一種循環(huán)煙絲除雜系統(tǒng)試驗研究

左 麗 梅 芳

（1.徐州眾凱機(jī)電設(shè)備制造有限公司，江蘇 徐州 221004；2.湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司武漢卷煙廠，湖北 武漢 430000）

0 引言

在卷煙生產(chǎn)過程中，煙支卷接工藝需要使用大量的煙用搭口膠和接嘴膠，部分煙支因施膠量過多，使膠?；煸跓熃z中，降低了卷煙的品質(zhì)，風(fēng)選除雜技術(shù)在煙草生產(chǎn)線應(yīng)用廣泛，投資較少，使用效果明顯[1]，可以剔除干燥后葉絲所含的梗簽、梗塊等，提高葉絲純凈度。李春光等[2]發(fā)現(xiàn)風(fēng)選工藝可降低低檔卷煙的刺激性，改善口感。郭永等[3]采用葉絲風(fēng)選風(fēng)送管道，提高了梗簽的剔除率。張文海[4]通過柔性風(fēng)選技術(shù)對煙絲進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)整絲率降低了3%～4%，葉絲填充性能比風(fēng)選前提高0.1 cm3/g，可以提高卷制質(zhì)量的穩(wěn)定性；黃曉華等[5]研究不同牌號煙葉的合理風(fēng)速，系統(tǒng)性減少了人工參與調(diào)整風(fēng)量，實現(xiàn)節(jié)能，袁海霞[6]采用三級風(fēng)選的方法對黃鶴樓某細(xì)支卷煙進(jìn)行測試，可剔除梗簽含絲率降低20%以上，煙支含梗率由1.06%降低至0.74%。風(fēng)選技術(shù)也廣泛應(yīng)用于礦物分選、農(nóng)產(chǎn)品分離等各種行業(yè)。

針對煙草風(fēng)選直接車間抽風(fēng)的方式，存在風(fēng)選效果差、能耗高和風(fēng)選后煙絲的水分、溫度損失大以及能耗較高等問題，該文提出了1種循環(huán)煙絲除雜系統(tǒng)，通過氣相循環(huán)和風(fēng)量控制，完成煙草的風(fēng)選除雜，且風(fēng)選效率更高，更加節(jié)能。

1 試驗系統(tǒng)

煙絲除雜系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由煙絲除雜工序、煙絲收集工序與氣流平衡循環(huán)管路組成。

圖1 煙絲除雜系統(tǒng)

煙絲除雜工序為該系統(tǒng)的主要工序，在該階段中，煙絲通過進(jìn)料氣鎖進(jìn)入除雜系統(tǒng)，在風(fēng)選箱中，通過重力除雜的方式，將煙絲與膠粒分離，煙絲隨氣流進(jìn)入送絲管，之后送入煙絲收集階段。而膠粒則下落到振篩上，振篩自動運行，使膠粒通過振篩末端的出雜氣鎖排入靜壓箱中。（出雜氣鎖是系統(tǒng)圖中的4，是用于排出雜物的星型卸料器，排出雜物的同時，阻擋氣體泄漏）。

在煙絲收集工序中，經(jīng)過除雜的煙絲被落料箱內(nèi)部的篩網(wǎng)攔截下，被落料箱斗所收集。

氣流平衡循環(huán)管路是該系統(tǒng)保證除雜過程穩(wěn)定運行的創(chuàng)新性工序，主要在煙絲除雜工序與煙絲收集工序以及風(fēng)機(jī)之間對三者進(jìn)行協(xié)調(diào)。其中，在風(fēng)機(jī)與除雜工序設(shè)置了進(jìn)風(fēng)口與靜壓箱，用來保證除雜系統(tǒng)中氣流量的平衡；與靜壓箱相連的除塵管將含有膠粒、灰塵的氣流送入除塵房；在煙絲收集工序的前端與后端配備有氣流控制儀、電控風(fēng)門與回風(fēng)管，將兩道工序處理的氣流從回風(fēng)管送回風(fēng)機(jī)中，完成氣相的循環(huán)。氣流控制儀通過檢測管道的氣流風(fēng)速與流量，與預(yù)設(shè)風(fēng)量進(jìn)行對比，根據(jù)實際風(fēng)量與預(yù)設(shè)風(fēng)量的差值，自動對電控風(fēng)門的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.1 除雜系統(tǒng)氣流速度范圍

煙絲和膠體顆粒因密度不同，受到的重力和流體阻力不同，在氣流中的運動軌跡也不相同。在靜止流體中的單個顆粒主要受到重力、浮力和沉降時阻力的作用，重力與沉降方向一致，浮力與沉降方向相反，兩者的差值為顆粒的沉降力Fc。顆粒沉降時所受阻力的大小取決于顆粒的形狀、粒徑、表面特征、運動速度及流體的種類和性質(zhì)，顆粒受沉降力向下運動時，由于阻力F不斷增加，很快與沉降力達(dá)到平衡。假定顆粒為球狀顆粒，其值如公式（1）所示。

