加工工艺参数对烟丝加工过程中破碎规律的影响.pdf

江西农业学报 2023，35（10）：134140ActaAgriculturaeJiangxiDOI:10.19386/ki.jxnyxb.2023.10.020加工工艺参数对烟丝加工过程中破碎规律的影响刘 欢1，王浩宇1，李春光1，孙 觅1，徐浩翔2，田斌强2，武云杰2*，王瑞珍1*（1.河南中烟工业有限责任公司，河南 郑州 450016；2.河南农业大学 烟草学院，河南 郑州 450046）摘 要:为探索烟丝在加工过程中的破碎规律，研究了滚筒、流态化、机械输送等加工环节关键参数对烟丝结构的影响。结果表明：（1）当筒壁温度高于117 时，烟丝特征尺寸明显下降，破碎度明显增加。热风温度低于100 时，破碎度最小，特征尺寸最大。滚筒倾角大、转速快均会造成烟丝的造碎增加，填充值减小。筒壁温度和热风温度对烟丝特征尺寸和破碎度影响大于滚筒倾角和转速。（2）烟丝风选和风速加工对烟丝的破碎影响较小，随着风机频率的升高，烟丝破碎度缓慢升高，烟丝特征尺寸缓慢下降。（3）烟丝在机械输送过程中，当皮带提升喂料机速度大于36 Hz时，烟丝特征尺寸增大，破碎度降低。当振筛频率在50 Hz时，烟丝特征尺寸最大，破碎度最低。当物料高度在60 cm时，烟丝特征尺寸最大，破碎度最低；当物料高度在140 cm时，特征尺寸最小，破碎度最高。烟丝的出柜速度越大，物料破碎度越高，特征尺寸越小。研究结论可为烟丝在加工过程中关键加工参数的优化、提高产品加工质量、降低原料消耗提供依据。关键词:烟丝结构；特征尺寸；破碎规律；制丝工艺 中图分类号：TS542 文献标志码：A 文章编号：1001-8581（2023）10-0134-07Effects of Technological Parameters on Fragmentation Rule during Cut Tobacco Processing LIUHuan1,WANGHao-yu1,LIChun-guang1,SUNMi1,XUHao-xiang2,TIANBin-qiang2,WUYun-jie2*,WANGRui-zhen1*(1.ChinaTobaccoHenanIndustrialCo.,Ltd,Zhengzhou450016,China;2.CollegeofTobaccoScience,HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450046,China)Abstract:Inordertoexplorethebreakinglawofcuttobaccoduringprocessing,theinfluenceofkeyparameterssuchasroller,fluidizationandmechanicalconveyingonthestructureofcuttobaccowasstudied.Theresultsshowthat:(1)Whenthewalltemperatureishigherthan117,thecharacteristicsizeofcuttobaccodecreasesobviouslyandthedegreeofbreakageincreasesobviously.Whenthehotairtemperatureislowerthan100,thedegreeofbreakageisthesmallestandthefeaturesizeisthelargest.Thelargertheinclinationoftherollerandthefastertherotationalspeedwillcausetheincreaseofthebreakingofthetobaccoandthedecreaseofthefillingvalue.TheinfluenceofcylinderwalltemperatureandhotairtemperatureonthecharacteristicsizeandcrushingdegreeoftobaccoisgreaterthanthatofdrumAngleandrotationspeed.