分段式蒸汽控制在再造烟叶涂布液温度控制环节中的应用.pdf

第43卷第1期2024年1月造纸科学与技术Paper Science and TechnologyVol.43No.1Jan.2024分段式蒸汽控制在再造烟叶涂布液温度控制环节中的应用王识超魏勇崔捷雷翔王堂学郭田伟李慧帆罗文邹悦*张云（中烟施伟策（云南）再造烟叶有限公司，云南玉溪，6 5310 0）摘要：以再造烟叶涂布液温度控制中常见的问题与原因为出发点，来探讨解决此类问题的方法。主要以分段式蒸汽控制的方式，通过对各控制阀门之间的蒸汽管道进行分段，并逐次、逐段进汽对热交换器进行保温和补温，逐次、逐段卸空蒸汽来冷却热交换器，使热交换器在补温、保温、冷却再到补温的稳定循环过程中，实现涂布液温度在生产控制过程中稳定常态化。对涂布液温度的控制逻辑、控制措施与控制效果进行较详细论述，但本领域技术人员应当理解，实际运用中可以将此控制思路作为参考，在控制形式和细节上作出多样性变化，实现涂布王识超先生液温度平稳性控制并满足工艺要求。关键词：再造烟叶；涂布液；温度控制；蒸汽热交换中图分类号：TS411D0I:10.19696/j.issn1671-4571.2024.1.002引文格式：王识超，魏勇，崔捷，等.分段式蒸汽控制在再造烟叶涂布液温度控制环节中的应用J.造纸科学与技术，2 0 2 4，43（1）：05-09.Application of Segmented Steam Control in Temperature Control ofWANG Shichao WEI Yong CUI Jie LEI Xiang WANG TangxueGUO Tianwei LI Huifan LUO Wen ZOU Yue*ZZHANG Yun(China Tobacco Schweitzer(Yunnan)Reconstituted Tobacco Co.,Ltd.Yuxi 653100,China)Abstract:This paper explores methods to address common issues and causes in the temperature control of reconstituted tobacco coatingliquid.Segmented steam control is mainly employed,whereby the steam pipeline between control valves is segmented,and the heatexchanger is kept warm and supplemented by heating it step by step and segment by segment.The heat exchanger is cooled by releasingsteam step by step and segment by segment,allowing for a stable circulation process of warming,keeping warm,cooling,and thenrepeating the process.The temperature of the coating liquid is stabilized during production control.This paper discusses in detail thecontrol logic,measures,and effects of the temperature control of the coating liquid.However,technicians in this field shouldunderstand that in practical applications,this control approach can be used as a reference,with various modifications in form anddetails aimed