基于数值仿真模拟的“五段式”加香滚筒设计

廖和滨，林天勤，韩梅梅,，江家森，李晓刚，张 峰，邹冠驰，肖 雄，姜建煜，张 伟*，段志和，李志雄

1.龙岩烟草工业有限责任公司，福建省龙岩市乘风路1299号 364021

2.中国海洋大学工程学院，山东省青岛市崂山区沙子口街道松岭路238号 266100

3.福建中烟工业有限责任公司技术中心，福建省厦门市集美区滨水路298号 361012

加香是卷烟制丝生产过程中的关键工序，对于改善卷烟吸味品质和保持卷烟风格具有重要意义。目前卷烟工业企业大多采用加香滚筒配合双介质喷嘴雾化方式施加香料［1］，因此加香滚筒的结构及性能对于烟丝的物理质量、香料吸收均匀性等影响显著。但传统的“三段式”加香滚筒因导料板设计结构不合理，容易形成“穿堂风”，导致滚筒周边区域香精味浓烈，空气污染较为严重，表明香料在滚筒内被雾化成微小颗粒后，未被烟丝完全吸收而排出滚筒，由此造成香料吸收不均匀，影响成品烟丝质量。此外，加香过程属于“黑箱”操作，采用传统的经验化定性推测和物理实验等方法，无法考察加香过程中多因素之间的相关性。针对此问题，常玮等［2］将烟丝模拟为圆球，运用Fluent仿真软件模拟滚筒内烟丝颗粒的运动特性，指出颗粒粒径越小，颗粒运动包角越大，向滚筒内壁靠近的趋势越明显。周重凯等［3］对滚筒内烟丝受力状况进行模拟，指出滚筒转速为20 r/min时烟丝整丝率最高。黎西等［4］分析了料液流量、料液温度、雾化压力对外混式雾化喷嘴粒径分布的影响，随着雾化压力增加，雾化液滴分布均匀性呈降低趋势。王宇等［5］研究了双流体雾化喷嘴粒径分布特性，指出随着气液比增加，索太尔平均直径减小，分布均匀性指数有所增加；随着料液温度增加，索太尔平均直径减小，分布均匀性指数变化较小。杨欢［6］借助Fluent仿真软件对喷嘴内部流场进行分析，但未研究料液的二次雾化特性。山泽银［7］对喷嘴雾化特性进行CFD分析，指出喷射压力与入射角越大，雾化液滴的粒径越小。廖惠云等［8］筛选出适用于表征制丝加香工序均匀性的标志物，并研究了取样量、取样次数及时间间隔对标志物含量的影响。张珍禛等［9］通过实验优化了香精流量、物料流量、喷嘴数量、喷嘴位置和雾化压力等指标，并利用超声提取-气相色谱质谱联用法对加香工序中引入的目标致香化合物进行定性和定量分析。刘振等［10］基于数字化图像处理技术，开发了用于识别解耦状态下轴向和截面液雾颗粒的测量方法。但对于制丝滚筒类设备，如何实现加香工艺过程向“白箱”系统转变的研究则鲜见报道。为此，通过研究烟丝在加香滚筒内的运行状态，基于数值仿真模拟技术对滚筒内的导料板结构进行优化，并采用超声提取-气相色谱质谱联用法对加香效果进行验证，以期提高烟丝香料吸收均匀性和有效吸收率。

1 问题分析

1.1 加香滚筒工作原理

加香滚筒主要由进料系统、筒体、出料系统、喷嘴等部分组成，见图1。烟丝经输送带进入滚筒内部，依靠加香滚筒倾角在自身重力作用下，随旋转的滚筒向出料口呈螺旋状前进，同时烟丝被导料板扬起一定高度后下落形成烟丝瀑布面，便于吸收香料。加香滚筒进料口配有1个双介质喷嘴，通过压缩空气引射香料，并形成雾化状的微小香料颗粒，有利于烟丝吸收香料。生产中采用实时进料流量乘以加香比例的方式计算当前香料瞬时流量，通过变频控制加香泵，实现香料的精准施加。

