卷烟设计参数对钟形抽吸曲线下烟气稀释作用的影响

颜水明，李 斌，谢国勇，颜清萍，银董红，朱 震，王 兵*

1．湖南中烟工业有限责任公司技术研发中心，长沙市劳动中路426号 410007

2．湖南师范大学化学化工学院，长沙市麓山路36号 410081

3．中国烟草总公司郑州烟草研究院烟草行业烟草工艺重点实验室，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001

4．中国科学院合肥物质科学研究院，合肥市蜀山湖路350号 230031

卷烟设计参数对钟形抽吸曲线下烟气稀释作用的影响

颜水明1,2，李 斌3，谢国勇*1，颜清萍1,2，银董红1，朱 震4，王 兵*3

1．湖南中烟工业有限责任公司技术研发中心，长沙市劳动中路426号 410007

2．湖南师范大学化学化工学院，长沙市麓山路36号 410081

3．中国烟草总公司郑州烟草研究院烟草行业烟草工艺重点实验室，郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001

4．中国科学院合肥物质科学研究院，合肥市蜀山湖路350号 230031

为研究卷烟设计参数对烟气稀释作用的影响，设计了一套ISO钟形抽吸模式下卷烟烟气扩散的测量装置，建立了全支（不点燃时的烟支）、燃烧锥（燃烧时的烟支）、切割烟支（在不点燃烟支的情况下，将燃烧时烟灰长度相同的烟支切割掉后剩余的烟支）3种状态下烟气稀释率的测量方法，考察了卷烟材料特性（卷烟纸透气度、滤嘴通风度和未燃烟支长度）在3种状态下对烟气稀释作用的影响规律。结果表明：①当卷烟纸透气度在30～70CU范围时，全支、燃烧锥和切割烟支3种状态下烟气稀释率均随卷烟纸透气度的增加而增加。其中，全支状态下的空气稀释率最大，为5．97%～12．16%。②滤嘴通风度在0～50．8%时，滤嘴端烟气稀释率为0～59．81%。基于ISO钟形抽吸模式下的滤嘴烟气稀释率检测结果高于GB/T 22838．15—2009恒速抽吸模式下滤嘴通风率的检测结果。③未燃烟支长度同样对烟气稀释具有影响，烟支端稀释作用随着未燃烟支长度的增加而增加，当未燃烟支长度在0～30mm变化时，烟气稀释率为0～12．58%。

卷烟材料；烟气稀释；卷烟纸透气度；滤嘴通风度；抽吸条件

卷烟材料及设计参数对卷烟燃吸过程中烟气成分的生成与递送有较大影响，近年来，研究者针对卷烟材料及设计参数对烟气常规成分和有害成分释放量的影响进行了大量的研究工作。于川芳等［1-2］研究了卷烟材料“三纸一棒”参数对卷烟烟气中焦油、烟碱、CO等指标的影响以及对感官质量的影响趋势。李斌等［3-4］建立了“三纸一棒”参数对滤嘴通风度、焦油、烟碱和CO释放量的预测模型，并在此基础上，开发了卷烟材料辅助设计软件。在文献［5-12］中，研究了卷烟材料设计参数对卷烟烟气中7种有害成分释放量的影响，并有针对性地建立了预测模型。在文献［13-16］中，考察了低引燃卷烟材料特性、卷烟纸透气度、助燃剂含量等对卷烟燃吸过程中温度分布特征的影响，从卷烟燃吸温度分布的角度阐述了卷烟材料对燃吸过程的影响，在此基础上，建立了卷烟温度分布特征与烟气中7种有害成分释放量的关系。综上研究可以发现，卷烟材料的改变，将对烟气中化学成分的释放量产生影响。利用卷烟纸和成型纸的通风稀释作用来降低烟气中有害成分仍然是减害技术的重要手段，并已成为减害领域的研究热点［17］。目前，烟气稀释率主要在抽吸流速恒定或烟支未燃条件下检测得到［18］，而在ISO抽吸模式下，抽吸流速呈现钟形变化，这会使烟气稀释率测定结果出现误差。因此，在钟形抽吸曲线条件中，研究卷烟纸和成型纸的扩散稀释作用十分必要［17,19-22］。为此，采用自行设计的卷烟烟支气相扩散检测装置，在ISO抽吸模式下，以卷烟纸和成型纸透气度为研究对象，对卷烟燃吸过程中进入烟支端的气体量进行测量，并计算得到卷烟烟支各空间位置的进气量，以期获得烟支在抽吸过程中的空气扩散规律，为进一步指导卷烟材料研究、卷烟燃吸机制分析和卷烟材料设计提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

