氣流干燥在煙草加工中的應(yīng)用研究

    氣流干燥是一種連續(xù)式高效固體流態(tài)化的干燥方法，在煙草、化工、醫(yī)藥、糧食加工等行業(yè)應(yīng)用普遍。深入研究氣流干燥原理及其在煙草加工中的應(yīng)用技術(shù)，對于優(yōu)化烘絲工藝參數(shù)、開發(fā)新的煙草干燥設(shè)備以及充分發(fā)揮氣流干燥加工技術(shù)的優(yōu)勢進(jìn)而提高卷煙產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。

    1、氣流干燥的原理及特點(diǎn)

    1.1干燥原理

    氣流干燥也稱瞬間干燥，是使加熱介質(zhì)(既是載熱體也是載濕體，如空氣)與待干燥的固體物料直接接觸的過程。物料懸浮于氣流中，加熱介質(zhì)以對流傳熱方式將熱量傳給物料，使物料中的部分水分汽化，從而獲得一定濕含量的固體產(chǎn)品。 在氣流干燥物料的過程中，物料顆粒在氣流中的運(yùn)動分為加速運(yùn)動階段和等速運(yùn)動階段。在加速運(yùn)動階段，顆粒受到的曳力與浮力之和大于重力，具有向上的加速度，因此顆粒與氣流的相對運(yùn)動速度是一個變量；隨顆粒運(yùn)動速度增大，曳力逐漸減小，直至3個力的矢量和為零，顆粒進(jìn)入等速運(yùn)動階段，此時氣流與顆粒間的相對速度為一常數(shù)。顆粒與氣流的相對運(yùn)動情況對顆粒與氣流之間的傳熱速率影響較大，在初始干燥階段，顆粒剛進(jìn)入干燥管時上升速度為零，與具有較高速度的熱氣流相遇，獲得向上的速度，此時兩相間的對流傳熱系數(shù)很大，物料顆粒不斷加速上升，進(jìn)入加速運(yùn)動干燥階段，固體顆粒在加速階段所獲得的熱量占整個干燥階段獲得熱量的一半以上。在干燥后期，當(dāng)固體物料的上升速度接近乃至達(dá)到氣流速度時，對流傳熱系數(shù)大大減小，干燥效率降低。在干燥流程中不斷改變氣固兩相的相對速度，增加粒子周圍邊界層處的湍流強(qiáng)度，盡可能擴(kuò)大氣固兩相的接觸面積，增加兩相的接觸時間，是提高干燥效率的有效措施。

    1.2干燥設(shè)備的特點(diǎn)

    ①氣固兩相間傳熱傳質(zhì)表面積大，干燥效率高。由于固體物料(多為顆粒)在氣流中處于高度分散狀態(tài)，使兩相間的接觸面積大大增加，在較高的氣流速度(20―40m/s)作用下，氣固兩相的相對速度較高，體積傳熱系數(shù)大，熱效率高；②干燥時間短。氣流干燥過程只需幾秒鐘，特別適合于對熱敏性和低熔點(diǎn)物料的干燥；③流動阻力較大，動力消耗大。

    目前氣流干燥設(shè)備主要有直管式、脈沖管式、旋風(fēng)式和倒錐式氣流干燥器等。直管式氣流干燥器的應(yīng)用較普遍；脈沖管式氣流干燥器的干燥效率較直管式高得多，它采用交替縮小和擴(kuò)大管徑的方法，使顆粒運(yùn)動交替加速或減速，造成空氣和顆粒的相對速度及傳熱面積較大，從而強(qiáng)化了傳熱傳質(zhì)速率。同時，氣流在大管徑內(nèi)速度下降，有利于延長物料的干燥時間。氣流干燥設(shè)備發(fā)展方向是干燥器單體多樣化、設(shè)備流程管網(wǎng)化和物料分散機(jī)械化。