1.2 存在问题

以龙岩烟草工业有限责任公司为例，制丝一区采用的是SJ238B型加香滚筒（昆明船舶设备集团有限公司），生产能力为7 200 kg/h，运行转速9 r/min，筒体直径2 m，长度5 m，倾角3°，滚筒逆时针旋转（从出料口观察滚筒）。该滚筒采用的是“三段式”导料板结构，即进料段+加香段+排料段，见图2。由于烟丝在滚筒内有效填充面积有限，生产中存在以下问题：①在进料段，导料板逐步抬高，烟丝进入滚筒被上扬至3点钟位置后，迅速进入加香段；②在加香段，导料板采用等高设计且1点钟为竖直位，烟丝在惯性作用下被抛至1点钟位置，形成烟丝瀑布面后再下落至7点钟位置；③在排料段，导料板逐步降低，烟丝下落至3点钟位置后排出滚筒。由图3可见，烟丝在滚筒内的有效填充区域主要为右半边区域，面积

图2 传统“三段式”加香滚筒导料板结构示意图Fig.2 Structure of paddle of traditional“three-section”flavaring cylinder

图3 传统“三段式”加香滚筒物料分布示意图Fig.3 Schematic diagram of material distribution in tradition“three-section”flavoring cylinder

约占50%，导致滚筒左半边区域没有烟丝，从而形成“穿堂风”，被雾化成微小颗粒的香料在气流的推动下直接被排出滚筒，由此减少了香料与烟丝的接触面积和时间，影响香料吸收率。

2 系统设计

采用数值仿真模拟技术对加香滚筒进行建模，应用EDEM软件对滚筒内不同时刻的烟丝运行状态进行分析，并根据模拟结果对滚筒内导料板结构进行优化。

2.1“三段式”加香滚筒的数值仿真

采用ANSYSWorkbench软件的Mesh单元对加香滚筒进行网格划分，基于对异型尺寸适应性较好的多面体网格进行离散，离散后网格见图4。基本参数设置：加香滚筒壁面为304不锈钢材质；烟丝密度80 kg/m3；摩擦系数包括恢复系数、静摩擦系数和动摩擦系数。其中，保持烟丝颗粒原形状的恢复系数为0.05，滚筒壁面与烟丝颗粒之间的静摩擦系数为0.8，烟丝颗粒之间的静摩擦系数为0.9，烟丝颗粒相对运动的动摩擦系数为0.1。仿真模型由若干个球组成条状烟丝颗粒，颗粒直径2 mm，长34 mm，单个球的烟丝质量为0.02 g，见图5。

图4 加香滚筒的网格划分Fig.4 Mesh generation of flavoring cylinder

图5 烟丝颗粒仿真模型Fig.5 Simulation model of tobacco particles

将加香滚筒进料口确定为颗粒产生源，进料流量与实际流量一致，均为2 kg/s。总计算时间设为100 s，采用欧拉算法，时间步长为0.000 2 s，数据统计间隔为0.05 s，每100迭代步保存一次数据。基于EDEM软件进行仿真，统计滚筒内烟丝质量。由图6可见，设烟丝进入滚筒内时间第5 s时，滚筒内烟丝总质量为10.0 kg；在第40 s时，部分烟丝开始排出滚筒，此时滚筒内剩余烟丝质量为9.9 kg；在第80 s时，剩余烟丝质量为5.4 kg；在第100 s时，剩余烟丝质量为3.0 kg。由图7可见，在第80 s时，烟丝颗粒运动轨迹与烟丝实际运行状态基本相符，表明仿真边界条件设置合理。

图6 滚筒内烟丝质量变化Fig.6 Variation of cut tobacco weight in cylinder

图7 第80 s时烟丝颗粒运动轨迹Fig.7 Movement trajectory of tobacco particles at 80 s

2.2“五段式”加香滚筒的数值仿真

针对“三段式”加香滚筒存在物料有效填充面积不足等问题，根据烟丝在滚筒内不同阶段的运行状态，设计了由进料段+加香段+混合段+阻流段+出料段组成的“五段式”加香滚筒，见图8。在进料段，烟丝在逐步升高的导料板作用下快速进入加香段；在加香段，烟丝在1点钟位置下落并形成瀑布面，与香料颗粒充分接触并吸收；在混合段，导料板的角度与加香段相同但采用错位的方式设置，使烟丝与未吸收的香料颗粒进一步混合吸收；在阻流段，烟丝在导料板作用下翻滚至滚筒的左半边区域，避免形成“穿堂风”，并将未吸收的微小香料颗粒完全吸收；在排料段，烟丝在导料板作用下迅速排出滚筒，避免过度加香。

图8 “五段式”加香滚筒导料板结构示意图Fig.8 Structure diagram of paddle of“five-section”flavoring cylinder

