基于片煙尺寸與煙梗間關(guān)系的定向去梗工藝

梁 淼，劉茂林，劉向真，李慶祥，牛洋洋，趙森森，張峻松，吳殿信*

1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，鄭州市科學(xué)大道136 號 450002

2.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，鄭州市隴海東路72 號 450000

梗葉分離效果是衡量打葉復(fù)烤加工工藝水平的關(guān)鍵指標(biāo)，且葉中含梗率對片煙制絲及卷制質(zhì)量有較大影響［1-2］，如偏高的葉中含梗率將會降低煙絲純凈度，降低卷煙機(jī)運(yùn)行效率，影響成品卷煙燃燒性和感官質(zhì)量穩(wěn)定性。特別是隨著行業(yè)內(nèi)細(xì)支卷煙的快速發(fā)展，對其加工工藝現(xiàn)狀調(diào)研發(fā)現(xiàn)，制絲過程中仍存在煙絲篩分和卷接過程梗簽剔除強(qiáng)度較大的問題［3］，為適應(yīng)卷煙生產(chǎn)對片煙結(jié)構(gòu)的新需求，在新版《卷煙工藝規(guī)范》［4］中對梗葉分離后的葉中含梗率提出了更高要求（≤1.5%）。

煙草科技工作者圍繞原料及傳統(tǒng)打葉復(fù)烤工藝進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，煙葉部位等級等自身因素和來料狀態(tài)，以及打葉風(fēng)分設(shè)備性能、工藝參數(shù)均對片煙結(jié)構(gòu)質(zhì)量有顯著影響，且片煙結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)，其中葉中含梗率與大中片率及出片率呈正相關(guān)關(guān)系，也即如果采用傳統(tǒng)工藝過分追求降低葉中含梗率，則需提高打葉風(fēng)分強(qiáng)度，將造成大中片率和出片率下降，從而影響打葉復(fù)烤經(jīng)濟(jì)性［5-7］。根據(jù)前人研究及生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，打葉后片煙中的梗含量與片煙尺寸密切相關(guān)。為進(jìn)一步降低葉中含梗率，有必要考察煙梗含量與片煙尺寸間的相關(guān)關(guān)系，以便準(zhǔn)確分析出煙梗來源，鑒于此，以河南三門峽地區(qū)中部煙混打模塊煙葉為原料，通過篩分及片煙尺寸分布測定系統(tǒng)考察片煙尺寸與葉中含梗率之間的關(guān)系，并設(shè)計(jì)定向去除大尺寸片煙中煙梗的精準(zhǔn)去梗工藝，旨在為打葉復(fù)烤片煙中含梗率的精準(zhǔn)調(diào)控提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料和方法

1.1 材料、設(shè)備和儀器

材料：2018 年河南三門峽中部葉混打模塊DCH11。

設(shè)備：生產(chǎn)流量為10 000 kg/h 的打葉復(fù)烤生產(chǎn)線（天昌國際煙草有限公司寶豐復(fù)烤廠“黃金葉”專線），其中打葉去梗環(huán)節(jié)為四打十一分工藝。

儀器：CA23 型葉片振動分選篩（北京長征高科技有限公司）；SB16000 型電子天平（精度0.1 g，瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司）；CA13 型葉含梗檢測機(jī)（北京長征高科技有限公司）；RS-29-10型旋轉(zhuǎn)振動篩分機(jī)（美國W S Tyler 公司）；CA8011型片煙大小及分布測定系統(tǒng)（昆明船舶設(shè)備集團(tuán)有限公司、鄭州煙草研究院）。

1.2 試驗(yàn)方法

在原有打葉復(fù)烤生產(chǎn)線的打葉風(fēng)分和貯葉配葉工序間增設(shè)定向去梗環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)由多輥撥動式煙葉篩分裝置、雙輥多齒式片煙撕裂裝置和風(fēng)力浮選裝置串聯(lián)而成。試驗(yàn)中，將煙葉原料投入打葉復(fù)烤生產(chǎn)線，根據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書設(shè)置工藝參數(shù)，生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行后在打葉去梗匯總皮帶處接取片煙樣品（每次取樣不少于3 000 g），分別用于片煙尺寸分布和葉中含梗率的檢測。

