各级打叶风分单元分离片烟的尺寸分布变化规律

梁 淼 刘茂林 杨永锋 王根发 杨宗灿 张俊松 肖锦哲 卢敏瑞 刘向真

(1. 郑州轻工业学院食品与生物工程学院，河南 郑州 450002；2. 河南中烟工业有限责任公司技术中心，河南 郑州 450000；3. 福建武夷烟叶有限公司，福建 邵武 354000)

打叶去梗是打叶复烤生产的关键工序，其效果直接决定出叶率和叶片结构质量，进而影响烟叶原料的有效利用和卷烟加工质量[1-2]。为满足卷烟生产对叶片结构的新需求，基于控制大片率、提升中片率、降低叶中含梗率的理念，新版《卷烟工艺规范》对梗叶分离后的片烟结构指标有明确要求。为优化打叶去梗后的叶片结构，烟草科技工作者[3-5]开展了大量研究，结果表明打叶去梗后叶片结构质量指标既受烟叶类型、部位、等级等自身因素及来料状态影响，又与打叶风分工艺参数和设备性能密切相关。例如，李跃锋等研究表明适宜的打前烟叶含水率和温度是保证良好的打后烟片结构的关键[4]，并且二润后烟叶温度、含水率、厚度和拉力等指标需与打叶风分工艺参数匹配[6]，才能取得良好的打叶质量。

打叶去梗工序由多级打叶机和风分器交替串联组成，各级打叶风分机组参数对打后叶片质量均有影响，刘利锋等[5]研究表明框栏尺寸、各级打辊转速组合及风分效率的合理匹配能明显提高打后片烟的中片率。生产线上打后片烟是由各级风分器分离出的片烟汇总而成，因此各级风分器出口的叶片结构对汇总后叶片质量均有贡献。然而，目前关于各级风分器出口叶片尺寸分布变化特征研究缺乏，因此考察各级风分器出口片烟的尺寸分布及其变化规律有利于工艺参数及设备性能的针对性优化，可为片烟结构的精准调控提供支撑。鉴于此，本研究以福建南平地区上部烟配打模块烟叶为原料，利用片烟大小及分布测定系统，考察打叶去梗工序各级风分器出口的片烟尺寸分布变化特征，旨在为打叶复烤片烟结构精准控制提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料、设备与仪器

烟叶原料：2016年福建南平上部烟配打模块(由邵武B2F、武夷山B2F、三明B2F、光泽B3F、浦城B3F、顺昌B3F等按比例混配而成)；

打叶复烤生产线：12 000 kg/h，共五打十一分，其中第一级打叶单元包括一至六级风分器，第二级打叶单元包括三级风分器，第三级打叶单元用一级风分器，第四、五级打叶单元共用一级风分器，福建武夷烟叶有限公司；

片烟大小及分布测定系统：CA8011型，昆明船舶设备集团有限公司，郑州烟草研究院。

1.2 取样、检测方法

将原料投入打叶复烤生产线，根据作业指导书工艺参数稳定运行后开始取样。在各风分器(共11级)分离出烟叶落入汇总皮带前同时接取片烟样品，每隔30 min重复取样1次，共3次。

利用片烟大小及分布测定系统，检测各片烟样品面积，结合烟草行业对打后片烟结构(碎片率、小片率、中片率、大片率)的要求，如中片率是指介于网筛孔径12.7 mm与25.4 mm 的叶片占总量的百分数，筛孔为12.7 mm和25.4 mm 时折合面积分别为161.29，645.16 mm2，因此把所测数据的面积划分为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个区间，根据YC/T 449—2012《烟叶 片烟大小及其分布的测定 叶面积法》测定片烟尺寸分布，并计算片烟各区间面积百分比、限下叶片面积累积百分比、片烟大小均匀性系数及特征尺寸[7]。