at ultimately achieving stable temperature control of the coating liquid.Key words:reconstituted tobacco;coating solution;temperature control;steam heating exchange0引言随着我国再造烟叶11市场的迅猛发展,再造烟文献标识码：AReconstituted Tobacco Coating Liquid文章编号：16 7 1-457 1(2 0 2 4)0 1-0 0 0 5-5叶产品质量要求越来越高，产品风格特征及制造工艺也随之多样化,这也要求作为再造烟叶生产制造过程中核心工艺之一的施胶涂布工序需要迎接越来作者简介：王识超，生于19 8 7 年，助理工程师，本科，主要从事造纸法再造烟叶及加热烟草生产制造研究。*通讯作者：邹悦，男，生于19 8 4年，注册安全工程师，本科，主要从事造纸法再造烟叶生产工艺技术安全管理工作。E-mail：zouyue cts-基金项目：中烟施伟策（云南）再造烟叶有限公司项目（KY24ZL05）6越多的挑战。其中涂布液温度设计的合理性以及温度控制过程中的稳定性直接影响涂布液中各类添加剂的融合度与其功能透发程度,同样也是影响涂布后片基烘干效果和烘干效率稳定的一个重要影响因素之一2-3。目前加热涂布液的主要方式是通过让涂布液进入带有蒸汽加热的热换循环来提升温度，并通过蒸汽调节阀来控制进汽量，这就能够实现将涂布液温度波动控制在一定区间内，但温度控制缺乏稳定性,尤其在一些特殊工艺设计中,必须使用热交换满足涂布液温度需求，而启用热交换之后又会造成涂布液温度波动幅度大，或一直呈上升趋势的失控状态，影响工艺指标的稳定性。1涂布液温度稳定的意义再造烟叶生产过程4 所使用的涂布液是以烟草原料萃取得到的浓缩液为基础，再根据产品工艺配方要求，按照一定比例添加各类添加剂配制而成。对于涂布液本身而言，设计合理的温度能够对其产生一定的“蒸煮”效果，有利于涂布液中所含的各类添加剂充分融合，并且使添加剂各自的功能得到充分透发,同时还能够提高供液过程中的流动性，降低涂布机堵纸概率5-6 。对于施胶涂布后的片基而言，设计合理的涂布液温度能够促进涂布后片基进人烘干阶段时充分透发香气，同时，烘干过程即是水分蒸发过程7 ,长期持续稳定的涂布液温度有利于稳定涂布后片基在烘干过程中的烘干效率，进而保证产品质量的稳定性。2涂布液温度控制的方式与控制难点2.1主流控制模式再造烟叶涂布液温度控制的整个过程，主要是通过让涂布液进人带有蒸汽加热的热交换循环中，由热交换器来提升温度，并通过调节蒸汽阀门的开度来控制蒸汽进汽量，改变加热效率，进而将涂布液温度控制在一定区间内。进人热交换器的蒸汽管道会设计有一个蒸汽进汽总阀（手动阀），开启或关闭总阀即能够输送或隔断蒸汽进人后端蒸汽管道，热交换器前的第一个蒸汽调节阀一般为自动调节阀，在自动控制系统中可通过设定温度、温度传感器与自动调节阀联控来实现阀门自动调节开度9-10 在自动调节阀与蒸汽进汽总阀之间，还设计有一个热交换器进汽手动阀，开启或关闭这个手动阀即能够输送或隔断蒸汽进入热交换器蒸汽管道，如图1。造纸科学与技术主蒸汽进汽手动阀蒸汽管道冷凝水排底手动阀热交换器冷凝水管道图1蒸汽热交换结构图涂布液温度控制工艺回路一般由两个重要部分组成，一个是涂布液制备温度（或叫需求温度）控制回路，即通过热交换器加热达到目标温度的控制回路,另一个是施胶涂布温度控制回路，即涂布液到达涂布机并进行施胶涂布时的目标温度控制回路，一般来说施胶温度对成品质量的影响更为重要。施胶温度与制备温度会存在一定温差，通过这个温差就可以控制制备温度来满足施胶温度。如图2：施胶回液管QO位置涂布液罐高一液中热交换器位-低极低图2 涂布液供液循环图2.2控制难点为保证更换新涂布液后温度相对稳定，一般会将制备好的涂布液通过热交换循环加热到需求温度后,再将其转移至供液罐中使用,涂布液制备罐由于只是暂时储存制备好的涂布液，且相对密封,受外环境影响较小,因而温度控制相对简单,只需要在转液之前将涂布液预热至需求温度附近即可，不需要控制整个过程中的稳定性。