2.2.1 关键特征参数的仿真模拟

“五段式”加香滚筒仿真模型的关键特征参数包括导料板数量、混合段导料板高度和阻流段导料板轴向角度。其中，导料板沿周向均布数量分别为11、12、13（原设计）、14和15个；混合段导料板高度分别为76、105、135、184、246（原设计）、310、380和450 mm；阻流段导料板轴向角度分别为60°（原设计）、75°、90°、105°和120°。通过优化滚筒特征参数组合，评价滚筒内烟丝颗粒停留总时间和加香区域烟丝颗粒停留时间。其中，加香区域定义为香料颗粒与烟丝颗粒的混合空间，尺寸为500 mm×800 mm×1 000 mm，区域位置见图9。

图9 滚筒内加香区域示意图Fig.9 Schematic diagram of flavoring area inside cylinder

2.2.2 导料板数量仿真

基于EDEM软件进行仿真，分别考察导料板均布数量为11、12、13、14和15个时，对滚筒内和加香区域内烟丝颗粒数量的影响。由图10 a可见，在相同时间点下，导料板数量越少，停留在滚筒内的烟丝颗粒越少，导料板为12、13、14和15个时烟丝颗粒在滚筒内的运行曲线基本重合，表明导料板数量超过12个时，对烟丝颗粒的运动特性影响不大。由图10 b可见，导料板为11和12个时，加香区域内烟丝颗粒数量减少，但烟丝颗粒运动曲线基本相同；导料板为13和14个时，烟丝颗粒数量变化差异不大；导料板为15个时，烟丝颗粒数量增加，但运动曲线斜率也增加，因此烟丝会迅速排出滚筒。可见，导料板数量对烟丝颗粒在滚筒内的停留时间影响不大，故保留原13个导料板不变。

2.2.3 混合段导料板高度仿真

导料板高度会影响单次导料的烟丝颗粒数量，分别考察导料板高度为76、105、135、184、246、310、380和450 mm时，对滚筒内以及加香区域内烟丝颗粒数量的影响。由图11可见，高度较低的导料板对烟丝颗粒作用较小，烟丝颗粒可以顺利排出滚筒；高度较高的导料板可显著增加滚筒内以及加香区域内的烟丝颗粒数量，延长烟丝颗粒在滚筒内的停留时间，但缩短了加香区域内的停留时间，由此影响香料吸收率。因此，导料板高度取310 mm最优。

图11 不同导料板高度下烟丝颗粒数量对比Fig.11 Comparison of tobacco particle amounts at different paddle heights

2.2.4 阻流段导料板轴向角度仿真

由图12可见，“三段式”加香滚筒采用1点钟位置的导料板卸下烟丝，形成烟丝瀑布面。为此，以该点位导料板为基准，将其与通过轴心的X轴之间的夹角定义为阻流段导料板轴向角度，分别考察轴向角度为60°、75°、90°、105°和120°时，对滚筒内以及加香区域内烟丝颗粒数量的影响。由图13 a可见，在相同时间点下，轴向角度越大，滚筒内的烟丝颗粒越多，表明轴向角度与烟丝在滚筒内的停留时间正相关；由图13 b可见，轴向角度＞75°时，加香区域内的烟丝颗粒运动曲线基本一致。

图12 导料板阻流段轴向角度示意图Fig.12 Schematic diagram of axial angle of paddles in spoiler section

图13 不同阻流段导料板轴向角度下烟丝颗粒数量对比Fig.13 Comparison of tobacco particle amounts at different axial angles of paddles in spoiler section

为进一步提升烟丝在加香滚筒阻流段的均匀性，将阻流段导料板高度设为渐高模式（310～380 mm），取轴向角度为120°，考察烟丝颗粒在不同抛撒高度下形成的烟丝瀑布层，以及不同时刻下烟丝颗粒在滚筒内的分布。由图14可见，阻流段烟丝卸下形成的瀑布面在不同时刻分布有差异，在第40 s和第70 s时均能够有效填充滚筒。因此，阻流段导料板高度采用渐高模式，轴向角度为120°时最优。

图14 滚筒内不同时刻下烟丝卸下形成瀑布面的位置Fig.14 Tobacco particle falling position inside cylinder at different time

