造紙法再造煙葉生產中漿液平衡模型建立及應用

閆 瑛 田曉輝 李 錦 周 浩 田泱源 羅 沖 王 寧 張利濤，*

（1.河南卷煙工業(yè)煙草薄片有限公司，河南許昌，461000；2.河南中煙工業(yè)有限責任公司，河南鄭州，450000）

造紙法再造煙葉原料主要包括煙梗、煙末、煙葉碎片等煙草原料和外加纖維、填料等非煙草類物質[1-2]，其中煙草原料中的水可溶物含量、水可溶物提取率、水可溶物損耗是影響涂布工序使用的濃縮液量（以下簡稱“液”）的重要因素[3]；水不溶物和外加纖維、填料等非煙草類原料用量的變化[4]，以及生產過程中不可避免的細小組分流失，均會引起上網抄造漿料量（以下簡稱“漿”）的變化。“漿”“液”不匹配會影響產品質量的穩(wěn)定性，造成資源浪費，增加廢水處理負荷，嚴重時甚至使生產無法正常進行[5]。因此，在造紙法再造煙葉實際生產中，亟需建立科學、標準的“漿”“液”平衡監(jiān)、調控模型。

本研究以造紙法再造煙葉生產過程中的“漿”“液”匹配為出發(fā)點，介紹了“漿”“液”平衡模型的建立方法，以及模型在生產中的應用和下一步優(yōu)化方向。該模型的建立解決了經驗式調控時，不確定性高、事后調控、易引起產品品質（主要為常規(guī)化學成分）波動等問題，模型以產品牌號為單元，通過模型數據庫的針對性優(yōu)化和關鍵監(jiān)控參數的固化應用，進一步提升生產運行穩(wěn)定性和產品品質穩(wěn)定性。

1 漿液平衡模型的建立

要實現造紙法再造煙葉生產過程中的“漿”“液”匹配，需要建立適合企業(yè)的漿液平衡模型，圖1為造紙法再造煙葉漿液平衡模型系統構成。如圖1所示，該模型的建立分以下步驟：①列舉關鍵監(jiān)控指標，主要包括得率、損耗、存量3部分，其中，得率包括提取得率、凈化得率、濃縮得率、投入產出率等；損耗包括噸產品耗漿量、噸產品耗液量等；存量包括在線浸取液量、在線濃縮液量、在線漿料量、實時濃縮液余量等[6]；②對關鍵監(jiān)控指標進行分類，即根據采集方式對步驟①列舉出的關鍵監(jiān)控指標分“直讀”數據和“計算”數據2類，因“直讀”數據主要為流量、液位等可以通過傳感器直接采集的參數，故“直讀”數據從生產線DCS控制系統中實時讀取得到；③建立“計算”數據的運算公式，因“計算”數據由“直讀”數據通過運算得到，故需要重點監(jiān)控的關鍵“計算”數據可以在生產控制界面上實時查看；④建立漿液平衡模型數據庫，由企業(yè)所有牌號產品的漿液平衡模型組成，不同產品的漿液平衡模型單獨建立，同一產品的漿液平衡模型可按工段或模型數據類別（“直讀”“計算”）分不同子模型，企業(yè)可根據實際情況選擇適宜的分類方式，以簡單、便捷為前提。圖2為以工段分類的“浸取工段子模塊”漿液平衡模型。

