打叶复烤烤后片烟微量喷淋加料系统的设计与应用

任建新，符再德，罗 嘉，张 晖，韩 星，张其龙

1.湖南中烟工业有限责任公司，长沙市劳动中路386号 410007 2.湖南省湘西鹤盛原烟发展有限责任公司，湖南省吉首市鸦溪村科技园社区 416000

由于原烟存在不同程度的质量缺陷，打叶复烤已成为改良烟叶质量的重要工艺手段，且国内烟草行业现已全面推行打叶复烤和片烟制丝工艺［1]。通过复烤加料改善片烟品质已有较多研究报道［2-7]，添加的料液多为加香、保润和酶制剂［2]，作业位点一般设置在二润或烤片前［5]。其中，设置在烤片前的滚筒式加料系统［7]的料液添加比例通常＞1‰，通过加料实现增香保润、提高感官质量以及改善片烟内在品质，但后续的高温工序容易对料液中的有效成分造成不利影响，且输送线路过长也会导致料液损失。烯虫酯是一种生物防虫剂，具有较好的生物活性［8]，其加料均匀性对于后续片烟仓储虫害防护影响显著。但烯虫酯性质不稳定，见光易衰减，且打叶复烤中烯虫酯的用量很少，通常采用mg/kg级微量加料方式，因此加料后的工序越少越好，并尽量将料液添加作业位点设置在烤片后。为此，设计了一套打叶复烤烤后片烟微量喷淋加料系统，并使用烯虫酯在片烟上进行mg/kg级微量加料试验，对系统性能进行验证，以期提高加料均匀性，改善片烟质量。

1 系统设计

1.1 结构组成

打叶复烤烤后片烟微量喷淋加料系统主要由装卸储料系统、电气控制系统和喷淋加料系统三大部分组成，见图1。装卸储料系统包括储料罐1、料液输送管2、液位显示器3、压力变送器4、清洗水排水管5、进料管6、气动进料泵7、支架平台20、物料桶25等；电气控制系统包括手动闸阀8、9和23，过滤器10和12，气源控制阀组11，气动控制阀13和24，物料输送管14，电控箱21等；喷淋加料系统包括料气平衡装置15（烯虫酯和压缩空气平衡装置）、计量泵16、双介质喷嘴17等。

装卸储料系统主要完成料液输入、存储和余料排放等工作。储料罐1配有慢速搅拌装置，避免出现料液混合不均匀等问题，存储的料液至少可满足一个班次的生产使用量。采用电气控制系统控制料液喷淋，储料罐1与料气平衡装置15之间通过物料输送管14连接，物料输送管14又分为两组，每组物料输送管14均安装有计量泵16。开启压缩空气后，料气平衡装置15内部产生负压，带动料液从储料罐1导出，再从双介质喷嘴17中均匀喷出。两组双介质喷嘴17各包含4个喷嘴，喷嘴的雾化颗粒粒径≤5μm，流量范围0.3～7.0 kg/h，利用料气平衡装置15可以使每个喷嘴的喷雾量与颗粒大小保持一致。

两组双介质喷嘴均采用扇形喷雾，喷雾垂直于落料抛物面，喷雾幅宽约0.8 m。由图2可见，在烤后片烟落料振槽3的前后端各设置1组喷嘴，两组喷嘴相对错位且均匀分布，下落片烟处于两组喷嘴之间。由图3可见，8个喷嘴可覆盖落料宽度约3.6 m，有效增加了料液与片烟的接触面积，喷射面积及距离可通过料气平衡装置进行调整。

1.2 作业位点

由图4可见，喷淋加料系统安装在烤片机下料口至落料振槽之间，喷淋后片烟可直接打包装箱，以减少后续高温工序和较长输送线路而造成料液损失。该区间烤后片烟的落料宽度超过3 m，下落高度达0.9 m，下落片烟形成一个较大的抛物面，有利于提高雾化后料液在片烟上的添加均匀性。

2 试验方法

2.1 材料、试剂和仪器

材料：2017年湘西龙山C3F-A烟叶（湖南省湘西鹤盛原烟发展有限责任公司提供）。

试剂：烯虫酯药液（自配），溶剂为V水∶V乙醇=1∶1，烯虫酯含量2.5%（质量分数）。

仪器：打叶复烤烤后片烟微量喷淋加料系统（自制）；7980A/5975C气质联用仪（美国安捷伦公司）。

2.2 仪器条件

色谱柱：DB-5MS弹性石英毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25μm）；进样口温度：280℃；程序升温：50℃（1 min）280℃（1 min）；进样模式：分流进样，分流比10∶1；载气：氦气（99.999%）；恒流流速：1.5 mL/min；进样量：1μL。电离模式：电子轰击（EI）；电离能量：70 eV；灯丝电流：35μA；离子源温度：230℃；四极杆温度：150℃；传输线温度：280℃；Q2碰撞气：氮气（99.999%），流量1.5 mL/min；淬灭气：氦气（99.999%），流量2.25 mL/min；扫描方式：选择离子（SIM）。

