可调粒径磨粉系统在稠浆法生产线上的应用

胡嘉维，郑邦健，冯 卫，崔焕亮，安志强，吴 林，蔡金雄，樊功博，傅源锋

(1 广东省金叶科技开发有限公司，广东 汕头 515100，中国；2 PT. WARLBOR INTERNATIONAL INDONESIA，哥打 巴淡岛 29467，印度尼西亚)

随着《国家烟草专卖局发布电子烟企业许可证工作指导意见》和《关于电子烟零售点布局和许可管理工作的指导意见》的发布，电子烟的生产技术研究也正式进入快车道。加热不燃烧卷烟(简称HNB)作为电子烟的一个类型受到了众多烟草研究者的关注。

加热不燃烧卷烟是将加热不燃烧烟弹插入到对应烟具中加热释放出带有烟草气息的烟雾方便消费者进行吸食的一种电子烟[1-3]。对于加热不燃烧卷烟加热产生烟雾的烟芯材料，其品质可以由下述公式进行简单的描述。

烟芯材料体积=气流通道体积+薄片丝体积

(1)

上式所述，气流通道体积描述的是薄片丝与薄片丝之间的空隙，空气能够通过这些空隙与薄片丝被加热释放出的发烟物质混合形成气溶胶最终被消费者吸食，直观体验是加热不燃烧卷烟的吸阻大小；薄片丝体积决定了烟芯材料中还有的致香物质含量与薄片丝与加热元件接触的面积，直观体验是香气量是否充足，是否在吸食过程发生香气衰减。烟芯材料体积一定，只有当气流通道体积与薄片丝体积达到一定的比例时消费者才能得到最佳的感受。

对于薄片丝体积可有以下公式进行简单计算：

薄片丝体积=薄片厚度×薄片丝宽度×薄片丝长度×丝数

(2)

而薄片丝是由薄片卷进行切丝得到的，所以可以得到以下公式：

薄片卷宽度=薄片丝宽度×丝数

(3)

将式(3)带入式(2)可以得到以下公式：

薄片丝体积=薄片厚度×薄片丝长度×薄片卷宽度

(4)

如式(4)所示，由于加热不燃烧卷烟烟芯材料结构一定因此薄片丝长度一定，在工业化生产前提下薄片卷宽度并不方便频繁的调节，因此薄片厚度成为有效调控薄片丝体积的有效方法。稠浆法薄片[4-5]被普遍认为是作为加热不燃烧卷烟烟芯的最佳材料，因此研究稠浆法薄片厚度的调控技术对未来加热不燃烧卷烟大规模生产有着积极的作用。

目前对于稠浆法薄片厚度调控技术鲜有文献报道，中国专利CN202022890885.0[6]中介绍了一种对于稠浆法薄片厚度检测设备和控制系统，是通过在稠浆法薄片成型后进行检测，再通过双辊压光机进行调控。

本文将从构成稠浆法薄片的核心材料——烟粉的生产方式进行控制，通过对烟粉的粒径分布进行调控从而实现对稠浆法薄片厚度进行调控，使其能够达到设计范围。

1 材料与方法

1.1 实验设备及材料

设备：PTWI-1G型可调粒径磨粉系统，昆明旭邦机械制造有限公司；PTWI-1S型稠浆法生产线，昆明旭邦机械制造有限公司；DSH-2型振动筛，东莞海卓机械设备有限公司；22-25-00-0002型纸张定量取样器，BTG公司；MICROMETER型厚度测试仪，L&W公司；870KF型卡尔费休水份测试仪，Metrohmr公司；UF110型鼓风干燥箱，美墨尔特公司；ML203T型分析天平，梅特勒托利多公司。

材料：烟叶(X3F)，贵州中烟责任有限公司；针叶木纤维(针叶木)，ARAUCO；阔叶木纤维(阔叶木)，SUZANO；胶粘剂(SH-101)，盈兆丰；甘油(食品级)，椰树。

1.2 实验方法

1.2.1 进料尺寸对粒径分布的影响

将精磨机喂料电机频率、刀盘驱动电机频率和分级电机频率设定为固定值，通过前一级破碎机驱动电机频率的调节来控制精磨机投入物料的粒径，检测出精磨机物料的粒径变化。

1.2.2 精磨机刀盘驱动电机频率对粒径分布的影响

将二次破碎机驱动电机频率、精磨机喂料电机频率和分级电机频率设定为固定值，通过精磨机刀盘驱动电机频率的调节来控制粒径分布变化。

1.2.3 分级电机频率对粒径分布的影响

将二次破碎机驱动电机频率、精磨机喂料电机频率和精磨机刀盘驱动电机频率设定为固定值，通过分级电机频率的调节来控制粒径分布变化。

1.2.4 不同粒径分布对稠浆法厚度的影响

将不同粒径分布的颗粒用于相同的稠浆法产品配方中进行上线实验，检验粒径分布对稠浆法产品厚度的影响。

1.2.5 粒径分布检测

检测环境为(22±2)℃，空气相对湿度45%RH±5%RH取20 g样品置于宽口器皿中，放置于鼓风干燥箱中，在105 ℃条件下干燥30 min，精确称量10 g左右样品并记录重量，将样品倒入振动筛中。振动筛从上至下依次为60目、80目、100目、120目，盖上盖板启动振动筛振动筛分10 min，精确称量60目、80目、100目、120目筛网上残余烟粉重量以及接料盒中烟粉重量，记录结果。

