ISO和HCI抽吸模式下卷烟燃烧状态与主流烟气成分对比分析

赵文康，邓 楠，张 齐，黄宇亮，王亚林，赵 敏，崔晓梦，赵路灿，王 婷,罗彦波，王 兵，李 斌，王 乐*

1.中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

2.广西中烟工业有限责任公司，南宁市北湖南路28 号 530001

3.陕西中烟工业有限责任公司技术中心，陕西省宝鸡市高新大道100 号 721013

4.浙江中烟工业有限责任公司技术中心，杭州市西湖区转塘镇科海路118 号 310024

5.国家烟草质量监督检验中心，郑州高新技术产业开发区翠竹街6 号 450001

卷烟的燃烧状态受到卷烟纸透气度、卷烟纸成分、滤棒压降等多种因素的影响，合理组合这些物性参数可以提高卷烟感官质量，减少烟气中的有害成分，达到降焦减害的目的［1］。在卷烟抽吸过程中，卷烟的长度、通风率、吸阻等物理参数均会发生变化，由此影响卷烟的燃烧与热解，造成卷烟逐口之间燃烧状态及烟气释放产生差异。卷烟在ISO 标准抽吸模式与加拿大深度抽吸模式（HCI）下，因抽吸容量不同，其内部气流存在较大差异，导致燃烧与热解过程发生不同程度的变化。郑赛晶等［2］采用红外热成像仪检测卷烟温度，研究表明随着抽吸容量的增加，燃烧锥表面最高温度逐步上升，卷烟烟气的烟碱、焦油、水分等释放量显著增加，但该研究中关于卷烟燃烧状态的表征参数较少，仅通过燃烧锥表面最高温度无法全面描述卷烟的燃烧状态。李斌等［3］开发了基于热电偶阵列式检测模块的卷烟燃烧温度表征方法，采用8 根微细热电偶模块对卷烟燃烧锥的内部温度进行测定，该方法重复性良好，温度标准偏差在30 ℃以下，且多集中分布于20 ℃以下［4］，可以较好地表征卷烟的燃烧状态。随着卷烟燃烧温度表征技术的进步，针对卷烟燃烧过程已有较多研究［5-7］，但不同抽吸模式下卷烟连续抽吸两口的燃烧状态与烟气释放差异则鲜见报道。微细热电偶温度检测模块［3］以及相关数据处理方法［8］，主要是利用8 根热电偶依次插入卷烟燃烧锥内部5 个不同的深度采集温度数据，并将数据代入相应的数学模型进行计算得到卷烟燃烧锥的相关参数。该方法具有较好的准确性和适用性，普遍应用于卷烟燃烧锥温度的表征。为此，基于微细热电偶温度检测模块建立了13 根热电偶检测方法，研究HCI 和ISO 两种抽吸模式下卷烟连续抽吸两口的燃烧状态以及主流烟气中部分化学成分的释放量，旨在深入了解卷烟的燃烧过程与燃烧机制。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

材料：3R4F 肯塔基参比卷烟（美国肯塔基大学），烟支长度84 mm，滤嘴长度27 mm，圆周24.8 mm，吸阻1 250 Pa，卷烟纸透气度24 CU，滤嘴通风率30%。

1.2 方法

1.2.1 抽吸模式选择

根据 ISO 3308—2012《Routine analytical cigarette-smoking machine—Definitions and standard conditions》［9］，对ISO 标准抽吸模式的规定为：抽吸容量35 mL，抽吸持续时间2 s，抽吸间隔60 s，通风孔不堵塞。部分研究机构认为ISO 抽吸模式与实际抽吸模式有所不同，因此建立了其他抽吸模式，如美国的马赛抽吸模式（Massachusetts）、HCI 等。其中，HCI 抽吸模式的规定为：抽吸容量55 mL，抽吸持续时间2 s，抽吸间隔30 s，通风孔完全堵塞。本研究中选择ISO 和HCI 两种具有代表性的抽吸模式进行对比分析。

1.2.2 卷烟样品的前处理

将3R4F 样品单层均匀地放置在温度为（22±1）℃，相对湿度为（60±2）%的环境中［10］平衡48 h。实验前对卷烟样品的单支质量及吸阻进行测量，挑选平均质量±50 mg/支、平均吸阻±49 Pa 的卷烟样品进行实验。

