閆 瑛 田曉輝 李 錦 周 浩 田泱源 羅 沖 王 寧 張利濤，*

（1.河南卷煙工業(yè)煙草薄片有限公司，河南許昌，461000；2.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，河南鄭州，450000）

造紙法再造煙葉原料主要包括煙梗、煙末、煙葉碎片等煙草原料和外加纖維、填料等非煙草類物質(zhì)[1-2]，其中煙草原料中的水可溶物含量、水可溶物提取率、水可溶物損耗是影響涂布工序使用的濃縮液量（以下簡(jiǎn)稱“液”）的重要因素[3]；水不溶物和外加纖維、填料等非煙草類原料用量的變化[4]，以及生產(chǎn)過程中不可避免的細(xì)小組分流失，均會(huì)引起上網(wǎng)抄造漿料量（以下簡(jiǎn)稱“漿”）的變化?！皾{”“液”不匹配會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，造成資源浪費(fèi)，增加廢水處理負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)甚至使生產(chǎn)無法正常進(jìn)行[5]。因此，在造紙法再造煙葉實(shí)際生產(chǎn)中，亟需建立科學(xué)、標(biāo)準(zhǔn)的“漿”“液”平衡監(jiān)、調(diào)控模型。

本研究以造紙法再造煙葉生產(chǎn)過程中的“漿”“液”匹配為出發(fā)點(diǎn)，介紹了“漿”“液”平衡模型的建立方法，以及模型在生產(chǎn)中的應(yīng)用和下一步優(yōu)化方向。該模型的建立解決了經(jīng)驗(yàn)式調(diào)控時(shí)，不確定性高、事后調(diào)控、易引起產(chǎn)品品質(zhì)（主要為常規(guī)化學(xué)成分）波動(dòng)等問題，模型以產(chǎn)品牌號(hào)為單元，通過模型數(shù)據(jù)庫的針對(duì)性優(yōu)化和關(guān)鍵監(jiān)控參數(shù)的固化應(yīng)用，進(jìn)一步提升生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定性和產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性。

1 漿液平衡模型的建立

要實(shí)現(xiàn)造紙法再造煙葉生產(chǎn)過程中的“漿”“液”匹配，需要建立適合企業(yè)的漿液平衡模型，圖1為造紙法再造煙葉漿液平衡模型系統(tǒng)構(gòu)成。如圖1所示，該模型的建立分以下步驟：①列舉關(guān)鍵監(jiān)控指標(biāo)，主要包括得率、損耗、存量3部分，其中，得率包括提取得率、凈化得率、濃縮得率、投入產(chǎn)出率等；損耗包括噸產(chǎn)品耗漿量、噸產(chǎn)品耗液量等；存量包括在線浸取液量、在線濃縮液量、在線漿料量、實(shí)時(shí)濃縮液余量等[6]；②對(duì)關(guān)鍵監(jiān)控指標(biāo)進(jìn)行分類，即根據(jù)采集方式對(duì)步驟①列舉出的關(guān)鍵監(jiān)控指標(biāo)分“直讀”數(shù)據(jù)和“計(jì)算”數(shù)據(jù)2類，因“直讀”數(shù)據(jù)主要為流量、液位等可以通過傳感器直接采集的參數(shù)，故“直讀”數(shù)據(jù)從生產(chǎn)線DCS控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)讀取得到；③建立“計(jì)算”數(shù)據(jù)的運(yùn)算公式，因“計(jì)算”數(shù)據(jù)由“直讀”數(shù)據(jù)通過運(yùn)算得到，故需要重點(diǎn)監(jiān)控的關(guān)鍵“計(jì)算”數(shù)據(jù)可以在生產(chǎn)控制界面上實(shí)時(shí)查看；④建立漿液平衡模型數(shù)據(jù)庫，由企業(yè)所有牌號(hào)產(chǎn)品的漿液平衡模型組成，不同產(chǎn)品的漿液平衡模型單獨(dú)建立，同一產(chǎn)品的漿液平衡模型可按工段或模型數(shù)據(jù)類別（“直讀”“計(jì)算”）分不同子模型，企業(yè)可根據(jù)實(shí)際情況選擇適宜的分類方式，以簡(jiǎn)單、便捷為前提。圖2為以工段分類的“浸取工段子模塊”漿液平衡模型。

圖1 漿液平衡模型系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Main composition of pulp and concentrate equilibrium model

