吳玉生，鄧國(guó)棟，戴宇昕*

1. 廈門(mén)煙草工業(yè)有限責(zé)任公司，福建省廈門(mén)市海滄新陽(yáng)工業(yè)區(qū)新陽(yáng)路1 號(hào) 361022

2. 中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)楓楊街2 號(hào) 450001

蒸汽在制絲生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用，蒸汽干度作為蒸汽的重要參數(shù)指標(biāo)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量具有重要影響［1-3］。蒸汽干度是指每千克濕蒸汽中含有干飽和蒸汽的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，受溫度和壓力的影響比較大，在溫度和壓力相同的條件下，不同蒸汽干度的濕蒸汽中所含水分子的數(shù)量是不同的［4-5］。李世武等［6］依據(jù)能量守恒原理和凝結(jié)式蒸汽干度測(cè)量原理，研制了凝結(jié)式蒸汽干度測(cè)量裝置；邱麗燦等［7］闡述了熱注蒸汽開(kāi)采稠油時(shí)的11 種蒸汽干度測(cè)量方法的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用情況，并對(duì)各方法做出了相應(yīng)的優(yōu)劣勢(shì)分析；原遵東等［8］基于熱力學(xué)原理，構(gòu)建了可調(diào)蒸汽干度的熱能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置；于清澄［9］、杜義朋等［10］采用雙儀表測(cè)試法進(jìn)行蒸汽干度的測(cè)量。上述文獻(xiàn)雖然介紹了一些蒸汽干度的測(cè)量方法，但均是針對(duì)石油開(kāi)采冶煉等高溫、高壓及大流量的蒸汽應(yīng)用場(chǎng)景，不適用于管道中輸送的中低壓蒸汽，不能對(duì)煙草加工中的中低溫、低壓、小流量以及寬測(cè)量范圍蒸汽干度的測(cè)量作直接指導(dǎo)。

在煙草加工過(guò)程中有關(guān)蒸汽的研究主要集中在蒸汽使用的蒸汽壓力調(diào)節(jié)、節(jié)能降耗及對(duì)設(shè)備效能的影響等方面［11-14］，有關(guān)蒸汽干度的測(cè)量、調(diào)整及其對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響規(guī)律的研究較少。雙渦街聯(lián)合法［15］是測(cè)量蒸汽干度的有效方法。本研究中采用雙渦街聯(lián)合法在線測(cè)量、調(diào)整蒸汽干度，研究蒸汽干度在煙絲與蒸汽直接接觸工序以及非直接接觸工序中對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響規(guī)律，旨在提高蒸汽在煙草制絲加工過(guò)程中的應(yīng)用效果，提升產(chǎn)品加工質(zhì)量。

1 材料與方法

1.1 材料、儀器與設(shè)備

“七匹狼（豪情）”配方煙絲（由廈門(mén)煙草工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

CVA-1F 隧道式增溫增濕機(jī)（槽體長(zhǎng)度2 870 mm，槽體寬度550 mm）、CEVJ 滾筒式烘絲機(jī)（滾筒長(zhǎng)度4 850 mm，滾筒直徑900 mm）（意大利Comas公司）；LJD-25D 聯(lián)合干度測(cè)量?jī)x（威海奧博特自動(dòng)化設(shè)備有限公司）；LUGB渦街傳感器（德國(guó)Endress+Hauser公司）；TM710紅外水分儀（美國(guó)NDC紅外技術(shù)公司）；C/SLT 紅外測(cè)溫儀（美國(guó)Raytek 公司）；MT-C 快速水分測(cè)定儀（德國(guó)Brabender 公司）；ZJ17卷煙機(jī)（常德煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）。

1.2 方法

1.2.1 雙渦街聯(lián)合法檢測(cè)濕蒸汽干度的計(jì)算方法

渦街傳感器是根據(jù)流體振動(dòng)頻率與流速之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系的原理工作的［15］，流體的平均流速根據(jù)公式（1）計(jì)算［16］。

式中：v 為流體經(jīng)過(guò)旋渦發(fā)生體的平均流速，m/s；f為旋渦的釋放頻率，Hz；Sr 為斯特勞哈爾數(shù)（無(wú)量綱常數(shù)）；D 為傳感器的管道內(nèi)徑，m；d 為旋渦發(fā)生體的特征寬度，m。

