多級(jí)風(fēng)分除梗簽機(jī)的設(shè)計(jì)

鐘 林，陳占民，徐曉偉

1.貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司貴定卷煙廠，貴州省貴定縣環(huán)西線 551300

2.陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司澄城卷煙廠，陜西省澄城縣南大街588 號(hào) 715200

3.江蘇恒森煙草機(jī)械有限公司，江蘇省無(wú)錫市錫山區(qū)羊尖鎮(zhèn)膠陽(yáng)路 214000

在煙草加工過(guò)程中，經(jīng)過(guò)打葉復(fù)烤葉梗分離后的成品片煙中仍然存在一定比例的含梗片煙，這些煙梗在后續(xù)的制絲環(huán)節(jié)中會(huì)形成成品煙絲中的梗簽，而煙絲含梗簽率對(duì)卷煙產(chǎn)品的卷制質(zhì)量、燃燒過(guò)程及其感官質(zhì)量［1-2］均有重要影響。煙支中含梗簽不僅影響卷煙吸阻和煙支質(zhì)量的穩(wěn)定性，還會(huì)刺破卷煙紙，影響煙支外觀質(zhì)量。此外，煙支中的梗簽在燃吸過(guò)程中容易造成炸灰、熄火、煙錐脫落等問(wèn)題，并導(dǎo)致木質(zhì)氣重、刺激性大等不良感官質(zhì)量。因此，有效降低煙絲中梗簽含量、提高煙絲純凈度一直是卷煙企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題［3-4］。目前對(duì)煙絲中梗簽的剔除主要集中在制絲和卷制過(guò)程，制絲工序中配置的就地風(fēng)分［5-6］設(shè)備，可同時(shí)剔除重質(zhì)異物和部分梗簽，卷制環(huán)節(jié)中的卷煙機(jī)設(shè)置有進(jìn)料風(fēng)分管，也可剔除部分梗簽。兩種剔除方式均是基于風(fēng)力浮選［7］的原理，通過(guò)氣力吹送將懸浮速度較大的梗簽從煙絲中分離。但風(fēng)分過(guò)程中由于氣流速度分布及煙絲物料分散不均勻［8］，難以保持較高的梗簽剔除率，且一次風(fēng)分過(guò)程難以兼顧梗簽剔除率和煙絲帶出率等指標(biāo)。為盡可能地降低煙絲的梗簽含量，卷制機(jī)臺(tái)往往采用過(guò)度剔除的方式，導(dǎo)致設(shè)備剔除的梗簽含煙絲率達(dá)到8%～20%，合格煙絲浪費(fèi)嚴(yán)重。由于細(xì)支卷煙對(duì)煙絲純凈度的要求更高，目前細(xì)支卷煙加工過(guò)程中剔除的梗簽含煙絲率更大［9］。為此，研制了一種新型多級(jí)風(fēng)分除梗簽設(shè)備，將煙絲機(jī)械打散與三級(jí)風(fēng)分過(guò)程相結(jié)合，合理設(shè)計(jì)三級(jí)風(fēng)分風(fēng)速，通過(guò)風(fēng)分過(guò)程使煙絲物料均勻分散，以期提高煙絲梗簽剔除率，實(shí)現(xiàn)梗簽的高效分離和剔除。

