蒸汽干度在不同制丝工序中对产品质量的影响

吴玉生，邓国栋，戴宇昕*

1. 厦门烟草工业有限责任公司，福建省厦门市海沧新阳工业区新阳路1 号 361022

2. 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

蒸汽在制丝生产中有着广泛的应用，蒸汽干度作为蒸汽的重要参数指标，对产品质量具有重要影响［1-3］。蒸汽干度是指每千克湿蒸汽中含有干饱和蒸汽的质量百分数，受温度和压力的影响比较大，在温度和压力相同的条件下，不同蒸汽干度的湿蒸汽中所含水分子的数量是不同的［4-5］。李世武等［6］依据能量守恒原理和凝结式蒸汽干度测量原理，研制了凝结式蒸汽干度测量装置；邱丽灿等［7］阐述了热注蒸汽开采稠油时的11 种蒸汽干度测量方法的原理、特点及应用情况，并对各方法做出了相应的优劣势分析；原遵东等［8］基于热力学原理，构建了可调蒸汽干度的热能计量标准实验装置；于清澄［9］、杜义朋等［10］采用双仪表测试法进行蒸汽干度的测量。上述文献虽然介绍了一些蒸汽干度的测量方法，但均是针对石油开采冶炼等高温、高压及大流量的蒸汽应用场景，不适用于管道中输送的中低压蒸汽，不能对烟草加工中的中低温、低压、小流量以及宽测量范围蒸汽干度的测量作直接指导。

在烟草加工过程中有关蒸汽的研究主要集中在蒸汽使用的蒸汽压力调节、节能降耗及对设备效能的影响等方面［11-14］，有关蒸汽干度的测量、调整及其对产品质量影响规律的研究较少。双涡街联合法［15］是测量蒸汽干度的有效方法。本研究中采用双涡街联合法在线测量、调整蒸汽干度，研究蒸汽干度在烟丝与蒸汽直接接触工序以及非直接接触工序中对产品质量的影响规律，旨在提高蒸汽在烟草制丝加工过程中的应用效果，提升产品加工质量。

1 材料与方法

1.1 材料、仪器与设备

“七匹狼（豪情）”配方烟丝（由厦门烟草工业有限责任公司提供）。

CVA-1F 隧道式增温增湿机（槽体长度2 870 mm，槽体宽度550 mm）、CEVJ 滚筒式烘丝机（滚筒长度4 850 mm，滚筒直径900 mm）（意大利Comas公司）；LJD-25D 联合干度测量仪（威海奥博特自动化设备有限公司）；LUGB涡街传感器（德国Endress+Hauser公司）；TM710红外水分仪（美国NDC红外技术公司）；C/SLT 红外测温仪（美国Raytek 公司）；MT-C 快速水分测定仪（德国Brabender 公司）；ZJ17卷烟机（常德烟草机械有限责任公司）。

1.2 方法

1.2.1 双涡街联合法检测湿蒸汽干度的计算方法

涡街传感器是根据流体振动频率与流速之间存在对应关系的原理工作的［15］，流体的平均流速根据公式（1）计算［16］。

式中：v 为流体经过旋涡发生体的平均流速，m/s；f为旋涡的释放频率，Hz；Sr 为斯特劳哈尔数（无量纲常数）；D 为传感器的管道内径，m；d 为旋涡发生体的特征宽度，m。

湿蒸汽的质量流量根据公式（2）计算［14］：

式中：Qm为湿蒸汽的质量流量，kg/s；ρ为湿蒸汽的密度，kg/m3；K为常数，与涡街传感器的仪表系数相关。

由于涡街传感器仅适用于检测单一相的介质参数，因此在测量蒸汽干度时，需在涡街传感器前端将蒸汽及其携带的冷凝水做整流，使其成为温度相同的均相状态［14，17-18］。依据流体力学原理，处于均相流中的两相流蒸汽满足公式（3）［19］，据此计算湿蒸汽的干度。

式中：x 为湿蒸汽的干度，%；ρ为湿蒸汽的密度，kg/m3；ρg为饱和蒸汽的密度，kg/m3；ρl为饱和水的密度，kg/m3。

1.2.2 双涡街联合法检测蒸汽干度的工艺流程

在蒸汽管道平直段设置混相整流器，在其后串联两个涡街流量计，利用涡街流量计Ⅰ测量流体的平均流速，利用涡街流量计Ⅱ测量流体的质量流量。由所测流体的平均流速、质量流量并结合公式（1）、（2），可求得湿蒸汽的密度。