圖2 漿液平衡模型示意圖Fig.2 Schematic of pulp and concentrate equilibrium model

2 漿液平衡模型的應(yīng)用

2.1 漿液匹配現(xiàn)狀評(píng)估

企業(yè)漿液平衡模型建立后，進(jìn)入模型應(yīng)用環(huán)節(jié)，步驟如下：①采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，即基于模型數(shù)據(jù)庫，在生產(chǎn)期間采集各牌號(hào)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的“直讀”“計(jì)算”數(shù)據(jù)信息；②跟蹤關(guān)鍵監(jiān)控指標(biāo)，即根據(jù)模型數(shù)據(jù)庫采集到的數(shù)據(jù)信息，對(duì)得率、損耗、存量3方面關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行持續(xù)跟蹤；③評(píng)估“漿”“液”匹配現(xiàn)狀，即綜合分析各牌號(hào)產(chǎn)品≥3個(gè)生產(chǎn)周期的模型數(shù)據(jù)，對(duì)其“漿”“液”匹配現(xiàn)狀予以評(píng)估。經(jīng)評(píng)估后若某產(chǎn)品生產(chǎn)期間“漿”“液”平衡，則每日跟蹤漿液平衡模型數(shù)據(jù)指標(biāo)，實(shí)時(shí)掌握該產(chǎn)品最新“漿”“液”匹配狀況，若出現(xiàn)連續(xù)關(guān)鍵監(jiān)控指標(biāo)≥3個(gè)班次超出預(yù)警范圍，則會(huì)通過模型中的關(guān)鍵監(jiān)控計(jì)算公式反饋到“直讀”異常數(shù)據(jù)，然后篩選鎖定異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因，并及時(shí)采取改進(jìn)措施。若某產(chǎn)品“漿”“液”不匹配，且各生產(chǎn)周期“漿”“液”虧損或盈余量多少不一，說明該產(chǎn)品生產(chǎn)期間，存在生產(chǎn)運(yùn)行或產(chǎn)品品質(zhì)（常規(guī)化學(xué)成分）不穩(wěn)定現(xiàn)象，需進(jìn)一步采取調(diào)控措施，通過工藝參數(shù)的細(xì)微調(diào)整，或相關(guān)設(shè)備參數(shù)、設(shè)備操作標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)“漿”“液”匹配后，因此調(diào)控參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)該產(chǎn)品今后正常、穩(wěn)定生產(chǎn)。

經(jīng)持續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，A牌號(hào)造紙法再造煙葉4個(gè)生產(chǎn)周期漿液匹配情況如表1所示。由表1可知，該牌號(hào)產(chǎn)品4個(gè)不同生產(chǎn)周期濃縮液量均有不同程度結(jié)余，且濃縮液每日盈余量1.0～2.0 t，盈余量多少不一。

2.2 漿液匹配調(diào)控

若“漿少液多”情況出現(xiàn)時(shí)，為確保煙草物質(zhì)得到有效應(yīng)用，經(jīng)綜合分析，可以從增加產(chǎn)漿量或增加涂布時(shí)的涂布量2方面對(duì)漿液不匹配現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)控。造紙法再造煙葉實(shí)際生產(chǎn)過程中，影響產(chǎn)漿量的因素主要有梗、末比[7]、漿料中CaCO3使用比例[4]、外加纖維使用比例[8-9]等，因梗、末配比變化直接影響產(chǎn)品化學(xué)指標(biāo)，故優(yōu)先采用微調(diào)CaCO3使用比例和外加纖維使用比例，以及微調(diào)涂布率這3項(xiàng)措施，本研究以2.1中的A牌號(hào)造紙法再造煙葉為例依次予以說明。

上文中A牌號(hào)造紙法再造煙葉產(chǎn)品4個(gè)不同生產(chǎn)周期濃縮液盈余量多少不一，存在生產(chǎn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，而漿液平衡模型建立的根本目的在于穩(wěn)定生產(chǎn)、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，為漿液匹配調(diào)控提供可量化數(shù)據(jù)支撐，所以漿液匹配調(diào)控相比經(jīng)驗(yàn)式調(diào)控更為準(zhǔn)確、穩(wěn)定，在實(shí)際生產(chǎn)調(diào)控時(shí)需要循序漸進(jìn)，并盡可能減少漿液匹配調(diào)控對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。因此，針對(duì)A牌號(hào)造紙法再造煙葉漿液匹配調(diào)控，優(yōu)先選取濃縮液盈余量最低的生產(chǎn)周期，即表1中2#生產(chǎn)周期為調(diào)控基準(zhǔn)，在調(diào)控前，需要對(duì)調(diào)控量進(jìn)行預(yù)先計(jì)算，以提高調(diào)控效率、確保調(diào)控效果。因此，根據(jù)選取的調(diào)控措施，對(duì)A牌號(hào)造紙法再造煙葉相關(guān)生產(chǎn)指標(biāo)和漿液平衡模型監(jiān)控指標(biāo)進(jìn)行梳理，結(jié)果如表2所示。