圖1 漿液平衡模型系統構成Fig.1 Main composition of pulp and concentrate equilibrium model

圖2 漿液平衡模型示意圖Fig.2 Schematic of pulp and concentrate equilibrium model

2 漿液平衡模型的應用

2.1 漿液匹配現狀評估

企業(yè)漿液平衡模型建立后，進入模型應用環(huán)節(jié)，步驟如下：①采集生產數據，即基于模型數據庫，在生產期間采集各牌號產品對應的“直讀”“計算”數據信息；②跟蹤關鍵監(jiān)控指標，即根據模型數據庫采集到的數據信息，對得率、損耗、存量3方面關鍵指標進行持續(xù)跟蹤；③評估“漿”“液”匹配現狀，即綜合分析各牌號產品≥3個生產周期的模型數據，對其“漿”“液”匹配現狀予以評估。經評估后若某產品生產期間“漿”“液”平衡，則每日跟蹤漿液平衡模型數據指標，實時掌握該產品最新“漿”“液”匹配狀況，若出現連續(xù)關鍵監(jiān)控指標≥3個班次超出預警范圍，則會通過模型中的關鍵監(jiān)控計算公式反饋到“直讀”異常數據，然后篩選鎖定異常數據產生的原因，并及時采取改進措施。若某產品“漿”“液”不匹配，且各生產周期“漿”“液”虧損或盈余量多少不一，說明該產品生產期間，存在生產運行或產品品質（常規(guī)化學成分）不穩(wěn)定現象，需進一步采取調控措施，通過工藝參數的細微調整，或相關設備參數、設備操作標準的優(yōu)化調整，實現“漿”“液”匹配后，因此調控參數及標準，指導該產品今后正常、穩(wěn)定生產。

經持續(xù)跟蹤監(jiān)測，A牌號造紙法再造煙葉4個生產周期漿液匹配情況如表1所示。由表1可知，該牌號產品4個不同生產周期濃縮液量均有不同程度結余，且濃縮液每日盈余量1.0～2.0 t，盈余量多少不一。

2.2 漿液匹配調控

若“漿少液多”情況出現時，為確保煙草物質得到有效應用，經綜合分析，可以從增加產漿量或增加涂布時的涂布量2方面對漿液不匹配現狀進行調控。造紙法再造煙葉實際生產過程中，影響產漿量的因素主要有梗、末比[7]、漿料中CaCO3使用比例[4]、外加纖維使用比例[8-9]等，因梗、末配比變化直接影響產品化學指標，故優(yōu)先采用微調CaCO3使用比例和外加纖維使用比例，以及微調涂布率這3項措施，本研究以2.1中的A牌號造紙法再造煙葉為例依次予以說明。

上文中A牌號造紙法再造煙葉產品4個不同生產周期濃縮液盈余量多少不一，存在生產不穩(wěn)定現象，而漿液平衡模型建立的根本目的在于穩(wěn)定生產、穩(wěn)定產品質量，為漿液匹配調控提供可量化數據支撐，所以漿液匹配調控相比經驗式調控更為準確、穩(wěn)定，在實際生產調控時需要循序漸進，并盡可能減少漿液匹配調控對產品質量的影響。因此，針對A牌號造紙法再造煙葉漿液匹配調控，優(yōu)先選取濃縮液盈余量最低的生產周期，即表1中2#生產周期為調控基準，在調控前，需要對調控量進行預先計算，以提高調控效率、確保調控效果。因此，根據選取的調控措施，對A牌號造紙法再造煙葉相關生產指標和漿液平衡模型監(jiān)控指標進行梳理，結果如表2所示。

表1 A牌號產品漿液匹配情況Table 1 Pulp and concentrate equilibrium case of the A product

（1）微調漿料中CaCO3使用比例

假設A牌號造紙法再造煙葉調整前CaCO3使用比例為5%，調整后使用比例記為X，質量守恒計算如式(1)所示。

式中，k為經驗系數（通常取0.8）；Q為每日余液量；C為成漿濃度，指流送上漿定量閥處漿料濃度。

結合式(1)、表2、圖3得到A牌號造紙法再造煙葉調整后，CaCO3使用比例為7.17%。因此，將A牌號造紙法再造煙葉CaCO3使用比例增加至7.17%，并持續(xù)跟蹤該產品生產期間每日余液量（即生產線總濃縮液量扣除生產線總漿料量需要消耗的濃縮液量之后，剩余的濃縮液量與生產天數的比值，若開班使用了冷凍濃縮液，還需減去冷凍濃縮液用量）變化情況。

表2 A牌號產品關鍵指標Table 2 Key indexes of the A product

（2）微調外加纖維比例

假設A牌號造紙法再造煙葉產品調整前外加纖維使用比例為10%，其調整后使用比例記為A，根據質量守恒原理，質量守恒計算如式(2)所示。

式中，Y為原料可溶物含量。

結合式(2)、表2、圖3得到A牌號造紙法再造煙葉調整后，外加纖維使用比例A為11.26%。因此，將A牌號造紙法再造煙葉外加纖維使用比例增加至11.26%，并持續(xù)跟蹤該產品生產期間每日余液量變化情況。

