造纸法再造烟叶生产中浆液平衡模型建立及应用

闫 瑛 田晓辉 李 锦 周 浩 田泱源 罗 冲 王 宁 张利涛，*

（1.河南卷烟工业烟草薄片有限公司，河南许昌，461000；
2.河南中烟工业有限责任公司，河南郑州，450000）

造纸法再造烟叶原料主要包括烟梗、烟末、烟叶碎片等烟草原料和外加纤维、填料等非烟草类物质[1-2]，其中烟草原料中的水可溶物含量、水可溶物提取率、水可溶物损耗是影响涂布工序使用的浓缩液量（以下简称“液”）的重要因素[3]；
水不溶物和外加纤维、填料等非烟草类原料用量的变化[4]，以及生产过程中不可避免的细小组分流失，均会引起上网抄造浆料量（以下简称“浆”）的变化。“浆”“液”不匹配会影响产品质量的稳定性，造成资源浪费，增加废水处理负荷，严重时甚至使生产无法正常进行[5]。因此，在造纸法再造烟叶实际生产中，亟需建立科学、标准的“浆”“液”平衡监、调控模型。

本研究以造纸法再造烟叶生产过程中的“浆”“液”匹配为出发点，介绍了“浆”“液”平衡模型的建立方法，以及模型在生产中的应用和下一步优化方向。该模型的建立解决了经验式调控时，不确定性高、事后调控、易引起产品品质（主要为常规化学成分）波动等问题，模型以产品牌号为单元，通过模型数据库的针对性优化和关键监控参数的固化应用，进一步提升生产运行稳定性和产品品质稳定性。

要实现造纸法再造烟叶生产过程中的“浆”“液”匹配，需要建立适合企业的浆液平衡模型，图1为造纸法再造烟叶浆液平衡模型系统构成。如图1所示，该模型的建立分以下步骤：①列举关键监控指标，主要包括得率、损耗、存量3部分，其中，得率包括提取得率、净化得率、浓缩得率、投入产出率等；
损耗包括吨产品耗浆量、吨产品耗液量等；
存量包括在线浸取液量、在线浓缩液量、在线浆料量、实时浓缩液余量等[6]；
②对关键监控指标进行分类，即根据采集方式对步骤①列举出的关键监控指标分“直读”数据和“计算”数据2类，因“直读”数据主要为流量、液位等可以通过传感器直接采集的参数，故“直读”数据从生产线DCS控制系统中实时读取得到；
③建立“计算”数据的运算公式，因“计算”数据由“直读”数据通过运算得到，故需要重点监控的关键“计算”数据可以在生产控制界面上实时查看；
④建立浆液平衡模型数据库，由企业所有牌号产品的浆液平衡模型组成，不同产品的浆液平衡模型单独建立，同一产品的浆液平衡模型可按工段或模型数据类别（“直读”“计算”）分不同子模型，企业可根据实际情况选择适宜的分类方式，以简单、便捷为前提。图2为以工段分类的“浸取工段子模块”浆液平衡模型。

图1 浆液平衡模型系统构成Fig.1 Main composition of pulp and concentrate equilibrium model

图2 浆液平衡模型示意图Fig.2 Schematic of pulp and concentrate equilibrium model

2.1 浆液匹配现状评估

企业浆液平衡模型建立后，进入模型应用环节，步骤如下：①采集生产数据，即基于模型数据库，在生产期间采集各牌号产品对应的“直读”“计算”数据信息；
②跟踪关键监控指标，即根据模型数据库采集到的数据信息，对得率、损耗、存量3方面关键指标进行持续跟踪；
③评估“浆”“液”匹配现状，即综合分析各牌号产品≥3个生产周期的模型数据，对其“浆”“液”匹配现状予以评估。经评估后若某产品生产期间“浆”“液”平衡，则每日跟踪浆液平衡模型数据指标，实时掌握该产品最新“浆”“液”匹配状况，若出现连续关键监控指标≥3个班次超出预警范围，则会通过模型中的关键监控计算公式反馈到“直读”异常数据，然后筛选锁定异常数据产生的原因，并及时采取改进措施。若某产品“浆”“液”不匹配，且各生产周期“浆”“液”亏损或盈余量多少不一，说明该产品生产期间，存在生产运行或产品品质（常规化学成分）不稳定现象，需进一步采取调控措施，通过工艺参数的细微调整，或相关设备参数、设备操作标准的优化调整，实现“浆”“液”匹配后，因此调控参数及标准，指导该产品今后正常、稳定生产。