    2、氣流干燥技術(shù)及設(shè)備在煙草加工中的應(yīng)用

    2.1煙草氣流干燥技術(shù)及設(shè)備的研究

    早在1959年，Anderson就提出了用熱空氣干燥煙草的方法，之后又設(shè)計(jì)出一套由干燥管和圓柱形干燥室間隔組成的脈沖管式煙絲干燥系統(tǒng)。其原理是，含水率高的煙絲被熱空氣攜帶沿干燥管上升進(jìn)入干燥室，未到達(dá)頂部即下落，如此循環(huán)往復(fù)，煙絲被熱空氣不斷干燥，直至含水率達(dá)到設(shè)定值時被輸送出于燥室。這種往復(fù)式干燥方法克服了以往滾筒式干燥設(shè)備存在的煙絲含水率不均勻問題，并且能夠連續(xù)作業(yè)。 20世紀(jì)60―70年代，研究者還設(shè)計(jì)出了多種用于煙草的氣流干燥方法及設(shè)備，但由于技術(shù)不夠完善，致使煙絲在干燥器中停留時間過長，并且容易造碎。1983年，Hibbits設(shè)計(jì)出了較為經(jīng)典的高溫氣流干燥煙絲設(shè)備，由喂料裝置、干燥管、分離器以及用于加熱工藝氣的加熱器組成，煙絲被高溫高速的過熱蒸氣輸送通過文丘里管和干燥管，在干燥管中運(yùn)行時煙絲速度始終低于氣流速度，因此傳熱傳質(zhì)速率很高，煙絲在干燥管中的停留時間不超過1s。Wu等研制的氣流輸送煙草干燥機(jī)的特點(diǎn)是煙絲被熱氣流攜帶進(jìn)入切向分離器，輸送、干燥、分離幾乎同時進(jìn)行，煙絲在直管中運(yùn)行的距離很短，有效地解決了煙絲造碎問題。 我國煙草行業(yè)使用的煙草氣流干燥設(shè)備主要是從國外引進(jìn)并消化吸收的，在使用過程中對設(shè)備進(jìn)行了一些改進(jìn)。2002年，由常州智思機(jī)械制造有限公司和合肥卷煙廠聯(lián)合研制的“SH9型葉絲在線高速膨脹系統(tǒng)”，采用管塔式結(jié)構(gòu)和脈沖式氣流輸送，使傳熱系數(shù)大大提高，在干燥過程中氣流與煙絲充分接觸，有效地減少了因含水率不均勻產(chǎn)生的煙絲結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。此外，李彪等將Dickinson―Legg公司生產(chǎn)的HXD氣流干燥系統(tǒng)的垂直干燥管改造成具有大半徑的圓弧形流道和截面呈橢圓形的臥式干燥管道，并改進(jìn)了熱風(fēng)分配比例，使干燥出口煙絲的含水率更均勻，煙絲造碎減少。 1967年，Wright用熱氣流干燥煙絲時向干空氣中添加蒸氣或噴射水，結(jié)果煙絲填充值明顯提高。此后，科研人員還采用多種方法提高煙絲氣流干燥后的填充值，以達(dá)到節(jié)約成本、降低卷煙焦油的目的。Jew-ell等采用120―340℃的高溫氣流干燥梗絲，向氣流中加入蒸氣或蒸氣與空氣的混合物，隨著空氣中水蒸氣含量的增加，煙絲填充值也顯著升高。Scrunecker等分析認(rèn)為，通過向干空氣中加入水蒸氣，能夠提高氣流的濕球溫度，避免煙絲在于燥過程中因收縮而導(dǎo)致填充值降低。Dipling將含水率為10%―60%的煙絲用380―1000℃的熱氣流進(jìn)行干燥，結(jié)果煙絲填充值比干燥前提高了30%。但發(fā)現(xiàn)，過高的干燥氣流溫度會造成煙草香味物質(zhì)的損失。Hibbits的設(shè)計(jì)是將含水率為48.5%的煙絲用350℃的過熱蒸氣進(jìn)行干燥，填充值可以達(dá)到8.3cm3/g，比烘絲前提高了63%。 1993年，W.西爾什等詳細(xì)設(shè)計(jì)了氣流干燥煙絲過程中的氣流速度、氣流溫度、物料含水率、物料溫度的上下限以及氣料比范圍。為加快初始時的干燥速度，氣流速度的設(shè)計(jì)值高達(dá)100m/s，此外提高煙絲干燥前的含水率(不超過40%)，向干燥氣體中添加水蒸氣，將干燥段下游截面積設(shè)計(jì)為上游截面積的3―5倍，這些措施都有助于加快干燥速率，提高煙絲的填充值。該技術(shù)被授權(quán)給Dickinson―Legg公司制造和銷售氣流干燥設(shè)備。Werkmeister等設(shè)計(jì)的氣流干燥設(shè)備不同于傳統(tǒng)的直管式氣流干燥器。煙絲被熱空氣攜帶通過兩個連續(xù)的弓形肘狀管，干燥后煙絲的填充值可以達(dá)到5.41cm3/g。IE泰瑟姆等設(shè)計(jì)的氣流干燥裝置與此類似。

