唐軍，何邦華，易斌，林文強，馬寧，唐麗，陳文，周冰

云南中煙工業(yè)有限責任公司 技術(shù)中心，云南 昆明 650231

0 引言

煙草在加工過程中不可避免地會混入麻繩、木屑、泡沫、紙片、羽毛、塑料、橡膠、金屬、石塊,或產(chǎn)生霉變煙葉和梗簽等多種異物[1-2]，這些異物與煙草有著本質(zhì)上的區(qū)別或差異，若不能將其去除,將對卷煙制造過程和卷煙產(chǎn)品分別產(chǎn)生極大的安全和質(zhì)量隱患[3-4]，因而需采取各種方法和工藝剔除這些煙草異物，以提升煙草純凈度。

煙草異物除雜一直是卷煙生產(chǎn)過程的重要工序，主要分布在上游打葉復(fù)烤、中游制絲和下游卷制三大加工環(huán)節(jié)，并廣泛應(yīng)用于廢煙回收煙絲處理工藝中。目前，國內(nèi)卷煙加工過程中煙草異物除雜方法主要有風選除雜[5-6]、光電除雜[7-8]、激光除雜[9-10]等，每種除雜方法均有各自的優(yōu)缺點，且在煙草異物選擇、除雜原理及剔除效果上也各不相同。因此，本文擬圍繞打葉復(fù)烤、制絲、卷制和廢煙處理4個方面，對近年國內(nèi)卷煙加工過程煙草異物除雜技術(shù)研究進行綜述，對其發(fā)展趨勢進行展望，旨在為卷煙生產(chǎn)各加工環(huán)節(jié)選擇適宜的煙草異物除雜工藝和技術(shù)提供參考。

1 打葉復(fù)烤過程煙葉異物除雜

打葉復(fù)烤作為卷煙生產(chǎn)的第一道工序，是剔除煙草異物的重要環(huán)節(jié)。在打葉復(fù)烤生產(chǎn)過程中，煙葉主要含有麻繩、塑料膜、沙石、毛發(fā)、捆扎帶、蟲繭、鋁箔、金屬、木塊、橡膠、紙條等異物，不但種類多，形態(tài)和性質(zhì)差異也較大。目前打葉復(fù)烤煙葉異物除雜方法主要有人工挑揀、篩沙機、金屬探測儀、風選除雜、光電除雜等，而煙草企業(yè)生產(chǎn)線基本采用多級串行除雜方式[11]。這些方法雖可去除煙葉中的異物，但存在諸多弊端，例如人工挑揀除雜法所需人力物力投入較大，且剔除效率較低；篩沙機除雜法僅適用于沙土除雜，且容易對煙葉造碎；金屬探測儀除雜法僅適用于金屬除雜；風選除雜對于雜物的去除能力較強，但除雜精度相對較低；光電除雜精度高，但煙葉需要攤薄，除雜處理能力受限。

近年來，國內(nèi)研究者對打葉復(fù)烤過程煙葉異物除雜開展了一些研究，鄭博文等[12]對打葉復(fù)烤生產(chǎn)線風選除雜系統(tǒng)氣料分離器進行了改進，有效解決了風選除雜系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)過程中風選效率較低的問題，除雜效果較改進前提升了73%。周良明等[13]研究了打葉復(fù)烤不同工藝路徑、工藝參數(shù)對煙葉純凈度的影響，發(fā)現(xiàn)對煙葉進行切把頭處理有利于煙葉異物的剔除，而風選除雜風機頻率過大或過小均不利于煙葉異物的剔除。為改善風選除雜精度不高的問題，劉洪標等[14]開展了風選除雜與光電除雜工藝相結(jié)合進行復(fù)合除雜技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)先通過風選除雜方式使雜物盡可能被分離出來，然后再通過光電除雜方式精確地將異物進行二次分離，能有效提升煙葉雜物剔除效率。馬亞等[15]基于風選和光電除雜原理研發(fā)了一種垂直風送煙葉異物剔除系統(tǒng)，試驗測試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)對煙葉含水率、大中片率、碎片率和碎末率基本無影響，對輕異物的剔除率大于85%，對重異物的剔除率大于96%，雜物總剔除率達到了89%。何玉丹等[16]研發(fā)了一種新型打葉復(fù)烤纖維絲狀雜物剔除裝置，能有效剔除煙葉中的麻絲、毛發(fā)等纖維絲狀雜物，剔除率達到55%以上。

