S400 型殘煙機(jī)煙絲回用工藝的優(yōu)化與應(yīng)用

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

浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司寧波卷煙廠，浙江省寧波市奉化經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)葭浦西路2001 號(hào) 315040

在卷煙卷接包生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的殘煙支一般作為生產(chǎn)廢品處置，或采用殘煙機(jī)對(duì)殘煙支進(jìn)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(lái)，隨著卷煙產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級(jí)和煙葉價(jià)格上漲，回用煙絲成為卷煙企業(yè)減少煙絲消耗、降低生產(chǎn)成本的途徑之一。但在煙絲回收過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，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(wèn)題。針對(duì)此，張冬芹等［3］對(duì)FY37 型殘煙機(jī)進(jìn)行改造并優(yōu)化了工藝參數(shù)，提高了多種牌號(hào)殘煙支的出絲率；李成剛等［4］對(duì)S400 型殘煙機(jī)的輸送機(jī)頻率、I 級(jí)風(fēng)機(jī)頻率、Ⅱ級(jí)風(fēng)機(jī)頻率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高了煙絲回收率；侯志龍等［5］對(duì)S400型殘煙機(jī)的增溫增濕系統(tǒng)和分離系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，提高了煙絲回收率和整絲率。但對(duì)于如何解決回用煙絲含雜問(wèn)題的研究則鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，對(duì)S400型殘煙機(jī)煙絲回用工藝流程進(jìn)行分析，通過(guò)增加振動(dòng)篩分機(jī)［6］、風(fēng)選風(fēng)送系統(tǒng)［7］和煙絲精選機(jī)［8］等設(shè)備實(shí)現(xiàn)膠塊、紙片等雜物的有效剔除，以期提高回用煙絲純凈度，進(jìn)一步完善煙絲回用工藝流程。

1 問(wèn)題分析

1.1 工藝流程

S400 型殘煙機(jī)處理能力為400 kg/h。如圖1 所示，殘煙支被翻箱機(jī)（1）翻入自動(dòng)提升喂料機(jī)（2）后進(jìn)入生產(chǎn)線，物料流量由計(jì)量管（3）和輸送帶（4）的輸送頻率控制；煙支在計(jì)量管底部被蒸汽軟化后由輸送帶送入兩級(jí)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(jìn)入紙棒壓塊機(jī)（8）進(jìn)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(shè)置有多個(gè)鴨嘴狀負(fù)壓剔除口可以將小紙片吸走，篩選出的煙絲經(jīng)輸送機(jī)（7）進(jìn)入回用煙絲裝箱系統(tǒng)；除塵器（9）上的3 個(gè)除塵模塊分別連接一、二級(jí)輕重分離器和分離振槽，集中處理煙灰煙末。

圖1 改進(jìn)前S400型殘煙機(jī)設(shè)備布局圖Fig.1 Layout of S400 tobacco reclaimer before modification

1.2 存在問(wèn)題

現(xiàn)行工藝標(biāo)準(zhǔn)要求回用煙絲中小紙片（＜5 mm）含量≤1片/500 g，無(wú)大紙片（≥5 mm）和膠塊、爆珠、塑料、濾嘴絲束等雜物［9］。但實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)S400型殘煙機(jī)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?fù)皆诘蜋n牌號(hào)卷煙中，回?fù)綗熃z使用范圍窄、比例低。

2 改進(jìn)方法

參照寧波卷煙廠制絲生產(chǎn)線的工藝布局，對(duì)S400型殘煙機(jī)進(jìn)行設(shè)備和工藝改進(jìn)。改進(jìn)后回用煙絲設(shè)備布局如圖2所示：①在自動(dòng)提升喂料機(jī)后增加一臺(tái)三層振動(dòng)篩分機(jī)（徐州眾凱機(jī)電設(shè)備制造有限公司），實(shí)現(xiàn)對(duì)初級(jí)雜物的分離并篩選出回用煙支；②在兩級(jí)輕重分離器后增加一套風(fēng)選風(fēng)送系統(tǒng)（徐州眾凱機(jī)電設(shè)備制造有限公司），實(shí)現(xiàn)對(duì)膠塊等較重雜物的分離和剔除；③在自動(dòng)裝箱前增加兩臺(tái)串聯(lián)的WTS-I 型煙絲精選機(jī)（南京文采科技有限公司），實(shí)現(xiàn)對(duì)回用煙絲中紙片和纖維等雜物的剔除。優(yōu)化后煙絲回用工藝流程見(jiàn)圖3。

