多段滾筒式白肋煙烘焙設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用

胡世龍，陳建強(qiáng)，賴東輝

（貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，貴州貴陽(yáng) 550001）

白肋煙對(duì)混合型卷煙的品質(zhì)風(fēng)格特征起著決定性作用，對(duì)其加工處理的工藝也是保證混合型卷煙品質(zhì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的重要因素之一。目前，混合型卷煙中白肋煙組分處理一般采用隧道式白肋煙烘焙機(jī)，并通過控制網(wǎng)板鋪料厚度的手段來實(shí)現(xiàn)白肋煙的重處理與輕處理。滾筒式白肋煙烘焙設(shè)備主要有國(guó)外Hauni公司的內(nèi)穿流回轉(zhuǎn)干燥機(jī)和COMAS公司與菲莫公司開發(fā)的THT白肋煙烘干機(jī)等[1-2]，其設(shè)備所需的工藝熱風(fēng)均采用燃燒爐加熱空氣通過滾筒中空管道軸向送入滾筒內(nèi)部的方式，其中THT白肋煙烘干機(jī)還有蒸汽加熱的薄板一起對(duì)葉片進(jìn)行兩級(jí)熱風(fēng)和薄板烘焙的復(fù)合加熱處理方式。國(guó)內(nèi)也有卷煙廠使用COMAS公司的THT滾筒式白肋煙烘干機(jī)烘焙處理白肋煙[2-3]。

1 傳統(tǒng)設(shè)備存在的問題

傳統(tǒng)白肋煙烘焙設(shè)備都是將煙葉重加里料和高溫烘焙，通過控制加料含水率、烘焙溫度、烘焙時(shí)間、干燥終端含水率等工藝參數(shù)來控制白肋煙處理質(zhì)量，忽視了烘焙干燥處理過程中烘焙氣流含濕量與烘焙氣流溫度和終端含水率[1]等參數(shù)配套關(guān)系，因而傳統(tǒng)烘焙設(shè)備基本沒有烘焙濕度調(diào)控功能[4-6]。但是，在白肋煙的處理過程中，不同烘焙溫度、空氣含濕量和終端含水率對(duì)白肋煙脯氨酸-葡萄糖Amadori化合物和堿性香味成分含量變化的影響不同[4]。同時(shí)，傳統(tǒng)設(shè)備采用流動(dòng)熱風(fēng)對(duì)白肋煙葉片進(jìn)行烘焙干燥，由于煙葉厚度和熱風(fēng)時(shí)效的影響，這種方法無法保證白肋煙葉片溫度均勻性程度，也無法充分促進(jìn)白肋煙中的還原糖類與氨基酸類加熱產(chǎn)生的美拉德反應(yīng)，僅通過流動(dòng)熱風(fēng)加熱煙葉促進(jìn)釋放出的水分從煙葉組織內(nèi)部逐漸析出葉面的方法基本沒有烘焙效應(yīng)。

隨著國(guó)家煙草行業(yè)提出的中式卷煙特色加工工藝要求，傳統(tǒng)的白肋煙烘焙設(shè)備在白肋煙處理加工品質(zhì)的提高、設(shè)備工藝參數(shù)的拓寬及節(jié)能降耗等方面已難以適應(yīng)更高的要求。貴州中煙圍繞白肋煙原料特性、加工特性與品牌特征需要對(duì)白肋煙處理新工藝進(jìn)行分析，通過氣流溫濕度與滾筒薄板加熱、薄板翻料共同作用的多段滾筒式白肋煙煙葉烘焙處理，能夠?yàn)榘桌邿煙熑~內(nèi)部的理化反應(yīng)促進(jìn)提供充分的反應(yīng)條件，提高了白肋煙混合型卷煙品質(zhì)。

2 多段滾筒式白肋煙烘焙設(shè)備研發(fā)

所設(shè)計(jì)多段滾筒式白肋煙烘焙設(shè)備由雙溫區(qū)烘焙三段滾筒式白肋煙烘焙干燥機(jī)、柔性均風(fēng)無造碎靜態(tài)冷卻機(jī)、帶增水的隧道式回潮機(jī)組成，滾筒白肋煙烘焙處理工藝流程圖如圖1所示，通過PID控制烘焙氣流溫濕度與滾筒薄板加熱、薄板翻料共同作用的多段滾筒式白肋煙煙葉烘焙處理，實(shí)現(xiàn)白肋煙烘焙處理的工藝要求。