綜上可知，打葉復(fù)烤過程煙葉異物種類多樣，目前國內(nèi)打葉復(fù)烤生產(chǎn)線普遍采用的人工挑揀、金屬剔除、風選除雜和光電除雜多級串行除雜方式，存在加工流程長、加工工序多及煙葉造碎量大等現(xiàn)象，進而導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。近年來對打葉復(fù)烤過程煙葉異物除雜的研究主要集中在風選除雜和光電除雜兩個方面，但雜物剔除不完全，總體雜物剔除率低于90%，需突破當前多級串行除雜方式的局限，簡化除雜工藝流程，系統(tǒng)開展多項除雜技術(shù)融合除雜研究，提升煙葉異物除雜效果，同時降低生產(chǎn)成本。

2 制絲過程煙草異物除雜

制絲過程按加工流程分為煙葉加工段和煙絲加工段，煙葉加工段煙葉主要含有綿繩、蟲卵、霉變煙葉、餅煙、紙片、植物纖維等異物，煙絲加工段煙絲主要含有梗簽、梗塊、濕團、煙垢、金屬等異物。制絲過程作為決定卷煙加工質(zhì)量高低的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對煙草異物除雜有較高的要求。

2.1 煙葉加工段異物除雜

近年來，國內(nèi)研究者對煙葉加工段煙葉異物除雜的研究主要集中在圖像識別除雜和激光除雜兩個方面。

在圖像識別除雜方面，高鐵功等[17]對煙草異物智能剔除系統(tǒng)中的相機識別系統(tǒng)進行了優(yōu)化，提出了圖像系統(tǒng)中一拖六的相機設(shè)置，采用一臺高配置的工作站代替原有的上下位工控機控制系統(tǒng)，明顯提升了煙草異物剔除系統(tǒng)的處理速度。張紹堂等[18]研究了煙草異物剔除系統(tǒng)中實時低照度圖像的增強算法，發(fā)現(xiàn)采用優(yōu)化的高斯同態(tài)濾波算法可有效校正低照度圖像的顏色、對比度和亮度，對光照不均有很好的均衡作用，能較好滿足實時增強彩色圖像的需求。吳亞成[19]設(shè)計了一種將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于顏色分類器進行煙葉除雜的方法，能明顯提升基于圖像識別的除雜精度。李陽萱[20]基于顏色特征和梯度能量特征進行煙草異物圖像檢測技術(shù)研究，其中基于顏色特征的方法能夠達到99%的異物除雜率，而基于梯度能量特征的方法也能夠達到85%的除雜率。沈文超[21]基于顏色模型的煙草異物識別算法，提出了適合煙葉圖像的背景分割算法，有效解決了過分割現(xiàn)象，并能夠適應(yīng)圖像質(zhì)量的變化，建立了相應(yīng)的顏色模型；又進一步提出了基于顏色特征的類間標準差識別算法和基于SVDD與查找表相結(jié)合的異物識別算法，試驗驗證結(jié)果表明，煙草異物識別率達95%以上。李亞召等[22-23]研究了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的霉變煙葉圖像識別方法，先建立煙葉數(shù)據(jù)集，構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，然后利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型提取和篩選霉變和正常煙葉特征，進而實現(xiàn)快速、準確識別霉變煙葉圖像和正常煙葉圖像，識別準確率可達96.12%。龔未[24]提出了一種基于分層聚類的煙葉顏色空間分布建模方法，主要將煙葉RGB顏色空間沿B方向分為若干個子空間，在子空間內(nèi)對煙葉像素進行投影降維、排序等處理，并根據(jù)像素對應(yīng)數(shù)目這一分層屬性將子空間內(nèi)煙葉像素進行分層，然后采用改進的分層K-均值聚類算法對各個B子空間內(nèi)煙葉顏色進行聚類，從而建立煙葉顏色空間分布的有效模型，為煙葉異物識別提供一種新方法。