（3）微調產品涂布率

假設A牌號造紙法再造煙葉產品調整前涂布率中值為38%，其調整后涂布率記為E，根據質量守恒原理（濃縮液中），質量守恒計算如式(3)所示。

結合式(3)、表2、圖3得到A牌號造紙法再造煙葉調整后涂布率中值E為38.38%。因此，將A牌號造紙法再造煙葉涂布率中值增加至38.38%，并持續(xù)跟蹤該產品生產期間每日余液量變化情況。

另外，若采取以上3種措施中的任一措施后，A牌號造紙法再造煙葉漿液不匹配情況有所改善，但仍有可優(yōu)化空間，則可以根據實際濃縮液盈虧情況進行進一步調控。當各產品漿液匹配狀況固化后，需每日跟蹤漿液平衡模型數據指標，及時對漿液匹配現況進行評估，當某產品生產期間，連續(xù)≥3個班次出現漿液不匹配時，找出異常數據，并通過“計算”數據公式找出與之關聯的異常“直讀”數據，逐一審查“計算”數據，剔除客觀因素（如周清洗、月清洗、設備故障停機等），查找該異常數據出現的原因并及時做出補救、維修或優(yōu)化。

除以上3種漿液匹配調控措施外，造紙法再造煙葉生產過程中的熱水可溶物損耗也是影響漿液匹配的重要因素。造紙法再造煙葉熱水提取工藝中，煙草原料經萃取得到的可溶物并未全部轉化成可供涂布的濃縮液。提取液進入濃縮工序前，通常需要進行凈化處理以去除蛋白質、果膠、淀粉、纖維素等對產品吸味有負面影響的大分子成分[10-12]；提取液濃縮過程中，部分揮發(fā)性香味成分（如羧酸酯類、煙堿、新植二烯、醇類、內酯類等）損失[13]，且凈化工序未去除完全的懸浮物及大分子物質在蒸發(fā)器內壁粘附、結焦成垢，這些都是煙草可溶物的主要損耗點。相同工藝下，若生產運行穩(wěn)定，且崗位操作人員嚴格按照作業(yè)指導書要求進行設備操作，同一產品配方、不同生產周期各損耗點的損耗數據基本穩(wěn)定。

以河南卷煙工業(yè)煙草薄片有限公司造紙法再造煙葉生產線為例，該生產線煙草可溶物損耗主要包括提取液凈化損耗可溶物、濃縮損耗可溶物和涂布回流液凈化損耗可溶物，在漿液平衡監(jiān)控模型的基礎上，針對上述損耗點建立了煙草可溶物損耗子模塊，如圖3所示，該子模塊可以對各牌號造紙法再造煙葉產品不同生產周期煙草可溶物各損耗點的可溶物損耗量、損耗比例進行跟蹤、統計分析。

圖3 漿液平衡監(jiān)控模型中損耗統計子模塊示意圖Fig.3 Loss statistics submodule schematic of pulp and concentrate equilibrium model

對比同一損耗點的煙草可溶物損耗比例（即各損耗點損耗可溶物量相比原料可溶物量的百分比），便能及時了解當前生產條件下可溶物各損耗點的損耗比例是否存在異常。

式中，總投料量為絕干總投料量，通常原料水分按12%計。

式中，若實際生產中，生產線采集的數據為提取液總體積流量，則可以將提取液總體積流量與提取液密度作乘積求得提取液總質量流量。

式中，“*”為凈化、濃縮、涂布回流液凈化等各可溶物損耗點。

正常生產中，通過一線崗位操作人員規(guī)范操作、提高設備運行效率、跟蹤損耗數據等，將各損耗點可溶物損耗比例和總損耗比例均控制在臨界損耗比例以下，同時，可通過工藝優(yōu)化、產品提質升級、新技術引進等措施盡可能使某產品各損耗點可溶物損耗比例和總損耗比例穩(wěn)定控制在臨界損耗比例左右（參考標準：臨界損耗比例±2%）。考慮精益生產和資源有效利用及廢水處理工序運行負荷，無論“漿少液多”還是“漿多液少”，可溶物損耗均須控制在正常、穩(wěn)定水平，漿液平衡模型實現了對各關鍵工序可溶物損耗的及時、準確監(jiān)控。除可溶物損耗外，“漿少液多”“漿多液少”其余3項調控措施下質量守恒公式的建立均基于同一準則，在此不做贅述。

