李 榮，楊 力，石 濤，易 斌，李澤惠，方志坤，瞿 冉，張 瑾

紅云紅河煙草（集團）有限公司昆明卷煙廠，昆明市紅錦路366號 650000

隨著制絲設(shè)備的不斷發(fā)展，對煙絲加工質(zhì)量的要求越來越高。加工后煙絲除具有較好的彈性和填充值外，還應(yīng)剔除煙絲中的梗簽和煙末，使煙絲具有較高純凈度，以提高卷煙產(chǎn)品內(nèi)在品質(zhì)［1］。德國HAUNI公司生產(chǎn)的VAS冷床是一種對烘后煙絲進行冷卻的設(shè)備，其作用：一是降低烘后煙絲溫度，增加煙絲卷曲度和填充值；二是篩分和剔除煙絲中的梗簽和煙末，提高煙絲純凈度，滿足后續(xù)工序的加工要求［2］。但實際生產(chǎn)中VAS冷床煙絲回收裝置無法將梗簽與煙絲徹底分離，導(dǎo)致剔除物中含有一定量的可回收煙絲，造成煙絲浪費。針對此問題，許建勇等［3］設(shè)計了一種煙絲在線分離回用裝置，安裝于卷煙機剔梗裝置后方，通過塔式分離器實現(xiàn)梗簽與煙絲的一次分離，再利用旋風分離器實現(xiàn)煙絲與煙末的二次分離，進而實現(xiàn)了煙絲與梗簽的徹底分離，可回收剔除物中85%以上的煙絲。盧淦［4］通過研究卷煙機梗絲風力裝置在工藝風力系統(tǒng)及變工況下梗絲的分離效率，對該裝置的分流器進行了改進，改進后煙絲顆粒的捕集效率為70.836%，絲中含梗率為1.217%～3.565%。但對于VAS冷床剔除物中煙絲回收利用的研究則鮮見報道。為此，對VAS冷床煙絲回收裝置進行了改進，通過調(diào)節(jié)一級和二級分離體內(nèi)各阻尼板的角度，實現(xiàn)梗簽與煙絲的分級分離以及煙絲回收，并應(yīng)用計算流體動力學(xué)CFD對煙絲回收效果進行數(shù)值模擬，以期提高煙絲回收率，降低煙絲消耗。

1 問題分析

改進前VAS冷床煙絲回收裝置主要由機架、吸風管、梗簽出料口、風門、固定阻尼板和進料口等部分組成，見圖1。其主要作用是將VAS冷床剔除物中的梗簽、雜物與煙絲分離，梗簽及雜物落入收集箱內(nèi)，煙絲被重新回收再利用［5］。但實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，剔除物中含有一定量的可回收煙絲，導(dǎo)致煙絲回收利用率低，煙絲浪費嚴重。

圖1 改進前煙絲回收裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of tobacco reclaiming device before modification

2 改進方法

改進后VAS冷床煙絲回收裝置由一級分離體、二級分離體、梯形阻尼板、拋料輥、擋料板和三角形阻尼板等部分組成，見圖2。其中，一級和二級分離體并聯(lián)安裝，兩者內(nèi)部安裝有不同形狀、可調(diào)節(jié)角度的阻尼板，通過調(diào)節(jié)各阻尼板的角度實現(xiàn)梗簽與煙絲的分離。工作時剔除物從進料口進入一級分離體，經(jīng)過一次懸浮分離后較輕煙絲在出料口被吸風帶走，較重的梗簽從梗簽出料口排出。未被一次懸浮分離的物料經(jīng)拋料輥拋撒后從一級分離體進入二級分離體，在擋料板和二次懸浮分離的作用下，煙絲從出料口排出，重新回到生產(chǎn)線被再利用，梗簽則從梗簽出料口排出。

圖2 改進后煙絲回收裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of modified tobacco reclaiming device

2.1 阻尼板

一級和二級分離體內(nèi)共有4塊可調(diào)節(jié)角度的阻尼板，按上下對稱位置交錯設(shè)置，其作用是實現(xiàn)氣流均布，使氣流按設(shè)定方式流動。其中，一級分離體內(nèi)安裝的是梯形阻尼板，二級分離體內(nèi)安裝的是三角形阻尼板，見圖3。當物料經(jīng)進料口進入一級和二級分離體后，通過調(diào)節(jié)阻尼板角度形成氣流加速區(qū)，使物料在一級和二級分離體內(nèi)充分懸浮分離，以提高煙絲回收效率。生產(chǎn)中可根據(jù)不同品牌煙絲純凈度要求調(diào)節(jié)各阻尼板角度，進而改變一級和二級分離體內(nèi)氣固兩相場的流場分布，實現(xiàn)VAS冷床剔除物的分級分離。

圖3 阻尼板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of damping plates

2.2 拋料輥組件

拋料輥組件主要由軸、葉輪、電機減速器和帶座軸承等部分組成［6］，見圖4。當物料由一級分離體向二級分離體流動時，通過拋料輥進行拋撒，有利于梗簽與煙絲分離。

圖4 拋料輥組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of projecting roller assembly

2.3 擋料板

擋料板主要由支架、弧形阻尼板、手柄等部分組成，見圖5。其作用是對拋料輥拋撒的物料進行阻擋，便于物料在二級分離體內(nèi)充分懸浮和分離。

圖5 擋料板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of baffle plate

2.4 CFD仿真優(yōu)化

基于流體動力學(xué)CFD對煙絲回收過程進行數(shù)值模擬［7-9］，利用懸浮分離原理對梗簽與煙絲在流場內(nèi)的運動軌跡進行分析，考察流場內(nèi)氣流速度分布和流動軌跡情況。為更好地模擬梗簽與煙絲在回收裝置中的運動情況，采用粒子追蹤法［10］評估梗簽與煙絲的分離效果。

