基于精細(xì)化加工的卷煙葉絲回收裝置優(yōu)化研究

楊 露，田德興，劉 兵，普云偉，馬加平

（紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司會(huì)澤卷煙廠，云南曲靖 654200）

成品煙絲中的梗簽容易造成卷接過(guò)程中煙支刺破，或者抽吸時(shí)燃燒錐掉落以及“開(kāi)花煙”等缺陷，不僅影響了煙支的燃燒性和理化指標(biāo)的穩(wěn)定性，而且對(duì)整個(gè)煙支的抽吸質(zhì)量也有較大的影響。會(huì)澤卷煙廠制絲車間月度消耗測(cè)試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，各牌號(hào)的梗簽剔除量約為35kg/批，2019年和2020年會(huì)澤卷煙廠制絲線投料量分別為1606批和1576批次（100個(gè)標(biāo)箱為1個(gè)批次）。同時(shí)，對(duì)經(jīng)過(guò)VAS硫化床后的梗簽剔除廢料進(jìn)行多次隨機(jī)取樣檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該部分梗簽中含絲率超過(guò)8%，按剔除量35kg/批計(jì)算，每年梗簽剔除廢料中的煙絲量至少為4454kg。大量的煙絲浪費(fèi)不利于煙草企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的進(jìn)一步提升，也不符合精細(xì)化加工的企業(yè)經(jīng)營(yíng)與管理理念。因此，通過(guò)開(kāi)發(fā)基于“葉絲冷卻過(guò)程在線分選回收裝置”，提高葉絲冷卻工序的梗簽剔除率，將盡可能多的梗簽在制絲環(huán)節(jié)剔除，大大減輕后續(xù)卷制環(huán)節(jié)的梗簽剔除壓力，最大程度降低因梗簽導(dǎo)致的煙支刺破、燃燒錐掉落和“開(kāi)花煙”等缺陷的發(fā)生，對(duì)提升企業(yè)卷煙精細(xì)化加工水平和品牌競(jìng)爭(zhēng)力都具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 卷煙制造過(guò)程中梗簽分布與分離難點(diǎn)

1.1 梗簽分布規(guī)律的確定

卷煙制造以流化床煙絲出口、流化床梗簽剔除出口、混絲加香機(jī)出口和卷煙機(jī)等4個(gè)工序?yàn)橹鳌Ｍㄟ^(guò)系統(tǒng)的跟蹤采樣，能夠得到檢測(cè)樣品中的梗簽含量及梗簽中煙絲含量。同時(shí)基于大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法，可以得到梗簽含量在各工序的分布變化規(guī)律，以便為葉絲冷卻過(guò)程在線分選回收裝置的優(yōu)化分析與設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2 梗簽形態(tài)與分離難點(diǎn)

基于會(huì)澤卷煙廠制絲線的工藝設(shè)備配置，對(duì)VAS流化床式除雜系統(tǒng)的剔除廢料進(jìn)行形態(tài)研究。結(jié)合以往的生產(chǎn)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可將剔除廢料的形態(tài)分為煙絲的結(jié)團(tuán)絲（團(tuán)絲）、細(xì)小的硬質(zhì)梗?；蚬：炍?、團(tuán)絲尾端連接著梗簽物以及細(xì)長(zhǎng)絲纏繞包裹在梗簽物外圍，如圖1所示。

圖1 梗簽剔除物中的煙絲形態(tài)示意圖

同時(shí)，為了提高VAS流化床式除雜系統(tǒng)的梗簽剔除率與煙絲回收率，可采用圖2所示的技術(shù)工藝。

圖2 葉絲冷卻過(guò)程在線分選回收裝置工藝流程

1.3 梗簽與煙絲形貌特性

卷煙制造過(guò)程中梗簽二次分離即是將后端工序中的梗簽與煙絲進(jìn)行深度分離，分離效果受梗簽與煙絲的形狀、尺寸以及表面結(jié)構(gòu)等影響較大。ZJ17型卷煙設(shè)備主要利用風(fēng)選設(shè)備對(duì)梗簽與煙絲進(jìn)行分離，由于二者尺寸與形狀差異較為顯著，因而在風(fēng)選工序中受到的流體曳力與浮力也存在明顯差異，合理利用這種差異是提高梗簽與煙絲分離效果的重要依據(jù)。煙絲與梗簽的形貌特征如圖3所示。

