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气流干燥在烟草加工中的应用研究进展
发布时间：2013-07-22 08:18 来源：未知
气流干燥是一种连续式高效固体流态化的干燥方法，在烟草、化工、医药、粮食加工等行业应用普遍。深入研究气流干燥原理及其在烟草加工中的应用技术，对于优化烘丝工艺参数、开发新的烟草干燥设备以及充分发挥气流干燥加工技术的优势进而提高卷烟产品质量具有重要意义。
1、气流干燥的原理及特点
1.1干燥原理
气流干燥也称瞬间干燥，是使加热介质（既是载热体也是载湿体，如空气）与待干燥的固体物料直接接触的过程。物料悬浮于气流中，加热介质以对流传热方式将热量传给物料，使物料中的部分水分汽化，从而获得一定湿含量的固体产品。
在气流干燥物料的过程中，物料颗粒在气流中的运动分为加速运动阶段和等速运动阶段。在加速运动阶段，颗粒受到的曳力与浮力之和大于重力，具有向上的加速度，因此颗粒与气流的相对运动速度是一个变量；随颗粒运动速度增大，曳力逐渐减小，直至3个力的矢量和为零，颗粒进入等速运动阶段，此时气流与颗粒间的相对速度为一常数�？帕Ｓ肫鞯南喽栽硕榭龆钥帕Ｓ肫髦涞拇人俾视跋旖洗螅诔跏几稍锝锥�，颗粒刚进入干燥管时上升速度为零，与具有较高速度的热气流相遇，获得向上的速度，此时两相间的对流传热系数很大，物料颗粒不断加速上升，进入加速运动干燥阶段，固体颗粒在加速阶段所获得的热量占整个干燥阶段获得热量的一半以上。在干燥后期，当固体物料的上升速度接近乃至达到气流速度时，对流传热系数大大减小，干燥效率降低。在干燥流程中不断改变气固两相的相对速度，增加粒子周围边界层处的湍流强度，尽可能扩大气固两相的接触面积，增加两相的接触时间，是提高干燥效率的有效措施，富通新能源销售木屑烘干机、木屑颗�；壬镏嗜剂铣尚�、木屑烘干等机械设备。
1.2干燥设备的特点
①气固两相间传热传质表面积大，干燥效率高。由于固体物料（多为颗粒）在气流中处于高度分散状态，使两相间的接触面积大大增加，在较高的气流速度(20～40m/s)作用下，气固两相的相对速度较高，体积传热系数大，热效率高；②干燥时间短。气流干燥过程只需几秒钟，特别适合于对热敏性和低熔点物料的干燥；③流动阻力较大，动力消耗大。
目前气流干燥设备主要有直管式、脉冲管式、旋风式和倒锥式气流干燥器等。直管式气流干燥器的应用较普遍；脉冲管式气流干燥器的干燥效率较直管式高得多，它采用交替缩小和扩大管径的方法，使颗粒运动交替加速或减速，造成空气和颗粒的相对速度及传热面积较大，从而强化了传热传质速率。同时，气流在大管径内速度下降，有利于延长物料的干燥时间。气流干燥设备发展方向是干燥器单体多样化、设备流程管网化和物料分散机械化。
2、气流干燥技术及设备在烟草加工中的应用
2.1烟草气流干燥技术及设备的研究
早在1959年，Anderson就提出了用热空气干燥烟草的方法，之后又设计出一套由干燥管和圆柱形干燥室间隔组成的脉冲管式烟丝干燥系统。其原理是，含水率高的烟丝被热空气携带沿干燥管上升进入干燥室，未到达顶部即下落，如此循环往复，烟丝被热空气不断干燥，直至含水率达到设定值时被输送出于燥室。这种往复式干燥方法克服了以往滚筒式干燥设备存在的烟丝含水率不均匀问题，并且能够连续作业。20世纪60，70年代，研究者还设计出了多种用于烟草的气流干燥方法及设备，但由于技术不够完善，致使烟丝在干燥器中停留时间过长，并且容易造碎。1983年，Hibbits设计出了较为经典的高温气流干燥烟丝设备，由喂料装置、干燥管、分离器以及用于加热工艺气的加热器组成，烟丝被高温高速的过热蒸气输送通过文丘里管和干燥管，在于燥管中运行时烟丝速度始终低于气流速度，因此传热传质速率很高，烟丝在于燥管中的停留时间不超过1s。Wu等研制的气流输送烟草干燥机的特点是烟丝被热气流携带进入切向分离器，输送、干燥、分离几乎同时进行，烟丝在直管中运行的距离很短，有效地解决了烟丝造碎问题。