2 结果与分析

2.1 各打叶风分口片烟区间面积比例变化

采用图像法测量11级打叶风分后烟叶样品的叶片面积，各面积区间比例结果如图1所示。从图1可见，各级打叶风分口分离出的烟片尺寸在划分的14个面积区间内的比例总体变化趋势基本一致，叶片尺寸多集中分布于161.29～1 500.00 mm2；另外，一级、二级打叶单元各风分口片烟的尺寸分布基本相同，且与三级、四/五级打叶单元风分出的叶片差异明显，第三级、四/五级打叶风分单元分离出的烟片中的小尺寸叶片比例上升，而>2 000.00 mm2的叶片比例下降。

将叶片在各面积区间的比例汇总转换为叶片结构比例，如图2所示，其中小片(6.35～12.70 mm)对应面积区间为40.32～161.29 mm2，同时根据卷烟企业对烟片的实际需求及复烤后片烟的收缩效应[8-9]，将超大片确定为尺寸>44.50 mm的叶片。从图2中可见，一级、二级打叶单元各风分口碎片/末比例较为稳定，三级、四/五级打叶单元碎片/末比例略有上升，分别为1.82%和1.64%；对于小片而言，一级打叶单元各风分口变化不明显，二级打叶单元内随着风分级数增加，小片率由3.87%下降为2.55%，而第三级、四/五级打叶单元内小片率明显升高，分别为6.31%和12.92%；第一、二级打叶单元内各风分口大中片率较为稳定，均在94%以上，三级、四/五级打叶风分大中片率逐渐降低，分别为91.83%和85.43%。

超大片烟叶成丝后填充力增加不明显，烟丝过长易结团，影响卷烟机工作效率及卷接质量，因此其比例是打叶复烤过程中需进行控制的指标[10]，从图2还可见，在第一级、二级打叶单元内，随着风分级数的增加，超大片比例呈上升趋势，这是由于同一级打叶单元内风分级数越大，通常出片量减小，导致超大片所占比例升高；随着打叶级数继续增加至第三级、四/五级，打叶风分后超大片比率急剧下降，表明绝大部分超大片片烟已在前两级打叶单元内风分出来；由于打叶机组第一级打叶出片率最高，通常为65%左右，第二级打叶出片率为22%左右[11]，而一级、二级打叶单元内超大片比率又较高，因此在进行超大片烟叶控制时应重点对这两级(尤其是第一级打叶单元)的工艺参数及设备性能进行调整优化，以针对性地降低超大片比率。

图1 各打叶风分口叶片面积区间百分比变化Figure 1 Variations of interval area percentage at different threshing and pneumatic separation unit

2.2 各打叶风分口片烟尺寸分布变化

分别以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为片烟面积区间上限，计算限下片烟累积面积百分比，结果如表1所示。利用曾静等[12]建立的片烟尺寸分布函数F(x) = 1-exp(-axb)进行数据拟合，其中，x为面积区间限，F(x)为限下累积面积百分比，b为均匀性系数，可用来判定片烟面积分布的均匀性。

片烟尺寸分布拟合结果见表2，R2≥0.999，表明各风分口片烟大小均符合片烟尺寸分布方程。由表2可知，在第一级打叶单元内，随着风分级数的增加，片烟特征尺寸逐渐增大，从一打一分到一打六分，特征尺寸增幅为18.6%，同样在第二级打叶单元内，片烟特征尺寸也随着风分级数的增加而变大；然而，随着打叶风分级数的继续增加，片烟特征尺寸明显变小，第三级、四/五级打叶风分后分别为923.87，679.86 mm2。

表1 各打叶风分口片烟面积区间限下累积面积百分比Table 1 Cumulative area ratio below area limitation for strips separated from different threshing and pneumatic separation unit %

各打叶风分口片烟特征尺寸的变化规律与图2所示片烟超大片比例变化趋势基本一致，这是由于在各风分口大中片率保持基本相同的情况下，片烟中的超大片比例决定了片烟特征尺寸。对各风分口样品的超大片比例与片烟特征尺寸(x0.5)进行线性拟合(如图3所示)，所得回归方程为x0.5=286.23+33.24m，R2=0.989，表明打叶去梗各级风分口片烟的特征尺寸与其中超大片比例存在较好的线性关系。