濕蒸汽的質(zhì)量流量根據(jù)公式（2）計(jì)算［14］：

式中：Qm為濕蒸汽的質(zhì)量流量，kg/s；ρ為濕蒸汽的密度，kg/m3；K為常數(shù)，與渦街傳感器的儀表系數(shù)相關(guān)。

由于渦街傳感器僅適用于檢測(cè)單一相的介質(zhì)參數(shù)，因此在測(cè)量蒸汽干度時(shí)，需在渦街傳感器前端將蒸汽及其攜帶的冷凝水做整流，使其成為溫度相同的均相狀態(tài)［14，17-18］。依據(jù)流體力學(xué)原理，處于均相流中的兩相流蒸汽滿足公式（3）［19］，據(jù)此計(jì)算濕蒸汽的干度。

式中：x 為濕蒸汽的干度，%；ρ為濕蒸汽的密度，kg/m3；ρg為飽和蒸汽的密度，kg/m3；ρl為飽和水的密度，kg/m3。

1.2.2 雙渦街聯(lián)合法檢測(cè)蒸汽干度的工藝流程

在蒸汽管道平直段設(shè)置混相整流器，在其后串聯(lián)兩個(gè)渦街流量計(jì)，利用渦街流量計(jì)Ⅰ測(cè)量流體的平均流速，利用渦街流量計(jì)Ⅱ測(cè)量流體的質(zhì)量流量。由所測(cè)流體的平均流速、質(zhì)量流量并結(jié)合公式（1）、（2），可求得濕蒸汽的密度。

然后串聯(lián)溫度傳感器與壓力傳感器，分別測(cè)量流體蒸汽的溫度與壓力，根據(jù)蒸汽的溫度與壓力之間的關(guān)系［20］，可以獲得飽和蒸汽的密度與飽和水的密度，代入公式（3），即可求得濕蒸汽的干度［14］。

1.2.3 取樣與試驗(yàn)方法

1.2.3.1 不同工序蒸汽干度調(diào)節(jié)方法

采用“七匹狼（豪情）”配方煙絲，分別對(duì)蒸汽與煙絲在直接接觸工序（隧道式增溫增濕機(jī)）和非直接接觸工序（滾筒式烘絲機(jī)）進(jìn)行試驗(yàn)，其他工序按正常生產(chǎn)模式。

蒸汽干度調(diào)節(jié)方法如圖1 所示。蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的飽和蒸汽分為3 條支路：支路1 的蒸汽通過(guò)管道和調(diào)節(jié)閥進(jìn)入集氣罐；支路2 的蒸汽進(jìn)入除濕裝置后，獲得的較高干度蒸汽通過(guò)管道和調(diào)節(jié)閥進(jìn)入集氣罐；支路3 的蒸汽進(jìn)入增濕裝置后，獲得的較低干度蒸汽通過(guò)管道和調(diào)節(jié)閥進(jìn)入集氣罐；純凈水通過(guò)加壓定量泵匯入支路3 的增濕裝置后，獲得較低干度的蒸汽，通過(guò)管道和調(diào)節(jié)閥進(jìn)入集氣罐。通過(guò)聯(lián)合干度測(cè)量?jī)x在線實(shí)測(cè)蒸汽干度，并將干度信息傳送至控制器，與預(yù)設(shè)的干度進(jìn)行比較，發(fā)出反饋信號(hào)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過(guò)調(diào)節(jié)支路1 中蒸汽的通入量，并控制支路2 或支路3 的匯入量，實(shí)現(xiàn)不同比例的干、濕蒸汽混合，從而獲得不同干度的蒸汽［21-22］。

圖1 蒸汽干度調(diào)節(jié)方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of steam dryness adjustment method

通過(guò)下列設(shè)定條件獲取不同蒸汽干度下隧道式增溫增濕機(jī)及滾筒式烘絲機(jī)前、后的煙絲：

（1）保持隧道式增溫增濕機(jī)中蒸汽的施加壓力為0.5 MPa，滾筒式烘絲機(jī)所用的蒸汽為恒定干度（100%）。按照上述方法，調(diào)節(jié)蒸汽干度分別為70%、75%、80%、85%、90%、95%、99%（非過(guò)熱蒸汽）。

（2）保持滾筒式烘絲機(jī)中蒸汽的施加壓力為0.1 MPa，隧道式增溫增濕機(jī)所用的蒸汽為恒定干度（100%）。按照上述方法，調(diào)節(jié)蒸汽干度分別為65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、99%（非過(guò)熱蒸汽）。