1.3 取樣及檢測方法

打葉風(fēng)分匯總片煙的尺寸分布及葉中含梗率檢測：利用片煙大小及分布測定系統(tǒng)，根據(jù)YC/T 449—2012《煙葉 片煙大小及其分布的測定 葉面積法》［8］測定片煙面積及尺寸分布，并結(jié)合煙草行業(yè)對片煙結(jié)構(gòu)（大片率、中片率、小片率、碎片率等）的要求進(jìn)行換算［7］。根據(jù)GB/T 21136—2007檢測含梗率［9］，其中葉中含梗率為梗徑≥1.5 mm 的煙梗比例，粗梗率為梗徑≥2.38 mm 的煙梗比例，長梗率為長度≥20 mm 的煙梗比例。每隔10 min 取樣1 次，共3 次，測量后計(jì)算平均值。

打葉風(fēng)分匯總片煙篩分及各篩分層樣品含梗率檢測：每間隔10 min 接取打后匯總片煙［每次（3 000±300）g、共3 次］，采用葉片振動分選裝置將片煙篩分為5 層，分別記為A（25.40 mm 篩網(wǎng)上的大片）、B（12.70 mm 篩網(wǎng)上的中片）、C（6.35 mm 篩網(wǎng)上的小片）、D（2.36 mm 篩網(wǎng)上的碎片）和E（2.36 mm 篩網(wǎng)下的碎末），并從A 樣品中人工挑選出尺寸≥42×42 mm2的超大片A+，其余記為A-，分別稱重，并利用片煙大小及分布測定系統(tǒng)和葉含梗檢測機(jī)檢測各層樣品片煙面積分布及片煙中所含煙梗數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 打后匯總及篩分后片煙尺寸變化

打后匯總及篩分后片煙在各面積區(qū)間的比例結(jié)果如圖1 所示，由圖1 可見，打后匯總片煙尺寸集中分布于161.29～2 500.00 mm2之間，片煙經(jīng)振動分選裝置篩分后的各樣品的集中分布區(qū)間差異明顯，表明篩分能夠?qū)⑵瑹煱闯叽绱笮≥^好地進(jìn)行分離，并且各層篩網(wǎng)上較為集中的片煙的尺寸普遍大于網(wǎng)孔尺寸，如12.70 mm 篩網(wǎng)上的片煙B的集中分布區(qū)間為300～1 200 mm2；另外，人工選出的樣品A+中面積大于1 764 mm2的比例為94.69%，集中度較高。

進(jìn)一步將打后匯總片煙及篩分后的樣品在各面積區(qū)間的比例匯總轉(zhuǎn)換為片煙結(jié)構(gòu)比例，結(jié)果如圖2 所示，可以看出打后匯總片煙的大中片率為85.17%，其中大片比例過高，達(dá)到了54.31%，而≥42 mm 的超大片比例可達(dá)21.33%。樣品經(jīng)篩分后，各層片煙樣品的片煙結(jié)構(gòu)差異明顯，A+片煙樣品幾乎全為超大片，A-樣品中大片比例為82.59%，12.70 mm 篩網(wǎng)上的B 樣品大片及中片率分別為39.84%和56.80%，6.35 mm 篩網(wǎng)上的C 樣品中片率和小片率分別為51.75%和43.51%，D 和E 樣品中小片及碎片居多。

圖1 打后匯總及篩分后片煙的面積區(qū)間百分比變化Fig.1 Variations of area interval percentage of lamina after threshing and screening

圖2 打后匯總及篩分后樣品的片煙結(jié)構(gòu)變化Fig.2 Variations of lamina structure after threshing and screening