2 结果与讨论

整个磨粉系统工艺流程图如图1所示。

图1 磨粉系统工艺流程简图

如图1所示，所述第一级粗破碎是指将把烟、片烟等用于稠浆法产品生产的烟草原料初步破碎成1.5 cm×1.5 cm尺寸的碎片方便下一步处理；所述第二级粗破碎是指将烟草碎片尺寸进一步控制到0.3 cm×0.3 cm以下，方便下一级处理；所述第三级精磨是指利用气流筛分超级粉碎机将烟草碎片磨碎到设定粒径范围内；所述筛分、大粒径物料返料是指使用筛网将高于设定粒径范围的大尺寸颗粒筛分出通过返料设备使其回到第三级精磨再次磨碎；所述收料、储料是指将磨好的烟草粉末收集并妥善储藏方便后续使用。

通过设计实验考察磨粉系统对物料粒径的控制方式以及控制效果，再将不同粒径的烟粉用于生产考察粒径对厚度的影响情况。

2.1 进料尺寸对粒径分布的影响

由于二次粗破碎使用的垂片式破碎机和物料送料风机共用一根传动轴和一台驱动电机，降低破碎机频率就意味着降低破碎后出料速度，有出料不畅导致二级破碎机腔体被物料填满的风险，因此仅选择满频-50 Hz以及60%频率-30 Hz来调节物料粒径大小，具体处理数据如表1所示。

表1 不同频率下二级破碎出口粒径分布

由表1所示，在较低破碎频率下得到的物料其大于60目粒径的比例要远高于50 Hz制备得到的物料，同时80目以上粒径物料50 Hz占比为76.67%，30 Hz占比则达到83.33%，说明在较低频率下运行更容易得到较大粒径的物料。

将该部分物料投入精磨机进行粉碎，精磨机刀盘驱动电机频率为45 Hz，分级电机为10 Hz，分别收集存放两个物料，并对其粒径进行分析，具体结果如表2所示。

表2 不同粒径分布原料对精磨结果的影响

由表2所示，适当增大进料尺寸，在精磨机参数不变的情况下能够有效的将粒径分布向变粗方向移动，但是存在潜在堵料风险，因此建议更换更大孔径的筛板来提高粒径尺寸，而不是降低二次破碎驱动电机频率。

2.2 精磨机刀盘驱动电机频率对粒径分布的影响

精磨机驱动电机频率用来控制刀盘的转动速度，而刀盘的转动速度直接和动刀与烟粉的碰撞频率正相关，刀盘转动速度越高动刀越容易与烟粉发生碰撞对烟粉的切碎效果越好。由于设备保护原因精磨机刀盘驱动电机频率上限锁定为45 Hz，因此以45 Hz、30 Hz、25 Hz的梯度对粒径变化的影响进行考察。

调试选择用较低的分级电机频率(10 Hz)来观测精磨机驱动电机频率对烟粉粒径的影响，保证稳定的进料量(三级进料电机频率50 Hz)、稳定的载体气流量(负压风机风门全开)，二级破碎电机固定二级破碎电机频率为50 Hz，具体结果如表3所示。

表3 精磨机驱动电机频率对粒径的调控

如表3所示，单纯考察刀盘转速对粒径的影响，在刀盘转速较低的情况下(驱动电机频率≤25 Hz时)，烟粉分布较为平均，低于120目的细粉含量粉常高，而当驱动电机频率达到30 Hz时造碎明显减少，粒径主要分布范围在60～100目，进一步将驱动电机频率提升至40 Hz时，粒径主要分布范围在60～120目，其中60～80目的大颗粒占比下降，80～120目颗粒的占比上升。说明在驱动电机频率高于30 Hz以后随着电机频率上升粒径分布向细小方向偏移。

2.3 分级电机频率对粒径分布的影响

分级叶轮对粒径调控的原理为，叶轮在高速旋转的情况下，叶片于叶片之间的缝隙就会变小，气流携带烟粉通过叶轮就能起到类似缝筛筛分的效果，不能通过的烟粉会被分级叶轮反弹回到刀盘与齿圈之间进行再次破碎。同时叶片角度还能够产生一定的反向气流，使烟粉经过叶轮筛分时处于一个较为稳定的速度区间，烟粉相对叶轮的运动速度越高则分级叶轮形成的缝筛间隙越大，烟粉相对叶轮的运动速度越低则分级叶轮形成的间隙越小能通过的烟粉越细。

因此对于分级电机调控时，会保证稳定的进料量(三级进料电机频率50 Hz)、稳定的载体气流量(负压风机风门全开)、稳定的刀盘速度(精磨机驱动电机频率50 Hz)，二级破碎电机固定二级破碎电机频率为50 Hz，具体结果如表4所示。