    隨著煙絲氣流干燥設(shè)備和技術(shù)研究的深入，人們在利用氣流干燥設(shè)備改善煙絲干燥效果和物理特性的同時，也在考慮如何獲得較好的感官質(zhì)量。針對采用較高的氣流溫度干燥煙絲時香味物質(zhì)易揮發(fā)，造成香氣損失和煙味劣化問題，植松宏海等在干燥管進(jìn)料口的下游位置向高溫氣流中噴人一定量的蒸氣或水，以此來控制氣流傳遞給煙絲的熱量，使煙絲在快速膨脹的同時能夠保留原有的香氣。在煙絲氣流干燥結(jié)束時降低氣流速度，也可以達(dá)到避免因煙絲過熱而損失香氣的目的。黃嘉扔提出采用過熱蒸氣高溫干燥煙絲時，在煙絲干基含水率降至15.0%-16.5%的干燥管位置導(dǎo)人溫度較低且具有一定含濕量的循環(huán)氣流，能夠使熱氣流溫度快速降低，避免煙絲香氣過多損失，還可以減少枯焦味。

    目前國內(nèi)煙草行業(yè)使用的氣流干燥設(shè)備主要有英國Diekinson―Legg公司的HXD高溫氣流式煙絲干燥機(jī)，生產(chǎn)能力為4800―10000kg/h；德國HAUNI公司的HDT過熱蒸氣干燥機(jī)，最大生產(chǎn)能力為10000kg/h；國內(nèi)自行研制的SH9型煙絲高速膨脹干燥機(jī)和消化吸收的SH963型煙絲氣流干燥設(shè)備。HXD目前在國內(nèi)煙草企業(yè)中應(yīng)用較多，該系統(tǒng)主要由燃燒爐、熱交換器、進(jìn)料系統(tǒng)、氣流膨脹干燥管和旋風(fēng)分離器組成，工作風(fēng)溫控制范圍260―480℃，工藝氣流速度可達(dá)到60m/s左右，能夠通過排潮風(fēng)溫、模擬載荷流量、控制噴水量和蒸氣噴射量等工藝參數(shù)來控制出口煙絲的含水率，保證產(chǎn)品質(zhì)量均勻穩(wěn)定。

    2.2與滾筒式干燥方式的比較

    煙草氣流干燥設(shè)備與傳統(tǒng)的滾筒式干燥機(jī)工作原理不同，傳熱方式不同。滾筒式干燥主要以熱傳導(dǎo)方式干燥煙絲，而氣流干燥是以對流傳熱方式使煙絲中的水分蒸發(fā)，因此滾筒式干燥的時間較長，一般需要6―8min，而氣流干燥僅需幾秒鐘。 2.3氣流干燥對煙絲質(zhì)量的影響