2.2 不同尺寸片煙與所含煙梗質(zhì)量間關(guān)系

2.2.1 片煙篩分前后的葉中含梗率

打后匯總片煙及各篩分層片煙的煙梗質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)如表1 所示，由于篩分后D 層和E 層片煙樣品較少，為減少片煙中煙梗質(zhì)量測定的誤差，表中各篩分層的梗質(zhì)量數(shù)據(jù)為3 次篩分匯總后的總梗質(zhì)量。該配方模塊煙葉經(jīng)打葉風(fēng)分后的葉中含梗率為1.64%，其中葉中含粗梗率為0.31%，長梗率為85%。片煙經(jīng)篩分后，超大片A+樣品的葉中含梗率為6.14%，明顯高于其他各層篩網(wǎng)上的樣品，其余大片A-及中片B、小片C 的葉中含梗率介于1.26%～1.52%間，碎片D 的葉中含梗率稍高為2.07%，且結(jié)合粗梗率和長梗率數(shù)據(jù)可知，碎片中的梗多為細(xì)梗短梗，這可能是由于碎片多附著于片煙上的煙梗附近，該部位抗張強(qiáng)度等力學(xué)性能較差，容易在打葉風(fēng)分環(huán)節(jié)的撕扯及摩擦力作用下造碎。另外，超大片A+中的粗梗率為1.75%，且隨篩分片煙尺寸減小，粗梗率急劇下降，表明粗梗主要來源于打后片煙中的超大片；長梗率也隨篩分片煙尺寸減小逐漸降低。

表1 打后匯總及各篩分層片煙中所含煙梗的數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.1 Stem content in lamina after threshing and screening

2.2.2 不同尺寸片煙質(zhì)量占比與梗質(zhì)量占比

對篩分后各層片煙的質(zhì)量占總片煙質(zhì)量的比例（片煙質(zhì)量占比）及各層片煙中煙梗質(zhì)量占總煙梗質(zhì)量的比例（煙梗質(zhì)量占比）進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知，人工挑選出的超大片A+質(zhì)量占篩分前總樣品質(zhì)量比例僅為5.39%，而其中所含煙梗質(zhì)量占總梗質(zhì)量的比例可達(dá)19.72%，這也與表1 中超大片A+的葉中含梗率最大結(jié)果一致。另外，大片A-樣品片煙質(zhì)量占比最高，達(dá)40.58%，其中所含煙梗質(zhì)量占總梗質(zhì)量的比例也最大，為36.62%?？芍笃谴蚝笃瑹熤袩煿５闹饕獊碓?，而其中粗梗又主要來自于超大尺寸片煙。

中片B 和小片C 中的煙梗質(zhì)量占比低于其片煙質(zhì)量占比，碎片D 中的煙梗質(zhì)量占比稍大于其片煙質(zhì)量占比，然而這些尺寸的片煙中的煙梗質(zhì)量占比均在正常范圍內(nèi)，且對其進(jìn)行去梗處理會造成中片率降低，同時(shí)顯著增加造碎，因此在進(jìn)行葉中含梗率控制時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注大尺寸片煙，以定向精準(zhǔn)降低葉中含梗率。

圖3 片煙篩分后各層樣品質(zhì)量占比及其煙梗質(zhì)量占比Fig.3 Proportions of lamina weight and stem weight on all layers of vibration screen