表2 各打叶风分口片烟特征尺寸、均匀性系数结果汇总Table 2 The results of characteristic size and uniformity coefficient for strips at different threshing and pneumatic separation unit

各打叶风分口片烟大小分布的均匀性系数介于1.01～1.27，四/五级打叶后片烟大小均匀性最差，第二级打叶单元内的第三级风分器分离出片烟尺寸分布均匀性最高。

图3 片烟特征尺寸与超大片比例的线性拟合结果Figure 3 The linear fitting between characteristic size of strips and Proportion of supersized tobacco strips

2.3 各级打叶风分汇总片烟尺寸分布变化

将同一级打叶单元内各风分口片烟样品汇总，计算各面积区间内片烟比例，并将其转换为叶片结构比例。由图4可见，各级打叶单元<2.36 mm的碎末比例稳定且均较低，说明风分器出口至叶片汇总皮带间的碎末振筛筛分正常；碎片和小片比例随着打叶级数升高有增加趋势，12.7～25.4 mm的中片比例在第一级、第二级打叶单元较稳定(21.5%左右)，随打叶级数继续升高有增加趋势；>25.4 mm 的大片比例在各级打叶单元内均占比最高，第一、二级打叶单元烟片中的大片率可达74.0%左右，第三、四/五级打叶单元内大片率逐渐降低，分别为62.5%和51.0%；尺寸>44.5 mm的超大片比例在各级打叶单元内的变化规律与大片基本保持一致。因此，第三、四/五级打叶单元产生的叶片更符合“控制大片率、提升中片率”的理念，但因其出片率较低，对汇总后整体叶片结构影响有限，而第一、二级打叶单元出片率较高，且其中的大片率(尤其是超大片比例)高，为有效进行片烟结构质量优化，应有针对性地对一级、二级打叶单元设备参数及工艺进行调整。

对同一级打叶单元内汇总片烟样品计算划定区间的限下累积面积百分比，并利用片烟尺寸分布函数对其进行数据拟合(图5)，计算各级打叶风分单元内片烟样品的特征尺寸及均匀性系数(图6)。由图6可见，片烟特征尺寸随打叶级数增加逐渐降低，从第一级至第四/五级打叶单元片烟特征尺寸从1 310.19 mm2降低为679.86 mm2，降幅可达48%；片烟均匀性系数也呈逐渐降低趋势，尤其在第三、四/五级打叶单元内降幅明显，表明从第一级打叶单元至第四/五级打叶单元，片烟整体尺寸逐渐变小，且片烟整体均匀性也降低。

3 结论

采用片烟尺寸分布测试方法，研究了各级打叶风分单元分离片烟的尺寸变化规律，结果表明：① 各级风分器分离的烟片尺寸在所划分的14个面积区间内总体变化趋势基本一致。其中第一、二级打叶单元内各风分口的大中片率较为稳定(均为94%以上)，每一级打叶单元内，超大片比率随风分级数的增加呈上升趋势，在第三、四/五级打叶单元内超大片比例迅速降低，小片率明显升高。② 各风分口片烟大小均符合片烟尺寸分布方程，在第一级、二级打叶单元内，片烟特征尺寸随风分级数增加而变大，在第三、四/五级打叶单元内片烟特征尺寸逐渐变小；基于此，获得了风分口片烟的特征尺寸与其中超大片比例间的线性方程。③ 同一级打叶单元内的各级风分片烟汇总后，特征尺寸随打叶级数增加逐渐降低，从第一级至第四/五级打叶单元降幅可达48%，且片烟尺寸均匀性也逐渐降低。

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

图5 各级打叶风分汇总片烟尺寸分布拟合结果Figure 5 Fitting results of size distribution of strips from different stages threshing unit

图6 各级打叶风分汇总片烟特征尺寸及均匀性系数Figure 6 Characteristic size and uniformity coefficient of strips separated from different stages of threshing unit