多段滚筒式白肋烟烘焙设备的研发与应用

胡世龙，陈建强，赖东辉

（贵州中烟工业有限责任公司，贵州贵阳 550001）

白肋烟对混合型卷烟的品质风格特征起着决定性作用，对其加工处理的工艺也是保证混合型卷烟品质生产环节的重要因素之一。目前，混合型卷烟中白肋烟组分处理一般采用隧道式白肋烟烘焙机，并通过控制网板铺料厚度的手段来实现白肋烟的重处理与轻处理。滚筒式白肋烟烘焙设备主要有国外Hauni公司的内穿流回转干燥机和COMAS公司与菲莫公司开发的THT白肋烟烘干机等[1-2]，其设备所需的工艺热风均采用燃烧炉加热空气通过滚筒中空管道轴向送入滚筒内部的方式，其中THT白肋烟烘干机还有蒸汽加热的薄板一起对叶片进行两级热风和薄板烘焙的复合加热处理方式。国内也有卷烟厂使用COMAS公司的THT滚筒式白肋烟烘干机烘焙处理白肋烟[2-3]。

1 传统设备存在的问题

传统白肋烟烘焙设备都是将烟叶重加里料和高温烘焙，通过控制加料含水率、烘焙温度、烘焙时间、干燥终端含水率等工艺参数来控制白肋烟处理质量，忽视了烘焙干燥处理过程中烘焙气流含湿量与烘焙气流温度和终端含水率[1]等参数配套关系，因而传统烘焙设备基本没有烘焙湿度调控功能[4-6]。但是，在白肋烟的处理过程中，不同烘焙温度、空气含湿量和终端含水率对白肋烟脯氨酸-葡萄糖Amadori化合物和碱性香味成分含量变化的影响不同[4]。同时，传统设备采用流动热风对白肋烟叶片进行烘焙干燥，由于烟叶厚度和热风时效的影响，这种方法无法保证白肋烟叶片温度均匀性程度，也无法充分促进白肋烟中的还原糖类与氨基酸类加热产生的美拉德反应，仅通过流动热风加热烟叶促进释放出的水分从烟叶组织内部逐渐析出叶面的方法基本没有烘焙效应。

随着国家烟草行业提出的中式卷烟特色加工工艺要求，传统的白肋烟烘焙设备在白肋烟处理加工品质的提高、设备工艺参数的拓宽及节能降耗等方面已难以适应更高的要求。贵州中烟围绕白肋烟原料特性、加工特性与品牌特征需要对白肋烟处理新工艺进行分析，通过气流温湿度与滚筒薄板加热、薄板翻料共同作用的多段滚筒式白肋烟烟叶烘焙处理，能够为白肋烟烟叶内部的理化反应促进提供充分的反应条件，提高了白肋烟混合型卷烟品质。

2 多段滚筒式白肋烟烘焙设备研发

所设计多段滚筒式白肋烟烘焙设备由双温区烘焙三段滚筒式白肋烟烘焙干燥机、柔性均风无造碎静态冷却机、带增水的隧道式回潮机组成，滚筒白肋烟烘焙处理工艺流程图如图1所示，通过PID控制烘焙气流温湿度与滚筒薄板加热、薄板翻料共同作用的多段滚筒式白肋烟烟叶烘焙处理，实现白肋烟烘焙处理的工艺要求。

组合式滚筒白肋烟烘焙处理工艺流程见图1。

图1 组合式滚筒白肋烟烘焙处理工艺流程

2.1 基于PID的烘焙气流温湿度控制

由于烘焙气流温湿度调节过程的动态特性比较复杂，利用传统的PID控制法难以建立精确的数学模型，控制效果不佳，故采用不需要了解被控对象的确切模型，控制具有响应速度较快、鲁棒性较好的模糊PID控制法[7]。

模糊自整定PID控制器采用模糊推理思想，达到快速稳定控制系统的目的，模糊自整定PID控制器以误差e和误差变化率ec为输入，对PID调节器的参数Kp，KI，KD进行在线调整，以满足不同时刻的e和ec对PID控制器参数的不同要求，使被控对象获得良好的动静态性能。

