基于篩分再切的葉片結構調控工藝設計及應用

劉茂林，楊永鋒，趙森森，劉向真，尹志安，崔登科，梁淼，李慶祥，孫九喆，彭桂新*

1 河南省中煙工業有限責任公司技術中心，鄭州市經開區第三大街8號 450000；2 天昌國際煙草有限公司寶豐復烤廠，平頂山市寶豐縣龍興中路1號 467400；3 鄭州輕工業大學食品與生物工程學院，鄭州市科學大道136號 450002

葉片結構是衡量打葉復烤加工質量及水平的重要指標，同時也是影響切后煙絲結構及純凈度的重要因素[1,2]，而煙絲結構又是影響卷煙空頭、單支重、端部落絲、煙絲密度分布等卷接質量的關鍵[3-5]。目前打葉復烤企業成品片煙結構比例不盡合理，常表現為大片偏多、中片偏少[6]，尤其是超大片煙比例可達25%以上，與當前我國大品牌中式卷煙發展需求仍存在差距，特別是隨著中、細支卷煙的快速發展，其卷制質量及穩定性更是行業普遍關注的問題。為滿足卷煙生產對葉片結構的新需求，基于“降大片、提中片”理念，2016 版卷煙工藝規范也對打葉復烤后的片煙結構提出了更高要求[7]。

為改善梗葉分離后片煙結構，打葉復烤企業常通過調整來料狀態及打葉風分環節的打輥轉速、框欄規格、風分效率等工藝參數來實現[6,8,9]，但調整過程相對復雜且耗時長，片煙結構控制精度低，煙葉造碎明顯，影響打葉復烤經濟性。另外，通過對打后片煙進行有效篩分，分選出其中的超大尺寸片煙，對其進行針對性的尺寸縮減處理是提高葉片結構均勻性的又一可行途徑。基于此思路，肖錦哲等[10]在一級打葉風分單元后設置了滾筒式篩分裝置，將篩分出的超大尺寸煙葉送入打葉器復打，增加了最佳煙葉尺寸區間占比，改善了葉梗分離后煙葉片形結構。本文在前期開發多輥撥動式煙葉篩分裝置和雙輥多齒式煙片剪切裝置的基礎上[11-12]，提出并設計了打葉復烤環節的篩分再切工藝，基于此工藝開展了超大尺寸片煙的定向篩分與剪切應用探索，旨在提高葉片結構控制能力，減少二次造碎，提升打后片煙的葉片結構均勻性。

1 工藝流程設計

多輥撥動式煙葉篩分裝置能用于較大流量的生產線，研究中以打葉風分匯總片煙為研究對象，在片煙匯總皮帶后增設篩分再切環節，旨在通過篩分裝置分選出超大尺寸片煙，對其進行剪切處理，以降低大片率，提升中片率。如圖1 所示，煙葉經預處理進入打葉風分環節，打葉去梗后的匯總煙片經皮帶送至多輥撥動式煙葉篩分設備，通過調整篩輥轉速等參數分離出其中的超大尺寸煙片，并將其送入煙葉剪切裝置進行尺寸縮減，剪切后的煙片經風力浮選機去除含梗煙片，非含梗煙片均勻回摻進經篩分去除超大片的煙片內，并送入下一道工序。

圖1 基于篩分再切的葉片結構調控工藝流程Fig. 1 Technological process of tobacco strip structure control system based on screening and re-cutting technology

2 材料與方法

2.1 儀器、試劑與材料

試驗原料為2018 年產河南洛陽C3F 等級烤煙煙葉。打葉復烤生產線采用天昌國際煙草有限公司寶豐復烤廠“黃金葉”專線（生產流量為10000 kg/h）；煙片篩分設備，差速剪切裝置（詳見專利CN 207385892U 和CN 207383495U，河南中煙工業有限責任公司，天昌國際煙草有限公司寶豐復烤廠）；CA8011 型片煙大小及分布測定系統（昆明船舶設備集團有限公司，鄭州煙草研究院）。

2.2 實驗方法和條件

在如圖1 所示的增設了篩分再切環節的打葉復烤生產線上開展試驗，將煙葉原料投入打葉復烤生產線，根據作業指導書設置打葉復烤工藝參數。篩分再切裝置的具體工作過程如圖2 所示，分別設定篩輥轉速（30 Hz、40 Hz、50 Hz）和剪切設備快慢輥轉速差（5 Hz、15 Hz、20 Hz、25 Hz，通過固定快輥轉速50 Hz，調整慢輥轉速45 Hz、35 Hz、30 Hz、25 Hz實現），生產穩定運行后依次在圖2 所示的位置1、3、7、4、10、8 處采用截面取樣法，接取煙片樣品（每次取樣不少于3000 g），利用片煙大小及分布測定系統，根據YC/T 449—2012《煙葉片煙大小及其分布的測定葉面積法》[13]測定片煙面積及尺寸分布，并結合煙草行業對葉片結構（大片率、中片率、碎片率等）的要求進行換算[14]。

