黃嘉若，曾文琦，陳長坤，孫志偉，陳 潛，張 博，喻賽波，譚 超*

1.湖南中煙工業(yè)有限責任公司，長沙市勞動中路386號410014

2.中南大學防災科學與安全技術研究所，長沙市韶山南路22號410075

煙草的化學成分復雜，燃燒時煙草材料中的大分子有機物遇高溫裂解會產生大量有害物質，如煙堿、煙焦油、一氧化碳、氫氰酸、氨、甲苯及芳香化合物等。隨著社會的不斷發(fā)展，人們對生命健康越發(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［1-3］。炭加熱卷煙雖然是加熱卷煙中的小眾產品，但其使用方便，一旦有技術突破，也具有較大的潛在市場價值。

目前在加熱不燃燒卷煙產品的成分分析、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］運用熱重分析儀、熱裂解儀等儀器測定了加熱不燃燒卷煙產品與傳統(tǒng)卷煙產品煙草材料的化學成分，并將兩者進行對比，分析了兩種產品的燃燒特性差異；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，分析了卷煙產品煙草材料的揮發(fā)成分組成。在煙草材料性質方面，王奕等［7］分析了加熱不燃燒狀態(tài)下溫度對不同煙草基體煙氣釋放的影響；袁宏永等［8］運用熱探針法測定了煙草材料的導熱系數。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出現(xiàn)塌陷與軟化。在對抽吸模式的研究中，司曉喜等［10］對加熱不燃燒卷煙進行煙氣收集，分析了不同抽吸模式對卷煙煙氣組成成分的影響；王建民等［11］分析了卷煙參數對抽吸口數的影響，發(fā)現(xiàn)自由燃燒速度是影響抽吸口數的重要因素。然而，目前炭棒結構對炭加熱卷煙內部溫度場影響的相關研究還鮮見報道。因此，通過檢測不同炭棒結構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構對其內部溫度場分布規(guī)律的影響，為炭加熱卷煙的研發(fā)設計提供參考。

1 材料、裝置與方法

1.1 實驗材料

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分別見表1、表2。

表1 炭棒參數①Tab.1 Parameters of carbon rod

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

設置內部1孔、內部4孔、外部2槽、外部4槽、內部4孔+外部4槽、實心炭棒共6組試驗工況，每組試驗工況進行3次重復試驗，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 實驗裝置

實驗裝置由吸煙機與溫度采集系統(tǒng)兩部分組成（圖3）。溫度采集系統(tǒng)主要包括熱電偶、數據采集模塊及數據采集軟件等。

圖3 實驗裝置圖Fig.3 Picture of experimental devices

1.3 實驗方法

開始檢測前，將已打好孔的待測炭加熱卷煙固定在吸煙機上，設置吸煙機的抽吸間隔為60 s，每次抽吸容量為55 ml，抽吸時間為2 s，設置完畢后開啟吸煙機同時點燃炭棒開始測量。采用直徑為0.1 mm的標準鉑銠10－鉑熱電偶對炭加熱卷煙煙草材料段溫度進行接觸式測溫。當炭棒逐漸熄滅或煙草材料發(fā)生燃燒時結束實驗。本實驗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化為縱向一維對流-擴散傳熱過程。采用打孔機沿縱向中心線對待測炭加熱卷煙進行精確打孔，將熱電偶布置在打孔位置處。在待測炭加熱卷煙上共設置A、B、C、D 4個測點（圖4），測點間隔2.5 mm。使用紅外熱像儀測定炭加熱卷煙煙支燃燒時的表面溫度。

圖4 熱電偶測點布置圖Fig.4 Temperature measuring points by thermocouples

2 結果與討論

2.1 炭棒燃燒特點

炭燃燒時，氧氣由于存在濃度梯度會向炭表面擴散，在擴散過程中與可燃物結合發(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。據此，可將炭棒表面附近分為兩個區(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，隨著與炭棒距離的增加，與反應區(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CO濃度降低為0時為區(qū)域Ⅱ，在此區(qū)域內，隨著距離的增加，即距離反應區(qū)越遠，溫度和CO2濃度逐漸降低，O2濃度逐漸恢復至大氣條件下的水平。因此當通風條件改善時（即發(fā)生抽吸時），一方面氧氣的供應量增加，使更多的可燃物被氧化，溫度升高，另一方面，冷空氣會吸收燃燒產生的熱量，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 不同炭棒結構煙支的溫度曲線