    2.3.1對煙絲物理特性的影響

    由于氣流干燥是采用高濕膨脹和高溫高速熱風(fēng)干燥定形，可比滾筒式烘絲機(jī)的烘后煙絲填充值高15%-18%。掃描電鏡照片顯示，煙絲經(jīng)氣流干燥后細(xì)胞脹大，比表面積和孔容明顯增加。填充值的增加量受來料煙絲物理性能和工藝參數(shù)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，填充值隨著工藝氣流量(29×103―35×103kg/h)的增加呈先降低后上升的趨勢，煙絲填充值與溫度在260―330℃之間的工作風(fēng)溫呈正相關(guān)關(guān)系。席年生等[22]研究結(jié)果表明，向熱氣流中加入蒸氣，利用過熱蒸氣的高熱焓量能為煙絲提供更多的熱量，使其快速升溫膨脹，從而提高其填充值。當(dāng)煙絲初始含水率為25%時，隨著蒸氣噴射量由0增大到1800kg/h，葉絲的填充值由4.35cm3/g增加到4.56cm3/g。

    與滾筒式烘絲機(jī)相比，采用氣流干燥方式處理煙絲的另一個優(yōu)點(diǎn)是不會產(chǎn)生明顯的干頭干尾現(xiàn)象。這是由于設(shè)備在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，氣流干燥機(jī)中任一時刻的煙絲存量只相當(dāng)于滾筒式干燥機(jī)中煙絲量的2%左右，加之氣流干燥機(jī)的控制程序中設(shè)有模擬負(fù)載，能夠最大限度地減少不合格料頭和料尾的產(chǎn)生。

    目前氣流干燥技術(shù)在煙草加工中還存在一些問題，主要是由于干燥時間短，煙絲受前道工序出口物料含水率的影響較大，導(dǎo)致出口煙絲含水率的控制精度較差。尤其是當(dāng)人口煙絲含水率超過28%時，出口煙絲的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象較明顯，同等條件下與滾筒式烘絲機(jī)相比，出口煙絲的含水率波動較大。

    2.3.2對卷煙煙氣和感官質(zhì)量的影響

    采用特定的氣流干燥工藝參數(shù)處理煙絲，對降低卷煙焦油量和煙堿量有明顯效果。與滾筒式烘絲機(jī)相比，煙絲經(jīng)氣流干燥后填充值增加，由于單支卷煙的重量減輕，可使煙氣焦油量下降0.7―1.5mg/支，煙堿量下降0.08―0.15mg/支。馬宇平等對不同等級烤煙型配方煙絲經(jīng)HXD處理后的效果進(jìn)行了對比研究，發(fā)現(xiàn)將進(jìn)料含水率由22%提高至34%，工藝氣流溫度由200℃上升至290℃時，中高檔卷煙的焦油量約下降5%左右，低檔卷煙的焦油量可下降10.6%。由于氣流干燥機(jī)采用高溫強(qiáng)處理方式，對于有效去除卷煙的木質(zhì)氣和青雜氣、降低刺激性效果明顯，但一定程度上也會降低卷煙的香氣質(zhì)和香氣量，使煙氣濃度和勁頭也有所降低。從目前使用情況看，采用氣流干燥方式對低等級煙絲的感官質(zhì)量改善明顯，而對高檔煙絲的感官質(zhì)量有一定的負(fù)面影響。

    2.3.3對煙絲加工質(zhì)量的影響

    氣流干燥的主要工藝參數(shù)有煙絲初始含水率、干燥氣流溫度、干燥氣流中蒸氣的加入量等，改變每個工藝參數(shù)的設(shè)置都會對煙絲的加工質(zhì)量產(chǎn)生影響。