圖2 篩分再切裝置工作流程Fig. 2 Workflow diagram for the screening and re-cutting devices

3 結果與討論

3.1 篩分工藝參數對分離煙片尺寸分布影響

多輥撥動式輥軸篩分技術是利用橫向排列帶有輥齒的輥軸，帶動物料在軸面上以滾動方式向前運動，實現物料的分選，尺寸較小的煙片物料在輥軸相鄰輥齒形成的動態篩孔中落下，并實現物料的持續攤薄，其余物料在軸面上繼續向前運動并重復上述過程，從而實現不同尺寸煙片的分離。圖3 為不同篩輥轉速下，篩分設備上層大尺寸煙片及下層其余煙片的尺寸分布直方圖，從圖中可見，篩分后上層和下層煙片尺寸分布差異明顯，尤其是隨著篩輥轉速增加，超大尺寸煙片分離效果更優。

圖3 不同篩輥轉速下篩輥上層及下層煙片的尺寸分布圖（a: 30 Hz; b: 40 Hz; c: 50 Hz）Fig. 3 The size distribution of tobacco strip at upper and lower layer of screen roll under different speed of screen roller (a: 30 Hz; b: 40 Hz; c: 50 Hz)

為進一步詳細比較篩輥轉速對分離煙片尺寸分布的影響，將各特征區間的煙片比例統計列于表1，根據卷煙企業對最適宜結構煙片的實際需求及復烤后片煙的皺縮效應[15]，文中定義尺寸介于11 mm～41 mm的煙片為合適片，尺寸大于41 mm 的煙片為超大尺寸煙片。從表1 可見，在各篩輥轉速下，篩輥上層煙片主要是＞25.4 mm 的大片，這其中又以＞41 mm以上超大片煙為主；下層主要是包括中片在內的11 mm～41 mm 的合適片；以上表明輥軸篩分能夠按尺寸分布對打后匯總煙片進行有效分離，特別是對于＞41 mm 以上超大片煙的篩分效果明顯。另外，隨著篩輥轉速的提高，上層分選出煙片內的大片及超大片比例逐漸增加，11 mm～41 mm 的合適片比例逐漸減小；同時篩輥下層煙片內的中片比例有增加趨勢，合適片比例從67.55%升高至75.35%，誤篩的＞41 mm 超大片比例呈降低趨勢，數據表明，在滾軸上篩齒間距一定的前提下，篩輥轉速是影響篩分效果的重要因素，隨篩輥轉速增加，篩分效果明顯提升，如當篩輥轉速增至50 Hz 時，篩輥上層煙片內的大片比例為93.93%，其中超大片比例為68.70%，下層煙片內的合適片比例為75.35%，分離效果最優，這與較高的篩輥轉速有利于物料在篩輥上的攤薄有關，提高了分離質量。

表1 不同篩輥轉速分離后各特征區間的煙片比例統計Tab. 1 The proportion of tobacco strips of different size after screening under different speed of screen roller %

另外，利用曾靜等[16]建立的煙片尺寸分布函數F（x）=1-exp（-axb）對輥軸篩網上層及下層的煙片尺寸數據進行擬合，以分析篩分后煙片的特征尺寸及其分布均勻性。煙片尺寸分布擬合結果如表2 所示，相關系數R2較高，表明篩分后各層的煙片尺寸符合該分布函數。在各篩輥轉速下，篩網上層煙片的特征尺寸（F（x）=0.5 時對應的煙片面積）遠大于下層煙片特征尺寸，并且隨著篩輥轉速從30 Hz 增加至50 Hz，上層特征尺寸逐漸增加，從1504.18 mm2升高至2447.23 mm2，而下層特征尺寸從648.87 mm2逐漸降低至595.42 mm2，同時各層煙片的均勻性系數b 均隨篩輥轉速增加而變大，表明煙片尺寸分布集中度也逐漸提高，因此篩輥轉速50 Hz 時篩分效果最好，此時上層超大片比例高，尺寸分布集中。

表2 不同篩輥轉速分離煙片的特征面積及均勻性系數Tab. 2 Characteristic area and uniformity coefficient of tobacco strips after screening under different screen roller speed

3.2 剪切工藝參數對煙片尺寸分布的影響

對篩分出的超大尺寸煙片進行剪切處理是降低大片率、提升中片率的關鍵環節，本工藝利用雙輥輥齒的差速運動產生的撕扯力與剪切力對超大片進行處理，而小于輥軸齒間距的煙片從輥齒間隙漏下避免破碎。圖4 為不同剪切輥轉速差下，剪切前后的煙片尺寸分布直方圖，從圖中可見，篩分出的上層煙片經剪切后尺寸分布整體向小尺寸方向偏移，＞41 mm 的超大片均不同程度降低。