卷烟样品参数设计如表1所示。卷烟纸（30、40、50、60和70 CU）（民丰特种纸股份有限公司实验样品）、成型纸（0、50、250、500和700 CU）（自制样品）。选用某牌号同批次配方烟丝、同规格醋酸纤维滤棒（湖南中烟工业有限责任公司提供），在同一机台卷包的卷烟样品。

表1 卷烟样品物理特性数据表

DT-5卷烟综合测试仪（德国Borgwaldt KC公司）；SML100单孔道吸烟机（中国科学院合肥物质科学研究所）。

1.2 卷烟烟气气相扩散装置

卷烟燃吸过程中的空气扩散原理见图1。如图1所示，在卷烟抽吸过程中，空气可从3个区域进入主流烟气，分别为滤嘴成型纸（Ⅰ）、卷烟纸（Ⅱ）和卷烟燃烧锥（Ⅲ）。以此为基础设计烟支气相扩散检测装置（图2）。在如图2所示的烟支隔离线附近设置密封部件（3），通过气氛控制器（4）和流量检测装置（7），可以获得从燃烧锥进入的抽吸气体流量V2，而烟气的总吸入量V已知（ISO模式下的抽吸容量V为35mL），根据物料平衡可以计算出通过滤嘴端（Ⅰ）和卷烟纸（Ⅱ）进入烟支的气体流量V1（V1=V－V2），并且通过改变滤嘴通风度可获得外界空气通过卷烟纸部分进入主流烟气的量VP、和通过滤嘴部分进入主流烟气中的量VF。通过隔离线的移动来调节隔离线和参考线的距离，以获得卷烟烟支燃烧锥、未燃卷烟纸和滤嘴端空气扩散量。

图1 卷烟抽吸过程中的空气扩散原理示意图

图2 卷烟烟支气相扩散检测装置的实物图（a）和结构示意图（b）

1.3 烟气稀释率的计算

图3 卷烟的全支（A）、燃烧锥（B）和切割烟支（C）3种不同状态

在本实验中，设置了卷烟的3种不同状态：全支（不点燃时的烟支）、燃烧锥（燃烧时的烟支）、切割烟支（在不点燃烟支的情况下，将燃烧时烟灰长度相同的烟支切割掉后剩余的烟支）。在全支状态下，通过移动隔离线处的密封装置（3），测量从密封部分进入的抽吸流量V2；在燃烧锥状态下，当烟支静燃至距离隔离线3 mm时，将气氛控制器（4）封闭并将烟支闷灭，测量V2；在不点燃烟支的情况下，为考察烟支长度对气体扩散的影响，移动图1中隔离线，将隔离线左侧距离点燃端3mm处［燃烧锥（对应）最右端到达隔离线的距离］，进行相应切割后，即为切割烟支状态，然后测量V2。图3分别显示实验中设置的卷烟3种状态：A全支；B燃烧锥；C切割烟支。实验中均采用ISO模式对卷烟进行抽吸操作，卷烟纸端（Ⅱ）和滤嘴端（Ⅰ）的流量之和V1=V-V2，即35.0mL-V2，定义V1为抽吸过程中的烟气稀释量，烟气稀释率AD按公式（1）计算：

2 结果与讨论

2.1 卷烟烟支气相扩散装置的稳定性检测

应用图2所示的卷烟烟支气相扩散检测装置，于A状态在ISO模式下测量3号卷烟样品的燃烧锥端（Ⅲ）在抽吸期间流速随时间的变化情况，进行5次平行实验，结果如图4所示。由图4可知，在ISO抽吸模式下，从燃烧锥进入的空气量呈钟形变化，5次平行实验的平均抽吸流量为35.01mL，标准偏差为0.022。说明该装置的检测结果稳定性较高。