而供液罐中正在使用的涂布液需要流经供液管道、涂布机和回收管道，处于此过程中涂布液温度会出现流失下降3，施胶温度与制备温度的温差受外环境（如气温）与涂布液配方设计等因素影响并不一定能够恒定,因此掌握准确的温差并不容易，并且随着供液罐液位下降，失温涂布液持续回流，供液罐对涂布液的保温效果也会随之降低，导致罐内温度波动,进而造成控制过程中施胶涂布温度波动，不利于工艺指标优化。通过蒸汽自动调节阀进汽加热能够将涂布液温度控制在一定区间内，但只靠调节阀的功能无法做到减少温度波动,因为自动调节阀联控的原理9-10 1第43卷涂布液热交换器进汽热交换器进汽管道手动阀自动调节阀供液管第1期是温度传感器检测温度低于设定值时就会打开一定开度进汽加热，超温之后即开始减小直至关闭进汽阀门,而这一过程中无论阀门开度大或小,短时间内新鲜蒸汽都会通过热交换器对涂布液过度加热，尽管不会超出控制范围，也会造成涂布液温度在升高与降低中反复波动。尤其对于设计温度较高的涂布液，需要通过更多的蒸汽用量加热达到需求温度，但同样的,涂布液温度与常温温差越大，在循环过程中失温也就越明显，频繁使用蒸汽调节，更加剧了涂布液温度波动。如图3。涂布液温度目标温度图3涂布液温度波动图对于设计温度较低的涂布液，同样也需要使用热交换循环来达到需求温度，但启用热交换循环之后即使停止进汽，高温的热交换器也会让涂布液温度持续上升，若暂停热交换循环，温度又会持续流失下降,并且会产生热交换器结垢的隐患，这些因素都会造成温度控制困难,影响工艺指标稳定，如图4。涂布液温度目标温度图4涂布液温度波动图3分段式蒸汽控制的运用综上因素，在涂布液温度控制的主流设计模式下，依然存在诸多难点问题,随着我国再造烟叶市场的迅猛发展，再造烟叶产品质量要求越来越高，工艺指标收紧,工艺优化与升级已成必然趋势，只有工艺指标稳定实现常态化，才能为工艺优化和升级创造条件。3.1分段式蒸汽控制逻辑从蒸汽主管道进气口至涂布液热交换器之间，一般至少会有三个蒸汽阀门，即蒸汽进汽总阀（手动阀）、热交换器进汽手动阀和热交换器蒸汽调节阀（自动阀），由此我们至少可以将这一整段蒸汽管道划分为三段：蒸汽进汽总阀至热交换器进汽手动阀之间为第一段,这一段管道距离较长,往后至热交换王识超等：分段式蒸汽控制在再造烟叶涂布液温度控制环节中的应用热交换器进汽调节阀热交换器总阀门进汽阀门第一段第二段第三段图5蒸汽分段图分段式蒸汽控制方式，就是将充斥满蒸汽的管道通过阀门隔断,再逐次、逐段使用管道内存留的蒸汽,并利用前一段管道的蒸汽热能和热传导作用对后段进行一定程度的补温和保温，当三段管道中的涂布液使用时间蒸汽用尽后，重新进行下一次循环操作。控制逻辑即逐次、逐段进汽和逐次、逐段泄空蒸汽，使热交换器在补温、保温、冷却再到补温的稳定循环过程中，实现了涂布液温度长期稳定。如图6：阀门关闭阀门关闭存留蒸汽蒸汽耗尽图6 蒸汽分段使用图个个更换新液更换新液涂布液使用时间7器蒸汽自动调节阀之间为第二段,这一段距离较短，自动调节阀至热交换器为第三段,这一段距离最短或没有距离，只由于会有热量存留我们将之视为一段,如图5。蒸汽进汽采用分段式蒸汽控制方式，将涂布液温度预热达到需求温度后，关闭蒸汽管道上所有进汽阀门，使整段管道内充斥满蒸汽，仅仅只是无新鲜蒸汽继续供给施压。此时热交换器与自动调节阀之间（第三段管道)存留的热量或蒸汽,能够使热交换器自身的热量维持较长一段时间，可对涂布液起到一段时间的保温效果，使温度平稳；当涂布液温度开始出现下降趋势时，说明第三段管道存留蒸汽耗尽，热能不足，热交换器开始冷却，此时开始启用热交换器自动调节阀功能,通过联控自动调节阀门开度,补进第二段管道中的蒸汽；由于是管道中存留的蒸汽，无新鲜蒸汽持续供给，调节阀运行过程中的蒸汽压力不大，蒸汽流量也会逐渐降低，如此既能够对热交换器升稳、保温，又不会造成涂布液被过度加热，温度保持相对平稳；当蒸汽调节阀全开而蒸汽流量为零时，说明第二段管道蒸汽耗尽，此时残留热量对热交换器依然还会有一定的保温效果，可准备开启热交换器进汽手动阀门，补进第三段蒸汽；补进蒸汽之前重新关闭自动调节阀功能，一方面防止进气量骤增导致热交换器阀门开启蒸汽耗尽8过度加热，另一方面补进蒸汽之后热交换器会受到链接管道的热传导作用,能暂时够保持温度不变，当热交换器开始再次失温，涂布液温度出现下降趋势时，开启自动调节阀功能自动调节进汽量，直至第三段蒸汽耗尽,至此关闭自动调节阀功能,重新补人新鲜蒸汽，进入下一个控制循环。