圖3 梗簽和煙絲形貌特征

梗簽與煙絲在風(fēng)選設(shè)備中會(huì)存在頻繁而復(fù)雜的動(dòng)量與能量轉(zhuǎn)換，同時(shí)也伴隨著多種力的作用。將風(fēng)選設(shè)備視作一種物理場(chǎng)，梗簽與煙絲視作固體顆粒，則風(fēng)選分離設(shè)備中的作用力主要包括物理場(chǎng)對(duì)固體顆粒的作用力、物理場(chǎng)對(duì)氣體顆粒的作用力以及固體顆粒對(duì)氣體顆粒的作用力等。通過(guò)計(jì)算機(jī)與軟件模擬，并參照梗簽與煙絲廢料的形貌特征，可以得到梗簽分離與煙絲回收的難點(diǎn)，以便后續(xù)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)處理。

1.4 當(dāng)前梗簽分離裝置研究與應(yīng)用的不足

近年來(lái)，隨著人們生活水平的提高與卷煙市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，煙草企業(yè)在注重提高卷煙制造過(guò)程梗簽分離率與煙絲回收率的同時(shí)也更加注重成品煙支的質(zhì)量。在當(dāng)前較為主流的煙草生產(chǎn)工藝中，梗簽分離與煙絲回收主要是利用卷煙設(shè)備附屬的梗簽篩選裝備來(lái)完成的，雖然能夠在一定程度上提高梗簽分離率與煙絲回收率，但是總體效果不佳。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）不同型號(hào)的煙支生產(chǎn)需要用到不同類型的卷煙機(jī)組設(shè)備，現(xiàn)階段一些煙草企業(yè)所進(jìn)行的梗簽分離研究更多的只是面向部分卷煙機(jī)組，適用面較窄，且在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在風(fēng)選通道易堵塞、煙絲完整度不高、梗簽分離帶出煙絲多以及梗簽分離不徹底等問(wèn)題。

（2）目前許多煙草企業(yè)針對(duì)梗簽分離的研究?jī)H停留在理論層面，并未在技術(shù)專利的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，且?guī)缀跛械墓：灧蛛x裝置都是將卷煙生產(chǎn)分離出的梗簽與帶出的煙絲引出產(chǎn)線外，然后經(jīng)再次分選來(lái)實(shí)現(xiàn)煙絲的二次回收，不僅拉低了總體的梗簽分離與煙絲回收效率，還伴隨著煙絲水分流失與造碎的問(wèn)題。

（3）當(dāng)前梗簽分離與煙絲回收裝置的研究很多都需要改動(dòng)一、二級(jí)分離裝置或調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)，對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)水平要求較高，且參數(shù)調(diào)整還會(huì)對(duì)卷煙機(jī)組的整體性能產(chǎn)生未知的干擾。

（4）風(fēng)選是卷煙生產(chǎn)中梗簽分離的主流工藝，但將梗簽與煙絲視作球形顆粒來(lái)考慮其在風(fēng)選物理場(chǎng)中的受力會(huì)與實(shí)際情況存在一定的差異，且風(fēng)選系統(tǒng)內(nèi)各連接處均會(huì)產(chǎn)生一定的能量損失與受力干擾。因此出口端煙絲質(zhì)量的保證還需要綜合考慮風(fēng)選場(chǎng)的管道連接。

2 卷煙梗簽分離裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)上述梗簽分離難點(diǎn)與現(xiàn)狀，為了進(jìn)一步提高卷煙生產(chǎn)過(guò)程中梗簽分離率，降低煙絲的耗損，應(yīng)針對(duì)性地進(jìn)行多級(jí)分選系統(tǒng)與回收、輸運(yùn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

ZJ17型卷煙機(jī)組如圖4所示，其主要功能結(jié)構(gòu)包括VE供絲機(jī)、SE煙條成型機(jī)以及YJ17濾嘴接裝機(jī)等三大部分。針對(duì)卷煙制造梗簽分離的優(yōu)化研究，應(yīng)綜合考慮風(fēng)選系統(tǒng)的工作原理、多級(jí)分離裝置的工藝流程以及關(guān)鍵功能單元的可靠性保證等方面。

