CTD烘絲機(jī)進(jìn)料系統(tǒng)堵料問題的分析與改進(jìn)

戴宇昕

廈門煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省廈門市海滄區(qū)新陽工業(yè)區(qū)新陽路1號 361022

CTD（Comas Tower Dryer）是意大利COMAS公司研制的新型塔式氣流烘絲機(jī)，具有塔身高度低、膨脹與干燥一體化等優(yōu)點，目前已在國內(nèi)卷煙企業(yè)開始使用。由于CTD進(jìn)料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計過于緊湊，在生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)進(jìn)料系統(tǒng)堵料問題，對后續(xù)烘絲生產(chǎn)造成影響［1-3］。針對類似堵料問題，李計剛等［4］調(diào)整了風(fēng)速的穩(wěn)定性，并指出輸送管道表面光滑度對進(jìn)料系統(tǒng)影響較大，可加強(qiáng)表面修磨及維保力度。王建偉等［5］進(jìn)行了風(fēng)速理論計算，并在進(jìn)料器中增設(shè)了吸風(fēng)管。由于CTD烘絲機(jī)在國內(nèi)尚處于初期使用階段，上述改進(jìn)方法尚未取得理想效果。為此，通過研究進(jìn)料系統(tǒng)的氣流走向，分析了各生產(chǎn)階段的堵料原因，采用調(diào)整系統(tǒng)水汽、平衡壓力、穩(wěn)定煙絲流量等方法對CTD烘絲機(jī)進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，以解決在生產(chǎn)過程中存在的頻繁堵料問題，提高烘絲生產(chǎn)效率。

1 存在問題

1.1 工作流程

CTD烘絲機(jī)采用的是對流式干燥方式，主要由計量系統(tǒng)、進(jìn)料高頻振槽、進(jìn)料氣鎖、膨脹單元、干燥塔、切向落料器、燃燒爐、出料氣鎖等組成，見圖1。煙絲經(jīng)計量管1、電子秤2稱量后，由輸送帶3進(jìn)入CTD進(jìn)料端的勻料器4，隨后落入高頻振槽5，經(jīng)松散后從進(jìn)料氣鎖6進(jìn)入煙絲膨脹單元8。在膨脹單元8內(nèi)被引射蒸汽及熱風(fēng)共同作用后推送至干燥塔9，在高溫中快速脫水干燥，經(jīng)切向落料器11的氣料分離，由出料氣鎖12離開CTD。烘絲干燥的整體熱量由燃燒爐13提供，并在其熱風(fēng)出口處施加蒸汽控制整體含氧量。在生產(chǎn)過程中，堵料主要發(fā)生在進(jìn)料氣鎖6至膨脹單元8末端，分別出現(xiàn)在長時間停機(jī)后的料頭階段、流量異常驟降階段以及間歇生產(chǎn)中段，由此影響生產(chǎn)進(jìn)度。

圖1 CTD烘絲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 料頭階段堵料過程分析

料頭階段堵料主要存在于氣鎖至膨脹單元段的“L”型通道，見圖2。膨脹單元呈文丘里管型，在其末端有5路蒸汽引射熱風(fēng)。依據(jù)流體動力學(xué)方程，流體在封閉管道中作穩(wěn)恒流運動時，任意一點均滿足伯努利定律［6］：

式中：P——管道中的靜壓（Pa），ρ——流體密度（kg/m3），V——流體速度（m/s），C——常量。

即流體的靜壓與速度的平方成反比，速度越大，靜壓越小。該處管道的文丘里管處于由收縮轉(zhuǎn)為擴(kuò)張階段，因而氣速快、壓強(qiáng)降低。在此處下落的煙絲在快速吸濕后，內(nèi)部水分迅速突破煙絲組織脫出，產(chǎn)生膨脹作用，提高煙絲填充值。同時由于收縮段壓強(qiáng)降低形成負(fù)壓，引導(dǎo)熱風(fēng)快速從此處經(jīng)過，并將煙絲迅速推送至干燥塔，形成使煙絲能夠流向干燥塔的直接動力［6］。分析可知，快速流體未能及時將物料帶走是造成“L”段堵料的直接原因。料頭階段造成煙絲流動受阻的原因是物料在管道內(nèi)結(jié)垢，阻礙了煙絲流動。

