鐘 林，陳占民，徐曉偉

1.貴州中煙工業(yè)有限責任公司貴定卷煙廠，貴州省貴定縣環(huán)西線 551300

2.陜西中煙工業(yè)有限責任公司澄城卷煙廠，陜西省澄城縣南大街588 號 715200

3.江蘇恒森煙草機械有限公司，江蘇省無錫市錫山區(qū)羊尖鎮(zhèn)膠陽路 214000

在煙草加工過程中，經過打葉復烤葉梗分離后的成品片煙中仍然存在一定比例的含梗片煙，這些煙梗在后續(xù)的制絲環(huán)節(jié)中會形成成品煙絲中的梗簽，而煙絲含梗簽率對卷煙產品的卷制質量、燃燒過程及其感官質量［1-2］均有重要影響。煙支中含梗簽不僅影響卷煙吸阻和煙支質量的穩(wěn)定性，還會刺破卷煙紙，影響煙支外觀質量。此外，煙支中的梗簽在燃吸過程中容易造成炸灰、熄火、煙錐脫落等問題，并導致木質氣重、刺激性大等不良感官質量。因此，有效降低煙絲中梗簽含量、提高煙絲純凈度一直是卷煙企業(yè)關注的重點問題［3-4］。目前對煙絲中梗簽的剔除主要集中在制絲和卷制過程，制絲工序中配置的就地風分［5-6］設備，可同時剔除重質異物和部分梗簽，卷制環(huán)節(jié)中的卷煙機設置有進料風分管，也可剔除部分梗簽。兩種剔除方式均是基于風力浮選［7］的原理，通過氣力吹送將懸浮速度較大的梗簽從煙絲中分離。但風分過程中由于氣流速度分布及煙絲物料分散不均勻［8］，難以保持較高的梗簽剔除率，且一次風分過程難以兼顧梗簽剔除率和煙絲帶出率等指標。為盡可能地降低煙絲的梗簽含量，卷制機臺往往采用過度剔除的方式，導致設備剔除的梗簽含煙絲率達到8%～20%，合格煙絲浪費嚴重。由于細支卷煙對煙絲純凈度的要求更高，目前細支卷煙加工過程中剔除的梗簽含煙絲率更大［9］。為此，研制了一種新型多級風分除梗簽設備，將煙絲機械打散與三級風分過程相結合，合理設計三級風分風速，通過風分過程使煙絲物料均勻分散，以期提高煙絲梗簽剔除率，實現(xiàn)梗簽的高效分離和剔除。

1 問題分析

利用風力浮選的方式進行煙絲與梗簽分離，原理在于二者在氣流場中的懸浮速度存在一定差異。由于梗簽與煙絲的形態(tài)差異較大，在風分設備中上升氣流對梗簽和煙絲的曳力系數(shù)有較大差別［1］，且二者密度也不同，梗簽與煙絲相比具有更大的懸浮速度，由此實現(xiàn)風力浮選分離梗簽。但在風分過程中，煙絲物料是否均勻分散會顯著影響煙絲、梗簽的分離效果，此外來料煙絲中還存在部分結團煙絲，在就地風分等設備中，結團煙絲和夾裹的梗簽被同時剔除，導致結團煙絲中大量合格煙絲浪費。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結構

多級風分除梗簽機主要由風分箱體、進料皮帶機、三通風管、一級風分進風管、打散輥組等部分組成，見圖1。該設備主要通過三級風分結構和風分過程使物料均勻分散，實現(xiàn)煙絲中梗簽的高效分離。進料輸送機將物料以一定角度拋入風分箱體，在重力作用下，物料向斜下方下落，經過一級風分進風管出風口時，物料與一級風交錯接觸，煙絲在風力作用下初步被打散。在風力作用下，煙絲中較重梗簽及結團煙絲的拋出軌跡相似，主要落入下方的打散輥組區(qū)域，而分散的煙絲拋出距離較遠，主要落入合格煙絲輸送機上。落入打散輥組上的梗簽和結團煙絲，經過打散輥旋轉釘齒的作用后被松散［10］，梗簽和松散開的煙絲通過輥組間隙落下。由打散輥組區(qū)域下落的煙絲經過二級風分進風管出風口時，與二級風交錯接觸，煙絲在風力作用下被吹送至合格煙絲輸送機上，而梗簽落入較近的梗簽輸送機上。梗簽輸送機上的物料經過梗簽出口管路被排出，此處設計有三級風分進風管，即物料經該管路排出時，三級風自下而上與物料逆流接觸，目的是在梗簽排出前將梗簽物料中的少量煙絲分離回收。

