生物质烟梗作为烟草工业的副产品,主要用于制备膨胀梗丝、再造烟叶,掺配到卷烟中起到了良好的减害降焦效果,但由于受烟梗资源综合利用技术落后的影响,我国每年都会产生大量的废弃烟梗,造成了巨大的资源浪费和环境污染。微波膨化烟梗制备生物质梗颗粒材料的发展,为烟梗资源的综合利用开辟了新的应用方向。该技术的核心是烟梗微波膨化,但目前的固体介质预热-隧道式微波膨梗工艺存在能耗高、产能低、产品纯度低等弊端,并缺乏高效微波膨梗反应器的研制,制约了生物质梗颗粒材料的产业化发展和推广应用。因此,论文提出了介质气体预热—滚筒式微波膨梗工艺技术的开发,将滚筒式微波冶金反应器进行技术转化,围绕烟梗基础特性研究、关键设备设计开发、主要配套工序参数优化及梗颗粒材料应用评价等方面,系统开展微波法制备生物质梗颗粒材料的相关理论和关键技术研究。通过微波电场作用下烟梗原料的膨胀特性、介电特性研究,阐释了云南典型烟区烟梗微波膨胀特性差异,建立了物料含水率和温度与其介电常数、介电损耗的函数关系式,并基于介电特性、理论计算及“非相干功率组合”原则,采用时域有限差分方法(FDTD)进行电磁场的数据模拟和物理建模,设计开发了微波功率源由56套频率2450MHz、功率1.5kW水冷磁控管组成的84kW大功率滚筒式微波连续膨梗装备,解决了固体介质预热-隧道式微波膨梗工艺中存在的弊端,并成功应用于产能1200吨/年的微波法制备生物质梗颗粒产业化示范线,填补了国内大功率滚筒式微波反应器用于制备梗颗粒材料的工艺和技术空白。通过微波法制备生物质梗颗粒材料关键工序的参数优化,构建了多项式回归方程对微波膨化烟梗、干燥梗颗粒材料的工艺过程进行分析和预测,阐释了影响微波膨胀烟梗和干燥梗颗粒材料的主要因素及变化规律,并确定了 84kW大功率微波膨梗较佳的工艺条件为蒸汽压力0.8MPa、微波功率56kW、滚筒转动频率28Hz左右,膨胀烟梗适宜的自然陈化时间为7d～14d,微波干燥梗颗粒材料的较佳工艺条件为微波功率35kW、物料含水率30%、物料厚度30mm、干燥时间150s左右,优化后梗颗粒材料的填充性能和得率分别可达7.58cm3/g、61.82%。经连续流动分析仪、SEM、GC-MS和氮气吸附分析表明,微波膨胀烟梗的总糖和还原糖含量显著降低,梗颗粒为介孔材料,干燥后平均孔径由4.5426nm增大到6.2246nm,挥发性香味物质成分总量由94.15μg/g增到109.80μg/g,说明了微波法制备生物质梗颗粒材料有利于提高产品品质和填充性能。通过梗颗粒材料的热解特性及其对卷烟燃烧温度和减害降焦的影响研究,结果表明,梗颗粒材料热解失重过程与卷烟配方烟丝、再造烟叶相似,热裂解的产物种类和含量(包括一些苯系化合物、稠环芳烃类化合物)随热裂解温度的升高而增多;在试验范围内,随梗颗粒材料搀兑比例的增加,卷烟样品的燃烧温度和主流烟气中的焦油、烟碱、总粒相物、一氧化碳、氰化氢、亚硝胺、氨、苯并[a]芘、苯酚、巴豆醛、铬、镉、镍、铅等有害成分的释放量及危害性指数丹均明显降低,并呈良好的线性负相关;当梗颗粒添加比例为6%、8%时,卷烟危害性指数H分别降低了 25.46%、38.53%,阐明在卷烟配方中搀兑一定量的梗颗粒材料能有效间接降低吸烟对人体产生的危害。总之,论文的研究形成了微波法制备生物质梗颗粒材料的基础理论和关键技术,为微波法制备生物质梗颗粒材料的原料选取、设备研发、工艺参数的设置等提供了理论依据和参考,实现了大功率滚筒式微波反应器在微波法制备生物质梗颗粒材料产业化及其产品在卷烟减害降焦中的应用,有效提升了烟梗资源的综合利用价值。