炭棒結(jié)構(gòu)對(duì)炭加熱卷煙溫度場(chǎng)的影響

黃嘉若，曾文琦，陳長(zhǎng)坤，孫志偉，陳 潛，張 博，喻賽波，譚 超*

1.湖南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙市勞動(dòng)中路386號(hào)410014

2.中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，長(zhǎng)沙市韶山南路22號(hào)410075

煙草的化學(xué)成分復(fù)雜，燃燒時(shí)煙草材料中的大分子有機(jī)物遇高溫裂解會(huì)產(chǎn)生大量有害物質(zhì)，如煙堿、煙焦油、一氧化碳、氫氰酸、氨、甲苯及芳香化合物等。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)生命健康越發(fā)重視，研制危害更小的新型加熱不燃燒卷煙已成為近年的研究熱點(diǎn)［1-3］。炭加熱卷煙雖然是加熱卷煙中的小眾產(chǎn)品，但其使用方便，一旦有技術(shù)突破，也具有較大的潛在市場(chǎng)價(jià)值。

目前在加熱不燃燒卷煙產(chǎn)品的成分分析、燃燒特性、材料研發(fā)等方向已有大量研究［4］。在煙草材料成分方面，戴路等［5］運(yùn)用熱重分析儀、熱裂解儀等儀器測(cè)定了加熱不燃燒卷煙產(chǎn)品與傳統(tǒng)卷煙產(chǎn)品煙草材料的化學(xué)成分，并將兩者進(jìn)行對(duì)比，分析了兩種產(chǎn)品的燃燒特性差異；楊繼等［6］通過熱裂解的方法研究了炭加熱卷煙煙草材料的熱行為，分析了卷煙產(chǎn)品煙草材料的揮發(fā)成分組成。在煙草材料性質(zhì)方面，王奕等［7］分析了加熱不燃燒狀態(tài)下溫度對(duì)不同煙草基體煙氣釋放的影響；袁宏永等［8］運(yùn)用熱探針法測(cè)定了煙草材料的導(dǎo)熱系數(shù)。在材料選擇與研發(fā)方面，雷萍等［9］研發(fā)了一種用于制作新型卷煙濾嘴的材料，該材料具有良好的耐高溫特性，即使在高溫情況下也不會(huì)出現(xiàn)塌陷與軟化。在對(duì)抽吸模式的研究中，司曉喜等［10］對(duì)加熱不燃燒卷煙進(jìn)行煙氣收集，分析了不同抽吸模式對(duì)卷煙煙氣組成成分的影響；王建民等［11］分析了卷煙參數(shù)對(duì)抽吸口數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)自由燃燒速度是影響抽吸口數(shù)的重要因素。然而，目前炭棒結(jié)構(gòu)對(duì)炭加熱卷煙內(nèi)部溫度場(chǎng)影響的相關(guān)研究還鮮見報(bào)道。因此，通過檢測(cè)不同炭棒結(jié)構(gòu)炭加熱卷煙的燃燒溫度，分析了炭加熱卷煙的燃燒過程，旨在探究不同炭棒結(jié)構(gòu)對(duì)其內(nèi)部溫度場(chǎng)分布規(guī)律的影響，為炭加熱卷煙的研發(fā)設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料、裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試炭加熱卷煙由炭棒、煙草材料、濾嘴段組成，3部分長(zhǎng)度分別為20、30和34 mm（圖1），其中濾嘴段為空管。炭棒和煙草材料參數(shù)分別見表1、表2。

表1 炭棒參數(shù)①Tab.1 Parameters of carbon rod

表2 煙草材料參數(shù)①Tab.2 Parameters of tobacco section

設(shè)置內(nèi)部1孔、內(nèi)部4孔、外部2槽、外部4槽、內(nèi)部4孔+外部4槽、實(shí)心炭棒共6組試驗(yàn)工況，每組試驗(yàn)工況進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，炭棒截面示意圖見圖2。