圖4 ZJ17型卷煙機(jī)組

2.1 ZJ17型卷煙機(jī)組風(fēng)選系統(tǒng)

（1）煙絲與梗簽混合物進(jìn)入ZJ17型卷煙機(jī)組供絲機(jī)后的運(yùn)動(dòng)路徑：吸絲風(fēng)室→預(yù)儲(chǔ)絲室→儲(chǔ)料區(qū)→提絲帶→上勻絲輥→磁選除鐵→計(jì)量料槽→針輥→彈絲輥→高速輸送帶→第一級(jí)風(fēng)選梗絲分離→（螺旋輸送器→第二級(jí)風(fēng)選除梗）→吸絲成型導(dǎo)輥→（核掃描器→微波密度測(cè)量?jī)x）平準(zhǔn)器→成型煙絲條輸出。

（2）梗簽二次分離工藝的煙絲運(yùn)動(dòng)路徑：平準(zhǔn)器→回絲輸送帶→回絲振槽→回絲貯料區(qū)→下勻絲輥→提絲帶→上勻絲輥→……→成型煙絲條輸出。

ZJ17卷煙機(jī)組梗簽分離裝置如圖5所示，該供絲系統(tǒng)中共有兩級(jí)梗簽與煙絲分離單元，梗簽分離與煙絲回收的效率與回收率等可通過(guò)調(diào)整兩個(gè)分離系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖5 ZJ17卷煙機(jī)組梗簽分離裝置示意圖

卷煙機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，梗簽與煙絲進(jìn)入一級(jí)分選室后其中一部分會(huì)在彈絲轆的作用下被攤灑至輸運(yùn)裝置中并進(jìn)入風(fēng)選裝置內(nèi)，風(fēng)選裝置內(nèi)噴出的高速氣流會(huì)對(duì)煙絲與梗簽的運(yùn)動(dòng)造成不同的影響，從而實(shí)現(xiàn)梗簽與煙絲的一次分離。經(jīng)一次分選后的物料被繼續(xù)輸送至二級(jí)分選系統(tǒng)中，并在重力與分選系統(tǒng)內(nèi)部氣流的綜合作用下完成二次分離，從而達(dá)到進(jìn)一步的凈化效果。

2.2 梗簽分離與煙絲回收優(yōu)化思路

如上所述，梗簽與煙絲在卷煙機(jī)組中會(huì)經(jīng)過(guò)兩層篩選，但是總體效果仍存在一定的優(yōu)化空間，考慮到分選裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與連接會(huì)對(duì)氣流造成較為顯著的影響，因此借助廣泛應(yīng)用于CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）分析的Fluent軟件構(gòu)建基于風(fēng)選系統(tǒng)內(nèi)部氣流場(chǎng)模型并進(jìn)行相關(guān)的量化分析。結(jié)合ZJ17型卷煙機(jī)組的結(jié)構(gòu)特征與分選系統(tǒng)內(nèi)氣流速度跡線圖、各氣流管路截面速度云圖以及氣流速度矢量圖等可以發(fā)現(xiàn)：增加引導(dǎo)氣流流動(dòng)的疏導(dǎo)區(qū)有助于梗簽與煙絲混合物的均勻性分布與后續(xù)的分離；卷煙機(jī)進(jìn)料口處直徑與氣流流速呈現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，物料速度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因碰撞而造碎過(guò)多，物料速度過(guò)小又會(huì)影響生產(chǎn)效率和進(jìn)入風(fēng)選裝置的速度均勻性，因此需要使用梗簽與煙絲進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)以確定最優(yōu)的直徑數(shù)值；內(nèi)壁半徑過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致梗簽流出通道內(nèi)氣流雜亂，造成煙絲被吸入從而影響風(fēng)選效果，內(nèi)壁半徑過(guò)小又會(huì)增加煙絲運(yùn)行斜率，導(dǎo)致造碎率過(guò)高，因此內(nèi)壁半徑的確定尤為重要。此外，梗簽分離與煙絲回收的優(yōu)化，還可以考慮并實(shí)驗(yàn)出口度對(duì)氣流與梗簽分離的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，梗簽的殘留容易造成煙支在卷接過(guò)程中出現(xiàn)包裝刺破，抽吸過(guò)程中燃燒錐掉落以及“開(kāi)花煙”等問(wèn)題，對(duì)煙支的燃燒性與理化指標(biāo)的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響，進(jìn)而會(huì)對(duì)煙支消費(fèi)者的抽吸質(zhì)量產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響。本文針對(duì)葉絲冷卻過(guò)程提出了一種在線分選回收裝置，旨在對(duì)卷煙制造過(guò)程中的煙絲含梗量、梗簽含絲量、煙絲結(jié)構(gòu)、刺破煙值數(shù)量以及填充值等指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高煙草生產(chǎn)企業(yè)的精細(xì)化加工水平與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。