    煙絲初始含水率的高低對干燥處理后的填充值和感官質(zhì)量有重要影響。研究表明，當(dāng)煙絲的初始含水率較低時，采用氣流干燥方式處理后的煙絲填充值與滾筒式干燥機(jī)相比差異不大，卷煙單支重量也沒有明顯變化。但隨著初始含水率(22%―34%)的增大，氣流干燥后的煙絲填充值明顯增加；當(dāng)煙絲的初始含水率進(jìn)一步增大時，填充值增加的速率會有所減緩。對于高檔煙的配方煙絲，隨煙絲初始含水率的升高，氣流干燥后卷煙的香氣量、細(xì)膩程度和濃度會略有下降，雜氣、刺激性和干凈程度變化不大；而對于低檔煙配方煙絲，則隨煙絲初始含水率升高，卷煙香氣量略有減少，細(xì)膩程度有所降低，但雜氣、刺激性及干凈程度得到改善。干燥氣流溫度對煙絲物理特性、感官質(zhì)量和化學(xué)成分有顯著的影響。干燥氣流的溫度在一定范圍內(nèi)與干燥后煙絲的填充值呈正相關(guān)關(guān)系。有研究表明，卷煙的香氣質(zhì)和香氣量受熱風(fēng)溫度的影響較大，熱風(fēng)溫度過高會降低香氣的優(yōu)雅度和透發(fā)性。據(jù)Kim等的研究，用過熱蒸氣干燥加料回潮后的白肋煙絲，處理溫度由150℃上升到320℃，煙絲填充值也隨之上升，由6.08cm3/g增加到7.81cm3/g。并且隨著過熱蒸氣溫度的升高，煙絲中的總糖、煙堿和總氨基酸含量明顯降低，總氮及醚提取物的含量也有所減少，同時白肋煙的感官質(zhì)量也發(fā)生變化，烘烤香味增強(qiáng)，刺激性、苦味、灼熱感及沖擊強(qiáng)度降低，余味得到改善。戴翔等進(jìn)行了烤煙型卷煙配方煙絲氣流干燥處理試驗(yàn)，結(jié)果表明，氣流溫度由200℃逐漸上升到265℃，卷煙的感官質(zhì)量也逐漸下降，煙絲中的總糖、總氮和總植物堿含量隨之下降。

    采用熱氣流干燥煙絲時，將蒸氣注入熱交換器前的空氣中，可以提高傳熱系數(shù)和熱焓，有利于加快干燥速率，促使煙絲膨脹。席年生等的研究表明，熱空氣中的蒸氣施加量對卷煙內(nèi)在質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在香氣特性和口感特性方面，采用較低的蒸氣施加量對中高檔卷煙配方煙絲的內(nèi)在質(zhì)量有改善作用，而對于低檔卷煙的配方煙絲則應(yīng)采用較高的蒸氣施加量，否則會使卷煙的香氣質(zhì)、香氣量及干凈程度下降，干燥感增加。

    氣流干燥技術(shù)研究的深化體現(xiàn)在對氣流干燥各工藝技術(shù)參數(shù)間關(guān)系的研究上。周俊等通過實(shí)驗(yàn)證明，在保證出口煙絲含水率合格的前提下，其它條件保持不變，HXD的工藝氣流溫度與人口煙絲含水率和煙絲流量成正比，與加水量成反比，由此認(rèn)為實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)先設(shè)定合理穩(wěn)定的來料煙絲流量和含水率，其次設(shè)定正確的熱風(fēng)溫度和熱風(fēng)流量，通過控制噴水量和旋風(fēng)分離器的溫度來調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度和出口煙絲含水率。張大波等通過改變HXD的各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出了以進(jìn)料含水率、物料流量、工藝氣流量、噴蒸氣量為自變量，氣流初始溫度為因變量的回歸方程，利用該方程可以計(jì)算出保證HXD正常運(yùn)行的參數(shù)組合，使干燥煙絲出口含水率在短時間內(nèi)達(dá)到均勻穩(wěn)定。鄭州煙草研究院還對氣流干燥主要技術(shù)參數(shù)如物料初始含水率、物料流量、工藝氣流量、蒸氣施加量與設(shè)備運(yùn)行條件、產(chǎn)品加工質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量的變化規(guī)律進(jìn)行了較為全面的實(shí)驗(yàn)研究，揭示了HXD工作過程眾多單因素參數(shù)變化對卷煙綜合加工質(zhì)量的影響趨勢。