经持续跟踪监测，A牌号造纸法再造烟叶4个生产周期浆液匹配情况如表1所示。由表1可知，该牌号产品4个不同生产周期浓缩液量均有不同程度结余，且浓缩液每日盈余量1.0～2.0 t，盈余量多少不一。

2.2 浆液匹配调控

若“浆少液多”情况出现时，为确保烟草物质得到有效应用，经综合分析，可以从增加产浆量或增加涂布时的涂布量2方面对浆液不匹配现状进行调控。造纸法再造烟叶实际生产过程中，影响产浆量的因素主要有梗、末比[7]、浆料中CaCO3使用比例[4]、外加纤维使用比例[8-9]等，因梗、末配比变化直接影响产品化学指标，故优先采用微调CaCO3使用比例和外加纤维使用比例，以及微调涂布率这3项措施，本研究以2.1中的A牌号造纸法再造烟叶为例依次予以说明。

上文中A牌号造纸法再造烟叶产品4个不同生产周期浓缩液盈余量多少不一，存在生产不稳定现象，而浆液平衡模型建立的根本目的在于稳定生产、稳定产品质量，为浆液匹配调控提供可量化数据支撑，所以浆液匹配调控相比经验式调控更为准确、稳定，在实际生产调控时需要循序渐进，并尽可能减少浆液匹配调控对产品质量的影响。因此，针对A牌号造纸法再造烟叶浆液匹配调控，优先选取浓缩液盈余量最低的生产周期，即表1中2#生产周期为调控基准，在调控前，需要对调控量进行预先计算，以提高调控效率、确保调控效果。因此，根据选取的调控措施，对A牌号造纸法再造烟叶相关生产指标和浆液平衡模型监控指标进行梳理，结果如表2所示。

表1 A牌号产品浆液匹配情况Table 1 Pulp and concentrate equilibrium case of the A product

（1）微调浆料中CaCO3使用比例

假设A牌号造纸法再造烟叶调整前CaCO3使用比例为5%，调整后使用比例记为X，质量守恒计算如式(1)所示。

式中，k为经验系数（通常取0.8）；
Q为每日余液量；
C为成浆浓度，指流送上浆定量阀处浆料浓度。

结合式(1)、表2、图3得到A牌号造纸法再造烟叶调整后，CaCO3使用比例为7.17%。因此，将A牌号造纸法再造烟叶CaCO3使用比例增加至7.17%，并持续跟踪该产品生产期间每日余液量（即生产线总浓缩液量扣除生产线总浆料量需要消耗的浓缩液量之后，剩余的浓缩液量与生产天数的比值，若开班使用了冷冻浓缩液，还需减去冷冻浓缩液用量）变化情况。

表2 A牌号产品关键指标Table 2 Key indexes of the A product

（2）微调外加纤维比例

假设A牌号造纸法再造烟叶产品调整前外加纤维使用比例为10%，其调整后使用比例记为A，根据质量守恒原理，质量守恒计算如式(2)所示。

式中，Y为原料可溶物含量。

结合式(2)、表2、图3得到A牌号造纸法再造烟叶调整后，外加纤维使用比例A为11.26%。因此，将A牌号造纸法再造烟叶外加纤维使用比例增加至11.26%，并持续跟踪该产品生产期间每日余液量变化情况。

