S400 型残烟机烟丝回用工艺的优化与应用

徐 敏，章 敏，孙科雷，龚剑强，高 杰，徐荣华，姚科东，郑 超，林 斌，朱群晓，徐栋炯

浙江中烟工业有限责任公司宁波卷烟厂，浙江省宁波市奉化经济开发区葭浦西路2001 号 315040

在卷烟卷接包生产过程中产生的残烟支一般作为生产废品处置，或采用残烟机对残烟支进行辅材（卷烟纸、滤嘴等）分离后得到回用烟丝用于加工再造烟叶［1-2］。近年来，随着卷烟产品结构升级和烟叶价格上涨，回用烟丝成为卷烟企业减少烟丝消耗、降低生产成本的途径之一。但在烟丝回收过程中发现，回用烟丝通常存在出丝率和整丝率低以及含有较多杂物（如胶块、卷烟纸片、爆珠、塑料和滤嘴丝束等）等问题。针对此，张冬芹等［3］对FY37 型残烟机进行改造并优化了工艺参数，提高了多种牌号残烟支的出丝率；李成刚等［4］对S400 型残烟机的输送机频率、I 级风机频率、Ⅱ级风机频率等关键参数进行优化，提高了烟丝回收率；侯志龙等［5］对S400型残烟机的增温增湿系统和分离系统进行改进，提高了烟丝回收率和整丝率。但对于如何解决回用烟丝含杂问题的研究则鲜见报道。为此，对S400型残烟机烟丝回用工艺流程进行分析，通过增加振动筛分机［6］、风选风送系统［7］和烟丝精选机［8］等设备实现胶块、纸片等杂物的有效剔除，以期提高回用烟丝纯净度，进一步完善烟丝回用工艺流程。

1 问题分析

1.1 工艺流程

S400 型残烟机处理能力为400 kg/h。如图1 所示，残烟支被翻箱机（1）翻入自动提升喂料机（2）后进入生产线，物料流量由计量管（3）和输送带（4）的输送频率控制；烟支在计量管底部被蒸汽软化后由输送带送入两级轻重分离器（5），其中大片卷烟纸、滤棒等烟支辅材被剥离后直接进入纸棒压块机（8）进行压块处理，含有小片卷烟纸等较小杂物的烟丝则被送入分离振槽（6）；振槽上方设置有多个鸭嘴状负压剔除口可以将小纸片吸走，筛选出的烟丝经输送机（7）进入回用烟丝装箱系统；除尘器（9）上的3 个除尘模块分别连接一、二级轻重分离器和分离振槽，集中处理烟灰烟末。

图1 改进前S400型残烟机设备布局图Fig.1 Layout of S400 tobacco reclaimer before modification

1.2 存在问题

现行工艺标准要求回用烟丝中小纸片（＜5 mm）含量≤1片/500 g，无大纸片（≥5 mm）和胶块、爆珠、塑料、滤嘴丝束等杂物［9］。但实际生产中发现，经S400型残烟机处理后得到的回用烟丝纯净度较差，含有胶块、纸片等杂物，尤其是小纸片含量较高，只能回掺在低档牌号卷烟中，回掺烟丝使用范围窄、比例低。

2 改进方法

参照宁波卷烟厂制丝生产线的工艺布局，对S400型残烟机进行设备和工艺改进。改进后回用烟丝设备布局如图2所示：①在自动提升喂料机后增加一台三层振动筛分机（徐州众凯机电设备制造有限公司），实现对初级杂物的分离并筛选出回用烟支；②在两级轻重分离器后增加一套风选风送系统（徐州众凯机电设备制造有限公司），实现对胶块等较重杂物的分离和剔除；③在自动装箱前增加两台串联的WTS-I 型烟丝精选机（南京文采科技有限公司），实现对回用烟丝中纸片和纤维等杂物的剔除。优化后烟丝回用工艺流程见图3。

图2 改进后回用烟丝生产线设备布局示意图Fig.2 Schematic diagram of equipment layout of tobacco reclaiming after modification

图3 优化后烟丝回用工艺流程图Fig.3 Flow chart of tobacco reclaiming process after optimization

2.1 三层振动筛分机

如图4 所示：①物料进入三层振动筛分机后，较大杂物先被上层筛选机构（1）筛出并经出口（5）剔除进入杂物收集车，残烟支、细小杂物及烟末则进入中层筛选机构（2）；②残烟支被中层筛选机构筛出后经出口（7）进入两级轻重分离器，细小杂物及烟末则落入底层筛选机构（3），经烟末出料口（4）被输送至除尘房。上层筛选机构采用不锈钢菱形横档设计，因残烟支最大直径为7.8 mm［10］且残烟支破损弯折处较多，确定横档间隙为10 mm；由于回用烟丝与加香前烟丝组分配方、烟丝宽度等参数基本一致，且中层筛网与加香前振筛筛网的功能相同（均为筛除1.0 mm以下的细小烟末、烟灰及杂质），因此确定中层筛网网孔大小与加香前振筛筛网一致，均为1.0 mm（18目）。

图4 三层振动筛分机结构示意图Fig.4 Schematic diagram of structure of three-layer vibration screen