在激光除雜方面，楊俊杰等[25]研究發(fā)現(xiàn),基于激光除雜技術(shù)的煙草異物除雜系統(tǒng)具有除顏色除雜之外的結(jié)構(gòu)除雜和熒光除雜功能，在較低誤剔率情況下除雜率達到96%以上，具有其他異物剔除技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。陳福[26]對HELIUS型激光除雜設(shè)備在制絲生產(chǎn)線異物剔除方面的應(yīng)用進行了研究，發(fā)現(xiàn)激光除雜技術(shù)能顯著提升煙葉含雜率的控制水平，對后續(xù)工序的質(zhì)量穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用。張曉峰[27]對如何減少制絲線激光除雜機的堵料次數(shù)進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)通過查找和分析激光除雜機堵料原因、對儲葉預(yù)混柜采取定量出料控制、完善激光除雜機通道模式運行前后設(shè)備運行的信號連鎖、增加堵料檢測光電開關(guān)和完善堵料報警這4種措施，可明顯提高激光除雜機除雜的效率。

綜上可知，與圖像識別除雜相比，激光除雜具有較高的除雜率。然而，當前激光除雜技術(shù)和設(shè)備主要依靠進口，國內(nèi)還未開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的激光除雜產(chǎn)品，投資成本較大，限制了該設(shè)備的推廣使用。

2.2 煙絲加工段異物除雜

在煙絲加工段煙絲異物除雜研究方面，左麗等[28]研究了一種循環(huán)煙絲除雜系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)在正常工作風速14.5～15.5 m/s范圍內(nèi)，風選除雜率保持在96%左右。鐘林等[29]設(shè)計了一種多級風分除梗簽機，主要由風分箱、進料皮帶機、三通管、一級風分進風管、二級風分進風管、煙絲打散輥組、梗簽輸送機等組成，該機型的梗簽剔除率達到82%，剔除物中含絲率為4.7%，可有效提高煙絲純凈度，降低煙絲消耗。王勝枝等[30]設(shè)計了一種梗簽二次分離裝置，主要包括真空發(fā)生器、氣流調(diào)節(jié)器及梗簽二次分離裝置等，通過實驗驗證，當風選風速為3.0～4.5 m/s時，煙絲和梗簽的分離效率達到99.5%以上，可有效減少煙絲原料消耗。戈方等[31]設(shè)計了一種新型葉絲風選裝置，在烘絲之后、摻配加香之前使用，首先對烘絲后葉絲進行篩分，將絲團、長絲與中短絲、碎絲分離開，然后將絲團和長絲打斷，打斷后的葉絲再和中短絲、碎絲混合進入風選箱體進行風選，可有效剔除梗簽、絲團等異物，提升葉絲純凈度，改善煙絲結(jié)構(gòu)。鄭新虎[32]對梗簽分離裝置中煙絲混合物懸浮分離腔體內(nèi)部進行了CFD數(shù)值模擬，得到了分離腔體內(nèi)部梗簽和煙絲顆粒的運行軌跡，統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)在風分氣壓在-220 kPa下煙絲和梗簽的分離率為68.23%。此外，韓明等[33]對基于X光檢測的煙絲異物在線剔除系統(tǒng)進行研究，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能有效實現(xiàn)對各類金屬、非金屬異物的識別和剔除，對煙絲異物平均識別率達到99.5%以上，平均剔除率達到95.8%以上。

綜上可知，制絲過程煙絲加工段異物除雜的研究對象主要為煙葉切絲后產(chǎn)生的梗簽，即葉含梗。由于梗簽在密度屬性上與煙絲差異相對較小，單級風選除雜將其剔除較為困難，目前多采用多級風選除雜以達到較高的除雜效果。然而，采用多級風選除雜方式勢必會造成煙絲含水率的損失，進而影響煙絲物理質(zhì)量；同時，風選除雜級數(shù)越多，剔除的煙絲量相應(yīng)也越多，造成煙絲損耗。因此，今后可考慮開展風選除雜與圖像識別除雜聯(lián)合除雜研究，例如，先采用風選除雜將與煙絲密度屬性差異較大的大或長梗簽剔除，后基于顏色和結(jié)構(gòu)尺寸差異采用圖像識別除雜，將與煙絲密度屬性差異較小的小或短梗簽剔除。