1.2.3.2 取樣與評(píng)價(jià)指標(biāo)檢測(cè)方法

（1）煙絲的溫度、含水率、脫水率的測(cè)定方法

待蒸汽干度調(diào)節(jié)好之后，使煙絲穩(wěn)定通過(guò)5 min，在隧道式增溫增濕機(jī)后通過(guò)紅外測(cè)溫儀讀取煙絲的溫度、水分測(cè)定儀讀取煙絲的含水率；在滾筒式烘絲機(jī)前、后通過(guò)水分測(cè)定儀讀取煙絲的含水率，滾筒式烘絲機(jī)前煙絲的含水率減去滾筒式烘絲機(jī)后煙絲的含水率即為煙絲脫水率。

（2）常規(guī)化學(xué)成分取樣與測(cè)定分析方法

待蒸汽干度調(diào)節(jié)好之后，使煙絲穩(wěn)定通過(guò)5 min，在隧道式增溫增濕機(jī)、滾筒式烘絲機(jī)的入口和出口分別取樣5 次，每次取樣約50 g，混合之后分別作為工序前和工序后化學(xué)成分測(cè)定的煙絲樣品，按照YC/T 31—1996［23］中的方法制備成煙末樣品。按照文獻(xiàn)［24-28］中的方法分別進(jìn)行水溶性總糖、還原糖、總氮、總植物堿、鉀、氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定。

（3）煙氣成分取樣、測(cè)定分析方法及感官評(píng)價(jià)方法

待蒸汽干度調(diào)節(jié)好之后，使煙絲穩(wěn)定通過(guò)5 min，在隧道式增溫增濕機(jī)、滾筒式烘絲機(jī)的入口和出口分別取約10 kg煙絲樣品，在干燥的自然環(huán)境中使煙絲含水率平衡至12.5%后卷制成卷煙。在同一臺(tái)卷煙機(jī)上進(jìn)行卷制，所采用的卷煙材料一致，保證同一工序卷制的單支卷煙的質(zhì)量基本一致。

按照文獻(xiàn)［29-32］中的方法分別進(jìn)行總粒相物、焦油、水分、煙堿、CO釋放量的測(cè)定。

按照YC/T 415—2011［33］中的方法進(jìn)行感官評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 蒸汽干度對(duì)直接接觸工序加工產(chǎn)品質(zhì)量的影響

2.1.1 對(duì)增溫增濕后煙絲的溫度及含水率的影響

煙絲的溫度、含水率隨蒸汽干度的變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，隨著增溫增濕工序中蒸汽干度的增加，增溫增濕后煙絲的溫度呈上升趨勢(shì)，當(dāng)蒸汽干度大于85%時(shí)，煙絲溫度的上升幅度增大。這是由于蒸汽中干組分的相變潛熱可為煙絲提供更多的熱量，當(dāng)施加蒸汽的比例相同時(shí)，蒸汽干度越大，干組分的占比越大，能提供給煙絲的相變潛熱就越大，因此當(dāng)蒸汽干度達(dá)到85%以后，煙絲溫度的上升幅度較大。較高的蒸汽干度直接接觸煙絲能更好地提升加熱效果，從而提高煙絲的溫度。

圖2 直接接觸工序中不同蒸汽干度下煙絲的溫度及含水率的變化Fig.2 Variations in temperature and moisture content of cut tobacco under different steam dryness in the direct contact process

煙絲的含水率隨著蒸汽干度的增加呈緩慢降低的趨勢(shì)，這是由于當(dāng)施加蒸汽的比例相同時(shí)，隨著蒸汽干度的增加，所施加給煙絲的水分總量逐漸減少。當(dāng)蒸汽干度大于85%時(shí)，煙絲含水率的下降趨勢(shì)進(jìn)一步趨緩，但不顯著，這是由于煙絲對(duì)水分的吸收不僅與施加蒸汽的比例有關(guān)，還與蒸汽的相變及傳質(zhì)的動(dòng)力梯度有關(guān)［34-35］。

2.1.2 對(duì)增溫增濕后煙絲中常規(guī)化學(xué)成分的影響

煙絲中常規(guī)化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨蒸汽干度變化的結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)蒸汽干度高于85%時(shí)，煙絲中的總植物堿、水溶性總糖、還原糖、鉀和氯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈增大的趨勢(shì)。這是由于在蒸汽與煙絲的接觸過(guò)程中，隨著蒸汽干度的增加，蒸汽的相變潛熱也隨之增加，加劇了化學(xué)反應(yīng)，從而增加了煙絲中一些常規(guī)化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)［36］。

