重質分流風分器在打葉機組中的應用

朱昭德，高 津，陸 驤，唐 宏，溫 靜，張皓然，陳 金，宋浩宇，張曉磊，高軍浩，張長弓

1.貴州煙葉復烤有限責任公司銅仁復烤廠，貴州省銅仁市高新區(qū)銅仁復烤廠554300

2.秦皇島煙草機械有限責任公司，河北省秦皇島市經濟技術開發(fā)區(qū)龍海道67號066004

打葉復烤是卷煙制絲生產中的一項基礎環(huán)節(jié)［1］，主要依靠打葉機組（包括打葉器、風分器、落料器）和煙葉復烤設備完成。打葉機組中常用的風分器有馬克式撥葉輥拋料風分器和高速皮帶拋料風分器（以下稱高速皮帶風分器），在生產中一般是串聯多臺風分器進行風分。其中，高速皮帶風分器因造碎率低、設備占地面積小而被廣泛應用［2］。近年來，新版《卷煙工藝規(guī)范》［3］對打葉復烤的各項指標提出了更高要求，而常規(guī)高速皮帶風分器受風分載荷高、拋料角度固定等因素的限制，難以進一步提升大中片率、減少片煙造碎以及降低葉中含梗率。針對此問題，張忠峰等［4］采用氣流拋料器替代高速皮帶以解決拋料角度不可調的問題，有效提升了風分效率和各項性能指標的穩(wěn)定性；陳秋榮等［5］采用降低高速皮帶拋料速度、增加風力補償等方法來改善拋料效果，同時減少了高速皮帶的維護工作量；陸俊平等［6］采用低速帶或低速振槽替代高速皮帶送料同時利用風嘴和機械輥進行二次拋料來改善拋料效果，解決了高速皮帶跑偏、回帶煙葉等問題；李朋等［7］將高速皮帶與風分器進行軟連接，并通過調節(jié)支腿高度來改變拋料角度，調整范圍控制在5°以內，避免對拋料效果產生較大影響。但對于如何解決高速皮帶風分器風分載荷高、不能進行精細風分的問題則鮮見報道。為此，在高速皮帶風分器的基礎上，基于重質分流技術設計了一種重質分流風分器，通過對重質葉和輕質葉合理分流，避免風分器超負荷運行，以期進一步提升打葉機組的生產性能。

1 問題分析

如圖1a所示，片煙經一級打葉后依次進入6臺串聯的高速皮帶風分器。每臺風分器篩分出的輕質葉經過落料器后由皮帶機匯總收集，剩余煙葉被輸送至下一臺風分器繼續(xù)進行風分，篩分出的重質葉和未分出的輕質葉被輸送至二級打葉。如圖1b所示，風分過程中煙葉由傾斜的高速皮帶1拋撒至風分倉，在倉內上升氣流（風選風7）的作用下懸浮并因質量不同而分層，輕質葉和剩余煙葉分別從出口5和出口6脫離風分器。為確保高速皮帶不跑偏并降低維護難度，要求皮帶運行速度≤5 m/s，有效風分寬度≤2 440 mm。根據精分要求（即風分器寬度方向負荷為2.3 kg/mm）計算高速皮帶風分器的額定負荷為5 600 kg/h。當風分器超負荷運行時，片煙堆積厚度增加，風選風難以穿透堆積層，造成輕質葉風分效果不佳，進而導致后續(xù)大中片率降低以及造碎率增加等問題，只能通過適度調節(jié)風選風量改善風分效果。目前在流量為12 000 kg/h的打葉機組中，一般將1#、2#風分器（圖1a）并聯以降低單臺機器負荷，但每臺風分器仍然處于滿負荷（6 000 kg/h）運行狀態(tài)。若增大風量，則篩分出的輕質葉中會含有大量重質葉，造成葉中含梗率超標；若減小風量，則大量輕質葉被輸送至后序工序，造成3#～6#風分器負荷增大，進而導致大中片率和造碎率超標。

圖1 改進前一級風分流程（a）及高速皮帶風分器結構示意圖（b）Fig.1 Flow of first stage pneumatic separation（a）and structure of pneumatic separator with highspeed belt（b）before modification