2.2 风选风送系统

如图5 所示，在风选风送系统中，含有胶块等较重杂物的回用烟丝被抛料器（1）抛入风选箱体（2）中，回用烟丝因沉降速度较小而进入上方风送管路（3）并经沉降式落料器（4）排出；胶块、梗签等杂物因沉降速度较大而下沉，由振筛（10）输送至胶块出口（9）排出；系统中气流通过循环风管（5）和循环风机（6）实现循环输送，利用稳压箱（8）进行气压调节，含尘气体经除尘管路（7）被输送至除尘房。为有效剔除杂物并减少烟丝误剔量，参考文献［11］的方法确定风管风速：①将风速检测点设置在设备上方的风送管路进风段，结合风机转速（1 461 r/min）和风管箱体尺寸（600 mm×220 mm），计算得到系统内部的理论气流速度范围为5～10 m/s；②采用在回用烟丝中人工掺杂胶块的方式进行模拟试验（烟丝流量400 kg/h，每批次烟丝100 kg，掺杂胶块10块），调节风送速度，根据公式（1）和（2）计算有效剔除率和误剔率。由图6 可见，当风管风速达到7.0～7.5 m/s时，有效剔除率为90.7%～91.6%，误剔率为13.7%～14.5%，剔除杂物效果最佳。

图5 风选风送系统结构示意图Fig.5 Structure of pneumatic separating and conveying system

图6 不同风管风速下风选风送系统的有效剔除率和误剔率Fig.6 Effective rejection rate and false rejection rate of pneumatic separating and conveying system at different air velocities

式中：η1为有效剔除率，%；m1为剔除胶块数量，块；m2为人工掺杂胶块数量，块；η2为误剔率，%；M1为剔除烟丝质量，g；M2为人工投料烟丝质量，g。

2.3 烟丝精选机

采用WTS-I型烟丝精选机剔除回用烟丝中的杂物前，需要先对样本图像进行分类和标注，完成标准图像模块（包含正品库和异物库）的建立。如图7所示，启动烟丝精选机后，含有杂物（如黄色或棕褐色接装纸、粘连烟灰的胶块等）的回用烟丝被高速输送带（1）输送至图像采集位置，物料经LED 光源（3）照射和反光镜（6）反射后，由CCD 高速照相机（5）采集图像并将图像传送至高级图像处理控制器（7）［12］；图像经FPGA（现场可编程逻辑门阵列）算法预处理（包括图像色彩及亮度的矫正）后被划分为若干像素，然后与计算机中存储的标准图像模块进行比较，进而判定杂物位置；剔除管理控制系统（2）接收到杂物信号并延时启动电磁阀，利用高速压缩空气将杂物剔除。

图7 WTS-I型烟丝精选机结构示意图Fig.7 Structure of WTS-I cut tobacco sorter

如图8 所示，为提高杂物的成像效果和对比度，采用光谱连续、波长覆盖广、显色指数高且稳定的线阵全光谱光源［13］代替普通的LED 光源，提升对杂物的识别能力；采用海鸥优化模糊C均值算法［14-15］对原有的智能算法进行优化，提高前期标注数据的容错率并实现多级迭代拟合，从而更加高效准确地确定杂物的聚类中心点位置。

图8 改进后WTS-I型烟丝精选机杂物识别原理Fig.8 Principle of foreign matter identification of WTS-I cut tobacco sorter after modification

3 应用效果

3.1 实验设计

材料：“利群（阳光）”“利群（软金色阳光）”牌卷烟残烟支（浙江中烟工业有限责任公司宁波卷烟厂提供）。

设备：S400型残烟机（意大利GARBUIO公司）；SB16001 型电子天平（精度0.000 1 kg，瑞士Mettler Toledo公司）；PHH101型高温试验箱（广州五所环境仪器有限公司）；YQ-3 型烟丝结构检测仪（精度0.01%，郑州嘉德机电科技有限公司）；D61型填充测定仪（精度0.01 cm3/g，德国BORGWALDT公司）。

方法：采用改进前后的S400型残烟机（运行速度为400 kg/h）分别处理15批次（210 kg/批次）残烟支，所得回用烟丝每批次取2 个样品（每个样品1 kg 左右），根据文献［10］的方法检测烟丝工艺指标（装箱含水率、填充值、整丝率、碎丝率），利用人工挑拣并统计杂物含量（大纸片、小纸片以及其他杂物），取平均值。

3.2 数据分析

由表1 可见，改进后回用烟丝的整丝率、装箱含水率等指标与改进前基本一致，均符合生产工艺要求，回用烟丝品质未受到影响。由表2可见，改进后回用烟丝中未发现大纸片和商标纸、胶块、内衬纸、棉线等其他杂物，剔除率达到100%；小纸片含量由18.40 片/500 g 减少至 0.18 片/500 g，降幅达99.02%，有效提高了杂物剔除能力和回用烟丝纯净度。

表1 改进前后回用烟丝工艺指标对比①Tab.1 Comparison of technical indexes of reclaimed tobacco before and after modification

表2 改进前后回用烟丝杂物含量对比Tab.2 Comparison of foreign matter content in reclaimed tobacco before and after modification

表2（续）

4 结论

基于S400 型残烟机处理残烟支的工艺流程和回用烟丝工艺标准，通过增加三层振动筛分机、风选风送系统和烟丝精选机对残烟机的处理工艺进行了优化。以宁波卷烟厂生产的“利群”牌卷烟所产生的残烟支为对象对S400 型残烟机进行测试，结果表明：改进后回用烟丝中未发现大纸片和其他杂物，小纸片含量为0.18 片/500 g，与改进前相比减少99.02%，且回用烟丝的填充值、整丝率、碎丝率等工艺指标未受到影响，有效提升了回用烟丝的回掺使用范围。该技术可在其他型号残烟机中推广应用。