（3）微调产品涂布率

假设A牌号造纸法再造烟叶产品调整前涂布率中值为38%，其调整后涂布率记为E，根据质量守恒原理（浓缩液中），质量守恒计算如式(3)所示。

结合式(3)、表2、图3得到A牌号造纸法再造烟叶调整后涂布率中值E为38.38%。因此，将A牌号造纸法再造烟叶涂布率中值增加至38.38%，并持续跟踪该产品生产期间每日余液量变化情况。

另外，若采取以上3种措施中的任一措施后，A牌号造纸法再造烟叶浆液不匹配情况有所改善，但仍有可优化空间，则可以根据实际浓缩液盈亏情况进行进一步调控。当各产品浆液匹配状况固化后，需每日跟踪浆液平衡模型数据指标，及时对浆液匹配现况进行评估，当某产品生产期间，连续≥3个班次出现浆液不匹配时，找出异常数据，并通过“计算”数据公式找出与之关联的异常“直读”数据，逐一审查“计算”数据，剔除客观因素（如周清洗、月清洗、设备故障停机等），查找该异常数据出现的原因并及时做出补救、维修或优化。

除以上3种浆液匹配调控措施外，造纸法再造烟叶生产过程中的热水可溶物损耗也是影响浆液匹配的重要因素。造纸法再造烟叶热水提取工艺中，烟草原料经萃取得到的可溶物并未全部转化成可供涂布的浓缩液。提取液进入浓缩工序前，通常需要进行净化处理以去除蛋白质、果胶、淀粉、纤维素等对产品吸味有负面影响的大分子成分[10-12]；
提取液浓缩过程中，部分挥发性香味成分（如羧酸酯类、烟碱、新植二烯、醇类、内酯类等）损失[13]，且净化工序未去除完全的悬浮物及大分子物质在蒸发器内壁粘附、结焦成垢，这些都是烟草可溶物的主要损耗点。相同工艺下，若生产运行稳定，且岗位操作人员严格按照作业指导书要求进行设备操作，同一产品配方、不同生产周期各损耗点的损耗数据基本稳定。

以河南卷烟工业烟草薄片有限公司造纸法再造烟叶生产线为例，该生产线烟草可溶物损耗主要包括提取液净化损耗可溶物、浓缩损耗可溶物和涂布回流液净化损耗可溶物，在浆液平衡监控模型的基础上，针对上述损耗点建立了烟草可溶物损耗子模块，如图3所示，该子模块可以对各牌号造纸法再造烟叶产品不同生产周期烟草可溶物各损耗点的可溶物损耗量、损耗比例进行跟踪、统计分析。

图3 浆液平衡监控模型中损耗统计子模块示意图Fig.3 Loss statistics submodule schematic of pulp and concentrate equilibrium model

对比同一损耗点的烟草可溶物损耗比例（即各损耗点损耗可溶物量相比原料可溶物量的百分比），便能及时了解当前生产条件下可溶物各损耗点的损耗比例是否存在异常。

式中，总投料量为绝干总投料量，通常原料水分按12%计。

式中，若实际生产中，生产线采集的数据为提取液总体积流量，则可以将提取液总体积流量与提取液密度作乘积求得提取液总质量流量。

式中，“*”为净化、浓缩、涂布回流液净化等各可溶物损耗点。

正常生产中，通过一线岗位操作人员规范操作、提高设备运行效率、跟踪损耗数据等，将各损耗点可溶物损耗比例和总损耗比例均控制在临界损耗比例以下，同时，可通过工艺优化、产品提质升级、新技术引进等措施尽可能使某产品各损耗点可溶物损耗比例和总损耗比例稳定控制在临界损耗比例左右（参考标准：临界损耗比例±2%）。考虑精益生产和资源有效利用及废水处理工序运行负荷，无论“浆少液多”还是“浆多液少”，可溶物损耗均须控制在正常、稳定水平，浆液平衡模型实现了对各关键工序可溶物损耗的及时、准确监控。除可溶物损耗外，“浆少液多”“浆多液少”其余3项调控措施下质量守恒公式的建立均基于同一准则，在此不做赘述。