表1 A牌號(hào)產(chǎn)品漿液匹配情況Table 1 Pulp and concentrate equilibrium case of the A product

（1）微調(diào)漿料中CaCO3使用比例

假設(shè)A牌號(hào)造紙法再造煙葉調(diào)整前CaCO3使用比例為5%，調(diào)整后使用比例記為X，質(zhì)量守恒計(jì)算如式(1)所示。

式中，k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（通常取0.8）；Q為每日余液量；C為成漿濃度，指流送上漿定量閥處漿料濃度。

結(jié)合式(1)、表2、圖3得到A牌號(hào)造紙法再造煙葉調(diào)整后，CaCO3使用比例為7.17%。因此，將A牌號(hào)造紙法再造煙葉CaCO3使用比例增加至7.17%，并持續(xù)跟蹤該產(chǎn)品生產(chǎn)期間每日余液量（即生產(chǎn)線總濃縮液量扣除生產(chǎn)線總漿料量需要消耗的濃縮液量之后，剩余的濃縮液量與生產(chǎn)天數(shù)的比值，若開班使用了冷凍濃縮液，還需減去冷凍濃縮液用量）變化情況。

表2 A牌號(hào)產(chǎn)品關(guān)鍵指標(biāo)Table 2 Key indexes of the A product

（2）微調(diào)外加纖維比例

假設(shè)A牌號(hào)造紙法再造煙葉產(chǎn)品調(diào)整前外加纖維使用比例為10%，其調(diào)整后使用比例記為A，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，質(zhì)量守恒計(jì)算如式(2)所示。

式中，Y為原料可溶物含量。

結(jié)合式(2)、表2、圖3得到A牌號(hào)造紙法再造煙葉調(diào)整后，外加纖維使用比例A為11.26%。因此，將A牌號(hào)造紙法再造煙葉外加纖維使用比例增加至11.26%，并持續(xù)跟蹤該產(chǎn)品生產(chǎn)期間每日余液量變化情況。

（3）微調(diào)產(chǎn)品涂布率

假設(shè)A牌號(hào)造紙法再造煙葉產(chǎn)品調(diào)整前涂布率中值為38%，其調(diào)整后涂布率記為E，根據(jù)質(zhì)量守恒原理（濃縮液中），質(zhì)量守恒計(jì)算如式(3)所示。

結(jié)合式(3)、表2、圖3得到A牌號(hào)造紙法再造煙葉調(diào)整后涂布率中值E為38.38%。因此，將A牌號(hào)造紙法再造煙葉涂布率中值增加至38.38%，并持續(xù)跟蹤該產(chǎn)品生產(chǎn)期間每日余液量變化情況。

另外，若采取以上3種措施中的任一措施后，A牌號(hào)造紙法再造煙葉漿液不匹配情況有所改善，但仍有可優(yōu)化空間，則可以根據(jù)實(shí)際濃縮液盈虧情況進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)控。當(dāng)各產(chǎn)品漿液匹配狀況固化后，需每日跟蹤漿液平衡模型數(shù)據(jù)指標(biāo)，及時(shí)對(duì)漿液匹配現(xiàn)況進(jìn)行評(píng)估，當(dāng)某產(chǎn)品生產(chǎn)期間，連續(xù)≥3個(gè)班次出現(xiàn)漿液不匹配時(shí)，找出異常數(shù)據(jù)，并通過“計(jì)算”數(shù)據(jù)公式找出與之關(guān)聯(lián)的異?！爸弊x”數(shù)據(jù)，逐一審查“計(jì)算”數(shù)據(jù)，剔除客觀因素（如周清洗、月清洗、設(shè)備故障停機(jī)等），查找該異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因并及時(shí)做出補(bǔ)救、維修或優(yōu)化。

