梗絲加香出口水分影響因素分析及控制方法優化

張榮亞，溫若愚，文 武，劉 洋，劉民昌，胡顯成，張 艇，宋光富

（四川中煙工業有限責任公司技術中心，四川成都 610066）

梗絲是卷煙配方的重要組分之一，加工良好的梗絲具有較強的支撐作用，能夠改善卷煙燃燒性，降低煙葉原料消耗，降低煙氣焦油量[1-3]。煙草行業工作者對煙用梗絲加工工藝進行了大量的研究[4]。煙梗原料經過投料、篩分、洗浸梗、貯梗、壓梗、切梗絲、梗絲加料等前處理工序后，在烘梗絲工序去除多余水分，在風送工序去除梗簽、梗塊、濕團等雜物后將梗絲輸送至倉儲喂料工序，在梗絲加香工序均勻施加香精。此前煙草行業對梗絲的研究主要關注梗絲結構對卷煙質量的影響，制梗絲加工工藝主要研究了煙梗預處理、煙梗形變、梗絲在線膨脹和梗絲風選對梗絲質量的影響[4-8]。梗絲加香出口水分即成品梗絲水分的穩定性也是影響卷煙抽吸品質和物理化學指標的重要因素[9-10]。但是，梗絲加香機本身并沒有水分控制系統，僅靠控制烘絲后的梗絲水分來保障成品梗絲的水分。由于加香出口梗絲的水分控制主要在烘梗絲工序完成，同時在風送過程中受外界空氣溫濕度的影響而存在散失現象。一方面，由于梗絲水分散失量不穩定，烘梗絲出口的水分較難設定準確；另一方面，梗絲從烘梗絲出口運行至加香出口所需時間較長，無法實時反饋調整，對加香后梗絲水分的控制帶來困難，導致梗絲批次水分均值差異較大，具有較大的質量風險。從質量分析統計數據中看，梗絲加香出口水分部分批次已經達到臨界控制的要求，如不加強控制可能會出現不合格品，造成原料浪費。梗絲風送過程環境溫濕度會影響梗絲水分散失量，張峻松等人[11]證實了環境溫濕度會影響貯絲煙絲水分的穩定性[11-16]。但是，風送過程環境溫濕度對梗絲水分散失量的影響，以及通過監測風送過程環境溫濕度反饋控制烘絲出口水分設定值、提高梗絲加香出口水分穩定性未見文獻報道。為解決這一問題，在風送工序加裝溫濕度檢測儀，研究風送過程中梗絲水分散失量的影響因素及規律，建立回歸模型，通過提高烘梗絲出口水分設定的準確性，減少生產過程中的調整次數，提高梗絲加香出口水分的控制水平，對于提高梗絲加工控制水平具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

生產能力為2 000 kg/h 制梗絲線，四川中煙成都卷煙廠產品；COS-03 型溫濕度記錄儀，山東仁科測控技術有限公司產品；TM710 型在線水分儀，美國NDC 紅外技術公司產品。

1.2 試驗方法

1.2.1 梗絲水分控制水平評價方法

每批次煙梗投料量為2 000 kg，統計梗絲加香出口水分過程數據，數采時間間隔為30 s，計算整批次梗絲水分的平均值和標準偏差，綜合考慮梗絲水分的標準符合性與穩定性，以CPK（Complex process capability index，過程能力指數） 評價控制水平，CPK 按公式（1） 計算：

式中：T——梗絲水分設計公差，%；

M0——梗絲水分平均值，%；

δ——梗絲水分標準偏差，%。

按工藝標準要求，梗絲加香出口水分設計值為12.50%，允差為±0.50%，CPK≥1.0。

1.2.2 梗絲水分散失量計算方法

每批次生產結束，統計烘梗絲出口及梗絲加香出口水分平均值，梗絲水分散失量按公式（2） 計算：

式中：M2——梗絲水分散失量，%；

M1——烘梗絲出口水分平均值，%；

M0——梗絲加香出口水分平均值，%。

1.2.3 梗絲水分散失量回歸分析方法

在風送工序入口附近安裝溫濕度檢測記錄儀，統計每批次風送工序環境溫度、相對濕度、烘梗絲出口水分、梗絲水分散失量平均值，按公式（3） 進行回歸分析：

式中：M2——梗絲水分散失量，%；

M1——烘梗絲出口水分平均值，%；

X1——環境溫度，℃；

X2——相對濕度，%；

A，B，C，D——方程參數。

1.2.4 烘梗絲出口水分設定值計算方法

在生產開始之前，根據環境溫度、相對濕度、梗絲加香出口水分設計值，對公式（2）、（3） 進行變換，計算與之相適應的烘梗絲出口水分設定值，按公式（4） 計算：

X1——環境溫度，℃；

X2——相對濕度，%；

A，B，C，D——方程參數。

2 結果與分析

2.1 梗絲加香出口水分波動原因分析

50 批風送后梗絲水分散失情況見圖1。

圖1 50 批風送后梗絲水分散失情況

由圖1 可以看出，經過風送后，梗絲的水分整體存在散失現象，個別存在吸潮現象，不同批次之間梗絲水分散失量存在較大波動，50 個批次的梗絲水分散失量極差為1.42%。

為了分析造成梗絲加香出口水分波動的原因，以某批次梗絲生產過程數據為例，進行梗絲水分波動情況分析。

某批次梗絲生產過程水分控制情況見圖2。

由圖2 可以看出，常規的控制方法是在生產開始時根據操作人員經驗，對烘梗絲出口水分進行預設，之后根據加香出口水分實際情況調整烘梗絲參數，但由于烘梗絲出口水分難以一次性設定準確，生產過程中調整較為頻繁，而由于反饋時間較長，易出現超調或調整不到位現象，直至生產后半段，梗絲加香出口水分才逐漸達到穩定。烘梗絲出口水分設定偏大或偏小，影響梗絲加香出口水分平均值與設計值之間的偏移量，生產過程調整次數及幅度影響梗絲加香出口水分的標準偏差，造成梗絲加香出口水分波動的直接原因是烘梗絲出口水分難以設定準確，根本原因是沒有掌握風送過程梗絲水分散失量的變化規律。