圖2 膨脹單元“L”型結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.1 初始堵料位置

由于流經(jīng)膨脹單元的風(fēng)量設(shè)定為5500 m3/h，如果忽略流體的壓縮因素，那么根據(jù)流體連續(xù)性方程，封閉性管道中作穩(wěn)恒流運動的流體，在單位時間內(nèi)流進(jìn)某截面的流體質(zhì)量必等于在另一截面流出的流體質(zhì)量，即管道的進(jìn)出口流量相等［6］。

因此，穿過膨脹單元平均截面的風(fēng)速為：

式中：v——風(fēng)速（m/s），Q——風(fēng)量（m3/h），b——膨脹單元寬度（m），h——膨脹單元平均高度（m）。

該風(fēng)速造成“L”型結(jié)構(gòu)垂直段與水平段產(chǎn)生1.40 kPa的負(fù)壓壓差［7］。由于干燥塔內(nèi)主工藝風(fēng)機(jī)抽吸的負(fù)壓作用，熱風(fēng)攜帶的水汽無法從垂直段的通道溢出，也不可能在垂直段附著。因此水汽附著是造成水平段煙絲粘黏堵料的主要原因。

1.2.2 水汽主要來源

在來料煙絲含水率正常情況下，堵料頻繁發(fā)生在長時間停機(jī)后的首次開機(jī)初始階段，且每次能清理出“L”型通道水平段粘料量約3.7 kg，說明在進(jìn)料過程中存在大量的水汽冷凝于通道壁上。水汽的來源可能有引射的蒸汽、熱風(fēng)攜帶的水分、物料自帶的水分。初始堵料的位置位于豎直段或水平段，與長時間停機(jī)有必然聯(lián)系，可以排除物料自帶水分在遇熱后附著于通道側(cè)壁的因素，那么水汽的來源只可能是熱風(fēng)中的水分或引射蒸汽帶的水分。

對于長時間停機(jī)后的蒸汽管道，雖然蒸汽控制柜安裝了多路排冷凝水管路，但停機(jī)后氣動薄膜閥關(guān)閉，致使閥與閥之間的管道被阻隔，殘存其中的冷凝水在引射噴嘴前積壓，難以在預(yù)熱階段被全部帶出噴嘴并在膨脹單元被烘干［8］，由此引起的高溫高濕使煙絲在膨脹單元內(nèi)的粘性迅速增大。而在膨脹單元水平段管壁處于紊流狀的熱風(fēng)，推送物料的能力不足，使這些煙絲粘附在管壁上，縮小了水平段管徑，增加了堵料的幾率。后面的批次即使在料頭階段，由于殘存冷凝水已排凈，堵料中斷的次數(shù)明顯減少。因此，控制好生產(chǎn)初始階段的噴射蒸汽含水量是控制此類問題的關(guān)鍵。

1.3 流量異常驟降階段堵料過程分析

流量異常驟降后發(fā)生的堵料問題所占比例最大，平均0.9次/批。通過觀察發(fā)現(xiàn)，在流量驟降后，勻料器的物料量會突然增大，煙絲堆來不及被高頻振槽松散就涌向進(jìn)料氣鎖，而氣鎖下狹小的“L”型通道無法應(yīng)對大量的煙絲，由此產(chǎn)生堵料現(xiàn)象。流量驟降時勻料器料量突然增大的原因是勻料器上游無松散振送設(shè)備，配置的輸送帶也沒有變頻功能，只能勻速運轉(zhuǎn)，致使其帶速不能及時與加速后的電子秤相匹配。