在分段式蒸汽控制方式中，通过实例验证得到从开始使用管道存留蒸汽，到泄空全部蒸汽的时长大约为一小时，但此时长受外环境因素影响、设备结构影响、蒸汽管道长度和结构影响、总进汽压力和流量影响等，只作为参考分享，不作为经验推广。为提高操作效率计，我们可以考虑对蒸汽管道结构进行技改，将热交换器进汽手动阀前移,并增加自动调节阀来对蒸汽管道进行分段，降低现场控制频率。3.2实际运用中热交换器的降温冷却措施控制难点中对于设计温度较低的涂布液2 ,既必须要启用热交换循环，又要避免涂布液在热交换循环过程中温度持续上升，就可在分段蒸汽控制方式中，从控制选择上做出一定调整来实现温度控制趋于稳定。可将制备好的涂布液转移至供液罐中再进行加热，加热时关闭蒸汽进汽总阀（手动阀），开启热交换器进汽手动阀和自动调节阀，只使用管道内存留蒸汽对热交换器加热。如此就会出现两种情况：情况一，蒸汽耗尽后，涂布液未被加热到需求温度，但此时热交换器自身热量仍然能继续加热涂布液，只需要维持蒸汽阀门现状，让热交换器对涂布液进行加热的同时，损耗自身和蒸汽管道内部的热量，逐渐实现温度平衡。因为对于设计温度较低的涂布液而言，泄空蒸汽之后的蒸汽管道通过连接的热传导作用已足够让热交换器对涂布液保温，若时间久后出现降温趋势，也可通过对从第一段蒸汽管道（进汽总阀与热交换进汽手动阀之间)补进蒸汽的措施来提高热传导效率,设计温度偏低的涂布液在温度达到需求后，热交换循环过程中不需要蒸汽直接对热交换器进行加热，且一般至少需要隔空一段蒸汽管道以免热交换器开始升温。情况二，已将涂布液加热至需求温度，但蒸汽管道内存留的蒸汽还未耗尽,此时可将蒸汽自动调节阀关闭，等到更换新涂布液时转人较需求温度还低一些的新液，再通过分段进汽、分段泄空蒸汽的方式来加热涂布液，泄空整段管道蒸汽，最终实现热交换器温度平稳且能能够对涂布液保温。如图7：造纸科学与技术涂布液温度情况二目标温度情况一图7 低温涂布液温度控制示意图涂布液温度相对平稳时，需要对热交换器进行降温冷却的情况通常有两种：一是工艺要求对涂布机回收的涂布液进行定时、定量排废，此时回收的涂布液将直接排废，不会回流到供液罐中，供液罐内没有了失温涂布液回流，温度平衡会被暂时打破，温度持续上升，这种情况下，就需要在涂布液排废前将热交换器暂时冷却，使涂布液排废期间温度上升速度减缓，温度波动范围缩小，如图8。可提前停止蒸汽自动调节阀功能,阻断蒸汽对热交换器进行补温，使热交换器冷却，而对于设计温度较低的涂布液，则需要提前在排废前较长一段时间多次利用补温时机，逐次、逐段将蒸汽管道内的蒸汽泄空，使热交换器冷却速度加快；另一种情况是供液罐液位极低时，此情况一般出现生产结束之前,此时热交换循环系统内的涂布液量占比明显提高，致使罐内涂布液温度持续上升,这同样需提前利用补温时机，逐次、逐段将蒸汽管道内的蒸汽泄空，使热交换器冷却速度加快。涂布液温度目标温度图8 涂布液排废温度控制示意图3.3实际运用中热交换器的补温、保温措施控制难点中对于设计温度较高的涂布液，需要通过更多的蒸汽用量加热达到需求温度，且全程需要持续有蒸汽对热交换器进行加热补温。涂布液温度与常温温差越大，在循环过程中失温也就越明显，例如在涂布液温度控制平稳的状态下，对于设计温度偏低的涂布液制备温度与施胶涂布温度之间的温差一般能够恒定在0.8 摄氏度左右，而设计温度较高的涂布液两处温差可以达到1.2 1.5摄氏度，此处不考虑外环境气温影响因素。失温多的涂布液回流供液罐就会造成热交换循环中的涂布液温度波动加剧，进而导致蒸汽自动调节阀调控幅度较大，调控次数频繁，热交换器温度波动明显。