非空调环境下制丝车间微雾加湿控制系统的设计

张 炜，王道铨，林苗俏，游龙华，邓宏博，詹 露，陈满金，江家森*

1. 福建中烟工业有限责任公司技术中心，福建省厦门市集美区滨水路298 号 361021

2. 龙岩烟草工业有限责任公司，福建省龙岩市新罗区乘风路1299 号 364021

烟草本身具有吸湿与解湿的特性，在不同温湿度条件下，烟草在制品的平衡含水率容易发生变化，尤其在贮存和输送环节变化显著，因此保障生产车间环境温湿度稳定是提高生产过程质量的重要基础。为防止环境温湿度波动对生产过程质量产生影响，卷烟工业企业的卷包车间等生产区域大多使用了空调系统，而制丝车间、复烤车间等区域由于空间大，采用空调系统则会产生较大能耗，增加生产成本。以龙岩烟草工业有限责任公司制丝车间为例，生产区域无空调系统，车间仅配备有送新风系统。统计显示，制丝车间的相对湿度日平均值在19.6%～74.7%之间，其中相对湿度高于65%的占比10.7%，低于55%的占比44.1%。由于过程贮柜（含贮梗丝柜）无独立隔离房，输送装置上的烟丝物料始终暴露于空气中，在干燥季节极易散失水分，导致设备控制参数不稳定、成品烟丝含水率超标，影响产品质量的稳定性。针对环境温湿度对烟草生产过程的影响已有较多研究和报道［1-6］。王虎等［7］分析了高压微雾加湿技术在夏热冬冷地区卷烟厂空调系统中的应用，提出了不同运行条件下的加湿控制策略；万少超等［8］应用高压微雾加湿技术，减少了蒸汽使用量，降低了空调系统运行费用；刘威等［9］通过对复烤厂环境温湿度自动监控和数据采集，实现了生产过程参数的实时调整；贺孟春等［10］在高架库增设两台空调机组用于新回风的混合与送风，将气流组织方式由侧边送风和回风改进为顶部送风和底部回风，提高了温湿度场分布的均匀性。但对于非空调环境下生产车间环境湿度的控制研究则鲜见报道。为此，以龙岩烟草工业有限责任公司制丝车间为研究对象，设计了一套非空调环境下微雾加湿控制系统，以期提高干燥季节车间湿度控制稳定性，提升成品烟丝工艺质量。

1 系统设计

1.1 工作原理

在制丝车间原有送新风系统的基础上，于新风入口处配置微雾加湿控制系统。该系统包括供应水单元、高压柱塞泵、加湿阀、雾化喷嘴以及湿度传感器等部分，见图1。在生产中供应水由高压柱塞泵增加压力后，经喷嘴雾化产生1～15 μm的微雾颗粒并迅速在空气中汽化和扩散，实现空气加湿功能；通过外界和生产区域的湿度传感器对微雾加湿量进行控制，进而实现送风区域的湿度控制，减少环境湿度对烟丝含水率的影响；为防止供应水中的杂质堵塞喷嘴并减少对烟丝物料的污染，雾化水采用软水。

图1 微雾加湿控制系统工作原理Fig.1 Working principle of micro-fog air humidifying system

1.2 加湿量计算

制丝车间送新风系统有3台新风风机（每台风机额定风量为80 000 m3/h），为预留冗余量，目标相对湿度（RH）设为65%。通过文献［11］可知干燥季节极端天气（15 ℃，20%RH）时的空气含湿量为2.10 g/kg，目标状态（15 ℃，65%RH）下的空气含湿量为6.88 g/kg。依据水蒸气质量守恒原理可得到系统加湿量：

式中：W 为加湿量，kg/h；ρ为空气密度，取1.2 kg/m3；Q 为单台新风风机风量，m3/h；d1、d2分别为加湿前后空气含湿量，g/kg；10-3为换算系数；3为风机数量，台。

将Q=80 000 m3/h，d1=2.10 g/kg，d2=6.88 g/kg 带入公式（1），得到系统加湿量设计值（最大值）为1 376.64 kg/h。

1.3 加湿系统设计

考虑到制丝车间的空间布局，微雾加湿控制系统设置了2台微雾加湿器，每台加湿器各配备1台流量为700 kg/h 的SWB2 高压柱塞泵，见图2a。取喷嘴流量为4.5 kg/h，2 台高压柱塞泵所提供的总加湿量为1 400 kg/h，故喷嘴数量为1 400/4.5=311.11个，取整为311 个喷嘴。根据3 台新风风机的新风入口位置及尺寸，共设置7 组喷嘴，由于311/7=44.42，因此喷嘴按照7组×45个/组方式布局，即实际总喷嘴数为315个。为实现阶梯式加湿，每台高压柱塞泵设计有4条出水管，通过调节加湿阀开度调整加湿量；为保证输出水压均衡，每台高压柱塞泵控制1/2数量的喷嘴（即3.5组喷嘴），每组喷嘴与4条高压出水管分别按2∶3∶4∶6的比例进行设置，见图2b。