圖2 改進(jìn)后回用煙絲生產(chǎn)線設(shè)備布局示意圖Fig.2 Schematic diagram of equipment layout of tobacco reclaiming after modification

圖3 優(yōu)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(dòng)篩分機(jī)

如圖4 所示：①物料進(jìn)入三層振動(dòng)篩分機(jī)后，較大雜物先被上層篩選機(jī)構(gòu)（1）篩出并經(jīng)出口（5）剔除進(jìn)入雜物收集車，殘煙支、細(xì)小雜物及煙末則進(jìn)入中層篩選機(jī)構(gòu)（2）；②殘煙支被中層篩選機(jī)構(gòu)篩出后經(jīng)出口（7）進(jìn)入兩級(jí)輕重分離器，細(xì)小雜物及煙末則落入底層篩選機(jī)構(gòu)（3），經(jīng)煙末出料口（4）被輸送至除塵房。上層篩選機(jī)構(gòu)采用不銹鋼菱形橫檔設(shè)計(jì)，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(shù)基本一致，且中層篩網(wǎng)與加香前振篩篩網(wǎng)的功能相同（均為篩除1.0 mm以下的細(xì)小煙末、煙灰及雜質(zhì)），因此確定中層篩網(wǎng)網(wǎng)孔大小與加香前振篩篩網(wǎng)一致，均為1.0 mm（18目）。

圖4 三層振動(dòng)篩分機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of structure of three-layer vibration screen

2.2 風(fēng)選風(fēng)送系統(tǒng)

如圖5 所示，在風(fēng)選風(fēng)送系統(tǒng)中，含有膠塊等較重雜物的回用煙絲被拋料器（1）拋入風(fēng)選箱體（2）中，回用煙絲因沉降速度較小而進(jìn)入上方風(fēng)送管路（3）并經(jīng)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(tǒng)中氣流通過(guò)循環(huán)風(fēng)管（5）和循環(huán)風(fēng)機(jī)（6）實(shí)現(xiàn)循環(huán)輸送，利用穩(wěn)壓箱（8）進(jìn)行氣壓調(diào)節(jié)，含塵氣體經(jīng)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(xiàn)［11］的方法確定風(fēng)管風(fēng)速：①將風(fēng)速檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置在設(shè)備上方的風(fēng)送管路進(jìn)風(fēng)段，結(jié)合風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（1 461 r/min）和風(fēng)管箱體尺寸（600 mm×220 mm），計(jì)算得到系統(tǒng)內(nèi)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(jìn)行模擬試驗(yàn)（煙絲流量400 kg/h，每批次煙絲100 kg，摻雜膠塊10塊），調(diào)節(jié)風(fēng)送速度，根據(jù)公式（1）和（2）計(jì)算有效剔除率和誤剔率。由圖6 可見(jiàn)，當(dāng)風(fēng)管風(fēng)速達(dá)到7.0～7.5 m/s時(shí)，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(fēng)選風(fēng)送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of pneumatic separating and conveying system

圖6 不同風(fēng)管風(fēng)速下風(fēng)選風(fēng)送系統(tǒng)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(shù)量，塊；m2為人工摻雜膠塊數(shù)量，塊；η2為誤剔率，%；M1為剔除煙絲質(zhì)量，g；M2為人工投料煙絲質(zhì)量，g。

2.3 煙絲精選機(jī)