2.3 加料准确度测试

以加料相对误差绝对值的平均值来考察加料系统的准确度，测试方案见表1。模拟打叶复烤片烟流量分别为5 000、7 000和9 000 kg/h，同时设定烯虫酯加料比例分别为0.40‰、0.48‰和0.60‰，待流量稳定后，每隔15 min记录1次该时间段内通过输送带的片烟质量M和烯虫酯的实际加料量m，片烟质量M与烯虫酯加料比例c的乘积为设定加料量。不同片烟流量和加料比例下各记录5次，计算每次加料的相对误差Ei以及所有Ei绝对值的平均值E-，利用E-来评估加料系统的准确度。计算公式为：

表1 喷淋加料系统准确度测试方案Tab.1 Test scheme for accuracy of micro-spray casing system

式中：n为记录次数；mi为第i次记录时实际加料量，kg；Mi为第i次记录时片烟质量，kg；c为烯虫酯的加料比例，‰；Ei为第i次记录时加料相对误差，%；E-为n次记录的平均相对误差，%。

2.4 加料均匀性测试

根据YC/T 353—2010《卷烟加料均匀性的测定》［9]的方法测试加料均匀性，采用烯虫酯替代文献［9]中的标记物丙二醇。加料均匀系数CU（Coefficient Uniformity）的计算公式为：

式中：n为样品个数，n≥30；xi为第i个样品的烯虫酯含量，mg/kg；x-为n个样品烯虫酯含量的平均值，mg/kg。

采用湘西龙山C3F-A烟叶进行打叶复烤试验，固定片烟流量为7 000 kg/h，设置烯虫酯加料比例为0.48‰。考虑到烤片机排风系统负压对雾化后料液的影响，分别在排风风门关闭、半开和全开3种情况下进行测试，待流量稳定后（加料系统正常运行10 min），每隔5 min取1次片烟样品，样品量≥50 g，连续取样各54个。采用GC/MS方法检测片烟上的烯虫酯含量，每3个样品的检测平均值为一个数据点（即每15 min为一个数据点）。此外，根据YC/T147—2010《打叶烟叶质量检验》［10]要求，分别在系统关闭（风门半开）、系统开启（风门全开）、系统开启（风门半开）和系统开启（风门关闭）4种情况下检测成品片烟含水率，并计算其平均值和变化值。

2.5 料液有效利用率测试

采用参考文献［11]中的方法检测料液有效利用率，采用烯虫酯替代文献［11]中的标记物丙二醇。料液有效利用率Q的计算公式为：

式中：q物为物料中的烯虫酯含量，%；q料为喷淋料液中的烯虫酯含量，%；w为烯虫酯加料比例，‰。

3 结果与分析

3.1 加料系统的准确度

由表2可知，在不同片烟流量和烯虫酯加料比例下，喷淋加料系统的平均相对误差为0.54%，能够满足打叶复烤加料平均相对误差小于1%的控制精度要求。

表2 喷淋加料系统的平均相对误差Tab.2 Average relative error of micro-spray casing system

3.2 加料均匀系数

由表3可见，在排风风门关闭状态下，喷淋加料系统的加料均匀系数达95.1%；在风门半开和全开状态下，加料均匀系数有所降低，分别为88.2%和80.0%。表明系统能够满足打叶复烤加料工艺要求，确保烯虫酯在片烟上均匀覆盖。

表3 烯虫酯的加料均匀系数Tab.3 Uniformity coefficient of casing for methoprene（%）

由图5可见，排风风门开启状态对加料均匀性影响较大，风门开启越大，加料均匀性波动越大。这是由于风门开启会导致烤后片烟出料口处负压不稳定，进而对雾化后料液产生影响。若因气候等原因必须打开风门，则需要适当提高料液浓度以保证喷淋效果。

3.3 料液有效利用率

由表4可见，排风风门开启状态对料液有效利用率影响较大。在风门关闭状态下，料液有效利用率达到92.6%；当风门全开时，会导致烤片机内形成较大负压，雾化后料液可能随负压排出，造成料液有效利用率降低。因此，打叶复烤中应综合考虑气候条件和风机排湿效果，适当调整料液浓度，或通过调节料气平衡装置调整料液的雾化程度。

表4 烯虫酯的加料有效利用率Tab.4 Effective utilization rate of methoprene solution（%）

3.4 成品片烟含水率

由表5可见，与对照相比，喷淋系统开启对烤后片烟含水率基本无影响，加料后片烟含水率变化不超过0.1百分点，符合成品片烟质检要求。

表5 喷淋加料对于成品片烟含水率的影响Tab.5 Influence of micro-spray casing on moisture content in finished tobacco strips

4 结论

设计了一套烤后片烟微量喷淋加料系统，安装于烤片机下料口与落料振槽之间，并采用两组双介质喷嘴将雾化后料液定量喷射在片烟上，满足了生产中加香或生物防虫剂等微量添加的需求，避免了高温工序对料液产生影响，减少了因输送距离过长而造成料液损失等问题。采用湘西龙山C3F-A烟叶和烯虫酯药液对该系统进行测试，结果表明：①系统加料平均相对误差在1%以内，排风风门关闭时加料均匀系数达95.1%，料液有效利用率达92.6%，表明该系统具有较高的准确度、均匀性和料液利用率；②微量加料后片烟含水率变化不超过0.1百分点，对片烟含水率基本无影响，符合成品片烟质检要求。该加料系统设计灵活，可拆卸并适用于无加料时的正常生产，在打叶复烤生产线中具有推广应用价值。