除以上3種漿液匹配調(diào)控措施外，造紙法再造煙葉生產(chǎn)過程中的熱水可溶物損耗也是影響漿液匹配的重要因素。造紙法再造煙葉熱水提取工藝中，煙草原料經(jīng)萃取得到的可溶物并未全部轉(zhuǎn)化成可供涂布的濃縮液。提取液進(jìn)入濃縮工序前，通常需要進(jìn)行凈化處理以去除蛋白質(zhì)、果膠、淀粉、纖維素等對(duì)產(chǎn)品吸味有負(fù)面影響的大分子成分[10-12]；提取液濃縮過程中，部分揮發(fā)性香味成分（如羧酸酯類、煙堿、新植二烯、醇類、內(nèi)酯類等）損失[13]，且凈化工序未去除完全的懸浮物及大分子物質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)壁粘附、結(jié)焦成垢，這些都是煙草可溶物的主要損耗點(diǎn)。相同工藝下，若生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定，且崗位操作人員嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書要求進(jìn)行設(shè)備操作，同一產(chǎn)品配方、不同生產(chǎn)周期各損耗點(diǎn)的損耗數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定。

以河南卷煙工業(yè)煙草薄片有限公司造紙法再造煙葉生產(chǎn)線為例，該生產(chǎn)線煙草可溶物損耗主要包括提取液凈化損耗可溶物、濃縮損耗可溶物和涂布回流液凈化損耗可溶物，在漿液平衡監(jiān)控模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)上述損耗點(diǎn)建立了煙草可溶物損耗子模塊，如圖3所示，該子模塊可以對(duì)各牌號(hào)造紙法再造煙葉產(chǎn)品不同生產(chǎn)周期煙草可溶物各損耗點(diǎn)的可溶物損耗量、損耗比例進(jìn)行跟蹤、統(tǒng)計(jì)分析。

圖3 漿液平衡監(jiān)控模型中損耗統(tǒng)計(jì)子模塊示意圖Fig.3 Loss statistics submodule schematic of pulp and concentrate equilibrium model

對(duì)比同一損耗點(diǎn)的煙草可溶物損耗比例（即各損耗點(diǎn)損耗可溶物量相比原料可溶物量的百分比），便能及時(shí)了解當(dāng)前生產(chǎn)條件下可溶物各損耗點(diǎn)的損耗比例是否存在異常。

式中，總投料量為絕干總投料量，通常原料水分按12%計(jì)。

式中，若實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)線采集的數(shù)據(jù)為提取液總體積流量，則可以將提取液總體積流量與提取液密度作乘積求得提取液總質(zhì)量流量。

式中，“*”為凈化、濃縮、涂布回流液凈化等各可溶物損耗點(diǎn)。

正常生產(chǎn)中，通過一線崗位操作人員規(guī)范操作、提高設(shè)備運(yùn)行效率、跟蹤損耗數(shù)據(jù)等，將各損耗點(diǎn)可溶物損耗比例和總損耗比例均控制在臨界損耗比例以下，同時(shí)，可通過工藝優(yōu)化、產(chǎn)品提質(zhì)升級(jí)、新技術(shù)引進(jìn)等措施盡可能使某產(chǎn)品各損耗點(diǎn)可溶物損耗比例和總損耗比例穩(wěn)定控制在臨界損耗比例左右（參考標(biāo)準(zhǔn)：臨界損耗比例±2%）。考慮精益生產(chǎn)和資源有效利用及廢水處理工序運(yùn)行負(fù)荷，無論“漿少液多”還是“漿多液少”，可溶物損耗均須控制在正常、穩(wěn)定水平，漿液平衡模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)各關(guān)鍵工序可溶物損耗的及時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)控。除可溶物損耗外，“漿少液多”“漿多液少”其余3項(xiàng)調(diào)控措施下質(zhì)量守恒公式的建立均基于同一準(zhǔn)則，在此不做贅述。

2.3 漿液平衡調(diào)控措施子模塊

為實(shí)現(xiàn)漿液平衡調(diào)控參數(shù)的快速、準(zhǔn)確運(yùn)算及各調(diào)控措施調(diào)控效果的事前模擬，可根據(jù)2.2中各調(diào)控措施計(jì)算公式單獨(dú)建立模塊納入漿液平衡模型，如圖4所示。

圖4 漿液平衡模型各調(diào)控措施子模塊示意圖Fig.4 Control measures submodule schematic of pulp and concentrate equilibrium model

2.4 漿液平衡模型應(yīng)用效果

河南卷煙工業(yè)煙草薄片有限公司建立了生產(chǎn)線漿液平衡動(dòng)態(tài)監(jiān)控模型，根據(jù)關(guān)鍵監(jiān)控指標(biāo)預(yù)判漿液變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)再造煙葉生產(chǎn)各工序物料傳遞率、總存量實(shí)時(shí)監(jiān)控，并于2018年應(yīng)用于河南卷煙工業(yè)煙草薄片有限公司造紙法再造煙葉生產(chǎn)線，為各工段正常運(yùn)轉(zhuǎn)建立了科學(xué)、有效的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