組合式滾筒白肋煙烘焙處理工藝流程見圖1。

圖1 組合式滾筒白肋煙烘焙處理工藝流程

2.1 基于PID的烘焙氣流溫濕度控制

由于烘焙氣流溫濕度調(diào)節(jié)過程的動(dòng)態(tài)特性比較復(fù)雜，利用傳統(tǒng)的PID控制法難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，控制效果不佳，故采用不需要了解被控對(duì)象的確切模型，控制具有響應(yīng)速度較快、魯棒性較好的模糊PID控制法[7]。

模糊自整定PID控制器采用模糊推理思想，達(dá)到快速穩(wěn)定控制系統(tǒng)的目的，模糊自整定PID控制器以誤差e和誤差變化率ec為輸入，對(duì)PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kp，KI，KD進(jìn)行在線調(diào)整，以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID控制器參數(shù)的不同要求，使被控對(duì)象獲得良好的動(dòng)靜態(tài)性能。

模糊PID溫度控制圖見圖2[8]。

模糊自整定PID控制器離散表達(dá)式如下[9]：

系統(tǒng)的最終控制參數(shù)輸出計(jì)算公式如下：

圖2 模糊PID溫度控制圖

式中：Kp，KI，KD——最終控制參數(shù)值；

Kp'，KI'，KD'——PID控制式的初始值；

ΔKp，ΔKI，ΔKD——模糊控制推理器的輸出值。

2.2 三段滾筒式白肋煙烘焙干燥機(jī)的設(shè)計(jì)

三段滾筒式白肋煙烘焙干燥機(jī)設(shè)備工作流程見圖3。

圖3 三段滾筒式白肋煙烘焙干燥機(jī)設(shè)備工作流程

由圖3可知，升溫區(qū)采用滾筒穿流結(jié)構(gòu)方式，蒸汽熱交換器產(chǎn)生的工藝熱風(fēng)通過循環(huán)管道（帶部分排潮）對(duì)煙葉快速控濕升溫，工藝熱風(fēng)在帶走煙葉表面水分的同時(shí)也將成團(tuán)的煙葉分散，為白肋煙葉片進(jìn)入烘焙區(qū)的美拉德理化反應(yīng)提供有效的基礎(chǔ)條件。烘焙一區(qū)、烘焙二區(qū)采用帶滾筒穿流工藝（濕）熱風(fēng)和筒壁加熱共同作用的結(jié)構(gòu)方式，2個(gè)烘焙區(qū)蒸汽熱交換器產(chǎn)生的工藝熱風(fēng)溫（濕）度、筒壁溫度、排潮開度、風(fēng)量風(fēng)速分別獨(dú)立調(diào)控。雙溫區(qū)滾筒薄板產(chǎn)生煙葉物料遷移的輔助作用[1]，反復(fù)的翻炒促使煙葉與熱空氣的均勻加熱，促進(jìn)煙葉在可控的工藝環(huán)境內(nèi)美拉德理化反應(yīng)得以完成。烘焙區(qū)美拉德理化反應(yīng)產(chǎn)生的不良?xì)怏w及汽化水分通過筒壁上方的小孔獨(dú)立風(fēng)道由排潮風(fēng)機(jī)快速排出而不參與后續(xù)處理，從而較好地避免了2個(gè)烘焙區(qū)煙葉烘焙處理相互干擾影響，保證了2個(gè)烘焙區(qū)煙葉處理的相對(duì)獨(dú)立性。

三段滾筒式白肋煙烘焙干燥機(jī)原理結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 三段滾筒式白肋煙烘焙干燥機(jī)原理結(jié)構(gòu)

三段滾筒式白肋煙烘焙干燥機(jī)筒體轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為6～16 r/min，對(duì)應(yīng)烘焙處理時(shí)間為10.0～5.5 min，烘焙工藝熱風(fēng)采用蒸汽熱交換器產(chǎn)生，溫度100～140℃，物料濕球溫度50～65℃，這也是典型的白肋煙烘焙熱風(fēng)溫度范圍[5，10-11]，過高的溫度會(huì)使白肋煙特征香氣均有不同程度減弱，中部白肋煙表現(xiàn)出類似烤煙的香氣特點(diǎn)[5]。

2.3 柔性均風(fēng)無造碎隧道式靜態(tài)冷卻機(jī)