对于上述问题，我们通过实验发现，如果将蒸汽第43卷个更换新液排废时间更换新液涂布液使用时间涂布液使用时间第1期进汽总阀（手动阀）略微打开一些开度，比如在开启的瞬间能听到有蒸汽流通的声音即可,再将热交换器进汽手动阀也同样做如此措施,那么在蒸汽自动调节阀开度不大的情况下（开度10%以内）,就能有效减小蒸汽进入热交换器的流量，不会导致热交换器瞬间被过度加热。但这种控制措施同样也存在问题，通过温度监控曲线能看出涂布液温度变化整体上虽然是呈一条直线，但在局部却呈现出“锯齿”状的波动起伏，造成这种情况的原因，也是由于涂布液温度与常温温差较大，失温回流导致温度波动，蒸汽自动调节阀频繁运行所引起的，如图9。若我们以严谨的态度尽可能地追求工艺指标稳定，也可以通过手动控制蒸汽自动调节阀的方法来解决这个问题。按上述措施减小蒸汽进人热交换器的流量，并通过观察热交换循环中的涂布液温度监控曲线（无监控曲线可以直接参考温度变化数显值），手动控制蒸汽自动调节阀的开度，然后寻找到一个最适合的进汽量,能够满足涂布液温度一直趋于平稳，这时热交换器就处于对涂布液保温的状态。例如，当涂布液温度监控显示为50 摄氏度时，我们将蒸汽调节阀开启至5%的开度，观察温度变化趋势，几分钟后温度上升至50.1摄氏度就说明这个进汽量会导致热交换器温度持续上升，只不过上升速度可能快也可能慢，此时我们就可以将调节阀开度略微降低，如4.5%或4%，继续观察温度变化趋势，通过这种控制措施最终找到一个最合适的蒸汽阀门开度，使恒定量的蒸汽既能够对热交换器加热补温，热交换器又对涂布液处于一个保温状态，如图9。涂布液温度频繁补温橙定补温一图9 频繁补温与恒定补温效果示意图对于设计温度较高的涂布液，供液罐液位变化也会打破供液罐中的温度平衡，当液位越低时，罐体对涂布液的保温效果越小，并且失温回流的涂布液对罐内的降温作用也就越明显。由此,如果通过上述手动控制措施，就会发现，供液罐处于高液位、中液位、低液位三个区间时,所需要用来对涂布液保温的蒸汽量是不同的，随着液位降低，就需要相应提高王识超等：分段式蒸汽控制在再造烟叶涂布液温度控制环节中的应用纸,2 0 2 2,50(3):2 3 2 5.4罗一鸣，张献英，何国兴，造纸法再造烟叶加工技术分析J.广东工业，2 0 2 1,48(14)：10 4-10 5.5孙德坡，尚善斋，赵伟等造纸法再造烟叶萃取和涂布液工艺研究综述J.郑州轻工业学院学报（自然科学版），2 0 14，2 9(6):17-21.6 王予，高仁吉添加剂在造纸法再造烟叶中作用的研究进展J：广东化工，2 0 16,43(12)：131-132.7蓝建斌，李晓烘道干燥技术在造纸法再造烟叶生产中的应用涂布液使用时间J：华东纸业，2 0 16,47(4)：13-16.8吴宗礼，李绍勇，魏先宏等汽水型热交换器供水温度蒸汽流量调节系统的研究J：控制工程，2 0 2 0，2 7（10）：17 8 1-1787.D0I:10.14107/ki.kzgc.20180613.9王浩，喻世涛，段州君等DCS在再造烟叶薄片生产的设计及应用J价值工程，2 0 2 2，41（2 5）：113-115.10涂德鹏，金建云，周鹏波等汽水分离再热系统蒸汽调节阀内部流场模拟与试验验证分析J汽轮机技术，2 0 2 2，6 4(2):105 107+132.9蒸汽调节阀的开度。同理，如果采用常规的调节阀自动控制模式，也需要适时将加热的设定温度提高，防止温度流失。4结语涂布液温度设计的可靠性以及温度控制过程中的稳定性直接影响涂布液中的各类添加剂的融合度与功能透发程度，也是影响涂布后片基烘干效果和烘干效率稳定的一个重要影响因素。本文从涂布液温度控制中常见的问题与原因出发，通过结合生产实践经验，主要以分段控制蒸汽的方式来探讨解决此类问题的方法，运用环节的核心在于使热交换器在补温、保温、冷却再到补温的稳定循环过程中,实现涂布液温度长期稳定。尽管本文已进行了较详细的描述，但本领域技术人员应当理解，实际运用中可以将此控制思路作为参考,在形式上和细节上对其作出各种各样的改变。参考文献【1邱晔，造纸法再造烟叶产品研究与相关检测技术开发D昆明理工大学,2 0 13.2袁珏，熊珍，冯涛等再造烟叶涂布液温度的工艺探索J.造纸技术与应用，2 0 2 3，51（1）：3-7.3叶文新造纸法再造烟叶涂布液的稳定性分析J：黑龙江造