烟梗微波膨化基本规律的研究

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  摘 要: 烟梗是烟草生产的副产物,对其进行膨胀制粒作为烟卷的填充料不仅提高了装填体 积和燃烧性能,而且还能降低成本和改善卷烟品质。采用微波膨化方法研究了烟梗膨化的影 响因素和基本规律,实验表明烟梗含水率对烟梗微波膨化率有重要影响,烟梗含水率在18% ~21%之间膨化效果最佳,膨化烟梗无碳化现象;微波膨化时间也是影响烟梗膨化重要因素 , 最佳膨化时间约为70~80 s;在烟梗微波膨化过程中,温度发生明显变化,当 温度为85~95 ℃ 时,烟梗膨化显著,温度的变化可作为一个重要控制参数;加入适量膨化剂不仅提高烟梗膨 化率,而且改善了烟梗膨化质量,膨化剂对烟梗微波膨化有重要作用。微波膨化烟梗加热均 匀、快速,温度易控,设备体积小,因此微波膨化烟梗将具有一定的应用前景。
  关键词:烟梗;微波;膨化;膨化率
  中图分类号:TQ028.677 文献标识码: A 文章编号:1672-1098(2008)03-0061-04
  
  烟梗是烟草生产的副产物,它由皮部和芯部组成,含有一定木质化程度纤维[1]。 目前国内外对烟梗废料的利用主要集中在制造活性炭、制板、提取化学原料和造纸等方面。
  烟梗膨胀制粒技术是近年来在国外出现的烟草加工新技术,在烟卷中加入20%左右的梗 粒可有效提高装填体积和燃烧性能,降低木质气味和焦油,改善卷烟品质。目前该技术工艺 主要采用高温高压蒸汽(12 bar、300 ℃左右)对短梗和梗签膨胀 加工,目前膨胀梗屑技术在国外已被20余家烟草企业运用。2007年初国内也引进了一套该装 置。其它膨胀工艺还有流化 床膨胀梗丝、梗丝膨化塔等装置。但是高温高压蒸汽膨胀工艺还存在一些有待进一步改善的 问题,例如该工艺采用文丘里管,要求烟梗长度不大于30 mm,因此对我国烟梗 的应用受到一定程度限制;同时该技术为间歇生产等等。
  微波[2]是波长在1~1 000 mm之间的电磁波。当极性分子材料处于交 变电磁场中时,材 料中原有处于杂乱状态的极性分子会随外电场方向定向排列。由于外电场是一种电场方向随 时间变化的交变电磁场,故极性分子也随之以极快的速度改变方向,产生高速摆振,分子间 碰撞与摩擦,产生热能,温度上升。微波的加热特性与传统加热方法和基本原理不同,其适 用于低水分含量物料的干燥[3],微波膨化烟梗的主要优点在于:① 保持烟梗品质 微波可以保证烟梗在膨化过程中成分不变, 更好地保持烟梗的品质 、 风味和色泽, 高温高压蒸汽膨化技术虽然膨化了烟梗, 但引入了加热介质水蒸气, 部 分影 响了烟梗的原来结构和组成, 而微波独特的加热膨化方式使烟梗内外同时升温膨化,保证 产 品质量一致;② 快速均匀加热 微波照射烟梗时, 能够穿透烟梗深入到其内部, 这对烟 梗膨 化形成独特的无温度梯度均匀加热方式, 电磁能直接作用于介质分子转换成热能, 且透射 使 介质内外同时受热, 故可在短时间内达到均匀加热;③ 易于瞬时控制 微波加热的热惯性 小 ,即有微波辐射时物料加热,停止时物料得不到微波能量,加热过程即刻停止,这种状态 不 仅有利于控制最终温度,有效控制烟梗炭化,而且有利于实现自动化化和连续化生产;④ 能 量利用率效率高 不同物料对微波的吸收损耗不同,微波在金属等材料表面会出现反射,且 可以透过玻璃、陶瓷等物质。微波加热时被加热物料一般放置在用金属制成的加热室内,电 磁波被封闭在加热室的腔体,不会外泄,大部分微波被烟梗吸收,而对周围的空气、加热设 备的金属部件耗能极小,所以能量效率高;⑤ 适应各种形状烟梗 由于微波膨化能保持原 物料形状,因此对烟梗大小和形状没有要求。
  
  1 实验原理和方法
  
  1.1 基本原理
  [JP1]烟梗含有极性水分子,具有强烈吸收微波的介电特性,在微波辐射加热时,随微波频率 激烈碰撞摩擦,产生大量热,从而使水急剧挥发,并产生蒸汽压,在烟梗中从内向外急剧压 出,使原料的纤维空间在扩大的同时急剧膨化,形成无数裂缝与微隙。微波加热过程中烟梗 的温度梯度、传热和蒸汽压迁移方向均匀一致,由里向外,因此便于烟梗内部蒸汽的产生和 积累。当烟梗内部蒸汽压力超过纤维组织结构强度的承受能力时,这种压力促使烟梗膨化。
  1.2 实验材料和设备
  实验材料:烟梗、自来水、膨化剂。实验设备:微波炉(2 kW)、电热恒温鼓 风干燥箱、电子天平。
  1.3 实验方法
  (1) 采用减重法测定烟梗的湿含量(含水率):将潮湿烟梗放入干燥箱中,控制干燥箱温 度70 ℃,干燥至恒重;用减重法测试样品的含水率。(2)烟梗体积测定:采 用充填法測量 物料体积,即用细石英砂在量筒中浸没方法测试不规则固体烟梗体积。用量筒测定3次,取 平均值为测定结果。(3) 膨化率计算:体积膨化率η(倍) = 膨化后的烟梗体积(mL)/膨 化前的烟梗体积(mL) 。
  
