多段滾筒式白肋煙烘焙設備的研發與應用

胡世龍，陳建強，賴東輝

（貴州中煙工業有限責任公司，貴州貴陽 550001）

白肋煙對混合型卷煙的品質風格特征起著決定性作用，對其加工處理的工藝也是保證混合型卷煙品質生產環節的重要因素之一。目前，混合型卷煙中白肋煙組分處理一般采用隧道式白肋煙烘焙機，并通過控制網板鋪料厚度的手段來實現白肋煙的重處理與輕處理。滾筒式白肋煙烘焙設備主要有國外Hauni公司的內穿流回轉干燥機和COMAS公司與菲莫公司開發的THT白肋煙烘干機等[1-2]，其設備所需的工藝熱風均采用燃燒爐加熱空氣通過滾筒中空管道軸向送入滾筒內部的方式，其中THT白肋煙烘干機還有蒸汽加熱的薄板一起對葉片進行兩級熱風和薄板烘焙的復合加熱處理方式。國內也有卷煙廠使用COMAS公司的THT滾筒式白肋煙烘干機烘焙處理白肋煙[2-3]。

1 傳統設備存在的問題

傳統白肋煙烘焙設備都是將煙葉重加里料和高溫烘焙，通過控制加料含水率、烘焙溫度、烘焙時間、干燥終端含水率等工藝參數來控制白肋煙處理質量，忽視了烘焙干燥處理過程中烘焙氣流含濕量與烘焙氣流溫度和終端含水率[1]等參數配套關系，因而傳統烘焙設備基本沒有烘焙濕度調控功能[4-6]。但是，在白肋煙的處理過程中，不同烘焙溫度、空氣含濕量和終端含水率對白肋煙脯氨酸-葡萄糖Amadori化合物和堿性香味成分含量變化的影響不同[4]。同時，傳統設備采用流動熱風對白肋煙葉片進行烘焙干燥，由于煙葉厚度和熱風時效的影響，這種方法無法保證白肋煙葉片溫度均勻性程度，也無法充分促進白肋煙中的還原糖類與氨基酸類加熱產生的美拉德反應，僅通過流動熱風加熱煙葉促進釋放出的水分從煙葉組織內部逐漸析出葉面的方法基本沒有烘焙效應。

隨著國家煙草行業提出的中式卷煙特色加工工藝要求，傳統的白肋煙烘焙設備在白肋煙處理加工品質的提高、設備工藝參數的拓寬及節能降耗等方面已難以適應更高的要求。貴州中煙圍繞白肋煙原料特性、加工特性與品牌特征需要對白肋煙處理新工藝進行分析，通過氣流溫濕度與滾筒薄板加熱、薄板翻料共同作用的多段滾筒式白肋煙煙葉烘焙處理，能夠為白肋煙煙葉內部的理化反應促進提供充分的反應條件，提高了白肋煙混合型卷煙品質。

2 多段滾筒式白肋煙烘焙設備研發

所設計多段滾筒式白肋煙烘焙設備由雙溫區烘焙三段滾筒式白肋煙烘焙干燥機、柔性均風無造碎靜態冷卻機、帶增水的隧道式回潮機組成，滾筒白肋煙烘焙處理工藝流程圖如圖1所示，通過PID控制烘焙氣流溫濕度與滾筒薄板加熱、薄板翻料共同作用的多段滾筒式白肋煙煙葉烘焙處理，實現白肋煙烘焙處理的工藝要求。

組合式滾筒白肋煙烘焙處理工藝流程見圖1。

圖1 組合式滾筒白肋煙烘焙處理工藝流程

2.1 基于PID的烘焙氣流溫濕度控制

由于烘焙氣流溫濕度調節過程的動態特性比較復雜，利用傳統的PID控制法難以建立精確的數學模型，控制效果不佳，故采用不需要了解被控對象的確切模型，控制具有響應速度較快、魯棒性較好的模糊PID控制法[7]。

模糊自整定PID控制器采用模糊推理思想，達到快速穩定控制系統的目的，模糊自整定PID控制器以誤差e和誤差變化率ec為輸入，對PID調節器的參數Kp，KI，KD進行在線調整，以滿足不同時刻的e和ec對PID控制器參數的不同要求，使被控對象獲得良好的動靜態性能。

模糊PID溫度控制圖見圖2[8]。

模糊自整定PID控制器離散表達式如下[9]：

系統的最終控制參數輸出計算公式如下：

圖2 模糊PID溫度控制圖

式中：Kp，KI，KD——最終控制參數值；

Kp'，KI'，KD'——PID控制式的初始值；

ΔKp，ΔKI，ΔKD——模糊控制推理器的輸出值。

2.2 三段滾筒式白肋煙烘焙干燥機的設計

三段滾筒式白肋煙烘焙干燥機設備工作流程見圖3。

圖3 三段滾筒式白肋煙烘焙干燥機設備工作流程

由圖3可知，升溫區采用滾筒穿流結構方式，蒸汽熱交換器產生的工藝熱風通過循環管道（帶部分排潮）對煙葉快速控濕升溫，工藝熱風在帶走煙葉表面水分的同時也將成團的煙葉分散，為白肋煙葉片進入烘焙區的美拉德理化反應提供有效的基礎條件。烘焙一區、烘焙二區采用帶滾筒穿流工藝（濕）熱風和筒壁加熱共同作用的結構方式，2個烘焙區蒸汽熱交換器產生的工藝熱風溫（濕）度、筒壁溫度、排潮開度、風量風速分別獨立調控。雙溫區滾筒薄板產生煙葉物料遷移的輔助作用[1]，反復的翻炒促使煙葉與熱空氣的均勻加熱，促進煙葉在可控的工藝環境內美拉德理化反應得以完成。烘焙區美拉德理化反應產生的不良氣體及汽化水分通過筒壁上方的小孔獨立風道由排潮風機快速排出而不參與后續處理，從而較好地避免了2個烘焙區煙葉烘焙處理相互干擾影響，保證了2個烘焙區煙葉處理的相對獨立性。