2.2.5 “五段式”加香滚筒结构及尺寸

通过仿真模拟，获得“五段式”加香滚筒最佳结构组合为均布13个导料板、混合段导料板高度310 mm、阻流段导料板角度120°，具体参数见表1。

表1 “五段式”加香滚筒结构尺寸Tab.1 Dimensions of“five-section”tobacco flavoring cylinder

2.3 改进前后加香滚筒的数值仿真

为考察烟丝颗粒在加香滚筒内运动状况以及导料板对烟丝颗粒的保持效果，分别统计“三段式”与“五段式”加香滚筒内、加香段、混合段和阻流段内烟丝颗粒数量。由图15 a可见，在进料段，改进前后烟丝颗粒数量基本一致；在加香段，改进后延长了烟丝颗粒停留时间；在排料段，改进后烟丝颗粒运动曲线斜率增加，因此烟丝颗粒排出滚筒速度加快。由图15 b可见，改进后延长了烟丝颗粒停留时间，加香段烟丝颗粒数量由127个增加至330个。由图15 c可见，改进后混合段烟丝颗粒数量由59个增加至153个，原因在于提高导料板高度能够提升烟丝颗粒扬起高度并延长停留时间。由图15 d可见，改进前后阻流段烟丝颗粒数量基本一致，均保持在50个左右，表明改变阻流段导料板轴向角度不会影响烟丝颗粒在滚筒内滞留时间。图16为改进前后第50 s时烟丝颗粒运动轨迹对比，可见改进后滚筒能够将烟丝颗粒填充至滚筒左半边区域，提升滚筒内烟丝有效填充面积。

图15 改进前后烟丝颗粒在加香滚筒内停留时间对比Fig.15 Comparison of residence time of tobacco particles in flavoring cylinder before and after modification

图16 改进前后滚筒内烟丝颗粒运动轨迹对比Fig.16 Comparison of movement trajectory of tobacco particles in cylinder before and after modification

3 应用效果

3.1 试验设计

材料：“七匹狼（白）”牌卷烟叶丝配方（龙岩烟草工业有限责任公司提供）。

仪器和设备：SJ238B型加香滚筒（额定生产能力7 200 kg/h，昆明船舶设备集团有限公司）；Clarus 680-SQ8型气相色谱-质谱联用仪（美国PE公司）；D-78224型超声波清洗仪（德国Elma公司）。

方法：①依据《烟草加工在线水分仪检定规程》［11］进行烟丝取样，每分钟取样1次，共30次；香料取样1次，检测5组数据。共计35个样本。采用超声提取-气相色谱质谱联用法检测改进前后“七匹狼（白）”牌卷烟的烟丝和香料中薄荷醇和香茅醇含量并进行对比。②随机抽取改进前后成品卷烟数条，根据《烟草在制品 感官评价方法》［12］由7名评吸人员进行卷烟感官质量评价。

3.2 数据分析

由表2可见，加香滚筒改进后薄荷醇吸收率由40.29%增至49.38%，增幅22.56%；香茅醇吸收率由30.48%增至53.85%，增幅76.67%。改造前后各致香化合物的变异系数均在15%以内，符合工艺质量要求。卷烟感官评价结果显示，改进后烟支嗅香浓郁，香气量充足，满足产品设计要求。

表2 加香滚筒改进前后两种香料化学成分检测结果①Tab.2 Comparison of two flavors in cut tobacco before and after modification of flavoring cylinder

3.3 生产跟踪

由图17可见，采用“五段式”加香滚筒后，烟丝在不同功能段导料板作用下，左右两区域分别形成不同的烟丝瀑布面，特别是在阻流段，烟丝能够有效填充滚筒的左半边区域，避免在滚筒内形成“穿堂风”，增加了烟丝与微小香料颗粒的接触面积并延长了停留时间，达到充分吸收香料的目的。现场观察发现，滚筒出料区域空气中香精味明显减弱，雾状空气状况得到改善。

图17 加香滚筒改进前后生产运行状况对比Fig.17 Comparison of production and operation of flavoring cylinder before and after modification

4 结论

基于传统的“三段式”加香滚筒工作原理，通过数值仿真模拟技术，对加香滚筒内烟丝颗粒运动轨迹进行模拟，分别考察了导料板数量、混合段导料板高度和阻流段导料板轴向角度3个特征参数对滚筒内烟丝颗粒数量及停留时间的影响，并在此基础上设计了“五段式”加香滚筒。以龙岩烟草工业有限责任公司制丝一区7 200 kg/h加香滚筒为对象，利用薄荷醇和香茅醇两种香料化学成分进行跟踪检测，结果表明：“五段式”滚筒与“三段式”滚筒相比，薄荷醇吸收率增幅22.56%，香茅醇吸收率增幅76.67%；改进前后各致香化合物的变异系数均在工艺质量要求的15%以内；烟支嗅香浓郁，香气量充足，有效提升了加香均匀性和香料吸收率。