2 改進方法

2.1 重質分流風分器工作原理

如圖2a所示，針對風分器因超負荷運行而導致風分效果不佳等問題，對高速皮帶風分器進行了改進，基于重質分流技術設計了一種重質分流風分器。使用2臺并聯的重質分流風分器替代原打葉機組中的1#、2#風分器。經一級打葉后的片煙經重質分流風分器風分后，輕質葉被匯總收集送入下一級工序，重質葉被匯總輸送至二級打葉，剩余煙葉依次進入3#～6#高速皮帶風分器繼續(xù)進行風分。

如圖2b所示，重質分流風分器采用高速旋轉的機械輥2替代高速皮帶進行拋料，并在機械輥2下方增加了導料板1；將原剩余煙葉出口劃分為重質葉出口7和剩余煙葉出口6，配合活動擋板5實現重質葉的分流；機械輥2上安裝有可調節(jié)高度的齒形板［6］，當機械輥2高速旋轉時產生的氣流可以將進入齒形板的重質葉和輕質葉拋入風分倉，并對片煙起到松散作用；根據重質葉的拋物線軌跡可調整導料板1的角度，進而改變拋料角度與拋料距離；活動擋板5可上下移動，用于調整重質葉的篩分比例。當加工不同部位、不同等級煙葉時，根據重質葉的質量、懸浮速度調整機械輥2拋料速度、導料板1角度以及活動擋板5高度，可以使重質葉、輕質葉拋出后因懸浮速度不同而自然分層。分層后的片煙中，大部分輕質葉被篩分出，一部分重質葉受活動擋板5阻擋而下落到輸送網板3上，剩余煙葉從活動擋板5上方進入剩余煙葉出口6。

1.導料板2.機械輥3.輸送網板4.輕質葉出口5.活動擋板6.剩余煙葉出口7.重質葉出口8.風選風

2.2 重質分流風分器參數的確定

重質分流風分器的組成以結構制作件為主，在運行過程中不需要維護，其最大寬度達到3 660 mm，根據精分計算得到單臺額定負荷最大約為8 400 kg/h，并聯使用2臺重質分流風分器即可滿足12 000 kg/h打葉機組的生產要求。考慮到節(jié)能降耗要求，最終選用寬度為3 050 mm的重質分流風分器。

2.3 重質葉拋料運動軌跡的確定

由于重質葉與輕質葉的懸浮速度不同，故運動軌跡也不同。在x、y兩個方向上，重質葉和輕質葉的運動軌跡可通過運動微分方程和解微分的理論進行計算：

式中：m為物料質量，kg；ux、uy為物料速度水平分量和豎直分量，m/s；Cd為氣流阻尼系數；Ap為物料在垂直氣流方向的投影面積，m2；ρj為氣流介質密度，kg/m3；ρp為物料密度，kg/m3；uj為氣流速度，m/s；α為氣流傾角，（°）；u0為物料初速度，m/s；β為物料初速度傾角，（°）；g為重力加速度，m/s2。

根據公式（1）和（2）計算并繪制重質葉和輕質葉的運動軌跡（圖3），可見重質葉和輕質葉被拋出后出現兩種不同軌跡，且改變拋料速度u0和角度β對重質葉軌跡的影響大于輕質葉：在相同拋料角度（β=0°）下逐漸增大拋料速度，重質葉水平速度增大，落點逐漸趨于遠端；在同等拋料速度（u0=2 m/s）下增大拋料角度，重質葉水平速度減小，落點逐漸趨于近端。重質葉和輕質葉在不同拋料角度和速度下的運動軌跡為重質葉的分流及其出口位置的設計提供了理論支持。

圖3 輕質葉和重質葉受拋料速度和角度影響的運行軌跡Fig.3 Moving trajectory of lighter and heavier tobacco affected by projecting speed and angle

