工业中试装置中烟丝的滚筒传输特性

朱文魁，李斌，温若愚，赵维一，邓国栋，鲁端峰

1.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号450001

2.川渝中烟工业公司技术中心，成都市锦江区成龙大道1段610066

滚筒装置处理量大、可灵活处理各种物料且操作费用相对低廉[1-2]，因此是干燥、冷却、混合、增湿等单元操作中普遍采用的一种加工设备。与流化床干燥器等相比，滚筒干燥器由于能够提供更长的物料滞留时间和更好的混合效果，对物料的加工质量也更为均一[3]，因此在矿产、农产品、医药、食品等加工过程广泛应用。而在烟草加工领域，滚筒干燥是烟草制丝过程物料干燥的主要方式。滚筒干燥器中的物料干燥过程较为复杂，主要涉及传热、传质和物料输送3个过程[4]。其中，物料在滚筒中的传输过程一方面决定了物料在滚筒中的滞留时间，另一方面也会影响物料与筒壁及介质间的热质传递[5]，因而会显著影响物料的干燥效果。已有部分文献涉及物料在滚筒中的传输特性，其中对不同物料在不同滚筒操作条件下的滞留时间进行了研究，并通过将平均滞留时间与滚筒操作参数和物料特性参数相关联，提出了滚筒物料滞留时间预测模型，包括经验、半经验模型和一些相对简单的物理模型[6-10]。前述的研究工作涉及的物料多为球形颗粒或可近似视为球形颗粒的粒子，对纤维状颗粒，如烟丝颗粒等，颗粒形状差异也必然导致其颗粒相的流动特性与球形颗粒不同，从而可能影响物料的滞留时间和上述模型的适用性。同时，文献中研究的物料多为干燥的颗粒或可自由流动的颗粒，而当实际过程中物料含水率的变化对颗粒相的流动性能影响较大时，上述研究结果的应用则存在一定限制[11]。基于此，作者在一工业试验线装置中研究了冷态稳定传输条件下烟丝颗粒的滚筒传输特性，考察了不同滚筒操作条件及烟丝含水率对烟丝滞留时间、传输速度、筒内升举—抛洒单元运动时间等影响规律，旨在为烟丝滚筒干燥工艺参数的优化提供参考与依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

宜宾C3L单等级烤烟烟丝，试验前烟丝湿基含水率分别平衡到12.5%，17.5%和25%，此时实测烟丝堆积密度分别为240，320，380 kg/m3。

试验在成都卷烟厂300 kg/h的工业中试滚筒装置中进行。如图1所示，该装置为一薄板式滚筒干燥装置，由传动系统(主动拖轮、从动拖轮和轨道)、循环风系统(变频风机、风管)、喂料系统(电子皮带秤、皮带机和振槽)、滚筒筒体等组成。采用气固顺流工作方式，物料由振槽均匀喂入滚筒内部，风由进料端进入滚筒，物料在倾斜的滚筒和风作用下，沿滚筒轴向向出料端移动。滚筒内径0.724 m，长4 m。筒壁上均匀分布4块宽0.265 m的抄板，抄板与筒壁夹角为26°，滚筒倾角为3°。筒壁转速通过一变频电机在0～15 r/min内调节。通过测定的进风管风速及进风管和滚筒内径计算得到筒内气速，通过一带变频器的回风风机对筒内气速进行调节。试验过程中物料流量通过设置在滚筒装置前的电子皮带秤测定调节。滚筒出口物料经一振槽被收集和称重。在该滚筒出口侧面处设置有观察窗，试验过程中可通过观察窗对烟丝在滚筒中的运动拍摄连续视频，以对其在筒内的升举—抛洒运动单元时间进行观察统计。

1.2 滞留时间的测定

稳定状态下，物料在滚筒中的滞留时间依据滞留量法测定，如式(1)所示:

式中:t——烟丝在滚筒中滞留时间(min);Q——烟丝在滚筒中滞留量(kg);Fs——烟丝流量(kg/h)。

烟丝滚筒滞留量测定过程如下:设定风机频率、滚筒转速、物料流量;启动试验装置，待滚筒进出料稳定后(约15 min)，关闭试验装置，并改为手动控制模式;启动滚筒传动电机，将滚筒内物料排出收集，将收集的烟丝在一电子秤上称量;清理完毕，准备下次试验。

不同烟丝流量、筒内风速、滚筒转速及烟丝含水率下烟丝滚筒滞留量的测定试验均依据单因素试验安排，具体试验条件见表1所示。

2 结果与讨论

2.1 重复性检验

为检验试验结果的可重复性，对烟丝流量249 kg/h、筒内风速0.337 m/s、滚筒转速12 r/min条件下的烟丝滞留量进行了3次平行的试验测定，3次测定结果分别为15.1，15.4，16.1 kg。平行测定结果的最大偏差低于4%，表明试验结果具有较好的重复性。