然后串联温度传感器与压力传感器，分别测量流体蒸汽的温度与压力，根据蒸汽的温度与压力之间的关系［20］，可以获得饱和蒸汽的密度与饱和水的密度，代入公式（3），即可求得湿蒸汽的干度［14］。

1.2.3 取样与试验方法

1.2.3.1 不同工序蒸汽干度调节方法

采用“七匹狼（豪情）”配方烟丝，分别对蒸汽与烟丝在直接接触工序（隧道式增温增湿机）和非直接接触工序（滚筒式烘丝机）进行试验，其他工序按正常生产模式。

蒸汽干度调节方法如图1 所示。蒸汽发生器产生的饱和蒸汽分为3 条支路：支路1 的蒸汽通过管道和调节阀进入集气罐；支路2 的蒸汽进入除湿装置后，获得的较高干度蒸汽通过管道和调节阀进入集气罐；支路3 的蒸汽进入增湿装置后，获得的较低干度蒸汽通过管道和调节阀进入集气罐；纯净水通过加压定量泵汇入支路3 的增湿装置后，获得较低干度的蒸汽，通过管道和调节阀进入集气罐。通过联合干度测量仪在线实测蒸汽干度，并将干度信息传送至控制器，与预设的干度进行比较，发出反馈信号控制电动调节阀，通过调节支路1 中蒸汽的通入量，并控制支路2 或支路3 的汇入量，实现不同比例的干、湿蒸汽混合，从而获得不同干度的蒸汽［21-22］。

图1 蒸汽干度调节方法示意图Fig.1 Schematic diagram of steam dryness adjustment method

通过下列设定条件获取不同蒸汽干度下隧道式增温增湿机及滚筒式烘丝机前、后的烟丝：

（1）保持隧道式增温增湿机中蒸汽的施加压力为0.5 MPa，滚筒式烘丝机所用的蒸汽为恒定干度（100%）。按照上述方法，调节蒸汽干度分别为70%、75%、80%、85%、90%、95%、99%（非过热蒸汽）。

（2）保持滚筒式烘丝机中蒸汽的施加压力为0.1 MPa，隧道式增温增湿机所用的蒸汽为恒定干度（100%）。按照上述方法，调节蒸汽干度分别为65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、99%（非过热蒸汽）。

1.2.3.2 取样与评价指标检测方法

（1）烟丝的温度、含水率、脱水率的测定方法

待蒸汽干度调节好之后，使烟丝稳定通过5 min，在隧道式增温增湿机后通过红外测温仪读取烟丝的温度、水分测定仪读取烟丝的含水率；在滚筒式烘丝机前、后通过水分测定仪读取烟丝的含水率，滚筒式烘丝机前烟丝的含水率减去滚筒式烘丝机后烟丝的含水率即为烟丝脱水率。

（2）常规化学成分取样与测定分析方法

待蒸汽干度调节好之后，使烟丝稳定通过5 min，在隧道式增温增湿机、滚筒式烘丝机的入口和出口分别取样5 次，每次取样约50 g，混合之后分别作为工序前和工序后化学成分测定的烟丝样品，按照YC/T 31—1996［23］中的方法制备成烟末样品。按照文献［24-28］中的方法分别进行水溶性总糖、还原糖、总氮、总植物碱、钾、氯质量分数的测定。

（3）烟气成分取样、测定分析方法及感官评价方法

待蒸汽干度调节好之后，使烟丝稳定通过5 min，在隧道式增温增湿机、滚筒式烘丝机的入口和出口分别取约10 kg烟丝样品，在干燥的自然环境中使烟丝含水率平衡至12.5%后卷制成卷烟。在同一台卷烟机上进行卷制，所采用的卷烟材料一致，保证同一工序卷制的单支卷烟的质量基本一致。