2.2.3 大尺寸片煙與其含梗質(zhì)量關(guān)系擬合

為進(jìn)一步明確大尺寸片煙與所含煙梗質(zhì)量間的關(guān)系，根據(jù)片煙大小及分布測定系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)，分別計(jì)算打后匯總片煙及篩分后各層樣品內(nèi)的大片、超大片質(zhì)量以及煙梗、粗梗、長梗質(zhì)量，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，發(fā)現(xiàn)單指數(shù)衰減函數(shù)ExpDec1 可較好地描述大尺寸片煙質(zhì)量與煙梗質(zhì)量之間的關(guān)系，擬合結(jié)果R2均大于0.94，結(jié)果如圖4～圖5 所示。由圖4a 可知，尺寸≥25.4 mm 的大片質(zhì)量與所含煙梗的總質(zhì)量關(guān)系密切，隨大尺寸片煙增加，?？傎|(zhì)量增加，且大片質(zhì)量與長梗質(zhì)量具有明顯相關(guān)性（如圖4b 所示），說明長梗主要依附于大尺寸片煙上，這與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)果相一致。另外，如圖5 所示，≥42 mm 的超大片質(zhì)量與粗梗質(zhì)量關(guān)系密切，表明超大片是粗梗的主要來源。然而，這里大片質(zhì)量與所含煙梗質(zhì)量的具體擬合關(guān)系僅是針對三門峽DCH11 中部葉模塊在特定加工參數(shù)下進(jìn)行擬合所得，原料及加工工藝條件不同會引起擬合參數(shù)的變化，但整體呈現(xiàn)出的規(guī)律應(yīng)基本一致，也即通過超大片及大片的控制及再處理可降低粗梗和葉中含梗率。

2.3 定向去梗工藝的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

2.3.1 工藝設(shè)計(jì)

圖4 大尺寸片煙質(zhì)量與煙梗質(zhì)量間的關(guān)系擬合曲線Fig.4 Fitting curve between weights of large lamina and tobacco stems

圖5 超大尺寸片煙質(zhì)量與粗梗質(zhì)量間的關(guān)系擬合曲線Fig.5 Fitting curve between weights of super large lamina and undesired stems

基于以上片煙尺寸與煙梗質(zhì)量間的關(guān)系可知，若分選出尺寸較大的片煙，對其進(jìn)行定向去梗處理可望實(shí)現(xiàn)葉中含梗率的精準(zhǔn)控制。目前，行業(yè)內(nèi)打葉風(fēng)分后大片篩分工藝?yán)砟罴把b備的探索應(yīng)用也為定向去梗提供了條件［10］。前期研究中，本研究組設(shè)計(jì)的多輥撥動式片煙篩分裝置和雙輥多齒式片煙撕裂裝置均可用于大尺寸片煙的篩分及剪切［11-12］，故以此為基礎(chǔ)，在打葉去梗環(huán)節(jié)后增設(shè)篩分剪切及風(fēng)選裝置的定向去梗工藝，以期進(jìn)一步提升梗葉分離效果，降低葉中含梗率。

如圖6 所示，煙葉經(jīng)打葉去梗后由匯總皮帶輸送至片煙篩分裝置，分選出的大尺寸片煙經(jīng)片煙剪切撕裂裝置，可分別縮減為含梗片煙和非含梗片煙，利用二者懸浮速度差異采用風(fēng)力浮選裝置將其分離，生產(chǎn)實(shí)際發(fā)現(xiàn)粗?？稍诩羟酗L(fēng)選過程中被有效分選出，風(fēng)力浮選后的非含梗片煙與篩分后的尺寸合適片煙混合，而含梗片煙輸送至三級打葉環(huán)節(jié)定向去梗。

圖6 基于篩分剪切及風(fēng)選的定向去梗工藝流程圖Fig.6 Procedure for the directional stem separation based on screening,cutting and pneumatic separation

2.3.2 工藝應(yīng)用驗(yàn)證

采用葉面積法測量打后匯總片煙及篩分輥上層的大尺寸片煙的片煙面積分布，各尺寸區(qū)間的比例結(jié)果如圖7a 所示，可以看出打后匯總片煙尺寸在11～42 mm 之間占比較高，而篩分后片煙的尺寸分布整體向右平移，片煙尺寸分布集中度提高，具體表現(xiàn)為尺寸小于37 mm 的片煙比例降低，而大尺寸片煙比例顯著升高，尤其是尺寸大于42 mm 的超大片比例達(dá)到了68.7%，表明通過片煙篩分工序可將超大片有效地分選出。進(jìn)一步利用曾靜等［13］建立的片煙尺寸分布函數(shù)F（x）=1-exp（-axb）對篩分前后的片煙尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其中x 為面積區(qū)間上限，F(xiàn)（x）為限下累積面積比例，b為均勻性系數(shù)，用于判定片煙尺寸分布的均勻性，該值越大表明尺寸分布集中度越高，均勻性越好。