表1 烟丝滚筒滞留量测定试验条件

2.2 烟丝筒内滞留时间、轴向运动速度变化规律

2.2.1 筒内气速、烟丝流量对烟丝滞留时间与轴向运动速度的影响

不同筒内气速、烟丝流量和滚筒转速下测定的烟丝滞留量如表2所示。由表2可知，烟丝滚筒滞留量随筒内风速和滚筒转速的增大而降低，而随烟丝流量和烟丝含水率的增加而增大。由烟丝滞留量，依据式(1)计算可得烟丝在滚筒中的平均滞留时间，由烟丝筒内滞留时间和滚筒筒体长度则可得到烟丝在筒内的平均轴向传输速度。烟丝流量和筒内气速对烟丝滞留时间和轴向传输速度的影响分别如图2，3所示。

由图3可知，随筒内风速的增加，烟丝在筒内滞留时间由4.57 min缩短至2.38 min，烟丝轴向运动速度则由0.88 m/min增大至1.68 m/min;由图2，烟丝流量由206 kg/h逐渐增加至328 kg/h，烟丝筒内滞留时间也有所增加，烟丝轴向运动速度降低。这是因为滚筒内气体介质与烟丝以气固顺流方式传输的过程中，风速远大于烟丝在轴向上的传输速度，气体和固体之间沿滚筒轴向存在动量传递，即沿滚筒轴向传输过程中气体对烟丝存在一定携带作用，这种作用在烟丝抄起后的自由飘落阶段更为显著。气体对烟丝的轴向携带作用随筒内风速的增加而增大，从而使得烟丝在筒内的轴向运动速度增加，平均滞留时间减少;而气速(即气体流量)一定的情况下增大烟丝流量，意味着单位时间内滚筒中参与气固间动量传递的固体质量增加，因而固体沿轴向的传输速度减小，滞留时间增大。

2.2.2 滚筒转速对烟丝滞留时间与轴向运动速度的影响

滚筒转速对烟丝滞留时间和轴向传输速度的影响如图4所示。由图4可知，滚筒转速由6 r/min增加至15 r/min，烟丝在滚筒内的滞留量减小，烟丝筒内滞留时间缩短，轴向传输速度增加。这是因为增大滚筒转速减小了烟丝在筒壁和抄板上的升举时间，增加了烟丝被升举—抛洒的频次，由于烟丝抛洒次数的增加，整个传输过程中气体对烟丝的轴向携带作用增大，另一方面滚筒转速的增大也会增加烟丝沿筒壁滚落过程中轴向的移动速度，二者的作用均使烟丝沿轴向的传输速度增大，滞留时间减小。

2.2.3 烟丝含水率对烟丝滞留时间与轴向运动速度的影响

相同的筒内气速与滚筒转速下，保持一致的烟丝干基流量，考察了12.5%，17.5%，25%不同烟丝含水率对平均滞留时间和轴向传输速度的影响，结果如图5所示。由图5可以看出，烟丝的干基质量流量不变时，随烟丝含水率降低，烟丝在筒内平均滞留时间减小、轴向传输速度增大。这是因为在烟丝湿基质量流量不变的情况下，增加含水率增大了筒内烟丝的实际流量(即烟丝干基流量)，同时，更高的烟丝含水率也会使得纤维状烟丝颗粒间的缠绕等作用增强，从而影响了筒内固体颗粒相的流动性能，上述因素的共同作用使得烟丝在筒内平均滞留时间随含水率的增加而增大、轴向传输速度减小。

表2 不同试验条件下的烟丝滚筒滞留量(kg)

烟丝在滚筒干燥或增湿处理过程中，滚筒轴向上烟丝的干基质量流量一致，而含水率逐渐降低或升高。由上述含水率的影响可以看出，对烟丝在滚筒内的热湿处理过程，沿滚筒轴向等距各段烟丝的滞留时间和轴向速度并非呈均一分布:对烟丝滚筒干燥过程，随含水率降低，在接近进口端的滚筒前段，烟丝的滞留时间较长、轴向传输速度小，而在接近出口端的滚筒后段，烟丝滞留时间较短、轴向传输速度较大;对烟丝滚筒增湿过程，随含水率增加，在接近进口端的滚筒前段烟丝滞留时间较短、轴向传输速度较大，而在滚筒后段烟丝滞留时间较长、轴向传输速度较小。

2.3 烟丝单元运动时间、运动次数及运动步长变化规律

2.3.1 烟丝单元运动时间变化规律

采用拍摄连续视频结合秒表计时，对不同试验条件下烟丝在筒内轴向传输过程中的升举—抛洒单元运动时间和一个运动单元内在筒壁和抄板上的升举时间进行统计，结果见表3。由表3可以看出，烟丝筒内单元运动时间和升举时间随烟丝流量、筒内气速的增加无明显变化，而随滚筒转速增加显著减小。固体颗粒在滚筒内的单元运动时间包括物料在抄板上的升举时间和从抄板上下落的抛洒时间，其中升举时间是构成物料单元运动时间的主要部分。滚筒转速的增大减小了物料与抄板和筒壁接触的升举时间，也使得单元运动时间减小。