表4 分级电机对粒径的调控

如表4所示，随着分级电机频率的上升烟粉中大粒径烟粉占比逐渐减少，小粒径细粉的占比逐渐增加，且当分级电机达到30 Hz后小于120目的组分含量迅速上升。说明分级电机频率越高所通过物料中细粉占比越高，分级电机频率越低则所通过物料中较高粒径物料的占比越高。

2.4 使用粒径调控前后生产过程对比

2.4.1 不同粒径分布对生产过程的影响

将不同粒径的烟粉配制成相同浓度的稠浆，烟粉占比69%，木浆纤维占比9%，胶粘剂占比4%，发烟剂占比18%，使用转子粘度计对稠浆粘度进行测试，其结果如表5所示。

表5 不同粒径烟粉对稠浆粘度的影响

如表5所示，在相同浓度条件下，稠浆粘度随着烟粉粒径分布逐步偏向较小尺寸而降低，说明粒径分布对稠浆流动性产生影响，且大粒径烟粉占比越高流动性越差，要使其能够正常流动满足生产则需要通过调节浓度等手段使粘度下降。同理也可以使用调节粒径的方式来优化稠浆的流动性能。

2.4.2 不同粒径分布对稠浆法厚度的影响

前述结果已知不同粒径分布对稠浆的流动性能产生影响。在生产线上使用不同粒径的烟粉配制粘度为(1 800±100)mPa·s的稠浆，烟粉占比69%，木浆纤维占比9%，胶粘剂占比4%，发烟剂占比18%。所配制稠浆对应浓度为11.4%、12.8%、15.6%，固定上浆流量为19 L/min，流浆箱出口幅宽1.35 m，纸机运行车速10 m/min，待系统稳定后取样对其定量[7]、厚度[8]进行检测，取其平均值计算松厚度，其结果如表6所示。

表6 相同流动情况下不同粒径分布对稠浆法松厚度的影响

如表6所示，在相同的流动条件下，粒径分布偏向于较高粒径尺寸的烟草粉末所制备出的稠浆法烟草薄片具有较高的厚度和松厚度，反之粒径分布偏向于较低粒径尺寸的烟草粉末所制备出的稠浆法烟草薄片的厚度和松厚度则较低。

综上，不同烟草粒径分布会对产品的厚度与松厚度产生影响。

2.5 不同厚度稠浆法薄片在加热不燃烧卷烟中的应用

2.5.1 对单箱耗丝量的影响

以目前国际市场占有率最高的菲利普·莫里斯公司产品来对加热不燃烧卷烟生产单箱耗丝量进行测算。已知菲利普·莫里斯公司HEETS品牌加热不燃烧卷烟烟芯长度为12 mm，烟芯半径为3.50 mm，气流通道占比约25%，依此指标使用表6所述产品在实验室用HEETS烟管制备实验烟支测试其单支卷烟薄片丝消耗量，并计算制备一箱(50条)加热不燃烧卷烟需要消耗的稠浆法薄片丝重量，具体结果如表7所示。

表7 不同松厚度薄片制备加热不燃烧卷烟消耗量

如表7所示，随着松厚度的逐渐降低，单支加热不燃烧卷烟烟芯制备消耗的薄片重量随之上升，制备一箱加热不燃烧卷烟的薄片消耗量也随之上升。结合表6数据可以认为，随着烟粉粒径分布向较小方向偏移，使用对应烟粉制备的稠浆法薄片在生产加热不燃烧卷烟时的消耗量随之上升。

2.5.2 对感官的影响

参考文献[9]所述云南中烟企业标准《Q/YNZY. J04.022-2015新型卷烟感官评价方法》对前述实验所制备加热不燃烧卷烟进行感官评价，具体结果如表8所示。

表8 感官评吸结果

如表8所示，1、2、3组样品总分差异不大但是各项具体评分存在差异。烟雾量、劲头方面1组样品要明显优于其他两组样品，但是在刺激性方面其对喉部产生较为明显的点刺，在香气方面1组样品香气释放随着抽吸口数的增加有较为明显的衰减现象发生，3组样品虽然无明显衰减但是其香气量略显不足，2组样品则无前两组样品缺点表现最好。

综上，相同烟草原料相同物料配比不同烟草粒径所制备出的加热不燃烧卷烟具有较大的感官差异，可以针对不同的消费者喜好选择相应的粒径分布来凸显加热不燃烧卷烟的风格特征。

3 结 论

可调粒径磨粉系统在稠浆法生产线中应用能够通过粒径的分布变化改变稠浆法薄片的物理特性，同时使用粒径较大的烟粉所制备出的稠浆法薄片能够有效降低加热不燃烧卷烟生产时的单箱耗丝量，不同粒径分布的烟粉所制备出的稠浆法薄片具有不同的感官特征，可以针对不同消费者喜好选择相应的粒径分布来凸显加热不燃烧卷烟的风格特征。