S400 型殘煙機煙絲回用工藝的優化與應用

徐 敏，章 敏，孫科雷，龔劍強，高 杰，徐榮華，姚科東，鄭 超，林 斌，朱群曉，徐棟炯

浙江中煙工業有限責任公司寧波卷煙廠，浙江省寧波市奉化經濟開發區葭浦西路2001 號 315040

在卷煙卷接包生產過程中產生的殘煙支一般作為生產廢品處置，或采用殘煙機對殘煙支進行輔材（卷煙紙、濾嘴等）分離后得到回用煙絲用于加工再造煙葉［1-2］。近年來，隨著卷煙產品結構升級和煙葉價格上漲，回用煙絲成為卷煙企業減少煙絲消耗、降低生產成本的途徑之一。但在煙絲回收過程中發現，回用煙絲通常存在出絲率和整絲率低以及含有較多雜物（如膠塊、卷煙紙片、爆珠、塑料和濾嘴絲束等）等問題。針對此，張冬芹等［3］對FY37 型殘煙機進行改造并優化了工藝參數，提高了多種牌號殘煙支的出絲率；李成剛等［4］對S400 型殘煙機的輸送機頻率、I 級風機頻率、Ⅱ級風機頻率等關鍵參數進行優化，提高了煙絲回收率；侯志龍等［5］對S400型殘煙機的增溫增濕系統和分離系統進行改進，提高了煙絲回收率和整絲率。但對于如何解決回用煙絲含雜問題的研究則鮮見報道。為此，對S400型殘煙機煙絲回用工藝流程進行分析，通過增加振動篩分機［6］、風選風送系統［7］和煙絲精選機［8］等設備實現膠塊、紙片等雜物的有效剔除，以期提高回用煙絲純凈度，進一步完善煙絲回用工藝流程。

1 問題分析

1.1 工藝流程

S400 型殘煙機處理能力為400 kg/h。如圖1 所示，殘煙支被翻箱機（1）翻入自動提升喂料機（2）后進入生產線，物料流量由計量管（3）和輸送帶（4）的輸送頻率控制；煙支在計量管底部被蒸汽軟化后由輸送帶送入兩級輕重分離器（5），其中大片卷煙紙、濾棒等煙支輔材被剝離后直接進入紙棒壓塊機（8）進行壓塊處理，含有小片卷煙紙等較小雜物的煙絲則被送入分離振槽（6）；振槽上方設置有多個鴨嘴狀負壓剔除口可以將小紙片吸走，篩選出的煙絲經輸送機（7）進入回用煙絲裝箱系統；除塵器（9）上的3 個除塵模塊分別連接一、二級輕重分離器和分離振槽，集中處理煙灰煙末。

圖1 改進前S400型殘煙機設備布局圖Fig.1 Layout of S400 tobacco reclaimer before modification

1.2 存在問題

現行工藝標準要求回用煙絲中小紙片（＜5 mm）含量≤1片/500 g，無大紙片（≥5 mm）和膠塊、爆珠、塑料、濾嘴絲束等雜物［9］。但實際生產中發現，經S400型殘煙機處理后得到的回用煙絲純凈度較差，含有膠塊、紙片等雜物，尤其是小紙片含量較高，只能回摻在低檔牌號卷煙中，回摻煙絲使用范圍窄、比例低。

2 改進方法

參照寧波卷煙廠制絲生產線的工藝布局，對S400型殘煙機進行設備和工藝改進。改進后回用煙絲設備布局如圖2所示：①在自動提升喂料機后增加一臺三層振動篩分機（徐州眾凱機電設備制造有限公司），實現對初級雜物的分離并篩選出回用煙支；②在兩級輕重分離器后增加一套風選風送系統（徐州眾凱機電設備制造有限公司），實現對膠塊等較重雜物的分離和剔除；③在自動裝箱前增加兩臺串聯的WTS-I 型煙絲精選機（南京文采科技有限公司），實現對回用煙絲中紙片和纖維等雜物的剔除。優化后煙絲回用工藝流程見圖3。

圖2 改進后回用煙絲生產線設備布局示意圖Fig.2 Schematic diagram of equipment layout of tobacco reclaiming after modification

圖3 優化后煙絲回用工藝流程圖Fig.3 Flow chart of tobacco reclaiming process after optimization

2.1 三層振動篩分機

如圖4 所示：①物料進入三層振動篩分機后，較大雜物先被上層篩選機構（1）篩出并經出口（5）剔除進入雜物收集車，殘煙支、細小雜物及煙末則進入中層篩選機構（2）；②殘煙支被中層篩選機構篩出后經出口（7）進入兩級輕重分離器，細小雜物及煙末則落入底層篩選機構（3），經煙末出料口（4）被輸送至除塵房。上層篩選機構采用不銹鋼菱形橫檔設計，因殘煙支最大直徑為7.8 mm［10］且殘煙支破損彎折處較多，確定橫檔間隙為10 mm；由于回用煙絲與加香前煙絲組分配方、煙絲寬度等參數基本一致，且中層篩網與加香前振篩篩網的功能相同（均為篩除1.0 mm以下的細小煙末、煙灰及雜質），因此確定中層篩網網孔大小與加香前振篩篩網一致，均為1.0 mm（18目）。

圖4 三層振動篩分機結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of structure of three-layer vibration screen