檢測6種炭棒結構樣品的內部溫度，發(fā)現(xiàn)炭加熱卷煙在抽吸時內部溫度隨時間變化的曲線會出現(xiàn)溫度峰（圖6），這是由于抽吸時空氣卷入炭加熱卷煙內部改變了炭棒的燃燒環(huán)境，導致炭加熱卷煙溫度場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，與抽吸間隔時間相同。

由圖6a可見，實心炭棒樣品抽吸時的溫度峰向下，而另外5個樣品的溫度峰向上，這是因為到達煙支內部測溫點的氣流有兩個來源，一部分從燃燒端的煙支橫截面進入，由于其流經燃燒的炭棒，所以是溫度高的熱空氣，另一部分是從煙支側壁進入的冷空氣。實心炭棒上由于缺乏進氣道（孔或槽），導致進入的熱空氣少而冷空氣多。抽吸進行到第8口時，最高溫度已高于紅色虛線，超過了煙草物質的著火點，之后的最高溫度超過700℃，說明煙草物質已被完全引燃，引燃煙草物質的熱量主要通過熱傳導而非對流擴散。

由圖6可見，當炭棒結構為內部1孔時，炭棒與煙草材料交界面的最高溫度達到800℃，說明煙草材料被引燃，發(fā)生在第7口，時間約為370 s；當炭棒結構為內部4孔時，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時被引燃；當炭棒結構為4孔+4槽時，第5口時煙草材料被引燃，250 s之后交界處的溫度已超過著火點。上述差異是由比表面積造成的。實心、內部1孔、內部4孔、內部4孔+外部4槽樣品的比表面積依次遞增，對應的煙支燃燒時引燃煙草材料的時間依次遞減（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間更短。

表3 不同結構炭棒的表面積、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間變化曲線Fig.6 Temperature-time curves of carbon-heated tobacco products

當炭棒有外部開槽時，對應的炭加熱卷煙內部溫度低于炭棒有內部開孔的試驗工況，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，炭棒結構為外部2槽的樣品炭棒-煙草材料交界面的最高溫度為280℃，抽吸時溫度升幅約為70℃，而炭棒結構為外部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℃，抽吸時溫度升幅約為100℃，表明炭棒燃燒速率隨外部開槽數量的增加而增大，這與其比表面積的增大有關。外部開槽的兩種樣品不會引燃煙草材料，原因可能是空氣可從槽中流入，導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高過著火點。

圖7 實心炭棒與外部開槽炭棒溫度分布對比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為槽和孔對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，表面的熱量會通過熱輻射的方式散失?？變炔烤哂辛己玫谋鼐蹮嵝Ч?，內部氧化反應產生的熱量大部分保留在孔內部，且相互輻射促進氧化反應進行，形成正反饋，因此會比實心炭棒更早引燃煙草材料。

圖8 外部開槽和內部開孔兩種不同結構炭棒的熱輻射特點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構炭棒煙支樣品的燃燒過程，發(fā)現(xiàn)不同結構的炭棒在燃燒時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部有孔的炭棒大，燃燒時大量的熱向周圍空間輻射，所以紅外熱像儀檢測出的溫度更高。因為大量的熱散失至環(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，不會引燃煙絲。實心炭棒因流經的氣流少，熱量集中，檢測出的表面溫度最高點高于400℃。內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表面聚集，孔的聚熱效應如圖8所示。炭棒結構為內部4孔+外部4槽的樣品因為比表面積最大，燃燒劇烈，所以檢測出的溫度最高，煙草材料在第5口就被引燃，時間最短（圖9）。

圖9 不同結構炭棒樣品煙支燃燒時的紅外熱像圖Fig.9 Infrared thermogram of tobacco products with different carbon rod structures during combustion

3 結論

①當炭棒結構為實心時，抽吸過程中炭加熱卷煙的炭棒-煙草材料交界處溫度隨時間變化的曲線會產生向下的溫度峰，這是由于實心炭棒自身燃燒速率較低，進入的冷空氣比熱空氣更多，使得短時間內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在分析炭棒燃燒對煙絲溫度場的影響時應綜合考慮炭棒的比表面積和開口結構類型。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。開口類型分為內部開孔和外部開槽，孔相對于槽具有明顯的聚熱效應。當比表面積比較接近時，孔的蓄熱能力強，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，所以內部溫度不高。

③炭棒結構為內部1孔、內部4孔、內部4孔+外部4槽和實心結構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溫度，不滿足炭加熱卷煙加熱不燃燒的要求。而炭棒結構為外部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，滿足炭加熱卷煙加熱不燃燒的要求。