圖3 直接接觸工序中不同蒸汽干度下煙絲中常規(guī)化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Fig.3 Mass fractions of routine chemical components in cut tobacco under different steam dryness in the direct contact process

2.1.3 對(duì)增溫增濕后卷煙中主流煙氣成分的影響

增溫增濕后不同蒸汽干度下單支卷煙中主流煙氣成分釋放量的測(cè)定結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，隨著蒸汽干度的增加，單支卷煙中主流煙氣成分的釋放量無(wú)明顯變化，說(shuō)明蒸汽干度的變化對(duì)主流煙氣成分的影響不明顯。

圖4 直接接觸工序中不同蒸汽干度下單支卷煙主流煙氣成分的釋放量Fig.4 Yields of main chemical components in mainstream smoke of cigarette under different dryness in the direct contact process

2.1.4 對(duì)增溫增濕后卷煙感官質(zhì)量的影響

以隧道式增溫增濕機(jī)前（工序前）卷煙的感官評(píng)價(jià)得分為基準(zhǔn)，不同蒸汽干度下（工序后）卷煙的感官評(píng)價(jià)得分與隧道式增溫增濕機(jī)前卷煙的感官評(píng)價(jià)得分的差值作為相對(duì)評(píng)價(jià)得分，評(píng)價(jià)結(jié)果如表1 所示。由表1可知，隨著蒸汽干度的增加，風(fēng)格特征變化程度得分呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明蒸汽干度較高時(shí)，卷煙的感官質(zhì)量得到提升。當(dāng)蒸汽干度高于85%時(shí)，雜氣及干凈程度的相對(duì)評(píng)價(jià)得分中不再出現(xiàn)負(fù)值，說(shuō)明卷煙的雜氣減少、干凈程度提升，而蒸汽干度的變化對(duì)香氣質(zhì)、透發(fā)性、濃度、勁頭、細(xì)膩程度、成團(tuán)性、干燥感等指標(biāo)無(wú)明顯影響。

2.2 蒸汽干度對(duì)非直接接觸工序加工產(chǎn)品質(zhì)量的影響

2.2.1 對(duì)煙絲脫水率及含水率穩(wěn)定性的影響

2.2.1.1 對(duì)煙絲脫水率的影響

不同蒸汽干度下煙絲的脫水率如圖5 所示。由圖5可知，煙絲的脫水率隨著蒸汽干度的增加呈上升趨勢(shì)。當(dāng)蒸汽干度高于80%時(shí)，煙絲脫水率上升的幅度增大，主要是由于隨著蒸汽干度的增加，蒸汽中的干組分占比增大，蒸汽中的相變潛熱快速增加，使得滾筒式烘絲機(jī)的筒壁溫度快速上升，導(dǎo)致煙絲的脫水率顯著提升。

圖5 不同蒸汽干度對(duì)煙絲脫水率的影響Fig.5 Effects of different steam dryness on dehydration rate of cut tobacco

2.2.1.2 對(duì)煙絲含水率穩(wěn)定性的影響

依照1.2.3.1 節(jié)所述方法調(diào)節(jié)滾筒式烘絲機(jī)筒壁加熱的蒸汽干度后，測(cè)定經(jīng)滾筒式烘絲機(jī)烘后煙絲的含水率，并計(jì)算煙絲含水率的標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，當(dāng)蒸汽干度低于80%時(shí)，隨著蒸汽干度的增加，煙絲含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差下降趨勢(shì)顯著，說(shuō)明煙絲含水率的波動(dòng)幅度減小，主要是由于當(dāng)蒸汽干度較低時(shí)蒸汽相變潛熱提供不足，導(dǎo)致煙絲脫水穩(wěn)定性差。當(dāng)蒸汽干度高于80%時(shí)，隨著蒸汽干度的增加，烘后煙絲含水率的標(biāo)準(zhǔn)偏差持續(xù)下降，但下降幅度減小，表明煙絲含水率的穩(wěn)定性逐漸增加。原因主要是當(dāng)蒸汽干度較高時(shí)，蒸汽中干組分占比較大，與滾筒式烘絲機(jī)壓力-溫度之間的換算符合性較好［20］，因此較高蒸汽干度的溫度換算值與實(shí)際的筒壁溫度較為接近，有利于提高滾筒式烘絲機(jī)筒壁溫度控制的穩(wěn)定性，從而提高烘后煙絲含水率的穩(wěn)定性。

