梗絲加香出口水分影響因素分析及控制方法優(yōu)化

張榮亞，溫若愚，文 武，劉 洋，劉民昌，胡顯成，張 艇，宋光富

（四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，四川成都 610066）

梗絲是卷煙配方的重要組分之一，加工良好的梗絲具有較強的支撐作用，能夠改善卷煙燃燒性，降低煙葉原料消耗，降低煙氣焦油量[1-3]。煙草行業(yè)工作者對煙用梗絲加工工藝進行了大量的研究[4]。煙梗原料經(jīng)過投料、篩分、洗浸梗、貯梗、壓梗、切梗絲、梗絲加料等前處理工序后，在烘梗絲工序去除多余水分，在風(fēng)送工序去除梗簽、梗塊、濕團等雜物后將梗絲輸送至倉儲喂料工序，在梗絲加香工序均勻施加香精。此前煙草行業(yè)對梗絲的研究主要關(guān)注梗絲結(jié)構(gòu)對卷煙質(zhì)量的影響，制梗絲加工工藝主要研究了煙梗預(yù)處理、煙梗形變、梗絲在線膨脹和梗絲風(fēng)選對梗絲質(zhì)量的影響[4-8]。梗絲加香出口水分即成品梗絲水分的穩(wěn)定性也是影響卷煙抽吸品質(zhì)和物理化學(xué)指標(biāo)的重要因素[9-10]。但是，梗絲加香機本身并沒有水分控制系統(tǒng)，僅靠控制烘絲后的梗絲水分來保障成品梗絲的水分。由于加香出口梗絲的水分控制主要在烘梗絲工序完成，同時在風(fēng)送過程中受外界空氣溫濕度的影響而存在散失現(xiàn)象。一方面，由于梗絲水分散失量不穩(wěn)定，烘梗絲出口的水分較難設(shè)定準(zhǔn)確；另一方面，梗絲從烘梗絲出口運行至加香出口所需時間較長，無法實時反饋調(diào)整，對加香后梗絲水分的控制帶來困難，導(dǎo)致梗絲批次水分均值差異較大，具有較大的質(zhì)量風(fēng)險。從質(zhì)量分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)中看，梗絲加香出口水分部分批次已經(jīng)達到臨界控制的要求，如不加強控制可能會出現(xiàn)不合格品，造成原料浪費。梗絲風(fēng)送過程環(huán)境溫濕度會影響梗絲水分散失量，張峻松等人[11]證實了環(huán)境溫濕度會影響貯絲煙絲水分的穩(wěn)定性[11-16]。但是，風(fēng)送過程環(huán)境溫濕度對梗絲水分散失量的影響，以及通過監(jiān)測風(fēng)送過程環(huán)境溫濕度反饋控制烘絲出口水分設(shè)定值、提高梗絲加香出口水分穩(wěn)定性未見文獻報道。為解決這一問題，在風(fēng)送工序加裝溫濕度檢測儀，研究風(fēng)送過程中梗絲水分散失量的影響因素及規(guī)律，建立回歸模型，通過提高烘梗絲出口水分設(shè)定的準(zhǔn)確性，減少生產(chǎn)過程中的調(diào)整次數(shù)，提高梗絲加香出口水分的控制水平，對于提高梗絲加工控制水平具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

生產(chǎn)能力為2 000 kg/h 制梗絲線，四川中煙成都卷煙廠產(chǎn)品；COS-03 型溫濕度記錄儀，山東仁科測控技術(shù)有限公司產(chǎn)品；TM710 型在線水分儀，美國NDC 紅外技術(shù)公司產(chǎn)品。

1.2 試驗方法

1.2.1 梗絲水分控制水平評價方法

每批次煙梗投料量為2 000 kg，統(tǒng)計梗絲加香出口水分過程數(shù)據(jù)，數(shù)采時間間隔為30 s，計算整批次梗絲水分的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，綜合考慮梗絲水分的標(biāo)準(zhǔn)符合性與穩(wěn)定性，以CPK（Complex process capability index，過程能力指數(shù)） 評價控制水平，CPK 按公式（1） 計算：

式中：T——梗絲水分設(shè)計公差，%；

M0——梗絲水分平均值，%；

δ——梗絲水分標(biāo)準(zhǔn)偏差，%。

按工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，梗絲加香出口水分設(shè)計值為12.50%，允差為±0.50%，CPK≥1.0。