按照滾筒式白肋煙烘焙處理組合工藝方法思路，設(shè)計(jì)的柔性均風(fēng)無造碎靜態(tài)冷卻機(jī)設(shè)備原理結(jié)構(gòu)如圖5所示[12-13]。進(jìn)入隧道式靜態(tài)冷卻機(jī)的煙葉首先通過高頻低幅攤料振槽將葉片攤薄，冷卻機(jī)的送料網(wǎng)帶在運(yùn)送攤薄煙葉時(shí)始終讓葉片保持靜止?fàn)顟B(tài)，冷卻風(fēng)由葉片上方通過變頻風(fēng)機(jī)和均流板調(diào)節(jié)后均勻穿入葉片，其風(fēng)溫可在室溫至50℃調(diào)節(jié)（考慮冬季冷卻過于激烈而設(shè)），穿過葉片的冷卻風(fēng)再次由葉片下方變頻風(fēng)機(jī)吸走排出，從而保證了冷卻品質(zhì)和冷卻效果。調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)溫和均流板的開度大小，可以實(shí)現(xiàn)冷卻風(fēng)不同強(qiáng)度、梯度的控制，以達(dá)到不同的工藝效果。

柔性均風(fēng)無造碎靜態(tài)冷卻機(jī)原理結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 柔性均風(fēng)無造碎靜態(tài)冷卻機(jī)原理結(jié)構(gòu)

2.4 帶增水的隧道式回潮機(jī)

按照滾筒式白肋煙烘焙處理組合工藝方法思路，設(shè)計(jì)的帶增水隧道式回潮機(jī)設(shè)備原理結(jié)構(gòu)如圖6所示。煙葉回潮采用了兩點(diǎn)霧化加濕增溫及加濕交替梯度（增溫—加濕—增溫—加濕—增溫） 的隧道式回潮機(jī)，加濕水采用壓縮空氣引射，增濕能力可達(dá)16%以上，煙葉回潮均勻性好，出料溫度較低，滿足了卷煙工藝規(guī)范要求達(dá)到14%以上的要求。

帶增水的隧道式回潮機(jī)原理結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 帶增水的隧道式回潮機(jī)原理結(jié)構(gòu)

3 試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)條件

應(yīng)用自主研制的多段滾筒式白肋煙烘焙設(shè)備，按照表1所設(shè)定條件對(duì)白肋煙進(jìn)行了加工處理。

試驗(yàn)條件見表1。

表1 試驗(yàn)條件

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過上述試驗(yàn)調(diào)節(jié)條件對(duì)總糖、還原糖、總植物堿等8種主要化學(xué)成分的變化情況如圖7所示。

圖7 主要化學(xué)成分的變化情況

從圖7中可以看出，白肋煙葉經(jīng)過烘焙干燥機(jī)后，由于外加料和總糖分等物質(zhì)的增加，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了催化反應(yīng)和美拉德反應(yīng)對(duì)淀粉的降解，總糖的含量呈上升趨勢(shì)，還原糖的含量呈上升趨勢(shì)，淀粉含量呈下降趨勢(shì)，其他化學(xué)成分略有變化，但是變化不大。白肋煙葉經(jīng)過冷卻機(jī)和回潮機(jī)后，由于總糖物質(zhì)的吸收增加，產(chǎn)生催化反應(yīng)對(duì)淀粉的降解，總糖的含量呈下降趨勢(shì)，還原糖的含量呈上升趨勢(shì)，淀粉的含量呈下降趨勢(shì)，其他化學(xué)成分略有變化，但是變化不大。

4 結(jié)語(yǔ)

通過上述試驗(yàn)與傳統(tǒng)隧道式烘焙設(shè)備所加工處理白肋煙進(jìn)行對(duì)比，得到結(jié)論如下：

（1）研制的多段滾筒式白肋煙烘焙設(shè)備完全可以替代傳統(tǒng)隧道式烘焙設(shè)備加工設(shè)備。

（2）通過氣流溫濕度與滾筒薄板加熱、薄板翻料共同作用的多段滾筒式白肋煙煙葉烘焙處理，能夠?yàn)榘桌邿煙熑~內(nèi)部的理化反應(yīng)促進(jìn)提供充分的反應(yīng)條件，接觸式增熱隨溫度升高會(huì)導(dǎo)致醚提物含量變化的進(jìn)程加快香氣激發(fā)特性。

（3）白肋煙烘焙處理的綜合效果較佳，感官品質(zhì)改善明顯，白肋煙特征香氣細(xì)膩，雜氣刺激性的去除效果好。

（4）白肋煙烘焙滾筒內(nèi)各區(qū)段與白肋煙烘焙品質(zhì)、加工強(qiáng)度密切相關(guān)的氣流溫度、濕度、流量、排潮大小等關(guān)鍵影響因素都設(shè)計(jì)成單獨(dú)調(diào)控模式，這樣就更有效、更好地控制了白肋煙的烘焙處理效果。設(shè)備在減少投資、占地面積、運(yùn)行能耗和維修維護(hù)難度降低等方面優(yōu)點(diǎn)比傳統(tǒng)隧道式白肋煙烘焙機(jī)更加突出。