圖1 多級風分除梗簽機示意圖Fig.1 Schematic diagram of multistage pneumatic sliver separator

考慮到不同懸浮速度物料的梯度分離，各級風分風速采用了差異化設計。一級風分主要將懸浮速度較大的游離梗簽和結團煙絲分離出來，被打散的結團煙絲在二級風分時分離其中的梗簽；二級風分主要對分離出的梗簽物料進行細分，回收其中誤剔的煙絲；三級風分風速低于前兩級，目的在于盡可能地使懸浮速度較低的梗簽順利分離出來，同時減少被誤剔的煙絲量，降低剔除物中含絲率。

2.2 風分箱體

風分箱體為長方體結構，應能滿足3 000 kg/h制絲線的生產能力。物料在風分箱內需經歷3 次風分和一次打散過程，因此箱體高度設計為2 600 mm，箱體兩側設有觀察窗。風分箱體進料端與高速皮帶機連接，與風分箱體水平面夾角為15°，物料以該角度拋射進入風分箱內。一級風分進風和吹掃區(qū)域在物料入口的下方，二級風分進風和吹掃區(qū)域在打散輥組的落料下方。合格煙絲和梗簽輸送機位于風分箱底部，梗簽和合格煙絲分別由風分箱兩側排出。其中，合格煙絲出料端采用四葉片葉輪式出料氣鎖結構［11］，根據(jù)煙絲容重設計氣鎖直徑［12］，出料流暢且密封效果好。煙絲風分過程采用的是循環(huán)風，一部分風隨除塵排出，風分箱內為負壓環(huán)境。

2.3 風路系統(tǒng)

工藝氣體在風路系統(tǒng)中的循環(huán)方式為：風分箱內的風機通過網筒抽取箱內的工藝氣體，并送入循環(huán)風管道；一部分循環(huán)工藝氣體由除塵風管排出，其余循環(huán)至進料端的調風閥，分為一級風分和二級風分工藝氣體；兩路風分工藝氣體分別通過各自的進風管進入風分箱，并與落料煙絲交錯接觸；由于風分箱內為負壓環(huán)境，在梗簽出口管路中，即三級風分的進風管會吸入一定流量氣體，形成三級風分工藝氣體，以平衡循環(huán)風管道中排出的除塵氣體［13］。

風路系統(tǒng)中的調風閥主要用于合理分配兩個風分風管的風量，通過改變調風閥的閥板角度，即可調節(jié)一級、二級風分風量比例，見圖2。一級風分和二級風分進風管均設計為扁平矩形管，尺寸與風分箱寬度接近，保證兩級風分區(qū)域工藝氣體吹掃均勻。風管與風分箱體連接處為水平放置，以使氣流水平進入風分箱體。

圖2 風分管路及調風閥Fig.2 Pneumatic separating ducts and air regulating valve

2.4 風機風量

2.4.1 梗簽出口處風速及除塵風量

已知梗簽懸浮速度為5.0～5.5 m/s，煙絲懸浮速度為2.0～2.3 m/s，梗簽出口處風量Q梗計算公式為：

式中：Q?！：灣隹谔庯L量，m3/h；A1—梗簽出口風道厚度，m；B1—梗簽出口風道寬度，m；V1—梗簽出口風道內風速，m/s。

其中A1取0.28 m，B1取1.43 m，V1取3.5 m/s，計算可得Q梗為5 045 m3/h，因此除塵風量Q1至少為5 045 m3/h。考慮到設備連接部位可能存在漏風，除塵風量設計為可調形式，最終確定Q1為8 000 m3/h。