1.2.3 卷烟燃烧状态的表征

采用李斌等［3］开发的热电偶采集模块测量燃烧锥气相温度，所用热电偶为K 型微细热电偶，检测方法及温度数据前处理方法同文献［8，11］。在距离卷烟点燃端20～45 mm 范围内，卷烟轴向密度分布较为均匀，故选取20～44 mm 作为温度检测区域。为测量卷烟连续抽吸两口的温度值，同时避免一次性在卷烟中插入过多热电偶而对卷烟燃烧产生影响，实验中选用一次插入8 根热电偶，分两次测量的方法。第一次将热电偶插入20～34 mm 范围内并采用第6 根热电偶温控启动；第二次将热电偶插入30～44 mm 范围内并采用第1 根热电偶温控启动。相同插入深度下，第一次测量与第二次测量所采用的温控启动温度相同。温控启动方法为：将第5 和第6 根热电偶插入卷烟检测位置的径向中心处，使卷烟静燃并记录第5 和第6根热电偶的温度T54和T64，保持第5 根热电偶的位置不变，将第6 根热电偶的位置纵向后移d/8（d为烟支直径），当第5 根热电偶温度达到T54时，记录第6 根热电偶的温度T63，依次可以得到其他深度下的启动温度T62、T61、T60［7］。经过60 s（ISO 模式）或30 s（HCI 模式）进行第二口抽吸，将第一次测量的第6、7、8 根热电偶数据分别与第二次测量的第1、2、3 根热电偶数据进行加和求平均值，以此重组得到13 根热电偶两次抽吸所测得的数据。

为表征卷烟的燃烧状态，选用了燃烧锥体积V0、燃烧锥特征温度T0.5、温度范围T0.1～T0.9以及燃烧锥最高温度Tmax4 个特征参数。其中，T0.5指燃烧锥内部某温度以上累积体积V占燃烧锥体积（即200 ℃以上累积体积）50%时的温度，代表了燃烧锥的温度变化趋势；T0.1～T0.9指温度范围，即V占V0的10%～90%时的温度范围［12］。

根据燃烧锥内部气相温度以及传热特点，可以将燃烧锥划分为烟灰区、烟灰与燃烧过渡区（以下简称过渡区）、燃烧区和热解区4 个区域。为更加直观地描述卷烟在燃烧过程中内部温度变化情况，选择卷烟内部A、B、C、D 4 个点进行温度以及升温速率测定，见图1。其中，A、C、D 3 个点位于燃烧线左侧（处于热解区），但轴向深度不同；B 点位于燃烧线右侧，与A 点处于同一深度，但两者径向位置不同。将热电偶采集模块采集到的数据进行处理，可以得到燃烧锥不同区域在卷烟燃烧过程中的体积变化，卷烟的燃烧速率采用燃烧锥内部微元点在单位时间内移动的距离来表示［13］。

图1 卷烟温度检测位置示意图Fig.1 Schematic diagram of temperature detection positions in cigarette

1.2.4 主流烟气化学成分的检测

按照GB/T 19609—2004［14］测定总颗粒物（TPM）和焦油量；按照GB/T 23355—2009［15］测定烟碱；按照GB/T 23356—2009［16］测定CO；采用行业标 准YC/T 253—2008［17］、YC/T 255—2008［18］、YC/T 377—2010［19］和国标GB/T 21130—2007［20］、GB/T 23228—2008［21］检测氰化氢（HCN）、酚类化合物（包括苯酚、对苯二酚、邻甲酚、邻苯二酚、间苯二酚）、NH3、B［a］P 和TSNAs（包括NNN、NAT、NAB、NNK）；按照行业标准YC/T 254—2008［22］检测主要醛类物质（包括甲醛、乙醛、丙烯醛、丙醛、巴豆醛和丁醛）。

根据得到的卷烟在燃烧过程中主流烟气化学成分及含量、卷烟的抽吸口数、瞬时燃烧速率以及卷烟轴向密度分布，计算卷烟烟气单口释放量以及两种抽吸模式下单位质量烟丝烟气释放量比值。