進一步將各特征區間的煙片比例統計列于表3，在剪切輥不同的轉速差條件下，處理后煙片樣品內中片比例均升高，11 mm～41 mm 的合適片比例升高，平均增幅為96.72%，同時＞25.4 mm 的大片比例降低，特別是＞41 mm 的超大片比例明顯降低，表明剪切處理將超大片轉化成了合適片。另外，不同的轉速差帶來的剪切效果有差異，轉速差為5 Hz 時，盡管合適尺寸煙片增加比例較大為105.20%，但較小的轉速差產生的片煙破壞力較強，剪切處理后＜6.35 mm的煙片比例為5%，造碎程度較大；當轉速差介于15 Hz 至25 Hz 時，合適片比例的增幅均大于60%，＞41 mm 超大片比例降幅均大于42%，特別當轉速差為25 Hz 處理后的超大片降幅達75.04%，且該轉速差下所得合適片的增加比例最高（158.26%），中片比例也最高（31.45%）。此外，從煙片尺寸分布函數擬合結果（表4）可見，差速剪切處理后煙片特征尺寸減小，同時均勻性系數呈現降低趨勢，轉速差為25 Hz 剪切處理前后煙片特征面積分別為2458.29 mm2和804.40 mm2，降幅可達67.28%。這些數據均表明雙輥轉速差是影響超大片剪切效果的主要因素，生產中可針對來料及煙片結構需求針對性地調整雙輥轉速差。

圖4 不同剪切輥轉速差下處理前后煙片的尺寸分布圖（a: 5Hz; b: 15Hz; c: 20Hz; d 25Hz ）Fig. 4 The size distribution of tobacco strips at different sizes after screening under different speed of shear roller (a: 5Hz; b: 15Hz; c: 20Hz; d:25Hz)

表3 不同剪切輥轉速差下處理前后煙片各特征區間的比例統計Tab. 3 The proportion of tobacco strips of different size before and after processing under different speed of shear roller %

表4 不同剪切輥轉速差下處理前后煙片的特征面積及均勻性系數Tab. 4 Characteristic area and uniformity coefficient of tobacco strips before and after processing under different speed of shear roller

3.3 葉片調控工藝應用效果

圖5 兩種生產工藝匯總煙片的尺寸分布(a)及尺寸分布擬合結果(b)Fig. 5 Size distribution of tobacco strips under two different processes (a) and the fitting result of size distribution (b)

基于以上篩分及剪切工藝參數對煙片尺寸分布影響規律，確定了較優的參數組合（篩輥轉速設置為50 Hz，剪切快慢輥轉速分別設置為50 Hz 和25 Hz）開展工藝驗證，對采用篩分再切工藝前后的打葉去梗匯總煙片進行尺寸分布檢測及擬合，結果如圖5 所示。可以看出經篩分再切工藝調控后的煙片尺寸分布有所變化，具體表現為＞41 mm 的各尺寸區間煙片比例明顯降低，＜41 mm 的各區間比例均升高，煙片特征尺寸從785.18 mm2降低至603.32 mm2，均勻性系數增加，煙片尺寸分布集中度及均勻性有所提高。

圖6 統計了特征尺寸煙片及葉片結構比例，可見超大片比例由25.14%降低為13.48%，降幅達46.38%，合適片的比例由63.71%升高至73.30%，大片率由55.90%降低至40.99%，能夠滿足2016 版工藝規范中＜45%的要求，中片率由32.99%升高至49.36%，增幅為49.62%，同時碎片率未明顯增加（由1.71%增至1.73%），結果表明篩分再切工藝較好的解決了打后大片率過高的問題，實現了降低大片率、提升中片率的目的。

該工藝流程簡單，篩分及剪切處理能力強，設備參數及加工質量可控性強，并能適應較大流量的生產線。本文僅針對特定生產流量下的單等級煙葉進行了葉片結構調控研究，篩分剪切工藝參數與生產流量的適應性及與模塊原料的煙片尺寸分布間的關系仍需進一步研究。

圖6 葉片結構調控工藝參數設置Fig. 6 Parameter setting for tobacco strip structure control process

4 結論

基于自行開發的多輥撥動式煙葉篩分裝置和雙輥多齒式煙片剪切裝置，設計了打葉復烤環節的篩分再切工藝，該葉片結構調控工藝流程簡單，能適應較大流量的生產線。以河南洛陽C3F 等級烤煙煙葉為研究對象，對打后匯總片煙進行了超大片篩分與剪切處理，使大片縮減為合適尺寸的煙片，以提升片煙葉片結構控制能力，結果表明：篩輥轉速是影響超大片分選效果的關鍵，篩輥轉速增至50 Hz 時，分選出的上層煙片內大片比例為93.93%，其中超大片比例可達68.70%；篩分出的煙片經剪切輥差速處理后超大片明顯降低，合適尺寸片增加明顯，煙片特征尺寸顯著降低；采用篩分再切工藝調控后，打后匯總煙片中的超大片比例降為13.48%，11 mm～41 mm 的合適片比例增加至73.30%，大片率由55.90%降低至40.99%，中片率由32.99%升高至49.36%，增幅達49.62%，篩分再切工藝的設計及應用為葉片結構調控提供了可行的途徑。