按照文献［29-32］中的方法分别进行总粒相物、焦油、水分、烟碱、CO释放量的测定。

按照YC/T 415—2011［33］中的方法进行感官评价。

2 结果与讨论

2.1 蒸汽干度对直接接触工序加工产品质量的影响

2.1.1 对增温增湿后烟丝的温度及含水率的影响

烟丝的温度、含水率随蒸汽干度的变化规律如图2所示。由图2可知，随着增温增湿工序中蒸汽干度的增加，增温增湿后烟丝的温度呈上升趋势，当蒸汽干度大于85%时，烟丝温度的上升幅度增大。这是由于蒸汽中干组分的相变潜热可为烟丝提供更多的热量，当施加蒸汽的比例相同时，蒸汽干度越大，干组分的占比越大，能提供给烟丝的相变潜热就越大，因此当蒸汽干度达到85%以后，烟丝温度的上升幅度较大。较高的蒸汽干度直接接触烟丝能更好地提升加热效果，从而提高烟丝的温度。

图2 直接接触工序中不同蒸汽干度下烟丝的温度及含水率的变化Fig.2 Variations in temperature and moisture content of cut tobacco under different steam dryness in the direct contact process

烟丝的含水率随着蒸汽干度的增加呈缓慢降低的趋势，这是由于当施加蒸汽的比例相同时，随着蒸汽干度的增加，所施加给烟丝的水分总量逐渐减少。当蒸汽干度大于85%时，烟丝含水率的下降趋势进一步趋缓，但不显著，这是由于烟丝对水分的吸收不仅与施加蒸汽的比例有关，还与蒸汽的相变及传质的动力梯度有关［34-35］。

2.1.2 对增温增湿后烟丝中常规化学成分的影响

烟丝中常规化学成分的质量分数随蒸汽干度变化的结果如图3所示。由图3可知，当蒸汽干度高于85%时，烟丝中的总植物碱、水溶性总糖、还原糖、钾和氯的质量分数呈增大的趋势。这是由于在蒸汽与烟丝的接触过程中，随着蒸汽干度的增加，蒸汽的相变潜热也随之增加，加剧了化学反应，从而增加了烟丝中一些常规化学成分的质量分数［36］。

图3 直接接触工序中不同蒸汽干度下烟丝中常规化学成分的质量分数Fig.3 Mass fractions of routine chemical components in cut tobacco under different steam dryness in the direct contact process

2.1.3 对增温增湿后卷烟中主流烟气成分的影响

增温增湿后不同蒸汽干度下单支卷烟中主流烟气成分释放量的测定结果如图4所示。由图4可知，随着蒸汽干度的增加，单支卷烟中主流烟气成分的释放量无明显变化，说明蒸汽干度的变化对主流烟气成分的影响不明显。

图4 直接接触工序中不同蒸汽干度下单支卷烟主流烟气成分的释放量Fig.4 Yields of main chemical components in mainstream smoke of cigarette under different dryness in the direct contact process

2.1.4 对增温增湿后卷烟感官质量的影响

以隧道式增温增湿机前（工序前）卷烟的感官评价得分为基准，不同蒸汽干度下（工序后）卷烟的感官评价得分与隧道式增温增湿机前卷烟的感官评价得分的差值作为相对评价得分，评价结果如表1 所示。由表1可知，随着蒸汽干度的增加，风格特征变化程度得分呈上升趋势，说明蒸汽干度较高时，卷烟的感官质量得到提升。当蒸汽干度高于85%时，杂气及干净程度的相对评价得分中不再出现负值，说明卷烟的杂气减少、干净程度提升，而蒸汽干度的变化对香气质、透发性、浓度、劲头、细腻程度、成团性、干燥感等指标无明显影响。

2.2 蒸汽干度对非直接接触工序加工产品质量的影响

2.2.1 对烟丝脱水率及含水率稳定性的影响

2.2.1.1 对烟丝脱水率的影响

不同蒸汽干度下烟丝的脱水率如图5 所示。由图5可知，烟丝的脱水率随着蒸汽干度的增加呈上升趋势。当蒸汽干度高于80%时，烟丝脱水率上升的幅度增大，主要是由于随着蒸汽干度的增加，蒸汽中的干组分占比增大，蒸汽中的相变潜热快速增加，使得滚筒式烘丝机的筒壁温度快速上升，导致烟丝的脱水率显著提升。

图5 不同蒸汽干度对烟丝脱水率的影响Fig.5 Effects of different steam dryness on dehydration rate of cut tobacco