3 卷制過程煙絲異物除雜

卷制過程是卷煙加工的最后一道環(huán)節(jié)，剔除煙絲異物非常重要。經(jīng)打葉復(fù)烤和制絲環(huán)節(jié)煙草異物除雜后，卷制過程煙絲異物主要為成品煙絲中的梗簽，來源于制葉絲和制梗絲過程中產(chǎn)生的梗簽，即葉絲含梗和梗絲含梗。近年來，國內(nèi)研究者對卷制過程煙絲異物除雜已開展了大量研究，袁海霞等[34]對適應(yīng)細支卷煙加工特性的柔性風選系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，發(fā)現(xiàn)改進后的葉絲柔性風選系統(tǒng)能夠有效降低煙絲中梗簽含量，同時使剔除梗簽中的含絲量減少(損耗減少)，煙支含梗率由1.06%降低到0.74%，煙支物理指標均有不同程度提升，煙支刺破等外觀質(zhì)量缺陷問題得到了有效改善?？到饚X等[35]采用全因子試驗并應(yīng)用響應(yīng)曲面法對柔性風選機關(guān)鍵工藝參數(shù)進行了優(yōu)化研究，發(fā)現(xiàn)風速和風門開度對梗簽剔除率有顯著影響，確定了風速和風門開度的最佳參數(shù)組合為19.0 m/s和11.5%，梗簽剔除率穩(wěn)定在90%以上。陳河祥等[36]對卷煙機二次風分除梗除雜風速自動控制系統(tǒng)進行了改進，在二次風分風道中增裝了風速傳感器，改造了二次風分風道的調(diào)整機構(gòu)，通過PLC實現(xiàn)了二次風分風速的自動控制，提升了風分除梗和除雜效率。胡利波等[37]采用正交試驗對卷煙機VE梗絲分離系統(tǒng)部分控制參數(shù)進行了優(yōu)化研究，發(fā)現(xiàn)小風機正壓和擋流板高度對含梗簽率影響較為明顯，吸風室大風機負壓對剔除物含絲量影響較為明顯，確定了VE梗絲分離系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)組合為小風機正壓0.8 kPa，大風機負壓-10 kPa，擋流板高度67 mm，參數(shù)優(yōu)化后使煙支含梗率從原來的4.4%降低到2.1%。韓龍等[38]對ZJ112卷煙機組異物剔除二次分切輪氣路進行了改進，在保證配氣相位不變及配氣出口在同一直線的前提下，將前排煙支氣路改為與后排煙支氣路一致的線型通路，發(fā)現(xiàn)剔除異物煙支的準確率由改進前的93.33%提高到改進后的100%。彭永剛等[39]研究發(fā)現(xiàn)，ZJ15卷煙機對煙絲的梗簽剔除程度最低，ZJ17卷煙機略高，ZJ19卷煙機最大；不同卷煙機可通過綜合調(diào)控工藝風壓、擋板高度和回絲量等參數(shù)來降低卷煙機剔除梗簽中的含絲量。胡中軍等[40]對優(yōu)化ZJ17卷煙機參數(shù)以降低煙支中梗簽含量進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)小風機正壓與煙支中梗簽含量呈正相關(guān)關(guān)系，梗導(dǎo)流板高度與煙支中梗簽含量呈負相關(guān)關(guān)系。許建勇等[41]研發(fā)了一種卷煙機剔除梗簽物中煙絲在線分離回用裝置,應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，該裝置適用于各種機型的卷煙機，能實現(xiàn)在線回收和利用卷煙機剔除梗簽物中85%以上的煙絲，顯著降低了卷煙機的煙絲消耗。