三段滾筒式白肋煙烘焙干燥機原理結構見圖4。

圖4 三段滾筒式白肋煙烘焙干燥機原理結構

三段滾筒式白肋煙烘焙干燥機筒體轉速設計為6～16 r/min，對應烘焙處理時間為10.0～5.5 min，烘焙工藝熱風采用蒸汽熱交換器產生，溫度100～140℃，物料濕球溫度50～65℃，這也是典型的白肋煙烘焙熱風溫度范圍[5，10-11]，過高的溫度會使白肋煙特征香氣均有不同程度減弱，中部白肋煙表現出類似烤煙的香氣特點[5]。

2.3 柔性均風無造碎隧道式靜態冷卻機

按照滾筒式白肋煙烘焙處理組合工藝方法思路，設計的柔性均風無造碎靜態冷卻機設備原理結構如圖5所示[12-13]。進入隧道式靜態冷卻機的煙葉首先通過高頻低幅攤料振槽將葉片攤薄，冷卻機的送料網帶在運送攤薄煙葉時始終讓葉片保持靜止狀態，冷卻風由葉片上方通過變頻風機和均流板調節后均勻穿入葉片，其風溫可在室溫至50℃調節（考慮冬季冷卻過于激烈而設），穿過葉片的冷卻風再次由葉片下方變頻風機吸走排出，從而保證了冷卻品質和冷卻效果。調節冷卻風風速、風溫和均流板的開度大小，可以實現冷卻風不同強度、梯度的控制，以達到不同的工藝效果。

柔性均風無造碎靜態冷卻機原理結構見圖5。

圖5 柔性均風無造碎靜態冷卻機原理結構

2.4 帶增水的隧道式回潮機

按照滾筒式白肋煙烘焙處理組合工藝方法思路，設計的帶增水隧道式回潮機設備原理結構如圖6所示。煙葉回潮采用了兩點霧化加濕增溫及加濕交替梯度（增溫—加濕—增溫—加濕—增溫） 的隧道式回潮機，加濕水采用壓縮空氣引射，增濕能力可達16%以上，煙葉回潮均勻性好，出料溫度較低，滿足了卷煙工藝規范要求達到14%以上的要求。

帶增水的隧道式回潮機原理結構見圖6。

圖6 帶增水的隧道式回潮機原理結構

3 試驗與結果

3.1 試驗條件

應用自主研制的多段滾筒式白肋煙烘焙設備，按照表1所設定條件對白肋煙進行了加工處理。

試驗條件見表1。

表1 試驗條件

3.2 試驗結果

通過上述試驗調節條件對總糖、還原糖、總植物堿等8種主要化學成分的變化情況如圖7所示。

圖7 主要化學成分的變化情況

從圖7中可以看出，白肋煙葉經過烘焙干燥機后，由于外加料和總糖分等物質的增加，生產過程中產生了催化反應和美拉德反應對淀粉的降解，總糖的含量呈上升趨勢，還原糖的含量呈上升趨勢，淀粉含量呈下降趨勢，其他化學成分略有變化，但是變化不大。白肋煙葉經過冷卻機和回潮機后，由于總糖物質的吸收增加，產生催化反應對淀粉的降解，總糖的含量呈下降趨勢，還原糖的含量呈上升趨勢，淀粉的含量呈下降趨勢，其他化學成分略有變化，但是變化不大。

4 結語

通過上述試驗與傳統隧道式烘焙設備所加工處理白肋煙進行對比，得到結論如下：

（1）研制的多段滾筒式白肋煙烘焙設備完全可以替代傳統隧道式烘焙設備加工設備。

（2）通過氣流溫濕度與滾筒薄板加熱、薄板翻料共同作用的多段滾筒式白肋煙煙葉烘焙處理，能夠為白肋煙煙葉內部的理化反應促進提供充分的反應條件，接觸式增熱隨溫度升高會導致醚提物含量變化的進程加快香氣激發特性。

（3）白肋煙烘焙處理的綜合效果較佳，感官品質改善明顯，白肋煙特征香氣細膩，雜氣刺激性的去除效果好。

（4）白肋煙烘焙滾筒內各區段與白肋煙烘焙品質、加工強度密切相關的氣流溫度、濕度、流量、排潮大小等關鍵影響因素都設計成單獨調控模式，這樣就更有效、更好地控制了白肋煙的烘焙處理效果。設備在減少投資、占地面積、運行能耗和維修維護難度降低等方面優點比傳統隧道式白肋煙烘焙機更加突出。