2.2.1.2 对烟丝含水率稳定性的影响

依照1.2.3.1 节所述方法调节滚筒式烘丝机筒壁加热的蒸汽干度后，测定经滚筒式烘丝机烘后烟丝的含水率，并计算烟丝含水率的标准偏差，结果如图6 所示。由图6 可知，当蒸汽干度低于80%时，随着蒸汽干度的增加，烟丝含水率标准偏差下降趋势显著，说明烟丝含水率的波动幅度减小，主要是由于当蒸汽干度较低时蒸汽相变潜热提供不足，导致烟丝脱水稳定性差。当蒸汽干度高于80%时，随着蒸汽干度的增加，烘后烟丝含水率的标准偏差持续下降，但下降幅度减小，表明烟丝含水率的稳定性逐渐增加。原因主要是当蒸汽干度较高时，蒸汽中干组分占比较大，与滚筒式烘丝机压力-温度之间的换算符合性较好［20］，因此较高蒸汽干度的温度换算值与实际的筒壁温度较为接近，有利于提高滚筒式烘丝机筒壁温度控制的稳定性，从而提高烘后烟丝含水率的稳定性。

图6 不同蒸汽干度对烟丝含水率标准偏差的影响Fig.6 Effects of different steam dryness on SD of moisture content in cut tobacco

2.2.2 对卷烟主流烟气成分的影响

不同蒸汽干度下单支卷烟中主流烟气成分的释放量如图7 所示。由图7 可知，随着蒸汽干度的增加，除蒸汽干度为90%时单支卷烟中CO的释放量略降低以外，其他主流烟气成分释放量的变化幅度不明显，说明非直接接触工序中，不同蒸汽干度对主流烟气成分的影响较小。

图7 不同蒸汽干度下单支卷烟中主流烟气成分的释放量Fig.7 Yields of chemical components in mainstream smoke of cigarette under different steam dryness

2.2.3 对卷烟感官质量的影响

以滚筒式烘丝机前（工序前）卷烟的感官评价得分为基准，不同蒸汽干度下（工序后）卷烟感官评价得分与滚筒式烘丝机前卷烟感官评价得分的差值作为相对评价得分，评价结果如表2 所示。由表2 可知，随着蒸汽干度的增加，卷烟的风格特征变化程度得分由负值转为正值，且分值持续增大，表明感官质量随着蒸汽干度的增加呈上升的趋势，当蒸汽干度高于90%时，卷烟的感官质量明显提升。这是由于随着蒸汽干度的增加，蒸汽在非直接接触工序中所提供的潜热明显增加，有利于卷烟中香气质、香气量、透发性的好转，杂气的减少以及干净程度的提升，感官评价结果较好。

表2 不同蒸汽干度下烘丝工序前后卷烟感官质量的相对评价得分Tab.2 Relative sensory quality scores of cigarette before and after drying under different steam dryness in cylinder（分）

3 结论

（1）在直接接触工序中，随着蒸汽干度的增加，烟丝温度呈上升趋势，当蒸汽干度大于85%时，烟丝温度上升幅度增大。烟丝含水率随着蒸汽干度的增加呈缓慢降低的趋势，当蒸汽干度大于85%时，烟丝含水率下降幅度减小。当蒸汽干度大于85%时，烟丝中常规化学成分的质量分数出现一定程度的变化，化学成分指标中总植物碱、水溶性总糖、还原糖、钾和氯的质量分数呈增大的趋势。在不同蒸汽干度下，卷烟中主流烟气成分的释放量无明显变化。随着蒸汽干度的增加，卷烟的感官质量呈现向好的趋势，主要表现为杂气减少、干净程度提升。即在直接接触工序中选用高于85%的蒸汽干度，产品质量较好。

（2）在非直接接触工序中，随着蒸汽干度的增加，烟丝脱水率呈增大的趋势，当蒸汽干度大于80%时，烟丝脱水率上升的幅度增大。随着蒸汽干度的增加，烟丝含水率的标准偏差呈下降趋势，当蒸汽干度高于80%时，烟丝含水率的标准偏差下降幅度减小。在不同蒸汽干度下，单支卷烟中主流烟气成分的释放量变化不明显。当蒸汽干度高于90%时，卷烟的感官质量呈现向好的趋势，表现为香气质、香气量、透发性好转，杂气减少及干净程度提升。即在非直接接触工序中选用高于90%的蒸汽干度，产品质量较好。