2.3.2 筒内气速和烟丝流量对单元运动次数和运动步长的影响

由烟丝筒内滞留时间和升举—抛洒单元运动时间可以得到烟丝在筒内经历的升举—抛洒的单元运动次数，由单元运动次数和滚筒筒体长度则可得到烟丝的运动步长，即烟丝在一次升举—抛洒运动单元中沿滚筒轴向传输的距离。烟丝流量、筒内气速对单元运动次数和运动步长的影响如图6，图7所示。由图6可知，在试验范围内，随烟丝流量增大，烟丝在筒内的单元运动次数增加，运动步长减小，但变化幅度不大。与对烟丝筒内滞留时间的影响类似，由图7可知，由于筒内气体对烟丝较强的轴向携带作用，筒内风速对烟丝在筒内的单元运动次数和运动步长影响同样较为显著，随筒内风速增大，烟丝的单元运动次数由55降低至29，而运动步长由0.07 m增加至0.14 m。

表3 烟丝单元运动时间与升举时间①(s)

图6 烟丝流量对烟丝单元运动次数与运动步长影响

2.3.3 滚筒转速对单元运动次数和运动步长的影响

滚筒转速对单元运动次数和运动步长的影响如图8所示。由图8可知，随滚筒转速的增大，烟丝在筒内的单元运动次数增加，运动步长减小，其中滚筒转速在6～9 r/min范围内变化时其影响较显著，而滚筒转速在9～15 r/min范围内变化时，烟丝在筒内的单元运动次数和运动步长变化幅度不大。烟丝在筒内的总滞留时间和烟丝升举—抛洒的单元运动时间均随着滚筒转速增大而降低，但由表3可知烟丝单元运动时间在转速6～9 r/min之间变化幅度较大，而在9～15 r/min范围内变化幅度较小，导致烟丝在筒内的单元运动次数和运动步长也在较低和较高的滚筒转速范围内也呈现不同的变化趋势。

2.3.4 烟丝含水率对单元运动次数和运动步长的影响

一定的筒内气速与滚筒转速下，保持一致的烟丝湿基流量，不同烟丝含水率(12.5%，17.5%，25%)对单元运动次数和运动步长影响如图9所示。由图9可以看出，随烟丝含水率降低，烟丝在筒内经历的升举—抛洒运动单元次数降低，而运动步长增加。这一结果表明，对滚筒干燥过程，烟丝沿滚筒轴向运动过程中，随含水率的降低，在接近滚筒进口端的前段烟丝经历的升举—抛洒运动单元次数较多，在一次升举—抛洒过程中烟丝轴向传输的距离也较短，而在滚筒后段烟丝经历的升举—抛洒次数较少，一次升举—抛洒过程中轴向传输的距离较长。烟丝滚筒增湿过程则与之相反。

图9 烟丝含水率对单元运动次数与运动步长影响

4 结论

(1)稳态条件下，烟丝在滚筒内的滞留量随滚筒转速、筒内风速的增加而减小，随烟丝流量、烟丝含水率的增加而减小。

(2)筒内风速、烟丝流量一定时，随滚筒转速增加，烟丝滞留时间减小，轴向传输速度增大;滚筒转速、烟丝流量一定时，随筒内风速增加，烟丝滞留时间减小，轴向传输速度增大;筒内风速、滚筒转速一定时，随烟丝流量增加，烟丝滞留时间增大，轴向传输速度增加。

(3)烟丝干基流量一定时，随烟丝含水率增加，烟丝滚筒滞留时间增大，筒内轴向传输速度减小。这一结果表明，对烟丝滚筒热湿处理过程，沿滚筒轴向等距各段烟丝的滞留时间和轴向传输速度并非呈均一分布:对烟丝滚筒干燥过程，随含水率降低，在接近进口端的滚筒前段，烟丝的滞留时间较长、轴向传输速度小，而滚筒后段烟丝滞留时间较短、轴向传输速度较大;对烟丝滚筒增湿过程，随含水率增加，在接近进口端的滚筒前段烟丝滞留时间较短、轴向传输速度较大，而在滚筒后段烟丝滞留时间较长、轴向传输速度较小。

(4)稳态条件下，烟丝在滚筒内的单元运动次数随滚筒转速、烟丝流量、烟丝含水率的增大而增加，随筒内风速的增加而减小;烟丝在滚筒内的运动步长随滚筒转速、烟丝流量、烟丝含水率的增加而减小，随筒内风速的增加而增加。

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