(2)Windselectionandwindspeedprocessingoftobaccohavelittleimpactonthecrushingoftobacco.Withtheincreaseoffanfrequency,thecrushingdegreeoftobaccoslowlyincreases,andthecharacteristicsizeoftobaccoslowlydecreases.(3)Inthemechanicalconveyingprocessoftobacco,whentheliftingspeedofthebeltliftingfeederisgreaterthan36Hz,thecharacteristicsizeoftobaccoisincreasedandthedegreeofbreakageisreduced.Whenthevibrationfrequencyis50Hz,thecharacteristicsizeoftobaccoisthelargestandthecrushingdegreeisthelowest.Whenthematerialheightis60cm,thetobaccofeaturesizeisthehighestandthecrushingdegreeisthelowest.Whenthematerialheightis140cm,thefeaturesizeisthelowestandthecrushingdegreeisthehighest.Thelargerthespeedofthetobacco,thehigherthecrushingdegreeofthematerialandthesmallerthefeaturesize.Theresultscanprovideabasisforoptimizingkeyprocessingparameters,improvingproductprocessingqualityandreducingrawmaterialconsumption.Key words:Cuttobaccostructure;Featuresize;Fragmentationrule;Cigaretteprimaryprocess收稿日期：2023-07-15基金项目：烟草行业烟草加工形态研究重点实验室项目（PW202181）；河南中烟工业有限责任公司项目“烟丝加工过程破碎行为表征及影响规律研究”（2021410001300074）。作者简介：刘欢（1988），男，工程师，硕士，主要从事烟草工艺研究工作。*通信作者：武云杰、王瑞珍。10 期刘欢等：加工工艺参数对烟丝加工过程中破碎规律的影响135制丝是卷烟生产过程中的重要环节，烟丝在加工过程中会受到不同外力作用而逐渐破碎，制丝加工水平的高低直接关系到卷烟产品的内在质量，其对卷烟质量的稳定性以及生产制作过程中的降损都具有至关重要的作用1-2。随着卷烟工艺的发展，对烟丝结构的控制逐步成为卷烟生产过程的重要内容。赵佳成等3-4研究表明，随着切丝宽度的减小，烟丝碎丝率会相应增加，并最终影响卷接质量和烟气释放；朱成文等5-6研究表明，在调控烟丝长度后，烟丝的特征尺寸、烟丝结构会均匀地改变，这对卷烟烟丝结构、物理指标、主流烟气化学成分均有改善；烟丝特征尺寸越大，其破碎度越低，但特征尺寸过大也会对卷烟品质造成不利影响。因此，需要控制烟丝的特征尺寸在适宜的范围，提升中、短丝率以及烟丝均匀性可提高卷烟主要物理指标的稳定性7-10。此外，温度和水分是制丝过程的主要控制条件11，上述条件需要与工序的加工特点相匹配才可实现最佳的加工效果。