綜上可知，目前對卷制過程煙絲異物除雜研究主要集中在卷煙機組優(yōu)化改造上，多圍繞工藝參數(shù)優(yōu)化、柔性風選設(shè)計、分離系統(tǒng)改造及卷煙機型等對煙絲異物除雜效果的影響開展研究。然而，采用柔性或多級風選除雜方式勢必會影響煙絲含水率，造成煙絲損耗，而對卷煙機組進行優(yōu)化改造也會進一步增加對卷煙機組及場地空間等的要求。因此，今后可考慮在卷制前，例如在煙絲輸送過程開展風選除雜與圖像識別除雜聯(lián)合除雜，降低卷制過程煙絲異物除雜難度。

4 廢煙處理過程煙絲異物除雜

國內(nèi)卷煙企業(yè)為節(jié)約卷煙生產(chǎn)成本，往往會對卷制過程中產(chǎn)生的有瑕疵、不滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求的廢煙支進行煙絲回收處理。廢煙處理的基本工藝流程[42]為：廢煙喂料—廢煙增溫增濕—廢煙處理煙絲分離—煙絲除雜提純—煙絲裝箱。廢煙處理后的回收煙絲主要含有碎紙片、碎紙屑、濾嘴、絲束、麻絲、膠塊等雜物，相對煙絲密度可分為較輕和較重兩類雜物。近年來，國內(nèi)研究者對廢煙處理過程煙絲異物除雜已開展了一些研究，河南中煙工業(yè)有限責任公司[43]開發(fā)了一種殘煙支柔性處理系統(tǒng)，包括機架和機架上設(shè)置的梳理攤薄振槽，梳理攤薄振槽出料端銜接設(shè)置有柔性揉撕機構(gòu)，可提高殘煙支處理的出絲率和煙絲純凈度，降低煙絲的造碎和煙紙的破損，實現(xiàn)提高煙絲回收利用率和純凈度的目標。付航等[44]基于智能相機開發(fā)了殘煙絲異物智能剔除系統(tǒng)，主要包括智能相機系統(tǒng)、高速閥剔除系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)，智能相機通過軟件平臺實時采集殘煙絲圖像，通過軟件算法實時分析雜物信息，通過光源系統(tǒng)拉大色差，通過高速閥實時剔除雜物，處理后煙絲純凈度達到99.0%以上。河南中煙工業(yè)有限責任公司[45]發(fā)明了一種去除殘煙煙絲中卷煙紙片的裝置，該裝置通過在剝殘煙機后輸送殘煙煙絲的振槽上方加裝與振槽寬度一致的吸頭，在振槽輸送煙絲的同時，利用除塵器給吸頭以吸力對煙絲中的卷煙紙片進行吸除，可有效提升殘煙絲的純凈度。浙江中煙工業(yè)有限責任公司[46]發(fā)明了一種回用煙絲加工裝置及方法，包括喂料機、兩級分離器組和末端煙絲碎屑分離振槽，該裝置在將煙絲從壞煙支中分離出來的同時，利用風選原理和光電除雜設(shè)備將回收煙絲中的雜物處理干凈，配置紙屑提取系統(tǒng)，可提高回收煙絲純凈度。深圳市聯(lián)君科技股份有限公司[47]發(fā)明了一種殘煙支煙絲在線分選裝置，包括接料斗、主體篩分機構(gòu)和收集器，該裝置能有效地將廢煙進行分選，進而提高煙絲回收再利用率和煙絲質(zhì)量。張家口市東力機械制造有限責任公司[48]發(fā)明了粗細廢煙支紙絲分離處理機，包括振動排序板、煙支滾壓拉伸機構(gòu)、滾篩分離機構(gòu)和煙絲篩選機構(gòu)，能高效實現(xiàn)煙絲與異物的分離，提升回收煙絲質(zhì)量。北京天申正祥科技有限公司[49]發(fā)明了一種在線廢煙支煙絲回收系統(tǒng)，包括廢煙支刨切裝置、廢煙支松散裝置、廢煙振動篩分裝置、回收煙絲在線添加裝置等，主要通過廢煙振動篩分裝置實現(xiàn)煙絲與碎紙片等異物的分離。云南中煙工業(yè)有限責任公司[50-51]發(fā)明了一種廢煙煙絲正反面除雜除塵裝置，包括變頻振動輸送裝置、靜電板、靜電發(fā)射機、刮板等，采用靜電板對來料廢煙煙絲正面和背面中的雜物、飛塵進行吸附，能徹底去除廢煙煙絲中雜物、煙末和飛塵，處理后煙絲純凈度能達到99.99%，且處理前后煙絲含水率變化率≤0.3%。云南中煙工業(yè)有限責任公司[52-53]發(fā)明了一種回收煙絲除雜裝置及其對回收煙絲進行除雜的方法，包括第一風分單元、回收煙絲輸送單元、輕雜物收集單元、第二風分單元、重雜物收集單元及煙絲回收單元，采用風力風選原理并借助固定床的作用分步有效剔除回收煙絲中的較輕和較重雜物，同時還具有對回收煙絲補濕的功能，處理后煙絲純凈度達到99.99%，且處理后煙絲含水率滿足(12.0±0.5)%指標要求。鄭州格蘭高環(huán)境工程有限公司[54-55]發(fā)明了一種廢煙支煙絲回收裝置、一種用于煙絲回收的除雜凈化裝置，包括煙支理順裝置、煙支剖切裝置、煙絲-雜物分離裝置、煙絲凈化裝置等，能夠較徹底地去除煙絲中的雜質(zhì)，并具有機械化程度高、適用不同規(guī)格煙支、煙絲回收效率高等特點。