    3、煙草氣流干燥技術(shù)研究進(jìn)展

    3.1氣流干燥對煙絲化學(xué)成分的影響

    隨著氣流干燥技術(shù)在我國煙草加工中研究和應(yīng)用的深化，科研人員也在探求氣流干燥對煙絲化學(xué)成分的影響。2004年，于瑞國等對不同產(chǎn)區(qū)的單料煙進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氣流干燥處理后煙絲的化學(xué)成分變化程度大于滾筒干燥的煙絲。王蕾等用液相色譜法分析了氣流干燥前后煙絲中游離氨基酸的含量，結(jié)果顯示，經(jīng)氣流干燥后煙絲的氨基酸含量比干燥前大大減少，且減少的程度超過采用滾筒式烘絲機(jī)烘后的煙絲。廖旭東等的研究表明，煙絲經(jīng)過HXD氣流干燥后，煙氣水分有所降低。

    3.2煙草氣流干燥過程的數(shù)學(xué)模擬

    近年來，對物料氣流干燥過程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬和數(shù)值優(yōu)化的工作開展得越來越多。對氣流干燥過程的分析是以氣固兩相流理論為基礎(chǔ)，研究顆粒在干燥管中的運(yùn)動情況、顆粒與氣流之間的傳熱傳質(zhì)狀況是進(jìn)行過程模擬的基礎(chǔ)。根據(jù)粒子在干燥管中運(yùn)動時的受力情況列出其在加速運(yùn)動段和等速運(yùn)動段的基本方程，可以描述出粒子的運(yùn)動狀況。而對于氣流干燥過程傳熱傳質(zhì)的研究，則是根據(jù)影響對流傳熱系數(shù)的因素如流體性質(zhì)、流動狀態(tài)、顆粒性質(zhì)等計(jì)算對流傳熱傳質(zhì)系數(shù)，再根據(jù)半經(jīng)驗(yàn)半理論方程計(jì)算對流傳熱速率和傳質(zhì)狀況，通常是將等速干燥和降速干燥分別進(jìn)行討論。

    Pelegrina等利用一維模型對土豆顆粒的氣流干燥過程進(jìn)行模擬，繪制出顆粒速度、溫度和含水率沿干燥管的變化曲線。Skuratovsky等采用二維模型對直管氣流干燥過程進(jìn)行模擬，得到沿干燥管徑向(管徑的7/12―11/12處)顆粒和氣流的速度、溫度以及顆粒含水率沿干燥管的變化曲線，并且模擬出干燥過程中顆粒直徑的變化情況。從這些曲線圖中可以看出，物料沿干燥管徑向的干燥狀態(tài)并不完全相同，并且在干燥結(jié)束時這種差異達(dá)到最大。在對煙草的氣流干燥過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究方面，F(xiàn)ukuchi等將煙絲看成等體積的球體，將煙絲的形狀定義為煙絲表面積/球體表面積，煙絲尺寸用球體直徑表示。通過對煙絲運(yùn)動情況的模擬，建立了連續(xù)相(熱空氣)的質(zhì)量、動量、能量守恒方程以及分散相(煙絲)的力平衡方程，通過迭代運(yùn)算可以得到煙絲的運(yùn)動特征。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，模型預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值吻合很好。Pakowski等利用Meunier提出的一維數(shù)學(xué)模型對過熱蒸氣氣流干燥過程進(jìn)行模擬，得出煙絲和過熱蒸氣的溫度、水分及速度沿干燥管的分布曲線，并對不同工藝參數(shù)控制的干燥過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，所得煙絲出口含水率和溫度的實(shí)際測定值與模型預(yù)測結(jié)果吻合，該模型的建立對于模擬工業(yè)生產(chǎn)過程很有意義。

    4、結(jié)語

    雖然氣流干燥技術(shù)在我國煙草行業(yè)的發(fā)展越來越快，但由于應(yīng)用時間不長，有關(guān)氣流干燥過程原理及加工工藝參數(shù)對卷煙產(chǎn)品質(zhì)量的影響研究還有待繼續(xù)深入。今后，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對氣流干燥過程進(jìn)行數(shù)值模擬，深入探求物料在干燥過程中的流體運(yùn)動情況以及煙絲、氣流兩相在干燥管中沿軸向、徑向的溫度、濕度分布狀況將成為改進(jìn)氣流干燥技術(shù)和設(shè)備的重要研究方向。