2.4.2 第一次風分風量

第一次風分風量計算公式為：

式中：Q2—第一次風分風量，m3/h；A2—第一次風分風道厚度，m；B2—第一次風分風道寬度，m；V2—第一次風分風道內風速，m/s。

其中A2取0.22 m，B2取1.43 m，V2取4 m/s，計算可得Q2為4 530 m3/h。

2.4.3 第二次風分風量

第二次風分風量計算公式為：

式中：Q3—第二次風分風量，m3/h；A3—第二次風分風道厚度，m；B3—第二次風分風道寬度，m；V3—第二次風分風道內風速，m/s。

其中A3取0.22 m，B3取1.43 m，V3取4 m/s，計算可得Q3為4 530 m3/h。

2.4.4 系統(tǒng)總風量

系統(tǒng)總風量Q總=Q1+Q2+Q3，即Q總為17 060 m3/h。因此，該設備需要2 臺風機，即每臺風機的風量大于8 530 m3/h。

2.5 出料氣鎖

以3 000 kg/h 制絲線為例確定氣鎖直徑，氣鎖結構見圖3。保險系數(shù)K 取0.15［11］，則Q氣鎖=3 000/0.15=20 000 kg/h。氣鎖直徑計算公式［11］為：

式中：D氣鎖—氣鎖直徑，m；n氣鎖—氣鎖減速機轉速，r/min；G煙絲—煙絲容重，kg/m3；L氣鎖—氣鎖長度，m。

其中n氣鎖取36 r/min，煙絲容重G煙絲取最小值50 kg/m3，L氣鎖取1.43 m，計算可得D氣鎖=0.406 m，即氣鎖直徑要大于0.406 m?？紤]到氣鎖方軸及葉片所占體積，最終確定D氣鎖為500 mm。

圖3 氣鎖結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of airlock structure

2.6 排風網筒

2.6.1 網筒開孔率

為獲得較大開孔率［14］，網筒網孔直徑取2.5 mm，采用60°交錯排布方式，相鄰兩孔中心距為4 mm，網孔分布見圖4。

圖4 網孔分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of mesh distribution

網筒開孔率計算公式為：

式中：m—開孔率；s—單位面積，mm2；n—單位面積上網孔數(shù)量；r孔—網孔半徑，mm。

取長14 mm，寬12 mm 的矩形為單位面積，計算開孔率。矩形上有12 個孔，小于3 mm 的灰塵可以直接進入除塵裝置，因此網孔直徑取2.5 mm，計算可得m 為35%。

2.6.2 網筒直徑

網筒設計為圓筒狀，在主軸上焊接了6 塊隔板，隔板之間焊接有弧形加強筋，沖孔網板鉚接在加強筋上，其結構見圖5。

圖5 排風網筒結構Fig.5 Structure of air exhaust mesh pipe

筒面風速計算公式為：

式中：V筒—筒面風速，m/s；Q總—系統(tǒng)總風量，m3/h；D筒—網筒直徑，m；L筒—網筒長度，m。

假 設D筒取0.8 m，已 知L筒為1.4 m，Q總為17 060 m3/h，計算可得V筒為1.35 m/s。由文獻［15］可知，當V筒≤1.35 m/s 時，煙絲不會吸附在筒面上，最終確定D筒為800 mm。

2.7 打散輥組

打散輥組主要是通過相鄰打散輥釘齒的交錯旋轉，將結團煙絲機械松散，便于后續(xù)二級風分對梗簽和煙絲進行分離。打散輥組設置在第一級與第二級風分風管之間，共有4 根打散輥，前3 根為順時針旋轉，最后一根為逆時針旋轉，轉速為前3根的2 倍，見圖6。試驗結果表明，打散輥采用釘輥形式效果較理想，可以將結團煙絲徹底打散，且減少煙絲造碎［16］。打散輥具體尺寸為：釘輥直徑180 mm，相鄰2 個打散輥中心距180 mm，釘齒長56 mm，12 個釘齒沿圓周均布，相鄰2 個釘齒交錯分布。