在烟丝加工过程中，滚筒加工的筒壁温度12、抄板角度13、滚筒转速14、热加工强度15等工艺参数对烟丝结构的影响较大，此外还有流态化输送和机械输送等过程16-17。因此，烟丝破碎未必一定是造碎，还需根据烟丝的耐加工特性，结合适宜的加工工艺实现对烟丝结构的调控。在已有的研究中，大多是针对单一工序进行优化和改进，并未对烟丝破碎度和特征尺寸等与烟丝结构和破碎程度等有较大关系的因素进行深入研究。基于此，本研究通过对比烟丝加工关键环节的主要工艺参数对烟丝结构的影响，明确输送过程对于烟丝破碎的影响规律，并对滚筒、流态化和机械输送等加工过程中的关键参数进行优化，以期为优化烟丝结构和烟丝加工环节的降本增效提供参考依据。1 材料与方法1.1 试验材料与仪器设备试验材料为2019年四川攀枝花C3F片烟。仪器设备包括：ZD-T25型烟丝筛分仪（由德国Haver&Boecker公司生产）、PL203电子天平（感量0.001g，由瑞士MettleToledo公司生产）、恒温恒湿箱（PR-3K型，由日本ESPEC公司生产）、电子天平（AB204-S型，由瑞士METTLER-TOLETO公司生产）、烘箱（DHG-9623型，由上海精宏实验设备有限公司生产）、红外线测温仪（MX2型，由美国雷泰公司生产）。1.2 试验设计将片烟用切丝机制成1.00mm宽度的烟丝，将烟丝样品置于温度（221）、相对湿度（603）%的条件下平衡48h备用。以1.00mm宽度的烟丝为试验材料，在中试车间开展滚筒加工、叶丝风选和机械输送等环节的关键参数对烟丝破碎规律的影响研究，详细参数设计见表1。在加工前和加工后各选取1kg烟丝，重复3次，用ZD-T25型烟丝筛分仪测试烟丝结构，筛网孔径分别为7.10、4.50、3.35、2.00、1.25、1.00mm。参照 卷制过程烟丝破碎度的测定（YC/T3512010）中的方法分析烟丝结构的分布情况，计算烟丝的特征尺寸和破碎度。表1 加工过程的参数设计加工过程指标参数设计滚筒加工筒壁温度/110、117、125、132、140热风温度/90、100、110、120、130滚筒倾角/()1、2、3、4、5滚筒转速/(r/min)6、8、10、12、14流态化加工风选风机频率/Hz30、32、34、36、38风送风速/(m/s)16、18、20、22、24机械输送加工水平振筛频率/Hz44、46、48、50、52皮带提升喂料机速度/Hz32、34、36、38、40贮丝柜出柜底带速度/Hz42、44、46、48、50贮丝柜物料高度/cm60、80、100、120、1401.3 数据分析应用MicrosoftExcel2016软件进行数据分析和制图，使用SPSS23.0软件进行方差分析。2 结果与分析2.1 滚筒参数对烟丝结构的影响2.1.1 筒壁温度对烟丝结构的影响 由图1、图2江 西 农 业 学 报35 卷136可知，随着筒壁温度的升高，7.10mm的烟丝质量分数不断降低，3.354.50mm烟丝的质量分数先升高后下降，4.507.10mm烟丝的质量分数先升高后降低再升高，1.252.00和2.003.35mm的烟丝质量分数升高明显，1.001.25和1.00mm的烟丝质量分数略有升高。筒壁温度升高会导致烟丝破碎度增加以及特征尺寸降低，特别是温度在高于117后，烟丝的特征尺寸有明显的下降趋势，破碎度有明显的上升趋势。质量分数/%烟丝尺寸A、B、C、D、E、F、G分别表示烟丝尺寸7.10、4.507.10、3.354.50、2.003.35、1.252.00、1.001.25、1.00mm。下同。图1 筒壁温度对烟丝结构的影响筒壁温度/图2 筒壁温度对烟丝特征尺寸和破碎度的影响2.1.2 热风温度对烟丝结构的影响 由图3、图4可知，随着热风温度的升高，7.10、3.354.50mm的烟丝质量分数先升高后下降，4.507.10、2.003.35mm的烟丝质量分数先降低后升高，1.252.00、1.001.25和1.00mm的烟丝质量分数略有升高。