄膜阀开度，实现对回潮各区的温度控制。②高压雾化水系统采用高压水泵供水，通过喷嘴将水喷射到回潮各区的循环热风中加湿片烟，加水量可通过调节高压水泵电机频率进行调整。③汽水混合喷嘴系统采用薄膜阀调节加水量和蒸汽压力，通过蒸汽的引射作用将水雾化后施加到片烟上，对片烟含水率进行微调。

1.2 存在问题

KG235C 片烟复烤机回潮段主要根据物料入口含水率与出口含水率的对比结果，调节汽水混合喷嘴系统薄膜阀开度以控制加水量，实现对出口片烟含水率的微调。当加水量变化较大时，需要通过人工调节高压水泵电机频率进行调整。因此，加温加湿系统存在以下问题：①蒸汽、高压雾化水和汽水混合喷嘴3 组加温加湿管路系统共同作用，对加水量形成交互影响，无法实现片烟含水率的精确控制。②高压雾化水是回潮段的主要加水系统，加水量的调整只能通过调节高压水泵转速实现。当加水量需求较小时，水泵转速过低，管路压力也随之降低，导致喷嘴的雾化效果变差，喷出的水大部分从水槽中直接排出，造成能源浪费。③高压雾化水喷嘴和汽水混合喷嘴喷出的水雾颗粒较大，导致回潮后片烟水分吸收不均匀，影响片烟加工质量。

图2 改进前加温加湿管路系统示意图Fig.2 Schematic diagram of heating and humidifying pipeline system before modification

图3 改进前加温加湿系统喷嘴布局图Fig.3 Layout of nozzles in heating and humidifying system before modification

2 系统设计

2.1 系统结构

根据汽水分离、分区多点喷射、精确控制加水量等设计思路，对回潮段加温加湿系统进行重新设计，改进后加温加湿管路系统和喷嘴布局见图4和图5。其中，取消了汽水混合喷嘴加湿系统，各回潮区独立设置可精确控制蒸汽施加量的蒸汽喷嘴管路系统，用于增加片烟温度。加水系统采用无需引射介质的高压雾化水喷嘴，均匀分布在回潮段网带底部，喷嘴数量根据加水量计算并确定，以5～10 个雾化水喷嘴为一组，每个回潮区设置n组喷嘴，每组喷嘴设置一个电磁阀，系统根据物料出口含水率自动控制各组喷嘴管路的开启或闭合，实现加水量的精确控制。

2.2 管路系统

2.2.1 加水量计算

KG235C 片烟复烤机额定生产能力为9 000 kg/h，根据工艺规范要求，入口物料含水率为17.0%～21.0%，冷却区物料含水率为8.0%～10.0%，回潮段物料出口含水率为11.5%～13.5%［10］，计算可得回潮段最大加水量为495 L/h。考虑到雾化水的吸收效率和极端工况条件，本设计中最大加水量取600 L/h 进行计算，并以此选择高压雾化水喷嘴型号和数量。

图4 改进后加温加湿管路系统结构图Fig.4 Structure of modified heating and humidifying pipeline system

图5 改进后加温加湿系统喷嘴布局图Fig.5 Layout of nozzles in modified heating and humidifying system

2.2.2 雾化水喷嘴选择

经过试验，选择1533T 型喷嘴作为高压雾化水喷嘴。该喷嘴无需采用蒸汽或压缩空气作为引射介质，利用水压即可形成5～15 μm 的水雾颗粒，有利于片烟均匀吸收。喷嘴孔径0.015 mm，雾化角度45°～90°（螺旋状），喷射长度50～700 mm，工作压力0.3～0.5 MPa，额定加湿量0.050 L/min。

2.2.3 喷嘴数量及分组

根据最大加水量600 L/h 计算，共设置200 个1533T 型喷嘴。基于烟叶的吸湿特性，按照“一区主升温、二区主加湿、三区作微调”的设计思路，将片烟复烤机3 个回潮区的加水量比例设为3∶4∶3，一区和三区各设置60 个喷嘴，二区设置80 个喷嘴。一、二区每10 个喷嘴为一组，三区每5 个喷嘴为一组，在每组喷嘴管路上均设置有可自动开闭的电磁阀，实现每组喷嘴的独立控制。测试结果表明，每打开或关闭一组喷嘴时，物料含水率调整量一、二区约为0.2%，三区约为0.1%。