2.2 風選風送系統

如圖5 所示，在風選風送系統中，含有膠塊等較重雜物的回用煙絲被拋料器（1）拋入風選箱體（2）中，回用煙絲因沉降速度較小而進入上方風送管路（3）并經沉降式落料器（4）排出；膠塊、梗簽等雜物因沉降速度較大而下沉，由振篩（10）輸送至膠塊出口（9）排出；系統中氣流通過循環風管（5）和循環風機（6）實現循環輸送，利用穩壓箱（8）進行氣壓調節，含塵氣體經除塵管路（7）被輸送至除塵房。為有效剔除雜物并減少煙絲誤剔量，參考文獻［11］的方法確定風管風速：①將風速檢測點設置在設備上方的風送管路進風段，結合風機轉速（1 461 r/min）和風管箱體尺寸（600 mm×220 mm），計算得到系統內部的理論氣流速度范圍為5～10 m/s；②采用在回用煙絲中人工摻雜膠塊的方式進行模擬試驗（煙絲流量400 kg/h，每批次煙絲100 kg，摻雜膠塊10塊），調節風送速度，根據公式（1）和（2）計算有效剔除率和誤剔率。由圖6 可見，當風管風速達到7.0～7.5 m/s時，有效剔除率為90.7%～91.6%，誤剔率為13.7%～14.5%，剔除雜物效果最佳。

圖5 風選風送系統結構示意圖Fig.5 Structure of pneumatic separating and conveying system

圖6 不同風管風速下風選風送系統的有效剔除率和誤剔率Fig.6 Effective rejection rate and false rejection rate of pneumatic separating and conveying system at different air velocities

式中：η1為有效剔除率，%；m1為剔除膠塊數量，塊；m2為人工摻雜膠塊數量，塊；η2為誤剔率，%；M1為剔除煙絲質量，g；M2為人工投料煙絲質量，g。

2.3 煙絲精選機

采用WTS-I型煙絲精選機剔除回用煙絲中的雜物前，需要先對樣本圖像進行分類和標注，完成標準圖像模塊（包含正品庫和異物庫）的建立。如圖7所示，啟動煙絲精選機后，含有雜物（如黃色或棕褐色接裝紙、粘連煙灰的膠塊等）的回用煙絲被高速輸送帶（1）輸送至圖像采集位置，物料經LED 光源（3）照射和反光鏡（6）反射后，由CCD 高速照相機（5）采集圖像并將圖像傳送至高級圖像處理控制器（7）［12］；圖像經FPGA（現場可編程邏輯門陣列）算法預處理（包括圖像色彩及亮度的矯正）后被劃分為若干像素，然后與計算機中存儲的標準圖像模塊進行比較，進而判定雜物位置；剔除管理控制系統（2）接收到雜物信號并延時啟動電磁閥，利用高速壓縮空氣將雜物剔除。

圖7 WTS-I型煙絲精選機結構示意圖Fig.7 Structure of WTS-I cut tobacco sorter

如圖8 所示，為提高雜物的成像效果和對比度，采用光譜連續、波長覆蓋廣、顯色指數高且穩定的線陣全光譜光源［13］代替普通的LED 光源，提升對雜物的識別能力；采用海鷗優化模糊C均值算法［14-15］對原有的智能算法進行優化，提高前期標注數據的容錯率并實現多級迭代擬合，從而更加高效準確地確定雜物的聚類中心點位置。

圖8 改進后WTS-I型煙絲精選機雜物識別原理Fig.8 Principle of foreign matter identification of WTS-I cut tobacco sorter after modification

3 應用效果

3.1 實驗設計

材料：“利群（陽光）”“利群（軟金色陽光）”牌卷煙殘煙支（浙江中煙工業有限責任公司寧波卷煙廠提供）。

設備：S400型殘煙機（意大利GARBUIO公司）；SB16001 型電子天平（精度0.000 1 kg，瑞士Mettler Toledo公司）；PHH101型高溫試驗箱（廣州五所環境儀器有限公司）；YQ-3 型煙絲結構檢測儀（精度0.01%，鄭州嘉德機電科技有限公司）；D61型填充測定儀（精度0.01 cm3/g，德國BORGWALDT公司）。

方法：采用改進前后的S400型殘煙機（運行速度為400 kg/h）分別處理15批次（210 kg/批次）殘煙支，所得回用煙絲每批次取2 個樣品（每個樣品1 kg 左右），根據文獻［10］的方法檢測煙絲工藝指標（裝箱含水率、填充值、整絲率、碎絲率），利用人工挑揀并統計雜物含量（大紙片、小紙片以及其他雜物），取平均值。

3.2 數據分析

由表1 可見，改進后回用煙絲的整絲率、裝箱含水率等指標與改進前基本一致，均符合生產工藝要求，回用煙絲品質未受到影響。由表2可見，改進后回用煙絲中未發現大紙片和商標紙、膠塊、內襯紙、棉線等其他雜物，剔除率達到100%；小紙片含量由18.40 片/500 g 減少至 0.18 片/500 g，降幅達99.02%，有效提高了雜物剔除能力和回用煙絲純凈度。

表1 改進前后回用煙絲工藝指標對比①Tab.1 Comparison of technical indexes of reclaimed tobacco before and after modification

表2 改進前后回用煙絲雜物含量對比Tab.2 Comparison of foreign matter content in reclaimed tobacco before and after modification

表2（續）

4 結論

基于S400 型殘煙機處理殘煙支的工藝流程和回用煙絲工藝標準，通過增加三層振動篩分機、風選風送系統和煙絲精選機對殘煙機的處理工藝進行了優化。以寧波卷煙廠生產的“利群”牌卷煙所產生的殘煙支為對象對S400 型殘煙機進行測試，結果表明：改進后回用煙絲中未發現大紙片和其他雜物，小紙片含量為0.18 片/500 g，與改進前相比減少99.02%，且回用煙絲的填充值、整絲率、碎絲率等工藝指標未受到影響，有效提升了回用煙絲的回摻使用范圍。該技術可在其他型號殘煙機中推廣應用。