當(dāng)來料流量穩(wěn)定時，電子秤上的物料量也穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)，此時輸送帶以設(shè)定速度平穩(wěn)運行。即使流量波動而導(dǎo)致電子秤帶速調(diào)整，其變化量也不會影響后續(xù)輸送帶的勻速運行。當(dāng)流量波動較大時，計量管的低料位光電管導(dǎo)通，上游輸送帶提速，使上游物料快速輸送到電子秤上，穩(wěn)定電子秤帶速。

但是當(dāng)流量異常驟降時，電子秤上的物料由均勻分布改變?yōu)榭坑嬃抗軅?cè)物料分布較低，使輸送帶上的物料總質(zhì)量降低。此時計量管低料位光電管導(dǎo)通，由上游輸送帶提速輸送煙絲進(jìn)行補(bǔ)充，如果上游缺煙絲或尾料等其他異常狀況而不能及時補(bǔ)償，則會使電子秤上的煙絲越來越少。為保持后續(xù)流量穩(wěn)定，電子秤只能不斷地加速運行進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)電子秤皮帶開始加速時，遠(yuǎn)離計量管一側(cè)的物料仍是正常物料量，由此造成下游輸送帶上的煙絲過量堆積，見圖3。由于下游設(shè)備為非變頻的勻速輸送帶，只能提供緩沖，對持續(xù)增大的電子秤帶速所輸送的煙絲堆積無法進(jìn)行匹配。當(dāng)煙絲堆積超過CTD進(jìn)料氣鎖的堵料極限時，就會產(chǎn)生堵料，見圖4。因此控制好電子秤與下游勻速輸送帶的匹配關(guān)系，可以解決下游輸送帶物料過量堆積的問題。

1.4 生產(chǎn)中段堵料過程分析

圖3 尾料階段電子秤帶面物料分布圖

CTD烘絲過程是一套獨立系統(tǒng)，為了保證內(nèi)部熱風(fēng)對煙絲進(jìn)行干燥，系統(tǒng)與外界空氣不斷進(jìn)行交換。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)排潮不暢時，系統(tǒng)內(nèi)部的回收熱風(fēng)量增多，壓力相對變大，由此對物料進(jìn)入造成較大阻力，產(chǎn)生堵料問題。當(dāng)系統(tǒng)的排潮量發(fā)生變化時，其與外界進(jìn)出的空氣量也會發(fā)生變化。由于大氣的含氧量約為21%，而系統(tǒng)設(shè)定值僅為3.5%，過多空氣進(jìn)入系統(tǒng)會提高系統(tǒng)含氧量、降低風(fēng)溫，并增加蒸汽噴射量，致使出口煙絲含水率上升；當(dāng)進(jìn)入系統(tǒng)的空氣量減少時，會降低系統(tǒng)含氧量，減少蒸汽噴射量，同時系統(tǒng)內(nèi)氣體干燥能力增大，造成出口煙絲含水率下降。這些變化與流量中斷并行發(fā)生時，排潮狀況就有可能出現(xiàn)異常［7］。

進(jìn)料氣鎖葉片的銅耐磨條與氣鎖側(cè)壁間隙也會影響系統(tǒng)內(nèi)部壓力。耐磨條與側(cè)壁存在適當(dāng)?shù)拈g隙，可以使一定量的空氣進(jìn)入，空氣在“L”型結(jié)構(gòu)噴吹負(fù)壓的導(dǎo)引下推動煙絲前進(jìn)。如果耐磨條間隙過小，進(jìn)入的空氣量少，推動物料的壓力減少，不利于進(jìn)料；如果耐磨條間隙過大，大量空氣進(jìn)入，雖有利于進(jìn)料，但會影響含氧量、熱風(fēng)溫度等，不利于煙絲膨脹［8］。因此，該階段應(yīng)控制好排潮量及氣鎖密閉性。