圖2 炭棒截面示意圖Fig.2 Schematic cross sections of six carbon rods

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由吸煙機(jī)與溫度采集系統(tǒng)兩部分組成（圖3）。溫度采集系統(tǒng)主要包括熱電偶、數(shù)據(jù)采集模塊及數(shù)據(jù)采集軟件等。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.3 Picture of experimental devices

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

開始檢測(cè)前，將已打好孔的待測(cè)炭加熱卷煙固定在吸煙機(jī)上，設(shè)置吸煙機(jī)的抽吸間隔為60 s，每次抽吸容量為55 ml，抽吸時(shí)間為2 s，設(shè)置完畢后開啟吸煙機(jī)同時(shí)點(diǎn)燃炭棒開始測(cè)量。采用直徑為0.1 mm的標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10－鉑熱電偶對(duì)炭加熱卷煙煙草材料段溫度進(jìn)行接觸式測(cè)溫。當(dāng)炭棒逐漸熄滅或煙草材料發(fā)生燃燒時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)中忽略炭加熱卷煙同一橫截面上的溫度差別，將炭加熱卷煙燃燒過程簡(jiǎn)化為縱向一維對(duì)流-擴(kuò)散傳熱過程。采用打孔機(jī)沿縱向中心線對(duì)待測(cè)炭加熱卷煙進(jìn)行精確打孔，將熱電偶布置在打孔位置處。在待測(cè)炭加熱卷煙上共設(shè)置A、B、C、D 4個(gè)測(cè)點(diǎn)（圖4），測(cè)點(diǎn)間隔2.5 mm。使用紅外熱像儀測(cè)定炭加熱卷煙煙支燃燒時(shí)的表面溫度。

圖4 熱電偶測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.4 Temperature measuring points by thermocouples

2 結(jié)果與討論

2.1 炭棒燃燒特點(diǎn)

炭燃燒時(shí)，氧氣由于存在濃度梯度會(huì)向炭表面擴(kuò)散，在擴(kuò)散過程中與可燃物結(jié)合發(fā)生燃燒，因此氧氣往往在靠近炭棒附近的區(qū)域被消耗殆盡，炭棒表面基本沒有氧氣存在。據(jù)此，可將炭棒表面附近分為兩個(gè)區(qū)域（圖5）。區(qū)域Ⅰ為緊挨炭棒表面的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，隨著與炭棒距離的增加，與反應(yīng)區(qū)越靠近，溫度逐漸增加，CO2濃度隨之增加，CO濃度逐漸降低。當(dāng)CO濃度降低為0時(shí)為區(qū)域Ⅱ，在此區(qū)域內(nèi)，隨著距離的增加，即距離反應(yīng)區(qū)越遠(yuǎn)，溫度和CO2濃度逐漸降低，O2濃度逐漸恢復(fù)至大氣條件下的水平。因此當(dāng)通風(fēng)條件改善時(shí)（即發(fā)生抽吸時(shí)），一方面氧氣的供應(yīng)量增加，使更多的可燃物被氧化，溫度升高，另一方面，冷空氣會(huì)吸收燃燒產(chǎn)生的熱量，使溫度降低，兩種作用相互博弈。

圖5 炭棒表面燃燒示意圖Fig.5 Surface combustion diagram of carbon rod

2.2 不同炭棒結(jié)構(gòu)煙支的溫度曲線

檢測(cè)6種炭棒結(jié)構(gòu)樣品的內(nèi)部溫度，發(fā)現(xiàn)炭加熱卷煙在抽吸時(shí)內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化的曲線會(huì)出現(xiàn)溫度峰（圖6），這是由于抽吸時(shí)空氣卷入炭加熱卷煙內(nèi)部改變了炭棒的燃燒環(huán)境，導(dǎo)致炭加熱卷煙溫度場(chǎng)分布在抽吸過程中變化較大從而形成溫度峰，相鄰溫度峰間隔為60 s，與抽吸間隔時(shí)間相同。