1 問(wèn)題分析

利用風(fēng)力浮選的方式進(jìn)行煙絲與梗簽分離，原理在于二者在氣流場(chǎng)中的懸浮速度存在一定差異。由于梗簽與煙絲的形態(tài)差異較大，在風(fēng)分設(shè)備中上升氣流對(duì)梗簽和煙絲的曳力系數(shù)有較大差別［1］，且二者密度也不同，梗簽與煙絲相比具有更大的懸浮速度，由此實(shí)現(xiàn)風(fēng)力浮選分離梗簽。但在風(fēng)分過(guò)程中，煙絲物料是否均勻分散會(huì)顯著影響煙絲、梗簽的分離效果，此外來(lái)料煙絲中還存在部分結(jié)團(tuán)煙絲，在就地風(fēng)分等設(shè)備中，結(jié)團(tuán)煙絲和夾裹的梗簽被同時(shí)剔除，導(dǎo)致結(jié)團(tuán)煙絲中大量合格煙絲浪費(fèi)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多級(jí)風(fēng)分除梗簽機(jī)主要由風(fēng)分箱體、進(jìn)料皮帶機(jī)、三通風(fēng)管、一級(jí)風(fēng)分進(jìn)風(fēng)管、打散輥組等部分組成，見(jiàn)圖1。該設(shè)備主要通過(guò)三級(jí)風(fēng)分結(jié)構(gòu)和風(fēng)分過(guò)程使物料均勻分散，實(shí)現(xiàn)煙絲中梗簽的高效分離。進(jìn)料輸送機(jī)將物料以一定角度拋入風(fēng)分箱體，在重力作用下，物料向斜下方下落，經(jīng)過(guò)一級(jí)風(fēng)分進(jìn)風(fēng)管出風(fēng)口時(shí)，物料與一級(jí)風(fēng)交錯(cuò)接觸，煙絲在風(fēng)力作用下初步被打散。在風(fēng)力作用下，煙絲中較重梗簽及結(jié)團(tuán)煙絲的拋出軌跡相似，主要落入下方的打散輥組區(qū)域，而分散的煙絲拋出距離較遠(yuǎn)，主要落入合格煙絲輸送機(jī)上。落入打散輥組上的梗簽和結(jié)團(tuán)煙絲，經(jīng)過(guò)打散輥旋轉(zhuǎn)釘齒的作用后被松散［10］，梗簽和松散開(kāi)的煙絲通過(guò)輥組間隙落下。由打散輥組區(qū)域下落的煙絲經(jīng)過(guò)二級(jí)風(fēng)分進(jìn)風(fēng)管出風(fēng)口時(shí)，與二級(jí)風(fēng)交錯(cuò)接觸，煙絲在風(fēng)力作用下被吹送至合格煙絲輸送機(jī)上，而梗簽落入較近的梗簽輸送機(jī)上。梗簽輸送機(jī)上的物料經(jīng)過(guò)梗簽出口管路被排出，此處設(shè)計(jì)有三級(jí)風(fēng)分進(jìn)風(fēng)管，即物料經(jīng)該管路排出時(shí)，三級(jí)風(fēng)自下而上與物料逆流接觸，目的是在梗簽排出前將梗簽物料中的少量煙絲分離回收。

圖1 多級(jí)風(fēng)分除梗簽機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of multistage pneumatic sliver separator

考慮到不同懸浮速度物料的梯度分離，各級(jí)風(fēng)分風(fēng)速采用了差異化設(shè)計(jì)。一級(jí)風(fēng)分主要將懸浮速度較大的游離梗簽和結(jié)團(tuán)煙絲分離出來(lái)，被打散的結(jié)團(tuán)煙絲在二級(jí)風(fēng)分時(shí)分離其中的梗簽；二級(jí)風(fēng)分主要對(duì)分離出的梗簽物料進(jìn)行細(xì)分，回收其中誤剔的煙絲；三級(jí)風(fēng)分風(fēng)速低于前兩級(jí)，目的在于盡可能地使懸浮速度較低的梗簽順利分離出來(lái)，同時(shí)減少被誤剔的煙絲量，降低剔除物中含絲率。

2.2 風(fēng)分箱體

風(fēng)分箱體為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，應(yīng)能滿(mǎn)足3 000 kg/h制絲線的生產(chǎn)能力。物料在風(fēng)分箱內(nèi)需經(jīng)歷3 次風(fēng)分和一次打散過(guò)程，因此箱體高度設(shè)計(jì)為2 600 mm，箱體兩側(cè)設(shè)有觀察窗。風(fēng)分箱體進(jìn)料端與高速皮帶機(jī)連接，與風(fēng)分箱體水平面夾角為15°，物料以該角度拋射進(jìn)入風(fēng)分箱內(nèi)。一級(jí)風(fēng)分進(jìn)風(fēng)和吹掃區(qū)域在物料入口的下方，二級(jí)風(fēng)分進(jìn)風(fēng)和吹掃區(qū)域在打散輥組的落料下方。合格煙絲和梗簽輸送機(jī)位于風(fēng)分箱底部，梗簽和合格煙絲分別由風(fēng)分箱兩側(cè)排出。其中，合格煙絲出料端采用四葉片葉輪式出料氣鎖結(jié)構(gòu)［11］，根據(jù)煙絲容重設(shè)計(jì)氣鎖直徑［12］，出料流暢且密封效果好。煙絲風(fēng)分過(guò)程采用的是循環(huán)風(fēng)，一部分風(fēng)隨除塵排出，風(fēng)分箱內(nèi)為負(fù)壓環(huán)境。

2.3 風(fēng)路系統(tǒng)

