浅析国内与国外在线膨胀烟丝技术.doc

浅谈国内外在线膨胀烟丝技术

20世纪中叶以来，随着人们对健康的日益重视，提高吸烟的安全性已成为烟草工业的共识。世界烟草行业也从那时开始朝着低消耗、低焦油、低成本、高品位、高效益的方向发展。尤其是进入二十一世纪后，中国烟草行业更临进入WTO后世界同行业的竞争压力，更迫切地要求中国烟草产品符合上述要求，而对于在线膨胀烟丝技术的研究和运用就显得尤为重要。
烟丝主要由叶丝和梗丝构成，制丝线也主要是由叶丝线和梗丝线等组成，制丝线的工艺性能的好坏，直接影响卷烟的内在质量和企业的经济效益。所以，各企业都十分重视其制丝线的技术改造，回顾我国烟草行业“八五”、“九五”和“十五”技改的发展过程， 不难看出，广大的科技人员已把在线膨胀技术做为十分重要的课题讨论。
卷烟生产中通常把叶丝和梗丝在线连续膨胀生产过程叫做在线膨胀技术，现在具有代表性的如DICKINSON的STS梗丝膨化干燥机和HXD叶丝在线膨胀机等，它们都是以水为膨胀介质膨胀烟丝。烟梗和叶片它们都具有完全不同的物理特性，烟梗是十分坚固，含大量的木质纤维，它负责向叶中输送水分和给养，而叶片是光合作用的产物，其表层有许多的小孔，用以有效地吸收二氧化碳，与烟梗不同，叶片是不能够保持较高的水分（≤35%MC）。
由于不同的特性，用于膨胀梗丝和叶丝的方法是不一样的,但膨胀的机理是完全相同的，就是使梗丝和叶丝纤维细胞中的水分急剧气化，达到体积膨胀的目的。
梗丝比较容易含有很高的水分（最高可达50%以上），采用什么方式让其纤维细胞中水分快速气化是最关键的技术。我国目前制丝线普遍使用的基本有两种方式：
第一、 HAUNI的HT（加温加湿隧道）式，高湿的梗丝在常压下进入HT后，饱和蒸汽通过输送槽周围的小孔向梗丝喷射加温，使梗丝快速加热使其纤维细胞中的水分快速蒸发膨胀而后干燥定型。
第二、 COMAS膨胀塔式，高湿的梗丝在定量蒸汽流的作用下，
吹入文氏管管内通过快速加温、加压后，突然喷出释放到低压区域，使梗丝纤维细胞中的水分骤然汽化，迅速达到体积膨胀的目的，并迅速干燥定型。
可以清楚看到上述方法所带来的效果差异，前者梗丝的膨胀率只有30%左右，后者梗丝的膨化率一般都在50%以上。虽然COMAS膨化搭存在着许多问题，但将文氏管运用到膨胀梗丝上面是最有效、最简单可靠的一种装置。常州市智思公司科技人员早就看到了这一点，于1998年就设计研制成功了SH83型系列闪蒸式梗丝膨化装置，独创了用SH8型闪蒸式梗丝膨化装置改造COMAS式膨化塔，99年10月在长春卷烟厂通过国家科教司和烟草专座卖局组织的鉴定验收。根本解决了原膨化塔存在的工艺流量达不到、工艺条件要求严、维护困难等缺陷，几年来该公司的SH8系列化产品已在几十家卷烟厂广泛使用，SH8型闪蒸式梗丝膨化装置主要由梗丝膨胀，流化干燥和梗丝风选三台设备组成。它们分别完成各自的任务，梗丝膨胀利用文氏管技术使梗丝达到最佳的膨胀效果，流化干燥采用流态化过程快速干燥膨胀后的梗丝使之定型。梗丝风选使梗丝纯净。
近一段时间经几十家卷烟制丝线专家观察比较南京、徐州卷烟厂制丝线原装进口的STS和常州智思公司独立研制SH8型这套设备后认为，后者的各项性能指标不比DICKINSON STS差。（见后附表一）
首先：STS梗丝膨化设备主要关键技术同样也是文氏管。但SH8型设备所使用的文氏管是在使用国产各种梗丝并在多种工况试验下设计制作的，该膨化装置结构简单、紧凑、运动机件少、可靠性高、制造成本低，易于推广。
第二：SH8型流化干燥机各方面性能优于STS的流化干燥机。