  2 实验结果和分析
  
  2.1 烟梗含水率和膨化率的关系
  取50 g干燥后的烟梗,分别用自来水调节至16%、18%、20%、22%、24%、26%左 右不同含水 率,在相同的膨化时间和微波强度条件下,微波加热80 s,测定烟梗含水率与 膨化率关系见图1。
  


  从图1可知,当烟梗含水率低于20%时,烟梗膨化率随含水量的增加而提高。若烟梗含水 量太小,不利于水蒸气产生,产生的蒸汽压难以足够促使烟梗纤维空间扩大,膨化倍数低, 且有脱水碳化现象发生;当烟梗含水率进一步提高,随着深层挥发份物质向外层的扩散,形 成疏松的多孔性物质, 膨化倍数较高。当烟梗含水率大于20%时,烟梗膨化率随含水量增加 而降低,因为水分蒸发将消耗热量,且膨化后烟梗壳体因含水量较高没有定型,还会发生二 次收缩,需要迅速冷却才能使膨化外壳变硬。因此烟梗最佳含水率约为18%~21%。
  2.2 微波加热时间与膨化率关系
  在相同实验条件下取50 g含水率为20%的烟梗,微波膨化不同时间,测定微波加 热时间与膨化率关系见图2。
  


  由图2可知,在12~70 s时,烟梗膨化率均呈缓慢上升趋势,由于在膨化初始阶 段,烟梗吸收微波较少,温度较低,失去表面结合水的速度较慢,蒸发产生的水蒸气较少, 导致膨化率较低;在70~90 s之间烟梗膨化率迅速增大,在此阶段烟梗温度升 高,部分结合水被蒸发,烟梗内部水蒸气压力迅速增大,膨化率随时间几乎呈线性增大。在 90 s以后烟梗的膨化率虽然稍有增大,但膨化烟梗开始出现碳化现象。
  通过本实验发现,含水率约为20%的烟梗最佳膨化时间约为70~90 s,膨化率迅 速增大,此处出现突变。当微波膨化时间低于70 s时,膨化率增大速度较慢。
  2.3 温度和膨化率关系
  取若干份含水率为20%的湿烟梗50 g,微波膨化不同时间。膨化后,将热电偶迅 速插入烟 梗中,测量烟梗表面温度。待烟梗冷却后,测量并计算烟梗膨化率。烟梗膨化后温度与膨化 率关系见图3。
  


  从图3可知, 随着微波膨化时间加长, 水分子吸收微波,温度不断升高,当温度升高到85 ~95 ℃,烟梗开始膨化,吸收的微波能量用于烟梗膨胀做体积功,所以此时烟梗的 升温速率变小。当微波加热时间继续加长,烟梗完全脱水进入炭化阶段,烟梗的升温速率开 始变大。
  2.4 膨化剂浓度与膨化率关系
  复合膨化剂可以在烟梗表面形成稳定的包覆膜,同时膨化剂在微波作用下可分解产生气 体,当水分在微波场中被加热气化时,需要更大的气体压力才能克服表面膜的张力,从而使 烟梗随蒸气的膨胀而膨化更大。这样不仅使烟梗不会碳化变黑,而且烟梗在低温下高倍膨化 。在其他条件不变的情况下,分别加入6%、8%、10%、12%浓度膨化剂,恒定微波膨化时间80 s,实验测得膨化剂浓度与膨化率关系见图4。
  


  由图4可知,在同等条件下采用不同浓度膨化剂,烟梗膨化率较大,膨化效果更好。而 且膨化剂溶液浓度为10%时能得到最好的膨化结果。
  在相同微波膨化时间(80 s)内,膨化剂浓度对烟梗膨化率有一定影响;当膨 化剂浓度为6%~8%时, 烟梗膨化率增大效果不明显; 膨化剂浓度为8%~10%时,烟梗 膨化率速率增大明显;膨化剂浓度为10%~12%时,烟梗膨化率反而下降,且膨化后的烟 梗有碳化现象, 当膨化剂浓度大于12%时,烟梗极易碳化,甚至燃烧。故膨化剂的最佳浓度约为10%左右。
  
  3 结论
  
  烟梗含水率对烟梗微波膨化率有重要影响,烟梗含水率在18%~21%之间膨化效果最佳,膨化 烟梗无碳化现象;微波膨化时间也严重影响烟梗膨化重要因素,最佳膨化时间约为70~9 0 s,膨化率迅速增大;在烟梗微波膨化过程中,温度也发生明显的变化,当温 度在85~95 ℃ 范围内时,烟梗膨化最为显著,因此温度的变化可以作为控制产品质量的一个重要参数;适 量膨化剂的加入不仅可以显著提高烟梗的膨化率,而且还可以改善烟梗的膨化质量, 因此膨 化剂对烟梗微波膨化有重要作用。微波膨化烟梗加热均匀、快速,温度易控,设备体积小, 因此微波膨化烟梗将具有一定的应用前景。
  
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  (责任编辑:李 丽)
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