加熱卷煙煙氣的生成與再造煙葉所處的加熱狀態(tài)（干燥、蒸餾及熱解）密切相關(guān)。干燥（30~100 ℃）是再造煙葉加熱過程的第一個階段，由于水分的蒸發(fā)增加了煙草內(nèi)部熱質(zhì)傳遞阻力，該階段對煙支內(nèi)溫度場分布、煙氣總釋放量及一致性影響顯著。因此，開展加熱卷煙再造煙葉干燥過程的研究，是理解加熱卷煙傳熱傳質(zhì)過程及發(fā)煙機(jī)理的基礎(chǔ)，對加熱卷煙產(chǎn)品提質(zhì)系統(tǒng)化設(shè)計具有重要意義。

干燥過程中水分遷移不僅受干燥介質(zhì)性質(zhì)的影響，還與物料自身的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分有關(guān)。目前加熱卷煙再造煙葉的加工工藝有輥壓法、造紙法、干法和稠漿法等，加工工藝的不同導(dǎo)致再造煙葉物理結(jié)構(gòu)存在差異，從而影響水分在再造煙葉內(nèi)部的擴(kuò)散和遷移。此外，甘油是加熱卷煙再造煙葉常用的發(fā)煙劑，甘油的親水性可使再造煙葉的持水能力增強(qiáng)，從而影響再造煙葉的干燥動力學(xué)特性。近年來煙草干燥動力學(xué)的研究對象主要為傳統(tǒng)煙草原料（如煙葉、葉絲、梗絲、膨脹煙絲等），而對加熱卷煙再造煙葉的干燥動力學(xué)特性及影響因素的研究卻鮮有報道。

近日，煙草行業(yè)煙草工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李斌博士團(tuán)隊，以不同甘油含量的輥壓法、造紙法、干法和稠漿法再造煙葉為研究對象，通過采用熱重分析儀分析不同工藝及甘油含量對再造煙葉等溫干燥特性的影響，并建立了加熱卷煙再造煙葉等溫干燥動力學(xué)模型，以期深入了解再造煙葉干燥過程中的傳熱傳質(zhì)特性，為加熱卷煙產(chǎn)品設(shè)計提供技術(shù)支持。

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括Discovery 型熱重分析儀（美國 TA Instruments公司），圖1(a)，及SU8010 高分辨冷場發(fā)射掃描電鏡（日本 Hitachi 公司），圖1(b)。二者均為作者團(tuán)隊自有設(shè)備。

圖1??主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備(a)、熱重分析儀 (b)掃描電鏡

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各工藝再造煙葉樣品表面微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。為獲得不同甘油含量的再造煙葉樣品，采用30%、50%、70%、90%、100% 叔丁醇-乙醇溶液對再造煙葉依次進(jìn)行梯度洗脫，隨后進(jìn)行冷凍干燥，該方法能可有效防止再造煙葉的微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生收縮變形，各樣品對應(yīng)甘油含量樣品信息如表1所示。

圖2??稠漿法(a)、干法(b)、輥壓法(c)、造紙法(d)再造煙葉表面微觀結(jié)構(gòu)

表1 再造煙葉甘油含量

在考察不同工藝及甘油含量對加熱卷煙再造煙葉干燥特性的影響過程中，采用熱重分析儀考察設(shè)定范圍為50~90℃下對不同甘油含量的輥壓法、造紙法、干法和稠漿講法再造煙葉等溫干燥實(shí)驗(yàn)過程種，建立了加熱卷煙再造煙葉等溫干燥動力學(xué)分段模型。

圖3??再造煙葉干燥速率隨干基含水率變化關(guān)系示意圖

如圖3所示，以干燥速率隨干基含水率變化曲線的拐點(diǎn)（B、C）為分界點(diǎn)，將再造煙葉干燥速率隨干基含水率的關(guān)系曲線分為AB、BC 及CD 3 個階段，其中 AB 段為干燥過程中的恒速干燥階段，干燥速率（絕對值）達(dá)到最大且保持恒定。BC、CD 段為再造煙葉的第一降速干燥與第二降速干燥階段，干燥速率與含水率的變化關(guān)系線性相關(guān)。B、C 兩點(diǎn)對應(yīng)的含水率記為臨界含水率 Xcr1、Xcr2。

建立再造煙葉干燥動力學(xué)的分段模型如式(1-3)所示：

采用決定系數(shù) R2?和均方根誤差 RMSE 來評價等溫干燥模型的擬合程度，溫度、甘油含量對不同工藝再造煙葉干燥動力學(xué)影響分別如圖4、圖5所示。

圖4??再造煙葉CJ-1(a)、GF-1(b)、GY-1(c)、ZZ-1(d)的干燥速率曲線

圖5 ?70℃下不同甘油含量的稠漿法(a)、干法(b)、輥壓法(c)、造紙法(d)再造煙葉干燥速率曲線

結(jié)果表明：

①再造煙葉干燥過程中存在升速干燥、恒速干燥、第一降速干燥與第二降速干燥4個階段。

②根據(jù)再造煙葉干燥過程的特點(diǎn)建立加熱卷煙再造煙葉等溫干燥動力學(xué)分段模型，擬合效果R2均大于0.9952，RMSE在0.0028以下，可準(zhǔn)確描述加熱卷煙再造煙葉等溫干燥過程中的水分遷移規(guī)律。

③甘油含量增加可提高干燥過程的平衡含水率，隨著甘油含量的增加，干燥速率常數(shù)k?升高，k?、k?均降低。

④相同的干燥條件下，4種工藝再造煙葉的干燥速率從大到小依次為造紙法、干法、輥壓法及稠漿法。

本文所建立的再造煙葉干燥過程的等溫干燥動力學(xué)分段模型，與常見的等溫干燥模型相比，分段模型的擬合效果更好，且模型參數(shù)與溫度線性相關(guān)，能夠準(zhǔn)確描述加熱卷煙再造煙葉等溫干燥過程中的水分遷移規(guī)律；甘油含量的增加會提高干燥過程的最終平衡含水率，抑制再造煙葉干燥過程中的水分?jǐn)U散。為再造煙葉的干燥動力學(xué)特性及影響因素的研究及電加熱卷煙設(shè)計和調(diào)控提供支撐。

該論文發(fā)表在《煙草科技》2021年第9期。