基于精细化加工的卷烟叶丝回收装置优化研究

杨 露，田德兴，刘 兵，普云伟，马加平

（红云红河烟草（集团）有限责任公司会泽卷烟厂，云南曲靖 654200）

成品烟丝中的梗签容易造成卷接过程中烟支刺破，或者抽吸时燃烧锥掉落以及“开花烟”等缺陷，不仅影响了烟支的燃烧性和理化指标的稳定性，而且对整个烟支的抽吸质量也有较大的影响。会泽卷烟厂制丝车间月度消耗测试统计数据显示，各牌号的梗签剔除量约为35kg/批，2019年和2020年会泽卷烟厂制丝线投料量分别为1606批和1576批次（100个标箱为1个批次）。同时，对经过VAS硫化床后的梗签剔除废料进行多次随机取样检测，发现该部分梗签中含丝率超过8%，按剔除量35kg/批计算，每年梗签剔除废料中的烟丝量至少为4454kg。大量的烟丝浪费不利于烟草企业经济效益与市场竞争力的进一步提升，也不符合精细化加工的企业经营与管理理念。因此，通过开发基于“叶丝冷却过程在线分选回收装置”，提高叶丝冷却工序的梗签剔除率，将尽可能多的梗签在制丝环节剔除，大大减轻后续卷制环节的梗签剔除压力，最大程度降低因梗签导致的烟支刺破、燃烧锥掉落和“开花烟”等缺陷的发生，对提升企业卷烟精细化加工水平和品牌竞争力都具有深远的现实意义。

1 卷烟制造过程中梗签分布与分离难点

1.1 梗签分布规律的确定

卷烟制造以流化床烟丝出口、流化床梗签剔除出口、混丝加香机出口和卷烟机等4个工序为主。通过系统的跟踪采样，能够得到检测样品中的梗签含量及梗签中烟丝含量。同时基于大数据统计的方法，可以得到梗签含量在各工序的分布变化规律，以便为叶丝冷却过程在线分选回收装置的优化分析与设计提供数据支撑。

1.2 梗签形态与分离难点

基于会泽卷烟厂制丝线的工艺设备配置，对VAS流化床式除杂系统的剔除废料进行形态研究。结合以往的生产与统计数据，可将剔除废料的形态分为烟丝的结团丝（团丝）、细小的硬质梗粒或梗签物、团丝尾端连接着梗签物以及细长丝缠绕包裹在梗签物外围，如图1所示。

图1 梗签剔除物中的烟丝形态示意图

同时，为了提高VAS流化床式除杂系统的梗签剔除率与烟丝回收率，可采用图2所示的技术工艺。

图2 叶丝冷却过程在线分选回收装置工艺流程

1.3 梗签与烟丝形貌特性

卷烟制造过程中梗签二次分离即是将后端工序中的梗签与烟丝进行深度分离，分离效果受梗签与烟丝的形状、尺寸以及表面结构等影响较大。ZJ17型卷烟设备主要利用风选设备对梗签与烟丝进行分离，由于二者尺寸与形状差异较为显著，因而在风选工序中受到的流体曳力与浮力也存在明显差异，合理利用这种差异是提高梗签与烟丝分离效果的重要依据。烟丝与梗签的形貌特征如图3所示。

图3 梗签和烟丝形貌特征

梗签与烟丝在风选设备中会存在频繁而复杂的动量与能量转换，同时也伴随着多种力的作用。将风选设备视作一种物理场，梗签与烟丝视作固体颗粒，则风选分离设备中的作用力主要包括物理场对固体颗粒的作用力、物理场对气体颗粒的作用力以及固体颗粒对气体颗粒的作用力等。通过计算机与软件模拟，并参照梗签与烟丝废料的形貌特征，可以得到梗签分离与烟丝回收的难点，以便后续进行针对性的设计处理。

1.4 当前梗签分离装置研究与应用的不足

近年来，随着人们生活水平的提高与卷烟市场竞争的加剧，烟草企业在注重提高卷烟制造过程梗签分离率与烟丝回收率的同时也更加注重成品烟支的质量。在当前较为主流的烟草生产工艺中，梗签分离与烟丝回收主要是利用卷烟设备附属的梗签筛选装备来完成的，虽然能够在一定程度上提高梗签分离率与烟丝回收率，但是总体效果不佳。主要体现在以下几个方面。

（1）不同型号的烟支生产需要用到不同类型的卷烟机组设备，现阶段一些烟草企业所进行的梗签分离研究更多的只是面向部分卷烟机组，适用面较窄，且在实际应用过程中存在风选通道易堵塞、烟丝完整度不高、梗签分离带出烟丝多以及梗签分离不彻底等问题。