由圖6a可見，實(shí)心炭棒樣品抽吸時(shí)的溫度峰向下，而另外5個(gè)樣品的溫度峰向上，這是因?yàn)榈竭_(dá)煙支內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)的氣流有兩個(gè)來源，一部分從燃燒端的煙支橫截面進(jìn)入，由于其流經(jīng)燃燒的炭棒，所以是溫度高的熱空氣，另一部分是從煙支側(cè)壁進(jìn)入的冷空氣。實(shí)心炭棒上由于缺乏進(jìn)氣道（孔或槽），導(dǎo)致進(jìn)入的熱空氣少而冷空氣多。抽吸進(jìn)行到第8口時(shí)，最高溫度已高于紅色虛線，超過了煙草物質(zhì)的著火點(diǎn)，之后的最高溫度超過700℃，說明煙草物質(zhì)已被完全引燃，引燃煙草物質(zhì)的熱量主要通過熱傳導(dǎo)而非對(duì)流擴(kuò)散。

由圖6可見，當(dāng)炭棒結(jié)構(gòu)為內(nèi)部1孔時(shí)，炭棒與煙草材料交界面的最高溫度達(dá)到800℃，說明煙草材料被引燃，發(fā)生在第7口，時(shí)間約為370 s；當(dāng)炭棒結(jié)構(gòu)為內(nèi)部4孔時(shí)，炭棒與煙草材料交接面的最高溫度超過了700℃，煙草材料在第6口約310 s時(shí)被引燃；當(dāng)炭棒結(jié)構(gòu)為4孔+4槽時(shí)，第5口時(shí)煙草材料被引燃，250 s之后交界處的溫度已超過著火點(diǎn)。上述差異是由比表面積造成的。實(shí)心、內(nèi)部1孔、內(nèi)部4孔、內(nèi)部4孔+外部4槽樣品的比表面積依次遞增，對(duì)應(yīng)的煙支燃燒時(shí)引燃煙草材料的時(shí)間依次遞減（表3）。比表面積大的炭棒，燃燒速率和放熱速率都較大，因此煙草材料的引燃時(shí)間更短。

表3 不同結(jié)構(gòu)炭棒的表面積、體積及比表面積Tab.3 Surface area,volume and specific surface area of carbon rods with different structures

圖6 炭加熱卷煙溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Temperature-time curves of carbon-heated tobacco products

當(dāng)炭棒有外部開槽時(shí)，對(duì)應(yīng)的炭加熱卷煙內(nèi)部溫度低于炭棒有內(nèi)部開孔的試驗(yàn)工況，直到炭棒溫度升至最高后開始下降（即逐漸熄滅），煙草材料都未著火燃燒。從圖6e和圖6f可見，炭棒結(jié)構(gòu)為外部2槽的樣品炭棒-煙草材料交界面的最高溫度為280℃，抽吸時(shí)溫度升幅約為70℃，而炭棒結(jié)構(gòu)為外部4槽的炭加熱卷煙樣品，炭棒-煙草材料交界面的最高溫度為310℃，抽吸時(shí)溫度升幅約為100℃，表明炭棒燃燒速率隨外部開槽數(shù)量的增加而增大，這與其比表面積的增大有關(guān)。外部開槽的兩種樣品不會(huì)引燃煙草材料，原因可能是空氣可從槽中流入，導(dǎo)致炭棒空間的溫度梯度較小，即溫度分布較均勻（圖7）。此外，有槽的炭棒外表面積大且熱量散失多，所以炭棒-煙草材料交界處的溫度不會(huì)高過著火點(diǎn)。

圖7 實(shí)心炭棒與外部開槽炭棒溫度分布對(duì)比Fig.7 Temperature distributions of solid carbon rod and carbon rod with external slots