①SH8型闪蒸梗丝膨胀配套的流化干燥机三个区的热交换器安装流化床外部，热风经过热交换器后再由风机把热风经均风道吹向流化床孔板，这种设计的优点，风温均匀，干燥后的梗丝均匀性也较好，并且热交换器外置，其维护维修也方便。STS流化干燥机的热交换器安置在流化床内的底部，流化床网板与热交换器平面平行布置，风机将风经均风道吹向热交换器，加热后的热风再吹向孔板烘干梗丝。这种设计存在2种不足：首先，热交换器表面存在温差，风经其加热后同样也存在温差，烘干梗丝的均匀性相对较差。其二，物料在孔板上流化态运动，也有小的重灰尘经孔板落到热交换器上，对于热交换器清扫维护较为困难。STS的流化床孔板要求每班折下清洗，因其孔板直径很小，极易被物料堵孔，维护工作繁重。而热交换外部设置就不存在这些问题。
②STS干燥后的梗丝直接进入梗丝风选，梗丝经落料器后再进行水分控制，而SH8型流化干燥机干燥后的梗丝先经振槽输送的同时检测控制水分，再送入梗丝风选，这种工艺流程利于梗丝水分的控制。
第三：性能价格相比具有很大优势。例如：SH8型用于5000㎏/h制丝线梗丝膨胀干燥设备国家烟草专卖局定价200多万元，而进口STS价格是它的4倍。为了提高SH8型闪蒸膨化干燥设备的可靠性，设备上使用的各种汽、气等阀门及检测元器件均选用国外著名企业产品。
所以常州市智思机械制造有限公司SH8型闪蒸梗丝膨化干燥设备具有一定的优势，十分适合制丝技术改造。
前面较详细叙述国内外最先进梗丝膨胀技术，可否将这一技术运用到叶丝在线膨胀干燥呢？答案是否定的！我们已经知道梗丝和叶丝之间存在不同的物理特性，不能达到理想的膨胀效果。这是由于水蒸气从叶丝多孔纤维组织中脱出的速度和水蒸气在其中产生的速度差不多，细胞组织内外形成不了足够的压差，所以膨胀效果不好。另外，从强度方面，文氏管对叶丝的造碎是十分明显的。
上世纪20年代后，英国、瑞典学者通过研究发展一项新技术—过热蒸汽干燥，它是指利用过热蒸气直接与被干物料接触而去除水分的一种干燥方式。与传统的热风干燥相比，过热蒸气干燥的水蒸气作为干燥介质，干燥后的蒸气可循环使用，进而热效率高。过热蒸气的传热系数大，干燥效率高，有时可达90%。另外，此干燥法对环境无污染、无起火、爆炸危险，非常利于用于烘干木材、煤炭、纸张、牧草等易燃物料。
将过热蒸气干燥技术用于在线膨胀干燥叶丝是否可行，DICKINSON公司早我们几年在这方面做了大量的研究试验，得出的结论是肯定的。膨胀叶丝的过程中充分利用了过热蒸气具有热焓高、比热容大、传热系数大、干燥速度快的特性，另外对于多孔物料的干燥速率，过热蒸气所能达到的速度最快。这样就可使多孔的叶丝内部组织细胞内外形成压差，达到膨胀叶丝的目的，而且压差越大膨胀率越大。也就意味着，人们可以通过调节叶丝的含水率和干燥介质—过热蒸气的温度，来调节叶丝的蒸发速率，获得不同膨胀率的叶丝。
为了填补国内无人研制过热蒸气膨胀干燥叶丝设备的空白，1999年5月常州市智思机械制造有限公司科技人员设计了一套符合国情的新一代叶丝在线膨胀干燥机，在国家烟草科教司和合肥卷烟厂的大力支持下，2000年10月首台SH9型叶丝在线高速膨胀干燥机在合肥卷烟厂制丝线安装并开始调试，这也是国内制丝线首家使用过热蒸汽膨胀叶丝的设备。