圖6 不同蒸汽干度對(duì)煙絲含水率標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響Fig.6 Effects of different steam dryness on SD of moisture content in cut tobacco

2.2.2 對(duì)卷煙主流煙氣成分的影響

不同蒸汽干度下單支卷煙中主流煙氣成分的釋放量如圖7 所示。由圖7 可知，隨著蒸汽干度的增加，除蒸汽干度為90%時(shí)單支卷煙中CO的釋放量略降低以外，其他主流煙氣成分釋放量的變化幅度不明顯，說(shuō)明非直接接觸工序中，不同蒸汽干度對(duì)主流煙氣成分的影響較小。

圖7 不同蒸汽干度下單支卷煙中主流煙氣成分的釋放量Fig.7 Yields of chemical components in mainstream smoke of cigarette under different steam dryness

2.2.3 對(duì)卷煙感官質(zhì)量的影響

以滾筒式烘絲機(jī)前（工序前）卷煙的感官評(píng)價(jià)得分為基準(zhǔn)，不同蒸汽干度下（工序后）卷煙感官評(píng)價(jià)得分與滾筒式烘絲機(jī)前卷煙感官評(píng)價(jià)得分的差值作為相對(duì)評(píng)價(jià)得分，評(píng)價(jià)結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，隨著蒸汽干度的增加，卷煙的風(fēng)格特征變化程度得分由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值，且分值持續(xù)增大，表明感官質(zhì)量隨著蒸汽干度的增加呈上升的趨勢(shì)，當(dāng)蒸汽干度高于90%時(shí)，卷煙的感官質(zhì)量明顯提升。這是由于隨著蒸汽干度的增加，蒸汽在非直接接觸工序中所提供的潛熱明顯增加，有利于卷煙中香氣質(zhì)、香氣量、透發(fā)性的好轉(zhuǎn)，雜氣的減少以及干凈程度的提升，感官評(píng)價(jià)結(jié)果較好。

表2 不同蒸汽干度下烘絲工序前后卷煙感官質(zhì)量的相對(duì)評(píng)價(jià)得分Tab.2 Relative sensory quality scores of cigarette before and after drying under different steam dryness in cylinder（分）

3 結(jié)論

（1）在直接接觸工序中，隨著蒸汽干度的增加，煙絲溫度呈上升趨勢(shì)，當(dāng)蒸汽干度大于85%時(shí)，煙絲溫度上升幅度增大。煙絲含水率隨著蒸汽干度的增加呈緩慢降低的趨勢(shì)，當(dāng)蒸汽干度大于85%時(shí)，煙絲含水率下降幅度減小。當(dāng)蒸汽干度大于85%時(shí)，煙絲中常規(guī)化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)一定程度的變化，化學(xué)成分指標(biāo)中總植物堿、水溶性總糖、還原糖、鉀和氯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈增大的趨勢(shì)。在不同蒸汽干度下，卷煙中主流煙氣成分的釋放量無(wú)明顯變化。隨著蒸汽干度的增加，卷煙的感官質(zhì)量呈現(xiàn)向好的趨勢(shì)，主要表現(xiàn)為雜氣減少、干凈程度提升。即在直接接觸工序中選用高于85%的蒸汽干度，產(chǎn)品質(zhì)量較好。

（2）在非直接接觸工序中，隨著蒸汽干度的增加，煙絲脫水率呈增大的趨勢(shì)，當(dāng)蒸汽干度大于80%時(shí)，煙絲脫水率上升的幅度增大。隨著蒸汽干度的增加，煙絲含水率的標(biāo)準(zhǔn)偏差呈下降趨勢(shì)，當(dāng)蒸汽干度高于80%時(shí)，煙絲含水率的標(biāo)準(zhǔn)偏差下降幅度減小。在不同蒸汽干度下，單支卷煙中主流煙氣成分的釋放量變化不明顯。當(dāng)蒸汽干度高于90%時(shí)，卷煙的感官質(zhì)量呈現(xiàn)向好的趨勢(shì)，表現(xiàn)為香氣質(zhì)、香氣量、透發(fā)性好轉(zhuǎn)，雜氣減少及干凈程度提升。即在非直接接觸工序中選用高于90%的蒸汽干度，產(chǎn)品質(zhì)量較好。