各級打葉風分單元分離片煙的尺寸分布變化規律

梁 淼 劉茂林 楊永鋒 王根發 楊宗燦 張俊松 肖錦哲 盧敏瑞 劉向真

(1. 鄭州輕工業學院食品與生物工程學院，河南 鄭州 450002；2. 河南中煙工業有限責任公司技術中心，河南 鄭州 450000；3. 福建武夷煙葉有限公司，福建 邵武 354000)

打葉去梗是打葉復烤生產的關鍵工序，其效果直接決定出葉率和葉片結構質量，進而影響煙葉原料的有效利用和卷煙加工質量[1-2]。為滿足卷煙生產對葉片結構的新需求，基于控制大片率、提升中片率、降低葉中含梗率的理念，新版《卷煙工藝規范》對梗葉分離后的片煙結構指標有明確要求。為優化打葉去梗后的葉片結構，煙草科技工作者[3-5]開展了大量研究，結果表明打葉去梗后葉片結構質量指標既受煙葉類型、部位、等級等自身因素及來料狀態影響，又與打葉風分工藝參數和設備性能密切相關。例如，李躍鋒等研究表明適宜的打前煙葉含水率和溫度是保證良好的打后煙片結構的關鍵[4]，并且二潤后煙葉溫度、含水率、厚度和拉力等指標需與打葉風分工藝參數匹配[6]，才能取得良好的打葉質量。

打葉去梗工序由多級打葉機和風分器交替串聯組成，各級打葉風分機組參數對打后葉片質量均有影響，劉利鋒等[5]研究表明框欄尺寸、各級打輥轉速組合及風分效率的合理匹配能明顯提高打后片煙的中片率。生產線上打后片煙是由各級風分器分離出的片煙匯總而成，因此各級風分器出口的葉片結構對匯總后葉片質量均有貢獻。然而，目前關于各級風分器出口葉片尺寸分布變化特征研究缺乏，因此考察各級風分器出口片煙的尺寸分布及其變化規律有利于工藝參數及設備性能的針對性優化，可為片煙結構的精準調控提供支撐。鑒于此，本研究以福建南平地區上部煙配打模塊煙葉為原料，利用片煙大小及分布測定系統，考察打葉去梗工序各級風分器出口的片煙尺寸分布變化特征，旨在為打葉復烤片煙結構精準控制提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料、設備與儀器

煙葉原料：2016年福建南平上部煙配打模塊(由邵武B2F、武夷山B2F、三明B2F、光澤B3F、浦城B3F、順昌B3F等按比例混配而成)；

打葉復烤生產線：12 000 kg/h，共五打十一分，其中第一級打葉單元包括一至六級風分器，第二級打葉單元包括三級風分器，第三級打葉單元用一級風分器，第四、五級打葉單元共用一級風分器，福建武夷煙葉有限公司；

片煙大小及分布測定系統：CA8011型，昆明船舶設備集團有限公司，鄭州煙草研究院。

1.2 取樣、檢測方法

將原料投入打葉復烤生產線，根據作業指導書工藝參數穩定運行后開始取樣。在各風分器(共11級)分離出煙葉落入匯總皮帶前同時接取片煙樣品，每隔30 min重復取樣1次，共3次。

利用片煙大小及分布測定系統，檢測各片煙樣品面積，結合煙草行業對打后片煙結構(碎片率、小片率、中片率、大片率)的要求，如中片率是指介于網篩孔徑12.7 mm與25.4 mm 的葉片占總量的百分數，篩孔為12.7 mm和25.4 mm 時折合面積分別為161.29，645.16 mm2，因此把所測數據的面積劃分為0.00～5.57，5.57～40.32，40.32～161.29，161.29～300.00，300.00～645.16，645.16～1 000.00，1 000.00～1 500.00，1 500.00～2 000.00，2 000.00～2 500.00，2 500.00～3 000.00，3 000.00～4 000.00，4 000.00～5 000.00，5 000.00～6 000.00，>6 000.00 mm214個區間，根據YC/T 449—2012《煙葉 片煙大小及其分布的測定 葉面積法》測定片煙尺寸分布，并計算片煙各區間面積百分比、限下葉片面積累積百分比、片煙大小均勻性系數及特征尺寸[7]。