片煙尺寸分布擬合結(jié)果如圖7b 所示，相關(guān)系數(shù)R2較高，表明篩分前后的片煙尺寸符合該方程，且篩分后片煙均勻性系數(shù)明顯升高到1.599，片煙分布更為集中。同時(shí)計(jì)算了篩分前后樣品的特征尺寸［14］，可見特征尺寸由篩分前的804.08 mm2提高為2 527.99 mm2，均說明篩分裝置較為充分地分選出大尺寸片煙，并提升了片煙分布集中度，為后續(xù)定向去梗提供了基礎(chǔ)。

篩輥上層的超大片經(jīng)定向去梗工藝處理，在圖6 所示的1～4 位置取樣品（其中1 位置為未采用定向去梗工藝時(shí)的打后匯總片煙），跟蹤片煙在加工過程中的葉中含梗率及粗梗率變化情況，結(jié)果如表2 所示。由表2 可知，篩分獲得的超大尺寸片煙經(jīng)剪切后，葉中含梗率和粗梗率顯著高于打后匯總片煙，分別達(dá)到了5.81%和1.53%，通過風(fēng)力浮選進(jìn)行含梗和非含梗片煙分離，風(fēng)選后非含梗片煙的葉中含梗率和粗梗率分別降低到2.32%和0.52%，表明經(jīng)剪切和風(fēng)選工序能夠?qū)⒑：头呛Ｆ瑹熭^好地分離開來，采用定向去梗工藝處理后的混合片煙的葉中含梗率和粗梗率分別降低到0.98%和0.09%，降幅分別達(dá)40.24%和70.97%，葉中含梗率符合細(xì)支卷煙的指標(biāo)要求，特別是粗梗得到了有效控制。但各地區(qū)不同等級復(fù)烤片煙的尺寸與其所含煙梗之間的關(guān)系，以及定向去梗環(huán)節(jié)各工序參數(shù)的優(yōu)化匹配還需進(jìn)一步研究。

圖7 打后匯總及篩輥上層片煙的尺寸區(qū)間比例（a）及尺寸分布擬合結(jié)果（b）Fig.7 Lamina proportions of different sizes after threshing and on the top layer of screen（a）fitting result of size distribution（b）

表2 基于定向去梗工藝的葉中含梗率及粗梗率變化Tab.2 Stem content and undesired stem content in lamina after directional separation of tobacco stems

3 結(jié)論

采用振動篩分和片煙尺寸分布測試方法，以三門峽中部葉混打模塊為研究對象，建立了不同尺寸片煙與所含煙梗質(zhì)量之間的關(guān)系，基于此設(shè)計(jì)了定向去梗工藝，并對其提升梗葉分離效果進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明：①打后匯總片煙經(jīng)振動篩分后，≥42 mm 超大尺寸片煙中的葉中含梗率和粗梗率分別為6.14%和1.75%，明顯高于其他篩分層片煙的含梗率；25.40 mm 篩網(wǎng)上的大片中煙梗質(zhì)量占比可達(dá)56.34%，是葉中含梗率控制的重點(diǎn)。②單指數(shù)衰減函數(shù)ExpDec1 可較好地描述大尺寸片煙質(zhì)量與梗含量間的關(guān)系，≥25.4 mm 的大尺寸片煙質(zhì)量與?？傎|(zhì)量及長梗質(zhì)量關(guān)系密切，而粗梗與超大尺寸片煙間相關(guān)關(guān)系明顯。③設(shè)計(jì)了基于超大片篩分剪切及風(fēng)選的定向去梗環(huán)節(jié)，可有針對性地去除大尺寸片煙中的煙梗，葉中含梗率由原工藝的1.64%降低至0.98%，葉中含粗梗率由0.31%降低至0.09%，降幅高達(dá)70.97%，有效提升了梗葉分離效果及片煙純凈度。