3 應用效果

3.1 實驗設計

材料：貴州省銅仁市2020年產WCC3F等級（C2F和C3F混 打，C2F占 比15.4%，C3F占 比84.6%）中部煙葉。

設備：12 000 kg/h打葉機組（秦皇島煙草機械有限責任公司），其中一級風分中1#、2#風分器采用有效風分寬度為3 050 mm的重質分流風分器且并聯使用，3#～6#風分器采用有效風分寬度為2 440 mm的高速皮帶風分器；CA24.DA質量控制振動篩（秦皇島煙草機械有限責任公司）；賓德M-115干燥箱（德國Binder公司）；CA13葉中含梗率測定儀（北京長征高科技公司）；RX-29-10多層振動篩分器（美國W.S.TYLER公司）；LA34111S型電子秤（感量0.1 g，德國Sartorius公司）；CAP223S型電子天平（感量0.001 g，德國Sartorius公司）；62MAX型測溫槍（美國FLUKE公司）。

方法：①設置兩種風分器的煙葉流量均為6 000 kg/h，分別對風分器進口處、出口處的煙葉進行取樣。按照GB/T 21137—2007［8］檢測風分前煙葉中輕質葉、重質葉所占比例；根據文獻［9］計算兩種風分器的風分效率；按照GB/T 21136—2007［10］檢測并計算輕質葉出口處煙葉的葉中含梗率；按照GB/T 21137—2007［8］檢測并計算重質葉出口處的流量及輕質葉的比例。每個樣品重復取樣3次，間隔5 min，取平均值。②在相同測試條件下對比改進前后打葉機組的大中片率、葉中含梗率、造碎率等關鍵工藝指標，采用M-115干燥箱和62MAX型測溫槍檢測重質葉樣品在一級風分前和二級打葉前的溫度和含水率，對比水分和溫度散失情況，取平均值進行對比。

3.2 數據分析

3.2.1 改進前后風分器風分效率對比

現場檢測結果表明，煙葉經一級打葉后，重質葉和輕質葉所占比例分別為61%和39%，因2臺重質分流風分器并聯且均勻分料，單臺重質分流風分器的煙葉流量為6 000 kg/h，其中輕質葉流量為3 660 kg/h，重質葉流量為2 340 kg/h。如表1所示，重質分流風分器風分效率為70.67%，與高速皮帶風分器相比提高6.57百分點，葉中含梗率控制在0.65%以內；由于重質葉分流比例超過45%，且重質葉中輕質葉含量在1.5%以內，減少了后續(xù)工序的造碎；經計算，進入3#高速皮帶風分器的片煙流量未超過4 700 kg/h，低于其額定負荷，由此提高了3#～6#風分器的風分效率。

表1 改進前后風分器測試數據Tab.1 Test data of pneumatic separators before and after modification （%）

3.2.2 重質葉溫度和含水率對比

如表2所示，改進后重質葉在二級打葉前的含水率和溫度分別提高1.5百分點和7.3℃，原因在于輕質葉與重質葉分流，避免了重質葉因長時間、長距離風選而造成溫度和水分流失，提高了片煙耐加工性，有利于減少煙葉造碎［11］。

表2 改進前后打葉機組重質葉含水率和溫度對比Tab.2 Moisture content and temperature of heavier tobacco before and after modification of threshing line

3.2.3 改進前后關鍵工藝指標對比

如表3所示，改進后打葉機組采用了重質分流風分器+高速皮帶風分器的風分組合方式，葉中含梗率降低至1.2%以下，大中片率達到86.10%，造碎率控制在0.25%以內，能夠滿足葉梗分離后片煙結構的工藝指標要求。

表3 改進前后打葉機組工藝指標對比Tab.3 Technical indexes of threshing line before and after modification （%）

4 結論

基于重質分流技術對打葉機組中的風分器及一級風分流程進行了改進，采用機械輥進行拋料，通過導料板調節(jié)拋料角度和距離，增加重質葉出口并通過活動擋板將重質葉直接輸送至二級打葉設備，實現了輕質葉與重質葉分流，從而避免了重質葉溫度和水分的流失，降低了風分器的風分負荷。以貴州煙葉復烤有限責任公司銅仁復烤廠生產加工的WCC3F烤煙煙葉為對象進行測試，結果表明：與高速皮帶風分器相比，重質分流風分器的風分效率提高6.57百分點；改進后打葉機組進入二級打葉的重質葉含水率和溫度分別提高1.5百分點和7.3℃，大中片率提高0.69百分點，造碎率和葉中含梗率均降低0.23百分點，有效提升了打葉機組的性能指標。