（2）目前许多烟草企业针对梗签分离的研究仅停留在理论层面，并未在技术专利的基础上进行实际验证，且几乎所有的梗签分离装置都是将卷烟生产分离出的梗签与带出的烟丝引出产线外，然后经再次分选来实现烟丝的二次回收，不仅拉低了总体的梗签分离与烟丝回收效率，还伴随着烟丝水分流失与造碎的问题。

（3）当前梗签分离与烟丝回收装置的研究很多都需要改动一、二级分离装置或调整生产工艺参数，对操作人员的经验水平要求较高，且参数调整还会对卷烟机组的整体性能产生未知的干扰。

（4）风选是卷烟生产中梗签分离的主流工艺，但将梗签与烟丝视作球形颗粒来考虑其在风选物理场中的受力会与实际情况存在一定的差异，且风选系统内各连接处均会产生一定的能量损失与受力干扰。因此出口端烟丝质量的保证还需要综合考虑风选场的管道连接。

2 卷烟梗签分离装置优化设计

针对上述梗签分离难点与现状，为了进一步提高卷烟生产过程中梗签分离率，降低烟丝的耗损，应针对性地进行多级分选系统与回收、输运装置的优化设计。

ZJ17型卷烟机组如图4所示，其主要功能结构包括VE供丝机、SE烟条成型机以及YJ17滤嘴接装机等三大部分。针对卷烟制造梗签分离的优化研究，应综合考虑风选系统的工作原理、多级分离装置的工艺流程以及关键功能单元的可靠性保证等方面。

图4 ZJ17型卷烟机组

2.1 ZJ17型卷烟机组风选系统

（1）烟丝与梗签混合物进入ZJ17型卷烟机组供丝机后的运动路径：吸丝风室→预储丝室→储料区→提丝带→上匀丝辊→磁选除铁→计量料槽→针辊→弹丝辊→高速输送带→第一级风选梗丝分离→（螺旋输送器→第二级风选除梗）→吸丝成型导辊→（核扫描器→微波密度测量仪）平准器→成型烟丝条输出。

（2）梗签二次分离工艺的烟丝运动路径：平准器→回丝输送带→回丝振槽→回丝贮料区→下匀丝辊→提丝带→上匀丝辊→……→成型烟丝条输出。

ZJ17卷烟机组梗签分离装置如图5所示，该供丝系统中共有两级梗签与烟丝分离单元，梗签分离与烟丝回收的效率与回收率等可通过调整两个分离系统中的相关参数来实现。

图5 ZJ17卷烟机组梗签分离装置示意图

卷烟机组运转过程中，梗签与烟丝进入一级分选室后其中一部分会在弹丝辘的作用下被摊洒至输运装置中并进入风选装置内，风选装置内喷出的高速气流会对烟丝与梗签的运动造成不同的影响，从而实现梗签与烟丝的一次分离。经一次分选后的物料被继续输送至二级分选系统中，并在重力与分选系统内部气流的综合作用下完成二次分离，从而达到进一步的净化效果。

2.2 梗签分离与烟丝回收优化思路

如上所述，梗签与烟丝在卷烟机组中会经过两层筛选，但是总体效果仍存在一定的优化空间，考虑到分选装置的内部结构与连接会对气流造成较为显著的影响，因此借助广泛应用于CFD（计算流体动力学）分析的Fluent软件构建基于风选系统内部气流场模型并进行相关的量化分析。结合ZJ17型卷烟机组的结构特征与分选系统内气流速度迹线图、各气流管路截面速度云图以及气流速度矢量图等可以发现：增加引导气流流动的疏导区有助于梗签与烟丝混合物的均匀性分布与后续的分离；卷烟机进料口处直径与气流流速呈现出一定的负相关关系，物料速度过大会导致运动过程中因碰撞而造碎过多，物料速度过小又会影响生产效率和进入风选装置的速度均匀性，因此需要使用梗签与烟丝进行多次实验以确定最优的直径数值；内壁半径过大时会导致梗签流出通道内气流杂乱，造成烟丝被吸入从而影响风选效果，内壁半径过小又会增加烟丝运行斜率，导致造碎率过高，因此内壁半径的确定尤为重要。此外，梗签分离与烟丝回收的优化，还可以考虑并实验出口度对气流与梗签分离的影响。

3 结语

综上所述，梗签的残留容易造成烟支在卷接过程中出现包装刺破，抽吸过程中燃烧锥掉落以及“开花烟”等问题，对烟支的燃烧性与理化指标的稳定性产生较大的影响，进而会对烟支消费者的抽吸质量产生明显的负面影响。本文针对叶丝冷却过程提出了一种在线分选回收装置，旨在对卷烟制造过程中的烟丝含梗量、梗签含丝量、烟丝结构、刺破烟值数量以及填充值等指标进行优化，从而提高烟草生产企业的精细化加工水平与市场竞争力。