2.4.1 簡化模型

研究發(fā)現(xiàn)，顆粒（梗簽與煙絲）在流場中受到重力、浮力、氣動阻力、壓力梯度力等作用力。由于煙絲密度較小，呈絲狀且具有一定卷曲度，而梗簽密度較大，呈片狀。因此，在一定吸風風速下，梗簽與煙絲在回收裝置中所受到的作用力不同［11］。與梗簽相比，煙絲受到的重力小、氣動阻力小、浮力大。為得到氣固兩相場流場內(nèi)剔除物中梗簽與煙絲的運動軌跡，對改進后煙絲回收裝置進行簡化，模型見圖6。

圖6 改進后煙絲回收裝置簡化模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of simplified model of modified tobacco reclaiming device

2.4.2 仿真參數(shù)設(shè)置

設(shè)定CFD分析類型為內(nèi)部，并排除不具備流動條件的腔，忽略空穴的作用。首先，根據(jù)煙絲回收裝置的實際工況，選擇層流或湍流狀態(tài)。其次，設(shè)定邊界條件、入口體積流量、靜壓等參數(shù)，壁面條件為真實壁面。最后，確定計算流體域，并進行網(wǎng)格劃分和后處理。其中，進料口、梗簽出料口處的邊界條件為大氣壓101 325 Pa，溫度293.15 K；煙絲出料口處邊界條件為吸風風速10 m/s；煙絲密度取煙絲粒子密度1.001 g/cm3，當量直徑為1 mm；梗簽密度取梗簽粒子密度2.57 g/cm3，當量直徑為5 mm［4］。

2.4.3 仿真數(shù)據(jù)分析

CFD分析求解收斂后，采用速度云圖后處理法［12］評估氣相流場內(nèi)氣流運動情況。由圖7可知，流場內(nèi)最大氣流速度≥12 m/s區(qū)域位于吸風管出口處，進料口處氣流速度較小，這與實際情況相吻合。此外，受到可調(diào)節(jié)阻尼板的阻擋，流場內(nèi)氣流速度迅速下降，并向四周分流。

圖7 流場內(nèi)氣流速度分布云圖Fig.7 Cloud diagram of air velocity distribution in internal flow field

由圖8可知，氣流流動軌跡顯示了流場內(nèi)氣流速度分布，直觀地模擬出流場內(nèi)氣流從進料口到出料口的整個動態(tài)過程。其中，氣流從進料口進入裝置，遇到阻尼板后向上分流，并在阻尼板周圍形成小漩渦，由此加快了梗簽與煙絲的懸浮分離。

圖8 流場內(nèi)氣流流動軌跡分布圖Fig.8 Trajectory diagram of air flow in internal flow field

采用粒子追蹤法對流場內(nèi)可能存在的兩種尺寸（5 mm和1 mm）粒子進行研究。在“注入”中設(shè)置兩種尺寸粒子，80個梗簽粒子和20個煙絲粒子，由圖9可觀察到有煙絲粒子通過煙絲出料口流出。仿真結(jié)果顯示，20個煙絲粒子有16個被回收，80個梗簽粒子只有2個被回收，大部分落入梗簽收集箱。表明梗簽與煙絲懸浮分離效果良好，煙絲被有效回收。

圖9 煙絲粒子和梗簽粒子運動軌跡圖Fig.9 Movement trajectory diagram of tobacco and stem particles

3 應(yīng)用效果

3.1 實驗設(shè)計

材料：“云煙（A）”“云煙（B）”“云煙（C）”3個牌號卷煙（由昆明卷煙廠提供）。

設(shè)備：VAS冷床（德國HAUNI公司）；改進后VAS冷床煙絲回收裝置［紅云紅河煙草（集團）有限公司昆明卷煙廠升級改造］。

方法：在VAS冷床煙絲回收裝置改進前后分別取“云煙”3個牌號卷煙生產(chǎn)加工物料12、3和2批次，將VAS冷床底風風門開度設(shè)為25%，分別統(tǒng)計改進前后剔除物質(zhì)量、回收煙絲質(zhì)量和煙絲回收率（回收煙絲質(zhì)量在剔除物質(zhì)量中的占比）等數(shù)據(jù)，取平均值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表1可知，改進前剔除物質(zhì)量平均值為139.1 kg/批次，改進后為136.9 kg/批次，表明VAS冷床底風風門開度設(shè)為25%時，改進前后剔除物質(zhì)量差異不大，僅減少2.2 kg/批次；回收煙絲質(zhì)量平均值由33.3 kg/批次提高到52.5 kg/批次，提高19.2 kg/批次；煙絲回收率平均值由24.1%提高到38.3%，提高14.2百分點。可見，改進后通過反復(fù)調(diào)節(jié)一級和二級分離體內(nèi)各阻尼板位置并找到最佳角度，可以有效提高煙絲回收率。

表1 （續(xù)）

表1 改進前后VAS冷床煙絲回收裝置檢測數(shù)據(jù)對比Tab.1 Test data of tobacco reclaiming device VAS cooling bed before and after modification

4 結(jié)論

對VAS冷床煙絲回收裝置進行了改進，并利用計算流體動力學(xué)CFD對梗簽與煙絲分離效果進行了模擬仿真，實現(xiàn)了剔除物中梗簽與煙絲的分級分離及煙絲回收再利用。以昆明卷煙廠生產(chǎn)的“云煙”3個規(guī)格卷煙共17批次物料為對象進行測試，結(jié)果表明：改進后剔除物質(zhì)量平均值減少2.2 kg/批次，回收煙絲質(zhì)量平均值提高19.2 kg/批次，煙絲回收率平均值提高14.2百分點，達到了提質(zhì)降耗，降本增效的目的。