式中：Fc為顆粒的沉降力；F為顆粒受到流體的阻力；d為顆粒直徑；ρc為顆粒密度；ρ為流體密度；g為重力加速度；ξ為顆粒沉降時受到流體阻力的阻力系數(shù)；vc為顆粒沉降速度。

由顆粒受力平衡式Fc=F可得顆粒沉降速度，如公式（3）所示。

阻力系數(shù)ξ取決于顆粒與流體相對運動的雷諾數(shù)Re和塵粒形狀。工程實際應(yīng)用時考慮到風(fēng)選箱的占用空間和經(jīng)濟(jì)性，多使箱內(nèi)氣流處于湍流區(qū)，ξ=0.44，對于非球形顆粒的阻力系數(shù)為ξ'=λξ，氣流中煙絲和膠粒均為不規(guī)則形的顆粒，λ取值范圍為2.75～3.5。

為了在氣力輸送煙絲的同時去除煙絲中混雜的膠粒，氣流速度應(yīng)大于煙絲的沉降速度，使煙絲沿氣流方向運動，而不會沉降到風(fēng)選箱底部，同時氣流速度應(yīng)小于要去除的最小膠粒的沉降速度，使膠粒運動方向與氣流方向相反，下落至風(fēng)選箱底部的振篩，并由振篩排出系統(tǒng)，實現(xiàn)除雜功能。這就要求除雜系統(tǒng)的氣流速度v應(yīng)該嚴(yán)格滿足：vc（煙絲）

1.2 除雜系統(tǒng)運行效率

對于運行狀態(tài)下的除雜系統(tǒng)，可以采用風(fēng)選效率與煙絲誤剔率來評價系統(tǒng)對煙絲中膠粒的去除效果。系統(tǒng)風(fēng)選效率如公式（4）所示。

式中：m1為單位時間內(nèi)出雜口膠粒重量；m2為單位時間內(nèi)人工投料膠粒重量。

煙絲誤剔率如公式（5）所示。

式中：M1為單位時間內(nèi)出雜口煙絲重量；M2為單位時間內(nèi)人工投料煙絲重量。

2 試驗設(shè)計

試驗1：系統(tǒng)的外形尺寸長×寬×高為9 m×3.4 m×7 m。通過理論分析計算系統(tǒng)內(nèi)部的理論循環(huán)風(fēng)速范圍為13 m/s～18 m/s。通過對正常工作范圍的煙絲、膠粒含量測定，確定模擬實驗投料煙絲的含量為300 kg/h。在試驗中，改變循環(huán)風(fēng)速，投料1 h后，對出雜口處煙草進(jìn)行采樣分析，計算風(fēng)選效率與煙絲誤剔率。

試驗2：通過實驗1的測定，選擇合適的系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)風(fēng)速范圍，將其設(shè)定為正常工作范圍，對系統(tǒng)進(jìn)行為期60 d的數(shù)據(jù)采樣。測定送絲管內(nèi)的風(fēng)速、計算風(fēng)選效率與煙絲誤剔率。對系統(tǒng)進(jìn)行長期穩(wěn)定性的研究。同時，測定除塵工序送入除塵房的風(fēng)量占比、對除塵系統(tǒng)整體能耗進(jìn)行計算。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

3.1 系統(tǒng)篩選效率分析

送絲管風(fēng)速與風(fēng)選效率、煙絲誤剔率的關(guān)系如圖2所示，由圖2可知，在理論選定的風(fēng)速范圍13 m/s～18 m/s中，系統(tǒng)的風(fēng)選效率為40.29%～99.11%，而煙絲的誤剔率為0.96%～30.37%。

圖2 不同風(fēng)速下風(fēng)選效率、煙絲誤剔率

隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)選效率與煙絲誤剔率呈現(xiàn)了逐漸減小的趨勢。其中，當(dāng)送絲管風(fēng)速為12 m/s～15.5 m/s時，風(fēng)選效率隨風(fēng)速的增加而平穩(wěn)降低。當(dāng)送絲管風(fēng)速為15.5 m/s～18 m/s時，風(fēng)選效率隨風(fēng)速增加而急劇下降。煙絲的誤剔率則是先迅速減小，后趨于平緩。當(dāng)選取的風(fēng)速與膠粒速度相差較大時，膠粒受到氣流的浮力遠(yuǎn)小于重力。大量的膠粒沉降到靜壓箱中，因為風(fēng)速接近煙絲速度，所以部分煙絲也被沉降，出現(xiàn)了膠粒與煙絲一同沉降的現(xiàn)象。當(dāng)風(fēng)速提高到接近膠粒速度時，部分膠粒與大量煙絲一起被氣流的浮力帶入送絲管中。當(dāng)風(fēng)速接近膠粒速度時，風(fēng)速對膠粒沉降的影響比遠(yuǎn)離時大很多。風(fēng)速接近煙絲速度時也是同理。