2 結果與分析

2.1 各打葉風分口片煙區間面積比例變化

采用圖像法測量11級打葉風分后煙葉樣品的葉片面積，各面積區間比例結果如圖1所示。從圖1可見，各級打葉風分口分離出的煙片尺寸在劃分的14個面積區間內的比例總體變化趨勢基本一致，葉片尺寸多集中分布于161.29～1 500.00 mm2；另外，一級、二級打葉單元各風分口片煙的尺寸分布基本相同，且與三級、四/五級打葉單元風分出的葉片差異明顯，第三級、四/五級打葉風分單元分離出的煙片中的小尺寸葉片比例上升，而>2 000.00 mm2的葉片比例下降。

將葉片在各面積區間的比例匯總轉換為葉片結構比例，如圖2所示，其中小片(6.35～12.70 mm)對應面積區間為40.32～161.29 mm2，同時根據卷煙企業對煙片的實際需求及復烤后片煙的收縮效應[8-9]，將超大片確定為尺寸>44.50 mm的葉片。從圖2中可見，一級、二級打葉單元各風分口碎片/末比例較為穩定，三級、四/五級打葉單元碎片/末比例略有上升，分別為1.82%和1.64%；對于小片而言，一級打葉單元各風分口變化不明顯，二級打葉單元內隨著風分級數增加，小片率由3.87%下降為2.55%，而第三級、四/五級打葉單元內小片率明顯升高，分別為6.31%和12.92%；第一、二級打葉單元內各風分口大中片率較為穩定，均在94%以上，三級、四/五級打葉風分大中片率逐漸降低，分別為91.83%和85.43%。

超大片煙葉成絲后填充力增加不明顯，煙絲過長易結團，影響卷煙機工作效率及卷接質量，因此其比例是打葉復烤過程中需進行控制的指標[10]，從圖2還可見，在第一級、二級打葉單元內，隨著風分級數的增加，超大片比例呈上升趨勢，這是由于同一級打葉單元內風分級數越大，通常出片量減小，導致超大片所占比例升高；隨著打葉級數繼續增加至第三級、四/五級，打葉風分后超大片比率急劇下降，表明絕大部分超大片片煙已在前兩級打葉單元內風分出來；由于打葉機組第一級打葉出片率最高，通常為65%左右，第二級打葉出片率為22%左右[11]，而一級、二級打葉單元內超大片比率又較高，因此在進行超大片煙葉控制時應重點對這兩級(尤其是第一級打葉單元)的工藝參數及設備性能進行調整優化，以針對性地降低超大片比率。

圖1 各打葉風分口葉片面積區間百分比變化Figure 1 Variations of interval area percentage at different threshing and pneumatic separation unit

2.2 各打葉風分口片煙尺寸分布變化

分別以5.57，40.32，161.29，300.00，645.16，1 000.00，1 500.00，2 000.00，2 500.00，3 000.00，4 000.00，5 000.00，6 000.00 mm2為片煙面積區間上限，計算限下片煙累積面積百分比，結果如表1所示。利用曾靜等[12]建立的片煙尺寸分布函數F(x) = 1-exp(-axb)進行數據擬合，其中，x為面積區間限，F(x)為限下累積面積百分比，b為均勻性系數，可用來判定片煙面積分布的均勻性。

片煙尺寸分布擬合結果見表2，R2≥0.999，表明各風分口片煙大小均符合片煙尺寸分布方程。由表2可知，在第一級打葉單元內，隨著風分級數的增加，片煙特征尺寸逐漸增大，從一打一分到一打六分，特征尺寸增幅為18.6%，同樣在第二級打葉單元內，片煙特征尺寸也隨著風分級數的增加而變大；然而，隨著打葉風分級數的繼續增加，片煙特征尺寸明顯變小，第三級、四/五級打葉風分后分別為923.87，679.86 mm2。

表1 各打葉風分口片煙面積區間限下累積面積百分比Table 1 Cumulative area ratio below area limitation for strips separated from different threshing and pneumatic separation unit %

各打葉風分口片煙特征尺寸的變化規律與圖2所示片煙超大片比例變化趨勢基本一致，這是由于在各風分口大中片率保持基本相同的情況下，片煙中的超大片比例決定了片煙特征尺寸。對各風分口樣品的超大片比例與片煙特征尺寸(x0.5)進行線性擬合(如圖3所示)，所得回歸方程為x0.5=286.23+33.24m，R2=0.989，表明打葉去梗各級風分口片煙的特征尺寸與其中超大片比例存在較好的線性關系。