科学试验并不是一帆风顺的，2000年11月一投料我们就遇到许多难,叶丝结团较多，水分控制不佳（±3%）,叶丝的膨胀效果不太理想等。为了克服解决这些问题，常州智思公司和合肥卷烟厂有关人员做了大量的努力，边改边试，再改再试，反反复复十几次，终于在2001年6月根本解决了这些问题。叶丝水分控制达到了世界领先水平（±0.5%），恰好，2001年10月徐州卷烟厂进口DICKINSON的HXD也投入运行。此后的一些时间里几十家卷烟厂有关人员都分别实地多次考察了进口的HXD和常州智思公司的SH9型叶丝在线膨胀干燥设备的使用情况、各项性能指标，对首台国产此类设备给予了肯定和赞扬。最新一台配套6000kg/h制丝线SH93型叶丝高速膨胀机已在合肥新制丝线安装完毕，7月底正式调试。延吉、南宁等卷烟厂首先选中了这套设备，并于2002年内定成整机交验。
利用过热蒸气膨胀干燥叶丝，我们总结有如下几个很突出的优点：（注：下述各项同指标均从烤烟试验取得。）详见附录二《用户使用验证报告》
1、 膨化效果好（叶丝膨胀率达20%～33%），明显提高了叶丝填充值（5.2～5.8cm3/g，叶丝等级不同）,降低了卷烟成本（每支烟节省了约30—50mg烟丝）。
2、 减少了卷烟焦油量（<0.5mg/支），改善卷烟燃烧性。
3、 提高卷烟品质，烟草杂气味明显减少，膨后叶丝质地柔软，富有弹性,低档次叶丝色泽明显转好。
4、 干头干尾很少，因为在任一时刻在设备内的叶丝量只有传统烘丝机内存量的2%。所以，设备开机和停机时不合格的料头、料尾量很少。并且，水分控制容易。
5、 改善工作环境，利于环保，节省能源，叶丝的膨胀干燥是在密封的管、塔中完成的，没有粉尘，蒸气循环使用。
6、 叶丝的膨胀率可任意调节，以适应不同等级卷烟的产品要求。
另外，SH9型系列化叶丝高速膨胀干燥同HXD比较，除工作原理
相同外，前者具有很多的优势。首先，SH9型叶丝高速膨胀干燥为管、塔式结构，其整机的高度大大降低，最高点仅为8米左右，(而HXD高达14米)这样就十分利于设备的工艺布置和厂房的设计。并适合在许多原有制丝线厂房内进行技术改造。
第二，管、塔式的设计十分利于叶丝的均衡膨化干燥，现代干燥
学都认为，干燥物料速度的急剧变化利于干燥,叶丝在管、搭中以脉冲、降速、加速等运动，膨化干燥的更加均匀。
第三，在SH9型叶丝高速膨胀干燥机进料气锁下方，设置一台蒸
气松散器，利用高速旋转的蒸汽流喷散叶丝，防止叶丝结团。同时可以预加热叶丝，缩短干燥时间，防止低温物料进入过热蒸气干燥机内后，物料被加热升温至水分气化之前的热湿平衡过程中，蒸气将冷凝到低温物料的表面上，使物料含水率进一步增加。
第四，性能价格比优势十分明显，SH9型叶丝高速膨胀干燥机国家烟草专卖局暂定价只有700万元左右，而进口的同类设备却高达2000多万元。SH9型设备完全具备HXD各项技术性能，并在水分控制防止叶丝结团等方面优于HXD，叶丝的膨胀率也略高于HXD，为了提高设备的可靠性，SH9型叶丝高速膨胀干燥机所使用汽、气、水、控制元器件以及减速机等全部选用世界著名企业的产品。
随着烟草行业对各种在线膨胀烟丝技术认识不断提高，相信过热蒸气膨胀干燥设备一定有广阔的前景，各类国产和进口膨胀设备都将为中国烟草业的产品快速走向世界做出贡献。
附表一：
SH8型闪蒸式梗丝膨胀干燥机与STS梗丝膨胀干燥机
主要技术性能对比

设备型号
项目
SH84型
STS
备 注
梗丝流量 kg/h
1500
1500
13%水分
总装机功率（kw）
35.4
29.7

梗丝膨胀蒸汽耗量(kg/h)
650
650

梗丝干燥蒸汽耗量（kg/h）
1500
1500

膨胀率（%）
≥52
>50

填充值（%）
≥5.5
>5.0

整丝率（%）
≥87
≥83
风选前
碎丝率（%）
≤2.3
≤2.5

出口水分偏差（%）
±0.5
±1

有效运行率（%）
≥90
≥90

可维护性
方便简单
较复杂

国内使用厂家
合肥、阜阳、南阳等几十家烟厂
南京、徐州等