图4 卷烟样品在ISO抽吸模式下的气体流量检测结果界面

2.2 卷烟纸透气度对烟气稀释的影响规律

考察了滤嘴通风度为0和25.1%时，卷烟纸透气度对烟气稀释率的影响。表2为通风度为0时，3种卷烟状态（全支、燃烧锥、切割烟支）在不同透气度条件下的V2测量结果，以及计算获得的V1和稀释率AD数据。3种状态下隔离线与参考线的距离L（图1和图3）为20 mm。从表2中数据可知，3种状态下，烟气稀释率AD随卷烟纸透气度的增加均呈现线性增加的趋势，该线性拟合直线的斜率按全支、切割烟支和燃烧锥的顺序呈现逐渐降低趋势，其斜率分别为0.148 6、0.078 9和0.064 4。从表2还可以看出，在相同烟支条件下，燃烧锥比切割烟支的稀释率低。说明卷烟纸透气度的增加逐步增加了空气的稀释率，而燃烧形成的燃烧锥尽管与切割烟支部分长度相同，但由于环绕卷烟燃烧锥的卷烟纸经过燃烧加热，透气度剧烈增加［20］，从而导致了空气沿燃烧锥边缘处进入卷烟纸的流量增加，空气沿燃烧锥部分（Ⅲ）进入的空气量增加。同时还可以看出，在30～70 CU的变化区间内，在隔离线距参考线的距离为20 mm，通风度为0时，空气稀释率在2.99%～6.31%范围内递增。

表2 滤嘴通风度为0时卷烟纸透气度对烟气稀释率的影响

表3为通风度为25.1%时，3种卷烟状态（全支、燃烧锥、烟支切割）及不同卷烟纸透气度条件下的V2测量值，以及计算获得的V1和稀释率AD数据。3种状态下隔离线与参考线的距离L为20 mm。从表中数据可知，3种状态下，烟气稀释率随卷烟纸透气度的增加呈现线性增加的趋势，该线性拟合直线的斜率按全支、切割烟支、燃烧锥依次为0.088 8、0.058 6和0.059 5，由于滤嘴的通风作用，其斜率均比通风度为0时略低，且相互的差异逐渐缩小。

表3 滤嘴通风度为25.1%时卷烟纸透气度对烟气稀释率的影响

图5是以卷烟纸透气度30 CU时的数据为基础，计算获得的卷烟纸透气度增量与烟气稀释率增量间的关系。由图5可以看出：①在无滤嘴通风的情况下，3种状态烟气稀释率增量变化明显，3者稀释率增量之差最大为3.45%，切割烟支和燃烧锥之间稀释率增量之差最大可达1.30%，卷烟纸透气度变化能够导致烟气稀释率的变化，而切割烟支和燃烧锥加热所带来的通风度变化也可以导致烟气稀释率的变化。②相比之下，当滤嘴通风度为25.1%时，滤嘴通风明显降低了卷烟纸透气度增量所引起的烟气稀释的变化，3种状态下烟气稀释率增量最大差值为1.29%。而在切割烟支和燃烧锥状态下，由于烟支切割和燃烧锥加热所导致的透气度变化对烟气稀释率的增量并没有明显的影响，在整个卷烟纸透气度范围内（30～70 CU），两者对烟气稀释率增量的影响一致。

图5 卷烟纸透气度增量与烟气稀释率增量的关系

2.3 滤嘴通风度对烟气稀释的影响

由表1中数据可知，当成型纸透气度分别为0、50、250、500和700 CU时，滤嘴通风率分别为0、6.5%、25.1%、41.3%和50.8%。设计距离L分别为20 mm（表4）和0 mm（表5），卷烟纸透气度为60 CU，在3种卷烟状态及不同滤嘴通风度条件下分别测量V2，并通过计算获得V1和稀释率AD数据。由表4中数据可以看出，当距离L为20 mm时，在全支、燃烧锥和切割烟支3种状态下，烟气稀释率随滤嘴通风度的增加呈现线性增加的趋势，三者线性拟合直线的斜率分别为0.981 9、0.971 0和 0.979 5，差异不明显。当距离L为0时，如表5所示，在3种卷烟状态下，烟气稀释率随滤嘴通风度的增加呈现线性增加的趋势，3种状态下的斜率分别为1.106 8、0.971 3和0.957 2，按全支、切割烟支和燃烧锥的顺序呈现逐渐降低的趋势。这是因为燃烧锥的形成有助于空气从燃烧锥及附近进入主流烟气中，从而减弱了滤嘴通风度对烟气稀释的影响。同时，从表5还可以发现，在全支状态下，对比于在恒速条件下应用DT-5卷烟综合测试仪测得的滤嘴通风率，在ISO钟形抽吸曲线下测得的烟气稀释率明显变大。

图6显示出以滤嘴通风度0时的数据为基础，计算获得的滤嘴通风率增量与烟气稀释率增量间的关系。由图6可以看出：①在距离L为20mm的情况下，3种状态的烟气稀释率增量变化基本一致，三者稀释率增量之差最大为1.54%。②相比之下，当距离L为0mm时，距离L的降低增加了全支状态下滤嘴通风对烟气稀释的影响，而切割烟支和燃烧锥加热所导致的透气度变化，未使烟气稀释率的增量产生明显的变化，3种状态对烟气稀释率影响最大差值为9.57%。