表2 各打葉風分口片煙特征尺寸、均勻性系數結果匯總Table 2 The results of characteristic size and uniformity coefficient for strips at different threshing and pneumatic separation unit

各打葉風分口片煙大小分布的均勻性系數介于1.01～1.27，四/五級打葉后片煙大小均勻性最差，第二級打葉單元內的第三級風分器分離出片煙尺寸分布均勻性最高。

圖3 片煙特征尺寸與超大片比例的線性擬合結果Figure 3 The linear fitting between characteristic size of strips and Proportion of supersized tobacco strips

2.3 各級打葉風分匯總片煙尺寸分布變化

將同一級打葉單元內各風分口片煙樣品匯總，計算各面積區間內片煙比例，并將其轉換為葉片結構比例。由圖4可見，各級打葉單元<2.36 mm的碎末比例穩定且均較低，說明風分器出口至葉片匯總皮帶間的碎末振篩篩分正常；碎片和小片比例隨著打葉級數升高有增加趨勢，12.7～25.4 mm的中片比例在第一級、第二級打葉單元較穩定(21.5%左右)，隨打葉級數繼續升高有增加趨勢；>25.4 mm 的大片比例在各級打葉單元內均占比最高，第一、二級打葉單元煙片中的大片率可達74.0%左右，第三、四/五級打葉單元內大片率逐漸降低，分別為62.5%和51.0%；尺寸>44.5 mm的超大片比例在各級打葉單元內的變化規律與大片基本保持一致。因此，第三、四/五級打葉單元產生的葉片更符合“控制大片率、提升中片率”的理念，但因其出片率較低，對匯總后整體葉片結構影響有限，而第一、二級打葉單元出片率較高，且其中的大片率(尤其是超大片比例)高，為有效進行片煙結構質量優化，應有針對性地對一級、二級打葉單元設備參數及工藝進行調整。

對同一級打葉單元內匯總片煙樣品計算劃定區間的限下累積面積百分比，并利用片煙尺寸分布函數對其進行數據擬合(圖5)，計算各級打葉風分單元內片煙樣品的特征尺寸及均勻性系數(圖6)。由圖6可見，片煙特征尺寸隨打葉級數增加逐漸降低，從第一級至第四/五級打葉單元片煙特征尺寸從1 310.19 mm2降低為679.86 mm2，降幅可達48%；片煙均勻性系數也呈逐漸降低趨勢，尤其在第三、四/五級打葉單元內降幅明顯，表明從第一級打葉單元至第四/五級打葉單元，片煙整體尺寸逐漸變小，且片煙整體均勻性也降低。

3 結論

采用片煙尺寸分布測試方法，研究了各級打葉風分單元分離片煙的尺寸變化規律，結果表明：① 各級風分器分離的煙片尺寸在所劃分的14個面積區間內總體變化趨勢基本一致。其中第一、二級打葉單元內各風分口的大中片率較為穩定(均為94%以上)，每一級打葉單元內，超大片比率隨風分級數的增加呈上升趨勢，在第三、四/五級打葉單元內超大片比例迅速降低，小片率明顯升高。② 各風分口片煙大小均符合片煙尺寸分布方程，在第一級、二級打葉單元內，片煙特征尺寸隨風分級數增加而變大，在第三、四/五級打葉單元內片煙特征尺寸逐漸變小；基于此，獲得了風分口片煙的特征尺寸與其中超大片比例間的線性方程。③ 同一級打葉單元內的各級風分片煙匯總后，特征尺寸隨打葉級數增加逐漸降低，從第一級至第四/五級打葉單元降幅可達48%，且片煙尺寸均勻性也逐漸降低。

碎末<2.36 mm；碎片2.36～6.35 mm;小片6.35～12.70 mm;中片12.70～25.40 mm;大片>25.40 mm;超大片>44.50 mm

圖5 各級打葉風分匯總片煙尺寸分布擬合結果Figure 5 Fitting results of size distribution of strips from different stages threshing unit

圖6 各級打葉風分匯總片煙特征尺寸及均勻性系數Figure 6 Characteristic size and uniformity coefficient of strips separated from different stages of threshing unit