2.3 漿液平衡調控措施子模塊

為實現漿液平衡調控參數的快速、準確運算及各調控措施調控效果的事前模擬，可根據2.2中各調控措施計算公式單獨建立模塊納入漿液平衡模型，如圖4所示。

圖4 漿液平衡模型各調控措施子模塊示意圖Fig.4 Control measures submodule schematic of pulp and concentrate equilibrium model

2.4 漿液平衡模型應用效果

河南卷煙工業(yè)煙草薄片有限公司建立了生產線漿液平衡動態(tài)監(jiān)控模型，根據關鍵監(jiān)控指標預判漿液變化趨勢，實現再造煙葉生產各工序物料傳遞率、總存量實時監(jiān)控，并于2018年應用于河南卷煙工業(yè)煙草薄片有限公司造紙法再造煙葉生產線，為各工段正常運轉建立了科學、有效的評價指標體系。

圖5為模型應用前后不同生產班次噸產品耗液量。圖6為模型應用前后不同生產班次噸產品耗漿量。2018年至今，河南卷煙工業(yè)煙草薄片有限公司建立了漿液平衡模型，在應用過程中根據實際生產需要不斷進行了優(yōu)化完善，模型中的部分指標還納入了生產班組考核標準，模型應用后，生產線漿液匹配性得到明顯提升，紙機單班斷紙次數由3次以上減少至2次以下，從圖5和圖6可以看出，噸產品耗液量由0.90 t降至0.82 t，噸產品耗漿量由24.6 m3降至22.5 m3，煙草原料有效利用率顯著提升，噸產品耗液量波動由6.71%降至3.63%，噸產品耗漿量波動由5.64%降至3.50%，投入產出率波動由7.48%降至5.80%，生產連續(xù)運行穩(wěn)定性和產品品質穩(wěn)定性顯著提升。

圖5 模型應用前后不同生產班次噸產品耗液量Fig.5 Liquid consumption of per ton product in different production shifts before and after the model application

圖6 模型應用前后不同生產班次噸產品耗漿量Fig.6 Pulp consumption of per ton product in different production shifts before and after the model application

今后在現有漿液平衡模型基礎上，可將“計算”數據細化為一級工藝指標，列舉影響一級工藝指標的二級設備參數，并將這些設備參數納入漿液平衡模型，在日常“漿”“液”匹配性監(jiān)控時，若出現異常數據，可逐級查找、鎖定至二級設備參數，進而實現快速準確的調控、優(yōu)化。

3 結 論

3.1 建立了造紙法再造煙葉生產中的漿液平衡模型，該模型具體步驟為：列舉關鍵監(jiān)控指標；對關鍵監(jiān)控指標分類（分“直讀”數據和“計算”數據兩類）；建立“計算”數據運算公式；建立漿液平衡監(jiān)控模型數據庫。其中，關鍵監(jiān)控指標可分為得率、損耗、存量3部分。

3.2 漿液平衡模型實際應用時，需根據模型數據庫采集到的數據信息，總結、評估某產品“漿”“液”匹配狀況，并采取調控措施以實現“漿”“液”匹配，將調控后的數據參數固化，以此為標準，指導該產品今后各生產周期的正常、穩(wěn)定生產。

3.3 漿液平衡模型在河南卷煙工業(yè)煙草薄片有限公司應用后，噸產品耗液量由0.90 t降至0.82 t，噸產品耗漿量由24.6 m3降至22.5 m3，煙草原料有效利用率顯著提升，噸產品耗液量波動由6.71%降至3.63%，噸產品耗漿量波動由5.64%降至3.50%，投入產出率波動由7.48%降至5.80%，生產連續(xù)運行穩(wěn)定性和產品品質穩(wěn)定性顯著提升。

3.4 隨著造紙法再造煙葉由“物理重組”到“品質重構”的定位轉變，為使?jié){液平衡模型更好地服務于不斷趨于精細化的造紙法再造煙葉生產模式，在現有模型基礎上，今后可將“計算”數據細化為一級工藝指標，列舉影響一級工藝指標的二級設備參數，并將這些設備參數納入漿液平衡模型，便于日常生產“漿”“液”匹配監(jiān)控，對異常數據出現的原因可快速、定向查找和調整優(yōu)化。