表4 L=20mm时滤嘴通风度对烟气稀释率的影响①

表5 L=0mm时滤嘴通风度对烟气稀释率的影响①

图6 烟气稀释率增量与滤嘴通风度增量的关系

2.4 未燃烧烟支长度（距离L） 对烟气稀释率的影响

在无滤嘴通风及卷烟纸透气度为60 CU的条件下，考察了距离L对烟气稀释率的影响，结果见表6。从表6中数据可知，3种状态下，烟气稀释率随距离L的增加呈现线性增加的趋势，其斜率分别为0.314 8、0.454 0和0.356 4，依据全支、切割烟支和燃烧锥状态的顺序递升。3种状态的线性关系斜率的递升表明，随着距离L的增加，3种状态的烟气稀释率将趋于接近。

表6 距离L对烟气稀释率的影响①

3 结论

烟气稀释率随卷烟纸透气度的增加而呈增加趋势，在卷烟透气度为30～70 CU范围内，烟气稀释率为5.97%～12.16%；滤嘴通风度对空气稀释率影响显著，在滤嘴通风度为0～50.8%范围内，空气稀释率为0～59.81%，在ISO钟形曲线抽吸条件下，滤嘴端烟气稀释率高于国标测试值（恒定速率状态下）；烟气稀释率随烟支长度的减少而降低，当卷烟长度为0～30 mm时，卷烟纸位置烟气稀释率为0～12.58%；3种状态的烟气稀释率呈递减趋势：全支＞切割烟支＞燃烧锥。

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责任编辑 周雅宁

Effects of Cigarette Material Parameters on Cigarette Smoke Dilu tionUnder Bell-shaped Puff Profile

YAN Shuim ing1,2,LI Bin3,XIE Guoyong*1,YAN Qingping1,2,YIN Donghong1,ZHU Zhen4,and WANG Bing*3

1．Technology Center,China Tobacco Hunan Industrial Co.,Ltd.,Changsha 410007,China

2．College of Chem ical Engineering,Hunan Normal University,Changsha 410081,China

3．Key Laboratory of Tobacco Processing Technology of CNTC,Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC, Zhengzhou 450001,China

4．Hefei Institutes of Physical Science,Chinese Academ y of Sciences,Hefei 230031,China

In order to study the effects of cigarette material parameters on cigarette smoke dilution,a device for measuring cigarette smoke diffusion was established under ISO bell-shaped puff profile. Methods for measuring the dilution rate of cigarette smoke under three conditions(unlighted full length cigarette,combustion cone,burnt cigarette rods of different remaining lengths)were developed.The effects of cigarette material parameters(cigarette paper permeability,filter ventilation rate and the remaininglength of burnt cigarette)on the dilution rate of cigarette smoke under the three conditions were investigated.The results showed that：1)The dilution rate of cigarette smoke under the three conditions increased with the increase of cigarette paper permeability within the range of 30-70 CU,it was 5.97%-12.16%for unlighted full length cigarette,the largest among the three conditions.2)The dilution rate of cigarette smoke at the filter end of cigarette was 0-59.81%within the filter ventilation rate of 0-50.8%, which was higher under ISO bell-shaped puff profile than under GB/T22838.15—2009 constant velocity puff profile.3)The dilution rate of cigarette smoke at the tobacco end increased with the increase of the remaining length of burnt cigarette,it was 0-12.58%while the remaining length of burnt cigarette ranged from 0 to 30 mm.

Cigarette material;Smoke dilution;Cigarette paper permeability;Filter ventilation rate; Smoking condition

TS761.2

A

1002-0861（2015）09-0062-07

10.16135/j.issn1002-0861.20150911

2015-01-28

2015-06-11

湖南中烟工业有限责任公司科技项目“卷烟燃烧状态与一氧化碳释放量的关系研究”（KY 2012JC0001）。

颜水明（1989—），在读硕士研究生，研究方向：烟草化学。E-mail：ysmhnsd@163.com；*

谢国勇，E-mail：xie_guoyong@163.com；王兵，E-mail：wangbing6696@126.com

颜水明，李斌，谢国勇，等.卷烟设计参数对钟形抽吸曲线下烟气稀释作用的影响［J］.烟草科技，2015，48（9）：62-68.

YAN Shuiming,LI Bin,XIE Guoyong,etal.Effects of cigarettematerial parameters on cigarette smoke dilution under bell-shaped puff profile［J］.Tobacco Science&Technology，2015，48（9）：62-68.