2.2.4 加湿水供给

在片烟复烤机的供水管网上设置一台工业净水机作为水源，采用可变频调节的高压水泵通过不锈钢总管连接到各组喷嘴管路，为各组雾化水喷嘴供水。总管与各喷嘴管路上均设置有电磁阀，用于控制每组喷嘴管路的开闭。总管末端设置有压力传感器，根据系统设定压力与实际检测压力进行比对，实时调节高压水泵电机频率，保证喷嘴压力恒定。此外，在高压水泵出口处还设置有溢流阀，以实现管路系统压力的过载保护。

2.2.5 蒸汽管路

改进后3 个回潮区均独立设置有可精确控制蒸汽施加量的蒸汽喷嘴管路系统，蒸汽喷嘴均匀分布在复烤机网带底部靠近风机一侧，以保证喷射出的蒸汽能够均匀通过循环风机对片烟进行加热。

2.3 控制模式

2.3.1 回潮段温度控制

在3 个回潮区蒸汽管路上分别设置有气动薄膜阀，用于调节蒸汽施加量。在各回潮区物料上方还设置有温度传感器，用于检测回潮区温度。系统根据预设的回潮区温度与实际温度比对后，自动调节气动薄膜阀开度，调整蒸汽施加量，实现回潮区温度的精确控制。

2.3.2 片烟含水率控制

根据优先级别分级控制的思想，对各回潮区的加湿水分两级进行控制，回潮一区和二区设置为一级控制区，回潮三区设置为二级控制区。根据片烟实际含水率与出口含水率对比结果，采用模糊PID控制技术，以分区智能PID 控制算法为基础，分别对3 个回潮区的加水喷嘴按照优先控制级别进行开启或闭合，实现出口含水率的精确控制。

3 应用效果

3.1 试验设计

材料：K326 品种C2F、B2F 工业分级后配方组合模块烟叶［红塔烟草（集团）有限责任公司楚雄卷烟厂提供］。

设备与仪器：KG235C 片烟复烤机（秦皇岛烟草机械有限责任公司）；FED-115 电热鼓风干燥箱（温度精度±2 ℃，德国Binder 公司）；AX204 分析天平（d=0.1 mg，德国Mettler Toledo 公司）。

方法：采用同一品种、同一等级的配方模块烟叶，预处理、打叶风分和复烤工序均按相同工艺参数进行控制，在相同生产工艺条件下对比改进前后加温加湿系统的回潮效果。利用生产线控制系统自动采集物料流量、入口物料含水率、干燥区温度、冷却段出口物料含水率、回潮段蒸汽流量、回潮段混合喷嘴加水量、加湿水流量等数据［11］。成品片烟每隔5 箱取一个样品检测含水率［12］，测试时间为6 个工作日，对获得的试验数据进行统计分析。

3.2 数据分析

由表1 可见，在工艺参数和成品片烟含水率均保持一致的前提下，改进后片烟复烤机回潮段节约蒸汽410 kg/h，蒸汽消耗量减少35.2%；节约用水1 631 kg/h，耗水量减少85.3%；成品片烟含水率变异系数由1.83%降低到1.41%，降低0.42 百分点。

表1 片烟复烤机改进前后工艺质量参数对比Tab.1 Comparison of technical parameters of strip redryer before and after modification

4 结论

根据汽水分离、分区多点喷射、精确控制加水量的思路，对片烟复烤机回潮段加温加湿系统进行了改进，实现了片烟复烤机回潮段加温加湿自动控制，有效解决了原系统片烟含水率控制精度低、能源消耗大和片烟含水率不均匀等问题。以KG235C 片烟复烤机为对象进行测试，结果表明：在工艺参数和成品片烟含水率均保持一致的前提下，片烟含水率控制精度达到0.1%，片烟含水率CV 值降低0.42 百分点；回潮段蒸汽耗用量降低35.2%，耗水量减少85.3%，有效降低了复烤加工过程能耗，提升了片烟产品的均质化水平。