随着热风温度的升高烟丝的破碎度先降低后升高，特征尺寸先升高后下降，在100条件下，烟丝的破碎度最小，特征尺寸最大；在130条件下，烟丝的特征尺寸降至最低点，破碎度达到最高点。2.1.3 滚筒倾角对烟丝结构的影响 由图5、图6可知，随着滚筒倾角的增加，7.10mm的烟丝质量分数先升高后下降，4.507.10mm的烟丝质量分数呈现出平稳趋势，2.003.35mm的烟丝质量分数先下降后升高，3.354.50、1.252.00、1.001.25和1.00mm的烟丝质量分数均不断下降。滚筒倾角在1时的特征尺寸最小，破碎度最大；滚筒倾角在3时的特征尺寸最大，破碎度最小；特征尺寸随着滚筒倾角的增大先升高后降低，破碎度则是先降低后升高。烟丝尺寸质量分数/%图3 热风温度对烟丝结构的影响热风温度/图4 热风温度对烟丝特征尺寸和破碎度的影响质量分数/%烟丝尺寸图5 滚筒倾角对烟丝结构的影响2.1.4 滚筒转速对烟丝结构的影响 由图7、图8可知，随着滚筒转速的增加，7.10、4.507.10和3.354.50mm的烟丝质量分数呈先升高后下降的趋势，2.003.35和1.252.00mm的烟丝质量分数呈先下降后升高的趋势，1.002.00、1.00mm的10 期刘欢等：加工工艺参数对烟丝加工过程中破碎规律的影响137烟丝质量分数略有下降；随着滚筒转速的提高烟丝特征尺寸呈现出先下降后上升的趋势，破碎度则呈现下降趋势；滚筒转速在6r/min时烟丝的特征尺寸最小，破碎度最高。滚筒倾角/（）图6 滚筒倾角对烟丝特征尺寸和破碎度的影响质量分数/%烟丝尺寸图7 滚筒转速对烟丝结构的影响滚筒转速/（r/min）图8 滚筒转速对烟丝特征尺寸和破碎度的影响2.2 流态化加工对烟丝结构的影响2.2.1 风选频率对烟丝结构的影响 由图9、图10可知，风选过程整体对烟丝的破碎影响较小，随着风机频率的升高，7.10mm的烟丝质量分数不断降低，4.507.10、3.354.50mm的烟丝质量分数略有降低，变化幅度较小，2.003.35mm的烟丝质量分数呈上升趋势，1.252.00、1.001.25和1.00mm的烟丝质量分数略有升高。随着风机频率的升高，烟丝破碎度缓慢升高，烟丝特征尺寸缓慢下降，变化幅度较小；风机频率在30Hz时特征尺寸最大，破碎度最低；风机频率在38Hz时的烟草特征尺寸最小，破碎度最高。质量分数/%烟丝尺寸图9 风机频率对烟丝结构的影响图10 风机频率对烟丝特征尺寸和破碎度的影响2.2.2 风送风速对烟丝结构的影响 由图11、图12可知，风送过程整体对烟丝的破碎影响也较小，随着风速的升高，7.10mm的烟丝质量分数呈现出先升高后降低的趋势，在20m/s时最低；4.507.10、3.354.50mm的烟丝质量分数也略有降低，但变化幅度较小；2.003.35mm的烟丝质量分数增加；1.252.00、1.001.25和1.00mm的烟丝质量分数略有升高，变化幅度较小。随着风速的升高，烟丝破碎度缓慢升高而后下降，烟丝特征尺寸缓慢下降后上升；当风速在20m/s时烟丝的特征尺寸最小，破碎度最大。2.3 机械输送过程对烟丝结构的影响2.3.1 皮带提升速度对烟丝结构的影响 由图13、图14可知，随着皮带提升速度的增加，7.10mm的烟丝质量分数显著升高，4.507.10、3.354.50mm的烟丝质量分数呈先降低后升高的趋势，但变化幅度不大，2.003.35mm的烟丝质量分数趋势平稳，1.252.00、1.001.25和1.00mm的烟丝质量分数均呈现出先升高后下降的趋势。随着皮带提升速度的增加，烟丝的特征尺寸不断增江 西 农 业 学 报35 卷138大，破碎度下降；当提升速度在36Hz时的烟丝破碎度显著下降，但烟丝破碎度的整体变化不大。