圖2 某批次梗絲生產過程水分控制情況

2.2 梗絲水分散失量影響因素分析

2.2.1 環境溫度對梗絲水分散失量的影響

梗絲水分散失量與環境溫度的關系見圖3。

由圖3 可以看出，兩者呈弱相關關系，環境溫度越高，梗絲水分散失量越大，主要因為在高溫環境下，水分子擴散速率加快，梗絲中的水分更易逸散到空氣中。

2.2.2 相對濕度對梗絲水分散失量的影響

梗絲水分散失量與環境相對濕度的關系見圖4。

由圖4 可以看出，相對濕度越低，梗絲水分散失量越大，密閉空間內梗絲與空氣水分達到平衡時，對應的空氣相對濕度稱為梗絲的水分活度，在風送過程中，當環境相對濕度低于梗絲的水分活度時，梗絲發生水分散失現象，反之吸潮，二者值越大，散失或吸潮速度越快，而一般情況下環境相對濕度低于梗絲的水分活度，因此整體存在梗絲水分散失現象。

圖4 梗絲水分散失量與相對濕度的關系

2.2.3 烘梗絲出口水分對梗絲水分散失量的影響

梗絲水分散失量與烘梗絲出口水分的關系見圖5。

圖5 梗絲水分散失量與烘梗絲出口水分的關系

由圖5 可以看出，烘梗絲出口水分越高，梗絲水分散失量越大，其影響機制與相對濕度類似，梗絲水分越高，對應水分活度越大，梗絲越易發生水分散失現象。

2.2.4 風送風速對梗絲水分散失量的影響

梗絲水分散失量與風送風速的關系見圖6。

圖6 梗絲水分散失量與風選風速的關系

由圖6 可以看出，風送風速對梗絲水分散失量無顯著影響，雖然理論上空氣流速越快，會加劇梗絲與空氣之間的水分遷移，但由于風速越大，相同風送距離下梗絲與空氣的接觸時間越短。因此，在正常生產情況下，風送風速對梗絲水分散失量影響不明顯。

2.2.5 梗絲水分散失量回歸模型的建立

基于上述分析結論，在梗絲風送過程中，影響水分散失量的主要因素為環境溫度、相對濕度、烘梗絲出口水分，由于風送風速無顯著影響，回歸分析時不予考慮。

梗絲水分散失量回歸方程的方差分析見表1，梗絲水分散失量回歸方程的回歸系數見表2，梗絲水分散失量實際值與理論值見圖7。

表1 梗絲水分散失量回歸方程的方差分析

表2 梗絲水分散失量回歸方程的回歸系數

圖7 梗絲水分散失量實際值與理論值

方差分析結果表明，梗絲水分散失量回歸方程的p 值為0，說明回歸模型可以通過0.05 顯著水平的檢驗，梗絲水分散失量實際值與理論值的相關系數為R2=0.950 4，回歸模型擬合程度較好；標準回歸系數表明，各因素對梗絲水分散失量的影響大小依次為相對濕度＞烘梗絲出口水分＞環境溫度。該模型能夠根據環境溫度、相對濕度、烘梗絲出口水分等數據，較好地預測了風送過程梗絲水分散失量。

2.3 控制模型的生產應用驗證

以模型計算結果代替人工經驗，生產開始前檢測風送入口附近空氣溫度和相對濕度，將之代入方程（4），計算此環境條件下所需的烘梗絲出口水分設定值。

跟蹤驗證50 批生產數據，不同環境條件下的烘梗絲出口理論設定值與實際平均值見圖8，模型應用前后梗絲加香出口水分CPK 情況見圖9，模型應用前后梗絲加香出口水分控制水平變化情況見表3。

圖8 不同環境條件下的烘梗絲出口理論設定值與實際平均值

圖9 模型應用前后梗絲加香出口水分CPK 情況

表3 模型應用前后梗絲加香出口水分控制水平變化情況

由表3 可以看出，模型應用后，梗絲加香出口水分均值偏移量由0.18%降低至0.10%，標準偏差均值由0.21%降低至0.11%，梗絲加香出口水分CPK均值由0.70 提高至1.41，按照CPK≥1.0 的標準要求，50 個生產批的CPK 達標數由6 批次提高至47 批次，而其中3 批次CPK 未達標，主要是由于烘梗絲出口水分未按照理論值設定造成，說明該控制方法能夠達到有效梗絲加香出口水分控制水平。

3 結論

不同批次之間風送過程梗絲水分散失量差異較大，是造成梗絲加香出口水分CPK 較低的根本原因。回歸分析表明，影響梗絲水分散失量的主要因素依次為相對濕度＞烘梗絲出口水分＞環境溫度，梗絲水分散失量回歸方程的p 值為0，相關系數為R2=0.950 4，擬合程度較好，說明該模型能夠根據環境溫濕度情況較好地預測風送過程梗絲水分散失量。應用結果表明，以模型計算結果代替人工經驗進行烘梗絲出口水分的設定，有效地提高了梗絲加香出口水分的標準符合性與穩定性，梗絲水分均值偏移量由0.18%降低至0.10%，標準偏差均值由0.21%降低至0.11%，CPK均值由0.70 提高至1.41，50 生產批的CPK達標數由6 批次提高至47 批次，該控制方法對于提高梗絲加香出口水分的控制水平、提高卷煙產品質量穩定性具有重要意義。