綜上可知，廢煙處理過程煙絲異物除雜的對象主要明顯不同于卷煙加工過程中的煙草異物。目前國內(nèi)研究者對廢煙處理過程回收煙絲異物除雜研究主要集中在基于風選、圖像識別及靜電吸附原理的除雜裝備研發(fā)上，但大多缺乏有效的除雜效果驗證及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，以及除雜處理后對回收煙絲的結(jié)構(gòu)、含水率等質(zhì)量指標的影響研究。

5 結(jié)論與展望

本文綜述了國內(nèi)卷煙加工過程打葉復(fù)烤、制絲、卷制和廢煙處理4個環(huán)節(jié)煙草異物除雜研究進展，發(fā)現(xiàn)，卷煙加工過程中煙草異物除雜方法有人工挑揀、篩沙機、金屬探測儀、風選除雜、光電除雜、圖像識別除雜、激光除雜和靜電除雜等，不同煙草異物除雜方法均有其優(yōu)缺點及適用條件，但當前國內(nèi)卷煙加工過程中除雜技術(shù)和工藝基本都是單獨使用的，難以去除掉煙草中的所有異物，或以影響煙草物理質(zhì)量及增加煙草損耗為代價來保證除雜效果。針對當前國內(nèi)卷煙加工過程煙草異物除雜研究進展，未來可在以下3個方面展開研究：1)進一步明確各種除雜方法的自身特點、使用條件及適用范圍，通過系統(tǒng)分析各種除雜方法的除雜對象、除雜效果、使用成本及對煙草質(zhì)量和損耗的影響等，為不同卷煙加工環(huán)節(jié)、不同煙草異物種類及不同除雜要求選擇適宜的除雜方法和工藝提供指導(dǎo)；2)對各種除雜方法和工藝開展深入研究和升級研究，特別是當前普遍應(yīng)用的風選除雜、圖像識別除雜和激光除雜，要提升除雜效果，拓寬適用范圍，同時盡可能彌補除雜技術(shù)自身的不足，例如，圖像識別除雜要進一步提升雜物識別精度和剔除準確性，同時提升除雜效果與處理量；激光除雜要形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，加快推進激光除雜技術(shù)和裝備的國產(chǎn)化，降低使用成本；3)系統(tǒng)開展多項除雜技術(shù)融合的復(fù)合除雜技術(shù)研究，充分發(fā)揮各項除雜方法和技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)，以彌補單項除雜技術(shù)的缺陷，提升卷煙加工過程煙草異物除雜工藝水平。