我国烟草行业使用的烟草气流干燥设备主要是从国外引进并消化吸收的，在使用过程中对设备进行了一些改进。2002年，由常州智思机械制造有限公司和合肥卷烟厂联合研制的“SH9型叶丝在线高速膨胀系统”，采用管塔式结构和脉冲式气流输送，使传热系数大大提高，在干燥过程中气流与烟丝充分接触，有效地减少了因含水率不均匀产生的烟丝结团现象。此外，李彪等将Dickinson - Legg公司生产的HXD气流干燥系统的垂直干燥管改造成具有大半径的圆弧形流道和截面呈椭圆形的卧式干燥管道，并改进了热风分配比例，使干燥出口烟丝的含水率更均匀，烟丝造碎减少。
1967年，Wright用热气流干燥烟丝时向干空气中添加蒸气或喷射水，结果烟丝填充值明显提高。此后，科研人员还采用多种方法提高烟丝气流干燥后的填充值，以达到节约成本、降低卷烟焦油的目的。等采用120~340℃的高温气流干燥梗丝，向气流中加入蒸气或蒸气与空气的混合物，随着空气中水蒸气含量的增加，烟丝填充值也显著升高。Scrunecker等12]分析认为，通过向干空气中加入水蒸气，能够提高气流的湿球温度，避免烟丝在干燥过程中因收缩而导致填充值降低。Dipling将含水为为10%。60%的烟丝用380~1000℃的热气流进行干燥，结果烟丝填充值比干燥前提高了30%。但发现，过高的干燥气流温度会造成烟草香味物质的损失。Hibbits的设计是将含水率为48.5%的烟丝用350℃的过热蒸气进行干燥，填充值可以达到8.3cm3/g，比烘丝前提高了63 010。
1993年，W.西尔什等详细设计了气流干燥烟丝过程中的气流速度、气流温度、物料含水率、物料温度的上下限以及气料比范围。为加快初始时的干燥速度，气流速度的设计值高达lOOm/s，此外提高烟丝干燥前的含水率（不超过40%），向干燥气体中添加水蒸气，将干燥段下游截面积设计为上游截面积的3~5倍，这些措施都有助于加快干燥速率，提高烟丝的填充值。该技术被授权给Dickinson - Legg公司制造和销售气流干燥设备。Werkmeister等设计的气流干燥设备不同于传统的直管式气流干燥器。烟丝被热空气携带通过两个连续的弓形肘状管，干燥后烟丝的填充值可以达到5 .41cm3/g。IE泰瑟姆等设计的气流干燥装置与此类似。
随着烟丝气流干燥设备和技术研究的深入，人们在利用气流干燥设备改善烟丝干燥效果和物理特性的同时，也在考虑如何获得较好的感官质量。针对采用较高的气流温度干燥烟丝时香味物质易挥发，造成香气损失和烟味劣化问题，植松宏海等在干燥管进料口的下游位置向高温气流中喷人一定量的蒸气或水，以此来控制气流传递给烟丝的热量，使烟丝在快速膨胀的同时能够保留原有的香气。在烟丝气流干燥结束时降低气流速度，也可以达到避免因烟丝过热而损失香气的目的�；萍翁岢霾捎霉日羝呶赂稍镅趟渴保谘趟扛苫式抵�15.0%~16.5%的干燥管位置导入温度较低且具有一定含湿量的循环气流，能够使热气流温度快速降低，避免烟丝香气过多损失，还可以减少枯焦味。
目前国内烟草行业使用的气流干燥设备主要有英国Dickinson - Legg公司的HXD高温气流式烟丝干燥机，生产能力为4800~ lOOOOkg/h；德国HAUNI公司的HDT过热蒸气干燥机，最大生产能力为lOOOOkg/h；国内自行研制的SH9型烟丝高速膨胀干燥机和消化吸收的SH963型烟丝气流干燥设备。HXD目前在国内烟草企业中应用较多，该系统主要由燃烧炉、热交换器、进料系统、气流膨胀干燥管和旋风分离器组成，工作风温控制范围260一480℃，工艺气流速度可达到60m/s左右，能够通过排潮风温、模拟载荷流量、控制喷水量和蒸气喷射量等工艺参数来控制出口烟丝的含水率，保证产品质量均匀稳定。
2.2与滚筒式干燥方式的比较
烟草气流干燥设备与传统的滚筒式干燥机工作原理不同，传热方式不同。滚筒式干燥主要以热传导方式干燥烟丝，而气流干燥是以对流传热方式使烟丝中的水分蒸发，因此滚筒式干燥的时间较长，一般需要6~8min，而气流干燥仅需几秒钟。
2.3气流干燥对烟丝质量的影响
2.3.1对烟丝物理特性的影响