采用WTS-I型煙絲精選機(jī)剔除回用煙絲中的雜物前，需要先對(duì)樣本圖像進(jìn)行分類和標(biāo)注，完成標(biāo)準(zhǔn)圖像模塊（包含正品庫(kù)和異物庫(kù)）的建立。如圖7所示，啟動(dòng)煙絲精選機(jī)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(jīng)LED 光源（3）照射和反光鏡（6）反射后，由CCD 高速照相機(jī)（5）采集圖像并將圖像傳送至高級(jí)圖像處理控制器（7）［12］；圖像經(jīng)FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列）算法預(yù)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(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)圖像模塊進(jìn)行比較，進(jìn)而判定雜物位置；剔除管理控制系統(tǒng)（2）接收到雜物信號(hào)并延時(shí)啟動(dòng)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(jī)結(jié)構(gòu)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(duì)比度，采用光譜連續(xù)、波長(zhǎng)覆蓋廣、顯色指數(shù)高且穩(wěn)定的線陣全光譜光源［13］代替普通的LED 光源，提升對(duì)雜物的識(shí)別能力；采用海鷗優(yōu)化模糊C均值算法［14-15］對(duì)原有的智能算法進(jìn)行優(yōu)化，提高前期標(biāo)注數(shù)據(jù)的容錯(cuò)率并實(shí)現(xiàn)多級(jí)迭代擬合，從而更加高效準(zhǔn)確地確定雜物的聚類中心點(diǎn)位置。

圖8 改進(jìn)后WTS-I型煙絲精選機(jī)雜物識(shí)別原理Fig.8 Principle of foreign matter identification of WTS-I cut tobacco sorter after modification

3 應(yīng)用效果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“利群（陽(yáng)光）”“利群（軟金色陽(yáng)光）”牌卷煙殘煙支（浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司寧波卷煙廠提供）。

設(shè)備：S400型殘煙機(jī)（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(yàn)箱（廣州五所環(huán)境儀器有限公司）；YQ-3 型煙絲結(jié)構(gòu)檢測(cè)儀（精度0.01%，鄭州嘉德機(jī)電科技有限公司）；D61型填充測(cè)定儀（精度0.01 cm3/g，德國(guó)BORGWALDT公司）。

方法：采用改進(jìn)前后的S400型殘煙機(jī)（運(yùn)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(gè)樣品（每個(gè)樣品1 kg 左右），根據(jù)文獻(xiàn)［10］的方法檢測(cè)煙絲工藝指標(biāo)（裝箱含水率、填充值、整絲率、碎絲率），利用人工挑揀并統(tǒng)計(jì)雜物含量（大紙片、小紙片以及其他雜物），取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見(jiàn)，改進(jìn)后回用煙絲的整絲率、裝箱含水率等指標(biāo)與改進(jìn)前基本一致，均符合生產(chǎn)工藝要求，回用煙絲品質(zhì)未受到影響。由表2可見(jiàn)，改進(jìn)后回用煙絲中未發(fā)現(xiàn)大紙片和商標(biāo)紙、膠塊、內(nèi)襯紙、棉線等其他雜物，剔除率達(dá)到100%；小紙片含量由18.40 片/500 g 減少至 0.18 片/500 g，降幅達(dá)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(jìn)前后回用煙絲工藝指標(biāo)對(duì)比①Tab.1 Comparison of technical indexes of reclaimed tobacco before and after modification

表2 改進(jìn)前后回用煙絲雜物含量對(duì)比Tab.2 Comparison of foreign matter content in reclaimed tobacco before and after modification

表2（續(xù)）

4 結(jié)論

基于S400 型殘煙機(jī)處理殘煙支的工藝流程和回用煙絲工藝標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)增加三層振動(dòng)篩分機(jī)、風(fēng)選風(fēng)送系統(tǒng)和煙絲精選機(jī)對(duì)殘煙機(jī)的處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化。以寧波卷煙廠生產(chǎn)的“利群”牌卷煙所產(chǎn)生的殘煙支為對(duì)象對(duì)S400 型殘煙機(jī)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：改進(jìn)后回用煙絲中未發(fā)現(xiàn)大紙片和其他雜物，小紙片含量為0.18 片/500 g，與改進(jìn)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(biāo)未受到影響，有效提升了回用煙絲的回?fù)绞褂梅秶Ｔ摷夹g(shù)可在其他型號(hào)殘煙機(jī)中推廣應(yīng)用。