工藝氣體在風(fēng)路系統(tǒng)中的循環(huán)方式為：風(fēng)分箱內(nèi)的風(fēng)機(jī)通過(guò)網(wǎng)筒抽取箱內(nèi)的工藝氣體，并送入循環(huán)風(fēng)管道；一部分循環(huán)工藝氣體由除塵風(fēng)管排出，其余循環(huán)至進(jìn)料端的調(diào)風(fēng)閥，分為一級(jí)風(fēng)分和二級(jí)風(fēng)分工藝氣體；兩路風(fēng)分工藝氣體分別通過(guò)各自的進(jìn)風(fēng)管進(jìn)入風(fēng)分箱，并與落料煙絲交錯(cuò)接觸；由于風(fēng)分箱內(nèi)為負(fù)壓環(huán)境，在梗簽出口管路中，即三級(jí)風(fēng)分的進(jìn)風(fēng)管會(huì)吸入一定流量氣體，形成三級(jí)風(fēng)分工藝氣體，以平衡循環(huán)風(fēng)管道中排出的除塵氣體［13］。

風(fēng)路系統(tǒng)中的調(diào)風(fēng)閥主要用于合理分配兩個(gè)風(fēng)分風(fēng)管的風(fēng)量，通過(guò)改變調(diào)風(fēng)閥的閥板角度，即可調(diào)節(jié)一級(jí)、二級(jí)風(fēng)分風(fēng)量比例，見(jiàn)圖2。一級(jí)風(fēng)分和二級(jí)風(fēng)分進(jìn)風(fēng)管均設(shè)計(jì)為扁平矩形管，尺寸與風(fēng)分箱寬度接近，保證兩級(jí)風(fēng)分區(qū)域工藝氣體吹掃均勻。風(fēng)管與風(fēng)分箱體連接處為水平放置，以使氣流水平進(jìn)入風(fēng)分箱體。

圖2 風(fēng)分管路及調(diào)風(fēng)閥Fig.2 Pneumatic separating ducts and air regulating valve

2.4 風(fēng)機(jī)風(fēng)量

2.4.1 梗簽出口處風(fēng)速及除塵風(fēng)量

已知梗簽懸浮速度為5.0～5.5 m/s，煙絲懸浮速度為2.0～2.3 m/s，梗簽出口處風(fēng)量Q梗計(jì)算公式為：

式中：Q?！：灣隹谔庯L(fēng)量，m3/h；A1—梗簽出口風(fēng)道厚度，m；B1—梗簽出口風(fēng)道寬度，m；V1—梗簽出口風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速，m/s。

其中A1取0.28 m，B1取1.43 m，V1取3.5 m/s，計(jì)算可得Q梗為5 045 m3/h，因此除塵風(fēng)量Q1至少為5 045 m3/h?？紤]到設(shè)備連接部位可能存在漏風(fēng)，除塵風(fēng)量設(shè)計(jì)為可調(diào)形式，最終確定Q1為8 000 m3/h。

2.4.2 第一次風(fēng)分風(fēng)量

第一次風(fēng)分風(fēng)量計(jì)算公式為：

式中：Q2—第一次風(fēng)分風(fēng)量，m3/h；A2—第一次風(fēng)分風(fēng)道厚度，m；B2—第一次風(fēng)分風(fēng)道寬度，m；V2—第一次風(fēng)分風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速，m/s。

其中A2取0.22 m，B2取1.43 m，V2取4 m/s，計(jì)算可得Q2為4 530 m3/h。

2.4.3 第二次風(fēng)分風(fēng)量

第二次風(fēng)分風(fēng)量計(jì)算公式為：

式中：Q3—第二次風(fēng)分風(fēng)量，m3/h；A3—第二次風(fēng)分風(fēng)道厚度，m；B3—第二次風(fēng)分風(fēng)道寬度，m；V3—第二次風(fēng)分風(fēng)道內(nèi)風(fēng)速，m/s。

其中A3取0.22 m，B3取1.43 m，V3取4 m/s，計(jì)算可得Q3為4 530 m3/h。

2.4.4 系統(tǒng)總風(fēng)量

系統(tǒng)總風(fēng)量Q總=Q1+Q2+Q3，即Q總為17 060 m3/h。因此，該設(shè)備需要2 臺(tái)風(fēng)機(jī)，即每臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量大于8 530 m3/h。

2.5 出料氣鎖

以3 000 kg/h 制絲線為例確定氣鎖直徑，氣鎖結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。保險(xiǎn)系數(shù)K 取0.15［11］，則Q氣鎖=3 000/0.15=20 000 kg/h。氣鎖直徑計(jì)算公式［11］為：