3.2 系統(tǒng)剔除分析

對系統(tǒng)中進(jìn)行剔除的雜質(zhì)與剔除后煙絲進(jìn)行采樣分析。系統(tǒng)采樣后雜質(zhì)如圖3所示，對于較重的膠塊、膠粒和梗頭（圖3（a）），該除雜系統(tǒng)可以較好地剔除出去，這部分雜質(zhì)較重，呈現(xiàn)類球型或不規(guī)則形狀，也可以去除較小粒徑的膠粒，可去除膠粒的粒徑為3 mm。而煙草中去除較多的為煙梗部分，長為10 mm～20 mm，直徑為5 mm～10 mm的類圓柱，較好地保留了煙絲部分。對于硬質(zhì)包裝的邊角料（圖3（b）），系統(tǒng)也有較好的去除效果。但是，較輕的過濾嘴水松紙，因為其質(zhì)量較輕，且形狀為紙片狀（圖3（c）），其受到風(fēng)的浮力遠(yuǎn)大于重力，所以沉降速度與煙絲近似，甚至比煙絲更低，難以被該系統(tǒng)剔除。經(jīng)過去雜后的煙草圖如圖4所示，圖中的煙草膠粒、硬質(zhì)包裝和煙梗等全部去除，證明在正常的工作范圍內(nèi)，該系統(tǒng)對膠粒、硬質(zhì)包裝和煙梗等主要雜質(zhì)具有良好的去除效果。

圖3 采樣雜質(zhì)圖

3.3 系統(tǒng)長期運行穩(wěn)定性分析

系統(tǒng)連續(xù)運行60 d，對60 d內(nèi)的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并分析，結(jié)果見表1。

由表1可知，在60 d的觀察周期中，送絲管風(fēng)速全部為14.5 m/s～15.5 m/s，風(fēng)選效率約為96%，誤剔率約為4%。即在60 d的觀察周期中，該系統(tǒng)保持在正常的工作范圍，而風(fēng)選效率與煙絲誤剔率也保持穩(wěn)定。

表1 60 d風(fēng)速、風(fēng)選效率、煙絲誤剔率采樣分析

根據(jù)實驗測定，除塵管送入除塵房的除塵風(fēng)量約為風(fēng)選風(fēng)量的20%，80%的風(fēng)量在設(shè)備內(nèi)循環(huán)流動，同時系統(tǒng)的循環(huán)風(fēng)機(jī)功率為15 kW，除塵房對應(yīng)除塵器的風(fēng)機(jī)功率為11 kW，企業(yè)現(xiàn)有系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的總功率為55 kW，系統(tǒng)能耗降低52%。系統(tǒng)的除塵風(fēng)量約為風(fēng)選風(fēng)量的20%，由除雜系統(tǒng)造成的車間空調(diào)負(fù)荷降低了80%。

綜上所述，通過實驗選取系統(tǒng)的氣流速為14.5 m/s～15.5 m/s，在該氣流范圍中，運行60 d的效果穩(wěn)定，風(fēng)選效率保持在96%左右，誤剔率約為4%；且系統(tǒng)能耗降低了52%，除塵風(fēng)量僅為風(fēng)選風(fēng)量的20%，除塵車間空調(diào)負(fù)荷降低了80%。

圖4 去雜后煙草圖

4 結(jié)語

通過以上實驗得出以下4點結(jié)論：1） 發(fā)明新型循環(huán)煙絲除雜系統(tǒng)，對煙絲中膠粒進(jìn)行分離與去除，同時使用氣流控制儀對風(fēng)速進(jìn)行自動檢測、實時控制，數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定，響應(yīng)迅速，使用濾網(wǎng)自動清理，確保儀器長期穩(wěn)定地運行。2） 對風(fēng)速進(jìn)行理論計算與實驗測定，確定14.5 m/s～15.5 m/s為正常工作風(fēng)速；按照正常的工作風(fēng)速，進(jìn)行60 d監(jiān)控測定，系統(tǒng)的效果穩(wěn)定，風(fēng)選效率約為96%，誤剔率約為4%，完全滿足了煙絲除雜的要求，提升了煙絲的純凈度。3） 系統(tǒng)對3 mm膠塊、膠粒和梗頭、硬質(zhì)包裝的邊角料去除效果較好，但是較難篩選出過濾嘴水松紙。4） 該系統(tǒng)的除塵風(fēng)量僅為風(fēng)選風(fēng)量的20%，減小了除雜系統(tǒng)對物料水分和溫度的影響，煙絲的料氣損失減小，保證了煙絲的吸味和耐加工性，同時保障了工作人員的工作環(huán)境。系統(tǒng)除塵風(fēng)量小，除塵設(shè)備能耗低，車間內(nèi)需要補入的新風(fēng)量大幅減少，系統(tǒng)能耗降低了52%。