VAS冷床煙絲回收裝置的改進

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

隨著制絲設備的不斷發展，對煙絲加工質量的要求越來越高。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，以提高卷煙產品內在品質［1］。德國HAUNI公司生產的VAS冷床是一種對烘后煙絲進行冷卻的設備，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，滿足后續工序的加工要求［2］。但實際生產中VAS冷床煙絲回收裝置無法將梗簽與煙絲徹底分離，導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梗簽與煙絲的一次分離，再利用旋風分離器實現煙絲與煙末的二次分離，進而實現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，通過調節一級和二級分離體內各阻尼板的角度，實現梗簽與煙絲的分級分離以及煙絲回收，并應用計算流體動力學CFD對煙絲回收效果進行數值模擬，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，煙絲被重新回收再利用［5］。但實際生產中發現，剔除物中含有一定量的可回收煙絲，導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構示意圖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安裝，兩者內部安裝有不同形狀、可調節角度的阻尼板，通過調節各阻尼板的角度實現梗簽與煙絲的分離。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構示意圖Fig.2 Schematic diagram of modified tobacco reclaiming device

2.1 阻尼板

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

圖3 阻尼板結構示意圖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 拋料輥組件結構示意圖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充分懸浮和分離。

圖5 擋料板結構示意圖Fig.5 Structure of baffle plate

2.4 CFD仿真優化

基于流體動力學CFD對煙絲回收過程進行數值模擬［7-9］，利用懸浮分離原理對梗簽與煙絲在流場內的運動軌跡進行分析，考察流場內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

研究發現，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 仿真參數設置

設定CFD分析類型為內部，并排除不具備流動條件的腔，忽略空穴的作用。首先，根據煙絲回收裝置的實際工況，選擇層流或湍流狀態。其次，設定邊界條件、入口體積流量、靜壓等參數，壁面條件為真實壁面。最后，確定計算流體域，并進行網格劃分和后處理。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 仿真數據分析

CFD分析求解收斂后，采用速度云圖后處理法［12］評估氣相流場內氣流運動情況。由圖7可知，流場內最大氣流速度≥12 m/s區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，受到可調節阻尼板的阻擋，流場內氣流速度迅速下降，并向四周分流。

圖7 流場內氣流速度分布云圖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氣流速度分布，直觀地模擬出流場內氣流從進料口到出料口的整個動態過程。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 應用效果

3.1 實驗設計

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個牌號卷煙生產加工物料12、3和2批次，將VAS冷床底風風門開度設為25%，分別統計改進前后剔除物質量、回收煙絲質量和煙絲回收率（回收煙絲質量在剔除物質量中的占比）等數據，取平均值。

3.2 數據分析

由表1可知，改進前剔除物質量平均值為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為25%時，改進前后剔除物質量差異不大，僅減少2.2 kg/批次；回收煙絲質量平均值由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?？梢?，改進后通過反復調節一級和二級分離體內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）

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

4 結論

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CFD對梗簽與煙絲分離效果進行了模擬仿真，實現了剔除物中梗簽與煙絲的分級分離及煙絲回收再利用。以昆明卷煙廠生產的“云煙”3個規格卷煙共17批次物料為對象進行測試，結果表明：改進后剔除物質量平均值減少2.2 kg/批次，回收煙絲質量平均值提高19.2 kg/批次，煙絲回收率平均值提高14.2百分點，達到了提質降耗，降本增效的目的。