式中：D氣鎖—?dú)怄i直徑，m；n氣鎖—?dú)怄i減速機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；G煙絲—煙絲容重，kg/m3；L氣鎖—?dú)怄i長(zhǎng)度，m。

其中n氣鎖取36 r/min，煙絲容重G煙絲取最小值50 kg/m3，L氣鎖取1.43 m，計(jì)算可得D氣鎖=0.406 m，即氣鎖直徑要大于0.406 m。考慮到氣鎖方軸及葉片所占體積，最終確定D氣鎖為500 mm。

圖3 氣鎖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of airlock structure

2.6 排風(fēng)網(wǎng)筒

2.6.1 網(wǎng)筒開(kāi)孔率

為獲得較大開(kāi)孔率［14］，網(wǎng)筒網(wǎng)孔直徑取2.5 mm，采用60°交錯(cuò)排布方式，相鄰兩孔中心距為4 mm，網(wǎng)孔分布見(jiàn)圖4。

圖4 網(wǎng)孔分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of mesh distribution

網(wǎng)筒開(kāi)孔率計(jì)算公式為：

式中：m—開(kāi)孔率；s—單位面積，mm2；n—單位面積上網(wǎng)孔數(shù)量；r孔—網(wǎng)孔半徑，mm。

取長(zhǎng)14 mm，寬12 mm 的矩形為單位面積，計(jì)算開(kāi)孔率。矩形上有12 個(gè)孔，小于3 mm 的灰塵可以直接進(jìn)入除塵裝置，因此網(wǎng)孔直徑取2.5 mm，計(jì)算可得m 為35%。

2.6.2 網(wǎng)筒直徑

網(wǎng)筒設(shè)計(jì)為圓筒狀，在主軸上焊接了6 塊隔板，隔板之間焊接有弧形加強(qiáng)筋，沖孔網(wǎng)板鉚接在加強(qiáng)筋上，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 排風(fēng)網(wǎng)筒結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of air exhaust mesh pipe

筒面風(fēng)速計(jì)算公式為：

式中：V筒—筒面風(fēng)速，m/s；Q總—系統(tǒng)總風(fēng)量，m3/h；D筒—網(wǎng)筒直徑，m；L筒—網(wǎng)筒長(zhǎng)度，m。

假 設(shè)D筒取0.8 m，已 知L筒為1.4 m，Q總為17 060 m3/h，計(jì)算可得V筒為1.35 m/s。由文獻(xiàn)［15］可知，當(dāng)V筒≤1.35 m/s 時(shí)，煙絲不會(huì)吸附在筒面上，最終確定D筒為800 mm。

2.7 打散輥組

打散輥組主要是通過(guò)相鄰打散輥釘齒的交錯(cuò)旋轉(zhuǎn)，將結(jié)團(tuán)煙絲機(jī)械松散，便于后續(xù)二級(jí)風(fēng)分對(duì)梗簽和煙絲進(jìn)行分離。打散輥組設(shè)置在第一級(jí)與第二級(jí)風(fēng)分風(fēng)管之間，共有4 根打散輥，前3 根為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，最后一根為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為前3根的2 倍，見(jiàn)圖6。試驗(yàn)結(jié)果表明，打散輥采用釘輥形式效果較理想，可以將結(jié)團(tuán)煙絲徹底打散，且減少煙絲造碎［16］。打散輥具體尺寸為：釘輥直徑180 mm，相鄰2 個(gè)打散輥中心距180 mm，釘齒長(zhǎng)56 mm，12 個(gè)釘齒沿圓周均布，相鄰2 個(gè)釘齒交錯(cuò)分布。

圖6 打散輥組示意圖Fig.6 Schematic diagram of loosening rollers

2.8 各級(jí)風(fēng)分風(fēng)速

在煙絲含水率11%～13%范圍內(nèi)，梗簽懸浮速度為5.0～5.5 m/s，煙絲懸浮速度為2.0～3.0 m/s［17-18］。由于一、二級(jí)風(fēng)分風(fēng)速與三級(jí)風(fēng)分風(fēng)速采用差異化設(shè)計(jì)，一、二級(jí)風(fēng)分過(guò)程中工藝氣體在水平方向上與煙絲交錯(cuò)接觸，并將煙絲吹掃至煙絲皮帶承接區(qū)域，因此這兩級(jí)風(fēng)分風(fēng)速應(yīng)低于梗簽懸浮速度的下限，明顯高于煙絲懸浮速度的上限，設(shè)計(jì)風(fēng)速介于4.0～4.5 m/s 之間。三級(jí)風(fēng)分過(guò)程中，工藝氣體與物料在接近于垂直的管路中逆流接觸，因此風(fēng)分風(fēng)速稍高于煙絲懸浮速度的上限，即可將煙絲分離出來(lái)，設(shè)計(jì)風(fēng)速介于3.5～4.0 m/s 之間?；谏鲜龇治?，在一、二級(jí)風(fēng)分風(fēng)速取4.0 m/s，三級(jí)風(fēng)分風(fēng)速取3.5 m/s 時(shí)，各級(jí)風(fēng)量［19］及除塵風(fēng)量見(jiàn)表1。