圖5為模型應(yīng)用前后不同生產(chǎn)班次噸產(chǎn)品耗液量。圖6為模型應(yīng)用前后不同生產(chǎn)班次噸產(chǎn)品耗漿量。2018年至今，河南卷煙工業(yè)煙草薄片有限公司建立了漿液平衡模型，在應(yīng)用過程中根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要不斷進(jìn)行了優(yōu)化完善，模型中的部分指標(biāo)還納入了生產(chǎn)班組考核標(biāo)準(zhǔn)，模型應(yīng)用后，生產(chǎn)線漿液匹配性得到明顯提升，紙機(jī)單班斷紙次數(shù)由3次以上減少至2次以下，從圖5和圖6可以看出，噸產(chǎn)品耗液量由0.90 t降至0.82 t，噸產(chǎn)品耗漿量由24.6 m3降至22.5 m3，煙草原料有效利用率顯著提升，噸產(chǎn)品耗液量波動(dòng)由6.71%降至3.63%，噸產(chǎn)品耗漿量波動(dòng)由5.64%降至3.50%，投入產(chǎn)出率波動(dòng)由7.48%降至5.80%，生產(chǎn)連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性和產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性顯著提升。

圖5 模型應(yīng)用前后不同生產(chǎn)班次噸產(chǎn)品耗液量Fig.5 Liquid consumption of per ton product in different production shifts before and after the model application

圖6 模型應(yīng)用前后不同生產(chǎn)班次噸產(chǎn)品耗漿量Fig.6 Pulp consumption of per ton product in different production shifts before and after the model application

今后在現(xiàn)有漿液平衡模型基礎(chǔ)上，可將“計(jì)算”數(shù)據(jù)細(xì)化為一級(jí)工藝指標(biāo)，列舉影響一級(jí)工藝指標(biāo)的二級(jí)設(shè)備參數(shù)，并將這些設(shè)備參數(shù)納入漿液平衡模型，在日?！皾{”“液”匹配性監(jiān)控時(shí)，若出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，可逐級(jí)查找、鎖定至二級(jí)設(shè)備參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的調(diào)控、優(yōu)化。

3 結(jié) 論

3.1 建立了造紙法再造煙葉生產(chǎn)中的漿液平衡模型，該模型具體步驟為：列舉關(guān)鍵監(jiān)控指標(biāo)；對(duì)關(guān)鍵監(jiān)控指標(biāo)分類（分“直讀”數(shù)據(jù)和“計(jì)算”數(shù)據(jù)兩類）；建立“計(jì)算”數(shù)據(jù)運(yùn)算公式；建立漿液平衡監(jiān)控模型數(shù)據(jù)庫。其中，關(guān)鍵監(jiān)控指標(biāo)可分為得率、損耗、存量3部分。

3.2 漿液平衡模型實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需根據(jù)模型數(shù)據(jù)庫采集到的數(shù)據(jù)信息，總結(jié)、評(píng)估某產(chǎn)品“漿”“液”匹配狀況，并采取調(diào)控措施以實(shí)現(xiàn)“漿”“液”匹配，將調(diào)控后的數(shù)據(jù)參數(shù)固化，以此為標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)該產(chǎn)品今后各生產(chǎn)周期的正常、穩(wěn)定生產(chǎn)。

3.3 漿液平衡模型在河南卷煙工業(yè)煙草薄片有限公司應(yīng)用后，噸產(chǎn)品耗液量由0.90 t降至0.82 t，噸產(chǎn)品耗漿量由24.6 m3降至22.5 m3，煙草原料有效利用率顯著提升，噸產(chǎn)品耗液量波動(dòng)由6.71%降至3.63%，噸產(chǎn)品耗漿量波動(dòng)由5.64%降至3.50%，投入產(chǎn)出率波動(dòng)由7.48%降至5.80%，生產(chǎn)連續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性和產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定性顯著提升。

3.4 隨著造紙法再造煙葉由“物理重組”到“品質(zhì)重構(gòu)”的定位轉(zhuǎn)變，為使?jié){液平衡模型更好地服務(wù)于不斷趨于精細(xì)化的造紙法再造煙葉生產(chǎn)模式，在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上，今后可將“計(jì)算”數(shù)據(jù)細(xì)化為一級(jí)工藝指標(biāo)，列舉影響一級(jí)工藝指標(biāo)的二級(jí)設(shè)備參數(shù)，并將這些設(shè)備參數(shù)納入漿液平衡模型，便于日常生產(chǎn)“漿”“液”匹配監(jiān)控，對(duì)異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因可快速、定向查找和調(diào)整優(yōu)化。