2 改進(jìn)方法

2.1 冷凝水排放

改進(jìn)前蒸汽管路中殘存冷凝水因停機(jī)時閥門關(guān)閉無法有效排放，并在開機(jī)預(yù)熱階段通過噴射器和管道被帶進(jìn)膨脹單元［9］。觀察發(fā)現(xiàn)，積水現(xiàn)象主要存在于蒸汽管路減壓閥與文丘里管噴嘴氣動開關(guān)閥之間，以及減壓閥與含氧量控制噴嘴氣動開關(guān)閥之間。

改進(jìn)后在往膨脹單元的蒸汽管路中加裝一套疏水系統(tǒng)，同時在往燃燒爐蒸汽管路的薄膜開關(guān)閥后加裝一路旁通排放系統(tǒng)，降低燃燒爐工藝熱風(fēng)在生產(chǎn)初始時的潮濕程度，見圖5。疏水系統(tǒng)解決了文丘里管噴嘴預(yù)熱時積水對膨脹單元的影響，旁通閥在開機(jī)前進(jìn)行積水排放，疏水閥對生產(chǎn)時的冷凝水進(jìn)行控制。燃燒爐旁通排放系統(tǒng)解決了控制含氧量蒸汽的冷凝積水問題，消除了因冷凝水融入熱風(fēng)而對膨脹單元及系統(tǒng)濕度產(chǎn)生的影響，避免熱風(fēng)帶有水分引起膨脹單元堵料。

圖4 尾料階段電子秤頻率、速度曲線截圖

圖5 疏水管路結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 料量控制

對于流量異常驟降階段,為解決電子秤帶速無法與下游勻速輸送帶相匹配而引起堵料的問題，主要通過改善電子秤與勻速輸送帶的匹配關(guān)系，以解決電子秤出口輸送帶上物料過量堆積問題，使物料進(jìn)入氣鎖前能充分松散均布。改進(jìn)后電子秤下游輸送帶中段加裝了撥輥，作為電子秤變速時的補(bǔ)償。設(shè)計時撥輥前后走料留有空間，輥高可以調(diào)整。當(dāng)電子秤加速引起物料扎堆時，過高的物料經(jīng)過撥輥保證了物料量的穩(wěn)定。當(dāng)正常物料流量時，撥輥不參與物料高度的調(diào)整。

2.3 系統(tǒng)內(nèi)壓力控制

生產(chǎn)中段的堵料現(xiàn)象出現(xiàn)較少，一般發(fā)生在烘絲系統(tǒng)內(nèi)外氣體交換異?；騼?nèi)部壓力異常時。對此要以預(yù)防性維修為主，保證排潮管道的抽吸順暢及氣鎖的氣密程度。設(shè)備在管道接口處一般利用軟連接實現(xiàn)伸縮變化，原軟連接材質(zhì)為內(nèi)層石棉帆布與外層高溫硅橡膠，在高溫高濕環(huán)境下，內(nèi)外層容易發(fā)生徑向剝離并產(chǎn)生硬化，從而使軟連接的通徑減小，排潮受阻。

改進(jìn)后將軟連接更換為聚四氟乙烯耐高溫硅橡膠軟布，為避免硬化拉伸或撕裂，在拉伸管道接口處法蘭連接一對嵌套式不銹鋼伸縮套管，以避免軟連接腐蝕塌縮影響管徑內(nèi)的氣流，同時也可減少軟連接伸縮積垢，保證排潮管道暢通。

3 改進(jìn)效果

改進(jìn)后CTD烘絲機(jī)在使用過程中，較好地解決了進(jìn)料系統(tǒng)堵料問題，保證了進(jìn)料流量的穩(wěn)定性，提升了烘絲品質(zhì)，堵料頻次由原來的2.3次/批減少到0.2次/批，出口含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差由3.8%減少到1.7%，有效改善了加工工藝，降低了生產(chǎn)能耗，提高了設(shè)備生產(chǎn)效率。

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