质量分数/%图11 风送风速对烟丝结构的影响图12 风送风速对烟丝特征尺寸和破碎度的影响质量分数/%图13 提升速度对烟丝结构的影响图14 提升速度对烟丝特征尺寸和破碎度的影响2.3.2 振筛频率对烟丝结构的影响 由图15、图16可知，随着振筛频率的升高，7.10mm的烟丝质量分数先升高后下降，变化幅度较大，4.507.10、3.354.50、2.003.35和1.252.00mm的烟丝质量分数则先下降后升高，1.001.25和1.00mm的烟丝质量分数先升高后下降。随着振筛频率的升高，烟丝的破碎度先降低后升高，特征尺寸先升高后下降，变化幅度较大，振筛频率在50Hz时，烟丝特征尺寸最大，破碎度最低；当振筛频率在44Hz时，烟丝特征尺寸最小，破碎度最大。质量分数/%图15 振筛频率对烟丝结构的影响图16 振筛频率对烟丝特征尺寸和破碎度的影响2.3.3 物料高度对烟丝结构的影响 由图17、图18可知，随着贮丝柜物料高度的升高，7.10mm的烟丝质量分数不断下降，4.507.10和3.354.50mm的烟丝质量分数也略有下降，但幅度较小，1.252.00、1.001.25和1.00mm的烟丝质量分数不断升高，2.003.35mm的烟丝质量分数在物料高度为60120cm区间内变化幅度较小，在物料高度140cm下最大。随着贮丝柜物料高度的升高，烟丝破碎度增加，特征尺寸下降，当物料高度在60cm时，烟丝特征尺寸最大，破碎度最低，物料高度在140cm时，特征尺寸最小，破碎度最高；物料高度140cm与120cm相比，破碎度明显增加，特征尺寸明显降低。2.3.4 出柜速度对烟丝结构的影响 由图19、图10 期刘欢等：加工工艺参数对烟丝加工过程中破碎规律的影响13920可知，随着烟丝出柜速度的增加，7.10mm的烟丝质量分数显著下降，4.507.10、1.252.00、1.001.25、1.00mm的烟丝质量分数呈升高趋势且幅度较小，3.354.00mm的烟丝质量分数先降低后升高，2.003.35mm的烟丝质量分数先升高后下降。出柜速度在42Hz时的烟丝特征尺寸最大，破碎度最低；出柜速度在50Hz时的烟丝特征尺寸最小，破碎度最高；随出柜速度的增加，物料破碎度上升，特征尺寸下降，但整体变化趋势比较平缓。质量分数/%图17 贮丝柜物料高度对烟丝结构的影响图18 贮丝柜物料高度对烟丝特征尺寸和破碎度的影响质量分数/%图19 出柜速度对烟丝结构的影响3 讨论研究表明，滚筒温度和热风温度分别与烟丝的填充值和整丝率呈正相关18。本研究也表明，筒壁温度和热风温度越高，烟丝的特征尺寸越小，破碎度越高。滚筒干燥过程中，筒壁温度是决定干燥速度最主要的因素，对卷烟感官质量的影响最大，其次是热风温度19-21。结合本研究结果说明，烟丝加工过程中筒壁温度必须均匀适宜，一般在110117下烟丝的破碎度才增加得不明显。研究发现，烟丝的停留时间分布会影响干燥后烟丝物理和感官质量的均匀性22，滚筒倾角越大，烟丝的物理特性可表现为填充值与弹性越大23，转速越快，烟丝在滚筒内滞留时间越短，但转速过快时，烟丝干燥不充分，烟丝的填充性能难以提升，这是由于筒体转速增加，烟丝在滚筒内抄起落下频率加快，抄起高度增大，烟丝的填充值以及整丝率也相应发生了变化13-14。本研究也表明，滚筒倾角和转速改变时，烟丝在滚筒内停留的时间发生了变化，滚筒倾角越大，烟丝在滚筒内的滞留时间越短，倾角过大特别是当滚筒倾角为3 时，烟丝的特征尺寸最大，破碎度最小；当倾角高于3 时，烟丝的特征尺寸降低，破碎度增加。滚筒转速越快，烟丝在滚筒内的停留时间越短，烟丝的特征尺寸越大，破碎度越低。从烟丝特征尺寸和破碎度的变化来看，滚筒的热风温度和筒壁温度对烟丝破碎的影响较大，其次是滚筒的倾角和转速。图20 出柜速度对烟丝特征尺寸和破碎度的影响叶丝风选是对过进风的方向和风速进行调整，对被分离物体进行飘选和浮选，以此来提高物料的分离精度，风选过程中风速对叶丝结构具有显著影响24-25。本研究表明，风速是由风机的频率决定的，风机频率升高，烟丝的破碎度缓慢升高，烟丝特征尺寸缓慢下降，当风机频率在30Hz时，烟丝的特征尺寸最大，破碎度最低；当风机频率在38Hz时，烟丝的特征尺寸最小，破碎度最高，但风选过程对烟丝的破碎度影响较小。