1.2.2 梗絲水分散失量計算方法

每批次生產(chǎn)結(jié)束，統(tǒng)計烘梗絲出口及梗絲加香出口水分平均值，梗絲水分散失量按公式（2） 計算：

式中：M2——梗絲水分散失量，%；

M1——烘梗絲出口水分平均值，%；

M0——梗絲加香出口水分平均值，%。

1.2.3 梗絲水分散失量回歸分析方法

在風(fēng)送工序入口附近安裝溫濕度檢測記錄儀，統(tǒng)計每批次風(fēng)送工序環(huán)境溫度、相對濕度、烘梗絲出口水分、梗絲水分散失量平均值，按公式（3） 進行回歸分析：

式中：M2——梗絲水分散失量，%；

M1——烘梗絲出口水分平均值，%；

X1——環(huán)境溫度，℃；

X2——相對濕度，%；

A，B，C，D——方程參數(shù)。

1.2.4 烘梗絲出口水分設(shè)定值計算方法

在生產(chǎn)開始之前，根據(jù)環(huán)境溫度、相對濕度、梗絲加香出口水分設(shè)計值，對公式（2）、（3） 進行變換，計算與之相適應(yīng)的烘梗絲出口水分設(shè)定值，按公式（4） 計算：

X1——環(huán)境溫度，℃；

X2——相對濕度，%；

A，B，C，D——方程參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 梗絲加香出口水分波動原因分析

50 批風(fēng)送后梗絲水分散失情況見圖1。

圖1 50 批風(fēng)送后梗絲水分散失情況

由圖1 可以看出，經(jīng)過風(fēng)送后，梗絲的水分整體存在散失現(xiàn)象，個別存在吸潮現(xiàn)象，不同批次之間梗絲水分散失量存在較大波動，50 個批次的梗絲水分散失量極差為1.42%。

為了分析造成梗絲加香出口水分波動的原因，以某批次梗絲生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)為例，進行梗絲水分波動情況分析。

某批次梗絲生產(chǎn)過程水分控制情況見圖2。

由圖2 可以看出，常規(guī)的控制方法是在生產(chǎn)開始時根據(jù)操作人員經(jīng)驗，對烘梗絲出口水分進行預(yù)設(shè)，之后根據(jù)加香出口水分實際情況調(diào)整烘梗絲參數(shù)，但由于烘梗絲出口水分難以一次性設(shè)定準(zhǔn)確，生產(chǎn)過程中調(diào)整較為頻繁，而由于反饋時間較長，易出現(xiàn)超調(diào)或調(diào)整不到位現(xiàn)象，直至生產(chǎn)后半段，梗絲加香出口水分才逐漸達到穩(wěn)定。烘梗絲出口水分設(shè)定偏大或偏小，影響梗絲加香出口水分平均值與設(shè)計值之間的偏移量，生產(chǎn)過程調(diào)整次數(shù)及幅度影響梗絲加香出口水分的標(biāo)準(zhǔn)偏差，造成梗絲加香出口水分波動的直接原因是烘梗絲出口水分難以設(shè)定準(zhǔn)確，根本原因是沒有掌握風(fēng)送過程梗絲水分散失量的變化規(guī)律。

圖2 某批次梗絲生產(chǎn)過程水分控制情況

2.2 梗絲水分散失量影響因素分析

2.2.1 環(huán)境溫度對梗絲水分散失量的影響

梗絲水分散失量與環(huán)境溫度的關(guān)系見圖3。

由圖3 可以看出，兩者呈弱相關(guān)關(guān)系，環(huán)境溫度越高，梗絲水分散失量越大，主要因為在高溫環(huán)境下，水分子擴散速率加快，梗絲中的水分更易逸散到空氣中。

2.2.2 相對濕度對梗絲水分散失量的影響

梗絲水分散失量與環(huán)境相對濕度的關(guān)系見圖4。

由圖4 可以看出，相對濕度越低，梗絲水分散失量越大，密閉空間內(nèi)梗絲與空氣水分達到平衡時，對應(yīng)的空氣相對濕度稱為梗絲的水分活度，在風(fēng)送過程中，當(dāng)環(huán)境相對濕度低于梗絲的水分活度時，梗絲發(fā)生水分散失現(xiàn)象，反之吸潮，二者值越大，散失或吸潮速度越快，而一般情況下環(huán)境相對濕度低于梗絲的水分活度，因此整體存在梗絲水分散失現(xiàn)象。

圖4 梗絲水分散失量與相對濕度的關(guān)系

2.2.3 烘梗絲出口水分對梗絲水分散失量的影響

梗絲水分散失量與烘梗絲出口水分的關(guān)系見圖5。

圖5 梗絲水分散失量與烘梗絲出口水分的關(guān)系

由圖5 可以看出，烘梗絲出口水分越高，梗絲水分散失量越大，其影響機制與相對濕度類似，梗絲水分越高，對應(yīng)水分活度越大，梗絲越易發(fā)生水分散失現(xiàn)象。