圖6 打散輥組示意圖Fig.6 Schematic diagram of loosening rollers

2.8 各級風分風速

在煙絲含水率11%～13%范圍內，梗簽懸浮速度為5.0～5.5 m/s，煙絲懸浮速度為2.0～3.0 m/s［17-18］。由于一、二級風分風速與三級風分風速采用差異化設計，一、二級風分過程中工藝氣體在水平方向上與煙絲交錯接觸，并將煙絲吹掃至煙絲皮帶承接區(qū)域，因此這兩級風分風速應低于梗簽懸浮速度的下限，明顯高于煙絲懸浮速度的上限，設計風速介于4.0～4.5 m/s 之間。三級風分過程中，工藝氣體與物料在接近于垂直的管路中逆流接觸，因此風分風速稍高于煙絲懸浮速度的上限，即可將煙絲分離出來，設計風速介于3.5～4.0 m/s 之間?；谏鲜龇治?，在一、二級風分風速取4.0 m/s，三級風分風速取3.5 m/s 時，各級風量［19］及除塵風量見表1。

表1 各級風量及風速計算結果Tab.1 Calculation results of air volume and velocity at each stage

3 應用效果

3.1 試驗設計

材料：“黃果樹（軟02）”牌卷煙（貴州中煙工業(yè)有限責任公司貴定卷煙廠提供）。

設備和儀器：煙絲結構振動分選篩（秦皇島煙草機械有限責任公司）；SPS202F 型電子秤（精度0.01 g，瑞士梅特勒-托利多公司）；剔除梗簽物中含絲量檢測裝置（鄭州煙草研究院）。

測試方法：①在多級風分除梗簽機前后分別取樣“黃果樹（軟02）”牌卷煙煙絲1 000 g，采用煙絲結構振動分選篩分選并記錄，檢查各層篩網所收集的煙絲質量之和，不超出樣品質量±1.5%，若超出則重新取樣；②將多級風分除梗簽機前取樣煙絲按流量均勻地平鋪在進料皮帶機上，待設備穩(wěn)定運行后，啟動進料皮帶機，記錄梗簽剔除量；③采用剔除梗簽物中含絲量檢測裝置分選梗簽剔除物，稱量并分別記錄煙絲和梗簽質量；④采用剔除梗簽物中含絲量檢測裝置分選煙絲中梗簽，記錄并計算出1 000 g 煙絲中梗簽總質量；⑤重復試驗兩次。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表2 可見，經風分剔除梗簽后，煙絲結構中的長絲率降低4.4%，中絲率和短絲率分別增加4.0%和0.5%，碎絲率減少0.1%。這是由于煙絲在風分及打散過程中長絲容易造碎，進而導致長絲率降低，中短絲率增大。長度＜1 mm 的碎絲容易通過除塵排出，由此導致碎絲率減少。

表2 風分除梗簽前后煙絲結構變化Tab.2 Variations in tobacco structure before and after pneumatic sliver separation （%）

由表3 可見，多級風分除梗簽機的梗簽剔除效果良好，簽剔除率達到82%，剔除物中含絲率為4.7%，兼顧了較高的梗簽剔除率和較低的梗簽剔除物中含絲率。

表3 梗簽剔除效果Tab.3 Effects of tobacco sliver rejection （%）

4 結論

設計了一種新型多級風分除梗簽設備，將煙絲機械打散與三級風分過程相結合，合理設計三級風分風速，通過風分過程實現(xiàn)物料的均勻分散，在風分除梗簽過程中兼顧了較高的梗簽剔除率和較低的梗簽剔除物中含絲率等工藝指標。以貴定卷煙廠生產的“黃果樹（軟02）”卷煙煙絲為對象進行測試，結果表明：采用多級風分除梗簽機后，梗簽剔除率達到82%，剔除物中含絲率為4.7%，風分后煙絲長絲率降低4.4 百分點，中絲率增加4.0 百分點，短絲率增加0.5 百分點，有效提高了煙絲純凈度，降低了風分除梗簽過程中的煙絲消耗。