表1 各級(jí)風(fēng)量及風(fēng)速計(jì)算結(jié)果Tab.1 Calculation results of air volume and velocity at each stage

3 應(yīng)用效果

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“黃果樹(shù)（軟02）”牌卷煙（貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司貴定卷煙廠提供）。

設(shè)備和儀器：煙絲結(jié)構(gòu)振動(dòng)分選篩（秦皇島煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）；SPS202F 型電子秤（精度0.01 g，瑞士梅特勒-托利多公司）；剔除梗簽物中含絲量檢測(cè)裝置（鄭州煙草研究院）。

測(cè)試方法：①在多級(jí)風(fēng)分除梗簽機(jī)前后分別取樣“黃果樹(shù)（軟02）”牌卷煙煙絲1 000 g，采用煙絲結(jié)構(gòu)振動(dòng)分選篩分選并記錄，檢查各層篩網(wǎng)所收集的煙絲質(zhì)量之和，不超出樣品質(zhì)量±1.5%，若超出則重新取樣；②將多級(jí)風(fēng)分除梗簽機(jī)前取樣煙絲按流量均勻地平鋪在進(jìn)料皮帶機(jī)上，待設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行后，啟動(dòng)進(jìn)料皮帶機(jī)，記錄梗簽剔除量；③采用剔除梗簽物中含絲量檢測(cè)裝置分選梗簽剔除物，稱(chēng)量并分別記錄煙絲和梗簽質(zhì)量；④采用剔除梗簽物中含絲量檢測(cè)裝置分選煙絲中梗簽，記錄并計(jì)算出1 000 g 煙絲中梗簽總質(zhì)量；⑤重復(fù)試驗(yàn)兩次。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表2 可見(jiàn)，經(jīng)風(fēng)分剔除梗簽后，煙絲結(jié)構(gòu)中的長(zhǎng)絲率降低4.4%，中絲率和短絲率分別增加4.0%和0.5%，碎絲率減少0.1%。這是由于煙絲在風(fēng)分及打散過(guò)程中長(zhǎng)絲容易造碎，進(jìn)而導(dǎo)致長(zhǎng)絲率降低，中短絲率增大。長(zhǎng)度＜1 mm 的碎絲容易通過(guò)除塵排出，由此導(dǎo)致碎絲率減少。

表2 風(fēng)分除梗簽前后煙絲結(jié)構(gòu)變化Tab.2 Variations in tobacco structure before and after pneumatic sliver separation （%）

由表3 可見(jiàn)，多級(jí)風(fēng)分除梗簽機(jī)的梗簽剔除效果良好，簽剔除率達(dá)到82%，剔除物中含絲率為4.7%，兼顧了較高的梗簽剔除率和較低的梗簽剔除物中含絲率。

表3 梗簽剔除效果Tab.3 Effects of tobacco sliver rejection （%）

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種新型多級(jí)風(fēng)分除梗簽設(shè)備，將煙絲機(jī)械打散與三級(jí)風(fēng)分過(guò)程相結(jié)合，合理設(shè)計(jì)三級(jí)風(fēng)分風(fēng)速，通過(guò)風(fēng)分過(guò)程實(shí)現(xiàn)物料的均勻分散，在風(fēng)分除梗簽過(guò)程中兼顧了較高的梗簽剔除率和較低的梗簽剔除物中含絲率等工藝指標(biāo)。以貴定卷煙廠生產(chǎn)的“黃果樹(shù)（軟02）”卷煙煙絲為對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：采用多級(jí)風(fēng)分除梗簽機(jī)后，梗簽剔除率達(dá)到82%，剔除物中含絲率為4.7%，風(fēng)分后煙絲長(zhǎng)絲率降低4.4 百分點(diǎn)，中絲率增加4.0 百分點(diǎn)，短絲率增加0.5 百分點(diǎn)，有效提高了煙絲純凈度，降低了風(fēng)分除梗簽過(guò)程中的煙絲消耗。