由于气流干燥是采用高湿膨胀和高温高速热风干燥定形，可比滚筒式烘丝机的烘后烟丝填充值高15%~ 18%。扫描电镜照片显示，烟丝经气流干燥后细胞胀大，比表面积和孔容明显增加。填充值的增加量受来料烟丝物理性能和工艺参数的影响。研究发现，填充值随着工艺气流量(29×l03~ 35×l03kg/h)的增加呈先降低后上升的趋势，烟丝填充值与温度在260~ 330℃之间的工作风温呈正相关关系。席年生等研究结果表明，向热气流中加入蒸气，利用过热蒸气的高热焓量能为烟丝提供更多的热量，使其快速升温膨胀，从而提高其填充值。当烟丝初始含水率为25%时，随着蒸气喷射量由0增大到1800kg/h，叶丝的填充值由4,35cm3/g增加到4.56cm3/g。
与滚筒式烘丝机相比，采用气流干燥方式处理烟丝的另一个优点是不会产生明显的干头干尾现象。这是由于设备在正常运转时，气流干燥机中任一时刻的烟丝存量只相当于滚筒式干燥机中烟丝量的2%左右，加之气流干燥机的控制程序中设有模拟负载，能够最大限度地减少不合格料头和料尾的产生。
目前气流干燥技术在烟草加工中还存在一些问题，主要是由于干燥时间短，烟丝受前道工序出口物料含水率的影响较大，导致出口烟丝含水率的控制精度较差。尤其是当入口烟丝含水率超过28%时，出口烟丝的结团现象较明显，同等条件下与滚筒式烘丝机相比，出口烟丝的含水率波动较大。
2.3.2对卷烟烟气和感官质量的影响
采用特定的气流干燥工艺参数处理烟丝，对降低卷烟焦油量和烟碱量有明显效果。与滚筒式烘丝机相比，烟丝经气流干燥后填充值增加，由于单支卷烟的重量减轻，可使烟气焦油量下降0.7一1.5mg/支，烟碱量下降0.08～0.15mg/支。马宇平等对不同等级烤烟型配方烟丝经HXD处理后的效果进行了对比研究，发现将进料含水率由22%提高至34%，工艺气流温度由200℃上升至290℃时，中高档卷烟的焦油量约下降5%左右，低档卷烟的焦油量可下降10.6%。由于气流干燥机采用高温强处理方式，对于有效去除卷烟的木质气和青杂气、降低刺激性效果明显，但一定程度上也会降低卷烟的香气质和香气量，使烟气浓度和劲头也有所降低。从目前使用情况[22]看，采用气流干燥方式对低等级烟丝的感官质量改善明显，而对高档烟丝的感官质量有一定的负面影响。
2.3.3对烟丝加工质量的影响
气流干燥的主要工艺参数有烟丝初始含水率、干燥气流温度、干燥气流中蒸气的加入量等，改变每个工艺参数的设置都会对烟丝的加工质量产生影响。
烟丝初始含水率的高低对干燥处理后的填充值和感官质量有重要影响。研究表明，当烟丝的初始含水率较低时，采用气流干燥方式处理后的烟丝填充值与滚筒式干燥机相比差异不大，卷烟单支重量也没有明显变化。但随着初始含水率(22%~34%)的增大，气流干燥后的烟丝填充值明显增加；当烟丝的初始含水率进一步增大时，填充值增加的速率会有所减缓。对于高档烟的配方烟丝，随烟丝初始含水率的升高，气流干燥后卷烟的香气量、细腻程度和浓度会略有下降，杂气、刺激性和干净程度变化不大；而对于低档烟配方烟丝，则随烟丝初始含水率升高，卷烟香气量略有减少，细腻程度有所降低，但杂气、刺激性及干净程度得到改善。
干燥气流温度对烟丝物理特性、感官质量和化学成分有显著的影响。干燥气流的温度在一定范围内与干燥后烟丝的填充值呈正相关关系。有研究表明，卷烟的香气质和香气量受热风温度的影响较大，热风温度过高会降低香气的优雅度和透发性。据Kim等的研究，用过热蒸气干燥加料回潮后的白肋烟丝，处理温度由150℃上升到320℃，烟丝填充值也随之上升，由6.08cm3/g增加到7.81cd/g。并且随着过热蒸气温度的升高，烟丝中的总糖、烟碱和总氨基酸含量明显降低，总氮及醚提取物的含量也有所减少，同时白肋烟的感官质量也发生变化，烘烤香味增强，刺激性、苦昧、灼热感及冲击强度降低，余味得到改善。戴翔等进行了烤烟型卷烟配方烟丝气流干燥处理试验，结果表明，气流温度由200℃逐渐上升到265℃，卷烟的感官质量也逐渐下降，烟丝中的总糖、总氮和总植物碱含量随之下降。
采用热气流干燥烟丝时，将蒸气注入热交换器前的空气中，可以提高传热系数和热焓，有利于加快干燥速率，促使烟丝膨胀。席年生等的研究表明，热空气中的蒸气施加量对卷烟内在质量的影响主要表现在香气特性和口感特性方面，采用较低的蒸气施加量对中高档卷烟配方烟丝的内在质量有改善作用，而对于低档卷烟的配方烟丝则应采用较高的蒸气施加量，否则会使卷烟的香气质、香气量及干净程度下降，干燥感增加。