2.3 浆液平衡调控措施子模块

为实现浆液平衡调控参数的快速、准确运算及各调控措施调控效果的事前模拟，可根据2.2中各调控措施计算公式单独建立模块纳入浆液平衡模型，如图4所示。

图4 浆液平衡模型各调控措施子模块示意图Fig.4 Control measures submodule schematic of pulp and concentrate equilibrium model

2.4 浆液平衡模型应用效果

河南卷烟工业烟草薄片有限公司建立了生产线浆液平衡动态监控模型，根据关键监控指标预判浆液变化趋势，实现再造烟叶生产各工序物料传递率、总存量实时监控，并于2018年应用于河南卷烟工业烟草薄片有限公司造纸法再造烟叶生产线，为各工段正常运转建立了科学、有效的评价指标体系。

图5为模型应用前后不同生产班次吨产品耗液量。图6为模型应用前后不同生产班次吨产品耗浆量。2018年至今，河南卷烟工业烟草薄片有限公司建立了浆液平衡模型，在应用过程中根据实际生产需要不断进行了优化完善，模型中的部分指标还纳入了生产班组考核标准，模型应用后，生产线浆液匹配性得到明显提升，纸机单班断纸次数由3次以上减少至2次以下，从图5和图6可以看出，吨产品耗液量由0.90 t降至0.82 t，吨产品耗浆量由24.6 m3降至22.5 m3，烟草原料有效利用率显著提升，吨产品耗液量波动由6.71%降至3.63%，吨产品耗浆量波动由5.64%降至3.50%，投入产出率波动由7.48%降至5.80%，生产连续运行稳定性和产品品质稳定性显著提升。

图5 模型应用前后不同生产班次吨产品耗液量Fig.5 Liquid consumption of per ton product in different production shifts before and after the model application

图6 模型应用前后不同生产班次吨产品耗浆量Fig.6 Pulp consumption of per ton product in different production shifts before and after the model application

今后在现有浆液平衡模型基础上，可将“计算”数据细化为一级工艺指标，列举影响一级工艺指标的二级设备参数，并将这些设备参数纳入浆液平衡模型，在日常“浆”“液”匹配性监控时，若出现异常数据，可逐级查找、锁定至二级设备参数，进而实现快速准确的调控、优化。

3.1 建立了造纸法再造烟叶生产中的浆液平衡模型，该模型具体步骤为：列举关键监控指标；
对关键监控指标分类（分“直读”数据和“计算”数据两类）；
建立“计算”数据运算公式；
建立浆液平衡监控模型数据库。其中，关键监控指标可分为得率、损耗、存量3部分。

3.2 浆液平衡模型实际应用时，需根据模型数据库采集到的数据信息，总结、评估某产品“浆”“液”匹配状况，并采取调控措施以实现“浆”“液”匹配，将调控后的数据参数固化，以此为标准，指导该产品今后各生产周期的正常、稳定生产。

3.3 浆液平衡模型在河南卷烟工业烟草薄片有限公司应用后，吨产品耗液量由0.90 t降至0.82 t，吨产品耗浆量由24.6 m3降至22.5 m3，烟草原料有效利用率显著提升，吨产品耗液量波动由6.71%降至3.63%，吨产品耗浆量波动由5.64%降至3.50%，投入产出率波动由7.48%降至5.80%，生产连续运行稳定性和产品品质稳定性显著提升。

3.4 随着造纸法再造烟叶由“物理重组”到“品质重构”的定位转变，为使浆液平衡模型更好地服务于不断趋于精细化的造纸法再造烟叶生产模式，在现有模型基础上，今后可将“计算”数据细化为一级工艺指标，列举影响一级工艺指标的二级设备参数，并将这些设备参数纳入浆液平衡模型，便于日常生产“浆”“液”匹配监控，对异常数据出现的原因可快速、定向查找和调整优化。