2.2.4 風(fēng)送風(fēng)速對梗絲水分散失量的影響

梗絲水分散失量與風(fēng)送風(fēng)速的關(guān)系見圖6。

圖6 梗絲水分散失量與風(fēng)選風(fēng)速的關(guān)系

由圖6 可以看出，風(fēng)送風(fēng)速對梗絲水分散失量無顯著影響，雖然理論上空氣流速越快，會加劇梗絲與空氣之間的水分遷移，但由于風(fēng)速越大，相同風(fēng)送距離下梗絲與空氣的接觸時間越短。因此，在正常生產(chǎn)情況下，風(fēng)送風(fēng)速對梗絲水分散失量影響不明顯。

2.2.5 梗絲水分散失量回歸模型的建立

基于上述分析結(jié)論，在梗絲風(fēng)送過程中，影響水分散失量的主要因素為環(huán)境溫度、相對濕度、烘梗絲出口水分，由于風(fēng)送風(fēng)速無顯著影響，回歸分析時不予考慮。

梗絲水分散失量回歸方程的方差分析見表1，梗絲水分散失量回歸方程的回歸系數(shù)見表2，梗絲水分散失量實際值與理論值見圖7。

表1 梗絲水分散失量回歸方程的方差分析

表2 梗絲水分散失量回歸方程的回歸系數(shù)

圖7 梗絲水分散失量實際值與理論值

方差分析結(jié)果表明，梗絲水分散失量回歸方程的p 值為0，說明回歸模型可以通過0.05 顯著水平的檢驗，梗絲水分散失量實際值與理論值的相關(guān)系數(shù)為R2=0.950 4，回歸模型擬合程度較好；標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)表明，各因素對梗絲水分散失量的影響大小依次為相對濕度＞烘梗絲出口水分＞環(huán)境溫度。該模型能夠根據(jù)環(huán)境溫度、相對濕度、烘梗絲出口水分等數(shù)據(jù)，較好地預(yù)測了風(fēng)送過程梗絲水分散失量。

2.3 控制模型的生產(chǎn)應(yīng)用驗證

以模型計算結(jié)果代替人工經(jīng)驗，生產(chǎn)開始前檢測風(fēng)送入口附近空氣溫度和相對濕度，將之代入方程（4），計算此環(huán)境條件下所需的烘梗絲出口水分設(shè)定值。

跟蹤驗證50 批生產(chǎn)數(shù)據(jù)，不同環(huán)境條件下的烘梗絲出口理論設(shè)定值與實際平均值見圖8，模型應(yīng)用前后梗絲加香出口水分CPK 情況見圖9，模型應(yīng)用前后梗絲加香出口水分控制水平變化情況見表3。

圖8 不同環(huán)境條件下的烘梗絲出口理論設(shè)定值與實際平均值

圖9 模型應(yīng)用前后梗絲加香出口水分CPK 情況

表3 模型應(yīng)用前后梗絲加香出口水分控制水平變化情況

由表3 可以看出，模型應(yīng)用后，梗絲加香出口水分均值偏移量由0.18%降低至0.10%，標(biāo)準(zhǔn)偏差均值由0.21%降低至0.11%，梗絲加香出口水分CPK均值由0.70 提高至1.41，按照CPK≥1.0 的標(biāo)準(zhǔn)要求，50 個生產(chǎn)批的CPK 達標(biāo)數(shù)由6 批次提高至47 批次，而其中3 批次CPK 未達標(biāo)，主要是由于烘梗絲出口水分未按照理論值設(shè)定造成，說明該控制方法能夠達到有效梗絲加香出口水分控制水平。

3 結(jié)論

不同批次之間風(fēng)送過程梗絲水分散失量差異較大，是造成梗絲加香出口水分CPK 較低的根本原因。回歸分析表明，影響梗絲水分散失量的主要因素依次為相對濕度＞烘梗絲出口水分＞環(huán)境溫度，梗絲水分散失量回歸方程的p 值為0，相關(guān)系數(shù)為R2=0.950 4，擬合程度較好，說明該模型能夠根據(jù)環(huán)境溫濕度情況較好地預(yù)測風(fēng)送過程梗絲水分散失量。應(yīng)用結(jié)果表明，以模型計算結(jié)果代替人工經(jīng)驗進行烘梗絲出口水分的設(shè)定，有效地提高了梗絲加香出口水分的標(biāo)準(zhǔn)符合性與穩(wěn)定性，梗絲水分均值偏移量由0.18%降低至0.10%，標(biāo)準(zhǔn)偏差均值由0.21%降低至0.11%，CPK均值由0.70 提高至1.41，50 生產(chǎn)批的CPK達標(biāo)數(shù)由6 批次提高至47 批次，該控制方法對于提高梗絲加香出口水分的控制水平、提高卷煙產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性具有重要意義。