气流干燥技术研究的深化体现在对气流干燥各工艺技术参数间关系的研究上。周俊等通过实验证明，在保证出口烟丝含水率合格的前提下，其它条件保持不变，HXD的工艺气流温度与入口烟丝含水率和烟丝流量成正比，与加水量成反比，由此认为实际生产过程中应先设定合理稳定的来料烟丝流量和含水率，其次设定正确的热风温度和热风流量，通过控制喷水量和旋风分离器的温度来调节热风温度和出口烟丝含水率。张大波等通过改变HXD的各运行参数进行实验，对采集的数据进行统计分析，得出了以进料含水率、物料流量、工艺气流量、喷蒸气量为自变量，气流初始温度为因变量的回归方程，利用该方程可以计算出保证HXD正常运行的参数组合，使干燥烟丝出口含水率在短时间内达到均匀稳定。郑州烟草研究院还对气流干燥主要技术参数如物料初始含水率、物料流量、工艺气流量、蒸气施加量与设备运行条件、产品加工质量和内在质量的变化规律进行了较为全面的实验研究，揭示了HXD工作过程众多单因素参数变化对卷烟综合加工质量的影响趋势。
3、烟草气流干燥技术研究进展
3.1气流干燥对烟丝化学成分的影响
随着气流干燥技术在我国烟草加工中研究和应用的深化，科研人员也在探求气流干燥对烟丝化学成分的影响。2004年，于瑞国等对不同产区的单料烟进行了试验，发现气流干燥处理后烟丝的化学成分变化程度大于滚筒干燥的烟丝。王蕾等用液相色谱法分析了气流干燥前后烟丝中游离氨基酸的含量，结果显示，经气流于燥后烟丝的氨基酸含量比干燥前大大减少，且减少的程度超过采用滚筒式烘丝机烘后的烟丝。廖旭东等的研究表明，烟丝经过HXD气流干燥后，烟气水分有所降低。
3.2烟草气流干燥过程的数学模拟
近年来，对物料气流干燥过程进行数学模拟和数值优化的工作开展得越来越多。对气流干燥过程的分析是以气固两相流理论为基础，研究颗粒在于燥管中的运动情况、颗粒与气流之间的传热传质状况是进行过程模拟的基础。根据粒子在干燥管中运动时的受力情况列出其在加速运动段和等速运动段的基本方程，可以描述出粒子的运动状况。而对于气流干燥过程传热传质的研究，则是根据影响对流传热系数的因素如流体性质、流动状态、颗粒性质等计算对流传热传质系数，再根据半经验半理论方程计算对流传热速率和传质状况，通常是将等速干燥和降速干燥分别进行讨论。
Pelegrina等[33]利用一维模型对土豆颗粒的气流干燥过程进行模拟，绘制出颗粒速度、温度和含水率沿干燥管的变化曲线。Skuratovsky等采用二维模型对直管气流干燥过程进行模拟，得到沿干燥管径向（管径的7/12～11/12处）颗粒和气流的速度、温度以及颗粒含水率沿干燥管的变化曲线，并且模拟出干燥过程中颗粒直径的变化情况。从这些曲线图中可以看出，物料沿干燥管径向，的干燥状态并不完全相同，并且在于燥结束时这种差异达到最大。在对烟草的气流干燥过程进行数值模拟研究方面，Fukuchi等将烟丝看成等体积的球体，将烟丝的形状定义为烟丝表面积／球体表面积，烟丝尺寸用球体直径表示。通过对烟丝运动情况的模拟，建立了连续相（热空气）的质量、动量、能量守恒方程以及分散相（烟丝）的力平衡方程，通过迭代运算可以得到烟丝的运动特征。经实验验证，模型预测值与实验值吻合很好。Pakowski等利用Meu-nier提出的一维数学模型对过热蒸气气流干燥过程进行模拟，得出烟丝和过热蒸气的温度、水分及速度沿干燥管的分布曲线，并对不同工艺参数控制的干燥过程进行了实验，所得烟丝出口含水率和温度的实际测定值与模型预测结果吻合，该模型的建立对于模拟工业生产过程很有意义。
4、结语
虽然气流干燥技术在我国烟草行业的发展越来越快，但由于应用时间不长，有关气流干燥过程原理及加工工艺参数对卷烟产品质量的影响研究还有待继续深入。今后，运用计算机技术对气流干燥过程进行数值模拟，深入探求物料在干燥过程中的流体运动情况以及烟丝、气流两相在干燥管中沿轴向、径向的温度、湿度分布状况将成为改进气流干燥技术和设备的重要研究方向。
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