打孔的炭棒可以引燃煙草材料是因?yàn)椴酆涂讓?duì)熱量的保持能力差異較大（圖8）。炭棒的槽直接與外界環(huán)境接觸，表面的熱量會(huì)通過熱輻射的方式散失?？變?nèi)部具有良好的保溫聚熱效果，內(nèi)部氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量大部分保留在孔內(nèi)部，且相互輻射促進(jìn)氧化反應(yīng)進(jìn)行，形成正反饋，因此會(huì)比實(shí)心炭棒更早引燃煙草材料。

圖8 外部開槽和內(nèi)部開孔兩種不同結(jié)構(gòu)炭棒的熱輻射特點(diǎn)Fig.8 Thermal radiation characteristics of carbon rods with external slots or internal holes

使用紅外熱像儀拍攝不同結(jié)構(gòu)炭棒煙支樣品的燃燒過程，發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的炭棒在燃燒時(shí)通過輻射向外散失的熱量不同（圖9）。外部有槽炭棒的外表面積比內(nèi)部有孔的炭棒大，燃燒時(shí)大量的熱向周圍空間輻射，所以紅外熱像儀檢測(cè)出的溫度更高。因?yàn)榇罅康臒嵘⑹е镰h(huán)境中，造成有外部開槽的炭棒在相似的比表面積下升溫速率較慢，整體溫度較低，不會(huì)引燃煙絲。實(shí)心炭棒因流經(jīng)的氣流少，熱量集中，檢測(cè)出的表面溫度最高點(diǎn)高于400℃。內(nèi)部有孔的炭棒由于抽吸使得熱量在軸向上分布較均勻，表面溫度稍低，而打孔炭棒之所以能引燃煙草材料則是由于熱量在孔的內(nèi)表面聚集，孔的聚熱效應(yīng)如圖8所示。炭棒結(jié)構(gòu)為內(nèi)部4孔+外部4槽的樣品因?yàn)楸缺砻娣e最大，燃燒劇烈，所以檢測(cè)出的溫度最高，煙草材料在第5口就被引燃，時(shí)間最短（圖9）。

圖9 不同結(jié)構(gòu)炭棒樣品煙支燃燒時(shí)的紅外熱像圖Fig.9 Infrared thermogram of tobacco products with different carbon rod structures during combustion

3 結(jié)論

①當(dāng)炭棒結(jié)構(gòu)為實(shí)心時(shí)，抽吸過程中炭加熱卷煙的炭棒-煙草材料交界處溫度隨時(shí)間變化的曲線會(huì)產(chǎn)生向下的溫度峰，這是由于實(shí)心炭棒自身燃燒速率較低，進(jìn)入的冷空氣比熱空氣更多，使得短時(shí)間內(nèi)冷空氣的散熱速率快于熱氣流加熱速率，出現(xiàn)溫度峰向下的現(xiàn)象。

②在分析炭棒燃燒對(duì)煙絲溫度場(chǎng)的影響時(shí)應(yīng)綜合考慮炭棒的比表面積和開口結(jié)構(gòu)類型。比表面積決定著炭熱源的熱釋放速率，比表面積越大，熱釋放速率越大，煙絲段升溫越快。開口類型分為內(nèi)部開孔和外部開槽，孔相對(duì)于槽具有明顯的聚熱效應(yīng)。當(dāng)比表面積比較接近時(shí)，孔的蓄熱能力強(qiáng)，能夠使煙絲段快速升溫。開槽炭棒空間的溫度梯度較小，即溫度分布較均勻，加上外表面積大熱量散失多，所以內(nèi)部溫度不高。

③炭棒結(jié)構(gòu)為內(nèi)部1孔、內(nèi)部4孔、內(nèi)部4孔+外部4槽和實(shí)心結(jié)構(gòu)的炭加熱卷煙在燃燒后期，煙支煙草材料段的溫度均超出煙草材料的著火點(diǎn)溫度，不滿足炭加熱卷煙加熱不燃燒的要求。而炭棒結(jié)構(gòu)為外部2槽和外部4槽的炭加熱卷煙，其煙草材料段的溫度均未超過煙草材料的著火點(diǎn)，滿足炭加熱卷煙加熱不燃燒的要求。