研究发现，整丝率、长丝率、短丝率与风送风速之间存在极显著的江 西 农 业 学 报35 卷140相关性16,26。当风送风速在1819m/s时，风送前后烟丝结构的变化显著，整丝率、长丝率下降程度最高，碎丝率上升程度最高。本研究表明，风速在20m/s时，烟丝的特征尺寸最小，破碎度最大，其次是18m/s，这与已有的研究结果一致。烟丝输送是卷烟加工过程中必不可少的环节，由于输送过程涉及多个工序，也会产生较多的造碎，从而影响烟丝的结构和填充值27。王旭锋等28研究了烘丝机物料流量对烟丝结构的影响，得出烘丝机物料流量为2400kg/h时，卷烟烟丝的整丝率和碎丝率结构较合理。本研究表明，皮带提升速度增加对烟丝尺寸和破碎度的影响较小，特别是提升电机频率在3236Hz时，烟丝的特征尺寸和破碎度差异较小。振动输送过程对烟丝破碎的影响表现为随着振动频率的升高，烟丝的破碎度先降低后升高，当振动频率在50Hz时破碎度最小，特征尺寸最大。物料高度会影响烟丝的物理质量29，其中物料高度140cm与120cm相比，破碎度明显增加，特征尺寸明显降低。贮丝柜底带的速度也会影响烟丝的整丝率，在单位时间内，底带速度越慢，烟丝被拨辊拨打的次数越多，烟丝造碎越大30。因此，当出柜速度增大时，烟丝整丝率下降，烟丝的破碎度增加，但总体变化比较平缓。综上，机械输送过程中不同的输送参数对烟丝的破碎度影响均有所不同，振动频率以及贮丝柜物料高度对烟丝破碎度影响较大，其次是提升速度和底带速度。4 结论本文以烟丝质量分数、特征尺寸和破碎度为主要考察指标，研究了制丝过程中烟丝的破碎规律。结果表明：滚筒温度和热风温度越高，烟丝破碎度越大；当滚筒倾角增大时，烟丝破碎度呈先升高后降低的趋势；滚筒转速越快，烟丝破碎度越小，这与烟丝加工强度和烟丝在滚筒内的滞留时间有关；在烟丝输送过程中，提升速度增大、振动频率提高、出柜速度增大及物料高度提高均会增加烟丝的破碎度，降低烟丝的特征尺寸；从烟丝特征尺寸和破碎度的变化来看，滚筒的热风温度和筒壁温度对烟丝破碎影响较大，其次是滚筒倾角和转速；输送和贮丝过程对烟丝破碎的影响存在差异，风选和风送过程对烟丝破碎具有一定的影响。因此，在烟丝加工过程中，需要结合加工工序的特点，在明确烟丝破碎规律的基础上，有针对性地开展烟丝加工工艺的优化。参考文献：1 国家烟草专卖局.卷烟工艺规范 M.北京:中国轻工业出版社,2016.2 王绪,李兴建,李志刚,等.浅析我国烟草机械技术的发展现状和趋势 J.轻工科技,2020,36(1):44-45.3 赵佳成,高辉,王慧,等.切丝宽度对烟丝结构及其分布稳定性的影响 J.云南农业大学学报:自然科学,2017,32(4):668-677.4 王亮,银董红,李斌,等.切丝宽度对卷烟燃烧锥温度分布及CO释放量的影响 J.烟草科技,2020,53(10):81-87.5 朱成文,郝喜良,沈晓晨,等.定长切丝技术在细支卷烟生产中的应用 J.烟草科技,2019,52(3):86-91.6 王珂清,朱成文,李炜,等.逐口分析定长切丝对细支卷烟烟气NNK释放量的影响 J.烟草科技,2021,54(5):47-53.7 王夏婷,潘文,邹泉,等.2种叶片成丝方式对细支卷烟质量的影响 J.安徽农业科学,2018,46(23):177-180,191.8 符德龙,温宇鑫,郑乐,等.基于Comsol的烟叶烘烤温度:水分响应仿真研究 J.江西农业学报,2022,34(12):1-8.9 瞿先中,张劲,蒋士盛,等.定长切丝工艺对细支卷烟质量特性的影响 J.安徽农学通报,2020,26(18):134-136.10 孙东亮,张大波,李艳,等.烟丝长度及其混料配比对细支卷烟质量特性的影响 J.烟草科技,2019,52(11):87-95.11 王瑞珍,李春光,孙觅,等.含水率和温度对烟丝破碎规律的影响 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