模糊PID温度控制图见图2[8]。

模糊自整定PID控制器离散表达式如下[9]：

系统的最终控制参数输出计算公式如下：

图2 模糊PID温度控制图

式中：Kp，KI，KD——最终控制参数值；

Kp'，KI'，KD'——PID控制式的初始值；

ΔKp，ΔKI，ΔKD——模糊控制推理器的输出值。

2.2 三段滚筒式白肋烟烘焙干燥机的设计

三段滚筒式白肋烟烘焙干燥机设备工作流程见图3。

图3 三段滚筒式白肋烟烘焙干燥机设备工作流程

由图3可知，升温区采用滚筒穿流结构方式，蒸汽热交换器产生的工艺热风通过循环管道（带部分排潮）对烟叶快速控湿升温，工艺热风在带走烟叶表面水分的同时也将成团的烟叶分散，为白肋烟叶片进入烘焙区的美拉德理化反应提供有效的基础条件。烘焙一区、烘焙二区采用带滚筒穿流工艺（湿）热风和筒壁加热共同作用的结构方式，2个烘焙区蒸汽热交换器产生的工艺热风温（湿）度、筒壁温度、排潮开度、风量风速分别独立调控。双温区滚筒薄板产生烟叶物料迁移的辅助作用[1]，反复的翻炒促使烟叶与热空气的均匀加热，促进烟叶在可控的工艺环境内美拉德理化反应得以完成。烘焙区美拉德理化反应产生的不良气体及汽化水分通过筒壁上方的小孔独立风道由排潮风机快速排出而不参与后续处理，从而较好地避免了2个烘焙区烟叶烘焙处理相互干扰影响，保证了2个烘焙区烟叶处理的相对独立性。

三段滚筒式白肋烟烘焙干燥机原理结构见图4。

图4 三段滚筒式白肋烟烘焙干燥机原理结构

三段滚筒式白肋烟烘焙干燥机筒体转速设计为6～16 r/min，对应烘焙处理时间为10.0～5.5 min，烘焙工艺热风采用蒸汽热交换器产生，温度100～140℃，物料湿球温度50～65℃，这也是典型的白肋烟烘焙热风温度范围[5，10-11]，过高的温度会使白肋烟特征香气均有不同程度减弱，中部白肋烟表现出类似烤烟的香气特点[5]。

2.3 柔性均风无造碎隧道式静态冷却机

按照滚筒式白肋烟烘焙处理组合工艺方法思路，设计的柔性均风无造碎静态冷却机设备原理结构如图5所示[12-13]。进入隧道式静态冷却机的烟叶首先通过高频低幅摊料振槽将叶片摊薄，冷却机的送料网带在运送摊薄烟叶时始终让叶片保持静止状态，冷却风由叶片上方通过变频风机和均流板调节后均匀穿入叶片，其风温可在室温至50℃调节（考虑冬季冷却过于激烈而设），穿过叶片的冷却风再次由叶片下方变频风机吸走排出，从而保证了冷却品质和冷却效果。调节冷却风风速、风温和均流板的开度大小，可以实现冷却风不同强度、梯度的控制，以达到不同的工艺效果。

柔性均风无造碎静态冷却机原理结构见图5。

图5 柔性均风无造碎静态冷却机原理结构

2.4 带增水的隧道式回潮机

按照滚筒式白肋烟烘焙处理组合工艺方法思路，设计的带增水隧道式回潮机设备原理结构如图6所示。烟叶回潮采用了两点雾化加湿增温及加湿交替梯度（增温—加湿—增温—加湿—增温） 的隧道式回潮机，加湿水采用压缩空气引射，增湿能力可达16%以上，烟叶回潮均匀性好，出料温度较低，满足了卷烟工艺规范要求达到14%以上的要求。

带增水的隧道式回潮机原理结构见图6。

图6 带增水的隧道式回潮机原理结构

3 试验与结果

3.1 试验条件

应用自主研制的多段滚筒式白肋烟烘焙设备，按照表1所设定条件对白肋烟进行了加工处理。

试验条件见表1。

表1 试验条件

3.2 试验结果

通过上述试验调节条件对总糖、还原糖、总植物碱等8种主要化学成分的变化情况如图7所示。

图7 主要化学成分的变化情况

从图7中可以看出，白肋烟叶经过烘焙干燥机后，由于外加料和总糖分等物质的增加，生产过程中产生了催化反应和美拉德反应对淀粉的降解，总糖的含量呈上升趋势，还原糖的含量呈上升趋势，淀粉含量呈下降趋势，其他化学成分略有变化，但是变化不大。白肋烟叶经过冷却机和回潮机后，由于总糖物质的吸收增加，产生催化反应对淀粉的降解，总糖的含量呈下降趋势，还原糖的含量呈上升趋势，淀粉的含量呈下降趋势，其他化学成分略有变化，但是变化不大。

4 结语

通过上述试验与传统隧道式烘焙设备所加工处理白肋烟进行对比，得到结论如下：

（1）研制的多段滚筒式白肋烟烘焙设备完全可以替代传统隧道式烘焙设备加工设备。

（2）通过气流温湿度与滚筒薄板加热、薄板翻料共同作用的多段滚筒式白肋烟烟叶烘焙处理，能够为白肋烟烟叶内部的理化反应促进提供充分的反应条件，接触式增热随温度升高会导致醚提物含量变化的进程加快香气激发特性。

（3）白肋烟烘焙处理的综合效果较佳，感官品质改善明显，白肋烟特征香气细腻，杂气刺激性的去除效果好。

（4）白肋烟烘焙滚筒内各区段与白肋烟烘焙品质、加工强度密切相关的气流温度、湿度、流量、排潮大小等关键影响因素都设计成单独调控模式，这样就更有效、更好地控制了白肋烟的烘焙处理效果。设备在减少投资、占地面积、运行能耗和维修维护难度降低等方面优点比传统隧道式白肋烟烘焙机更加突出。