图2 加湿系统结构（a）及雾化喷嘴布局（b）示意图Fig.2 Schematic diagrams of humidifying system structure (a) and atomizing nozzle layout (b)

1.4 分段式加湿控制设计

送新风系统的新风湿度会随季节变化而波动，为避免初始加湿量过大而导致送新风入口管路出现结露滴水现象，需对加湿阀的初始开度进行计算：

式中：W1为将新风加湿至目标湿度所需的加湿量，g/kg；W2为微雾加湿控制系统额定能力，即2 台高压柱塞泵提供的总加湿量（1 400 kg/h）。

实际生产中每台新风风机的运行风量为60 000 m3/h，总风量为180 000 m3/h。制丝车间相对湿度设计值取60%（温度15 ℃时空气含湿量为6.42 g/kg），则不同新风状态下所需加湿量及加湿阀初始开度见表1。

表1 不同新风状态下所需加湿量及加湿阀初始开度Tab.1 Amount of water addition and initial opening of humidification valve under different fresh air conditions

如图3 所示，加湿系统开始运行时，依据加湿阀初始开度进行微雾加湿；运行一段时间后，根据主生产区域湿度传感器的检测反馈，调节系统加湿量，直至底限加湿阀门开启并保持当前开度运行，使车间相对湿度保持在目标状态值±5%范围内。

图3 微雾加湿系统控制流程图Fig.3 Flow chart of micro-fog air humidifying system

2 应用效果

2.1 实验设计

材料：“七匹狼”牌卷烟配方原料（龙岩烟草工业有限责任公司）。

仪器和设备：龙岩烟草工业有限责任公司6 000 kg/h制丝线；VAISALA MHW60U/Y型温湿度检测仪（德国西门子公司）；M115X 型烘箱（德国BINDE公司）。

方法：对比干燥季节应用微雾加湿控制系统前后制丝车间（松散回潮区域和掺配加香区域）相对湿度以及过程物料（烘后叶丝、掺配梗丝、加香后烟丝）含水率的稳定性。其中，车间相对湿度采用VAISALA MHW60U/Y 型温湿度检测仪进行检测，过程物料含水率依据 YC/T 31—1996［12］进行检测。应用前检测时间为 2019 年 11 月 14 日—2020 年 2 月28 日，共取 253 批次；应用后为 2020 年 11 月 14 日—2021年2月28日，共取319批次。取平均值，考察批次间稳定性。

2.2 数据分析

2.2.1 车间环境湿度控制

由图4 可见，应用微雾加湿控制系统后，松散回潮及掺配加香区域的环境相对湿度显著上升且波动减小。由表2可见，松散回潮区域相对湿度标准偏差由10.37%下降至4.35%，降幅达58.1%；掺配加香区域相对湿度标准偏差由9.63%下降至4.39%，降幅达54.4%，与应用前相比批次间相对湿度稳定性平均提升56.3%。

表2 应用微雾加湿控制系统前后车间相对湿度稳定性对比Tab.2 Consistency of relative humidity in workshop before and after application of micro-fog air humidifying system（%）

图4 应用微雾加湿控制系统前后车间相对湿度变化对比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

由图5 可见，应用微雾加湿控制系统后，烘后叶丝、掺配梗丝以及加香后烟丝的含水率波动减小，稳定性得到有效提升。由表3可见，烘后叶丝、掺配梗丝和加香后烟丝含水率批次间标准偏差由应用前的0.21%、0.31%、0.13%分别下降至0.17%、0.27%和0.09%，批次间稳定性分别提升19.0%、12.9%和30.8%。

表3 应用微雾加湿控制系统前后物料含水率稳定性对比Tab.3 Consistency of moisture content in tobacco before and after application of micro-fog air humidifying system （%）

图5 应用微雾加湿控制系统前后物料含水率变化对比Fig.5 Variations of moisture content in tobacco before and after application of micro-fog air humidifying system

3 结论

为提高干燥季节非空调环境下制丝车间相对湿度，减少烟丝物料在输送过程中水分散失，在车间送新风系统中增加了一套微雾加湿控制系统，实现了不同环境条件下分段式加湿控制，使车间相对湿度始终处于目标状态范围内。以龙岩烟草工业有限责任公司6 000 kg/h 制丝线生产的“七匹狼”牌卷烟为对象进行测试，结果表明：应用微雾加湿控制系统后，干燥季节非空调环境下松散回潮及掺配加香区域的相对湿度标准偏差分别降低58.1%和54.4%，烘后叶丝、掺配梗丝以及加香后烟丝的含水率批次间稳定性分别提升19.0%、12.9%和30.8%，有效减小了生产过程中环境相对湿度的波动幅度，提高了过程产品质量稳定性。