2 结果与分析

2.1 卷烟燃烧状态分析

2.1.1 燃烧锥特征参数

图2 为连续抽吸两口过程中燃烧锥特征参数随时间的变化。可见，在HCI 抽吸模式下，卷烟燃烧锥体积V0、最高温度Tmax、特征温度T0.5和温度范围T0.1～T0.9整体上均呈先增加后减小趋势，而在静燃过程中特征参数V0、T0.5和T0.1～T0.9均呈降低趋势，而Tmax则呈先降低后升高的趋势。由于HCI 模式的抽吸容量大于ISO 模式，卷烟燃烧更充分，因此4 个特征参数相对较大。表1 为卷烟在两种抽吸模式下抽吸2 s 区间内温度特征参数的平均值，可以看出两种抽吸模式下第二口的燃烧锥体积V0和最高温度Tmax均大于第一口，而第二口的T0.5和T0.1～T0.9均比第一口小，这表明卷烟连续抽吸两口过程中，燃烧锥的体积和最高温度增加，而燃烧锥内部的高温区域所占比例有所降低。

图2 ISO 和HCI 抽吸模式下温度特征参数变化趋势Fig.2 Variations of characteristic temperature parameters under ISO and HCI regimes

表1 ISO 和HCI 抽吸模式下卷烟抽吸2 s 区间内温度特征参数平均值Tab.1 Average values of characteristic temperature parameters in 2 s interval of puffing under ISO and HCI regimes

2.1.2 卷烟特定位置温度及升温速率变化

由图3 可见，在HCI 抽吸模式下，抽吸第一口（HCI-1）和第二口（HCI-2）时，A、B、C 3 个点的温度均高于ISO 抽吸模式，但D 点的温度低于ISO 抽吸模式，这是因为HCI 模式下卷烟抽吸过程中的空气流速增大，烟支表面热量容易损失，进而导致燃烧锥表面温度降低。在ISO 抽吸模式下，A、B、C 3 个点抽吸第二口（ISO-2）的温度低于第一口（ISO-1），这是由于ISO 模式下抽吸间隔较长，燃烧锥热量散失较大，且逐渐累积的烟灰减少了烟丝与空气的接触，因此抽吸第二口时的起始温度低于第一口。而HCI 模式下抽吸间隔较短（30 s），热量损失较少，因此抽吸第二口时的起始温度高于第一口。

图3 ISO 和HCI 抽吸模式下A、B、C、D 4 个点抽吸第一口和第二口时温度变化Fig.3 Variations of temperature at the detection positions A,B,C and D of the first and second puffs under ISO and HCI regimes

由图4 可以看出，A、B 两点在HCI 模式下抽吸两口时的升温速率均比ISO 模式高；C 点在HCI 模式下抽吸第一口时的升温速率比ISO 模式高，而抽吸第二口时的升温速率则比ISO 模式低；烟支表面D 点由于接触空气，升温速率变化较大。

图4 ISO 和HCI 抽吸模式下A、B、C、D 4 个点抽吸第一口和第二口时升温速率变化Fig.4 Variations of rate of temperature elevation at detection positions A,B,C and D of the first and second puffs under ISO and HCI regimes

2.1.3 卷烟瞬时燃烧速率

图5 和表2 为两种抽吸模式下卷烟瞬时燃烧速率及相关参数。可见，HCI 模式下平均抽吸燃烧速率和最大燃烧速率均高于ISO 模式，这是因为HCI 模式的抽吸容量高于ISO 模式，空气进入量多可以使卷烟纸与烟丝燃烧更加充分。ISO 和HCI 模式下，抽吸第二口与第一口相比较，静燃速率分别增加48.6%和16.5%，这可能是因为抽吸第一口时热量随空气转移至尚未燃烧的烟丝中，使后部烟丝得到一定程度的加热，从而提高了抽吸第二口前的静燃速率。

图5 ISO 和HCI 抽吸模式下卷烟瞬时燃烧速率Fig.5 Instantaneous combustion rate of cigarettes under ISO and HCI regimes

2.1.4 燃烧锥不同区域的温度及体积分布分析

图6 为燃烧锥在抽吸1 s 时烟灰区、过渡区、燃烧区和热解区4 个区域的温度分布。两种模式在抽吸1 s 时均出现高于800 ℃的高温区域，且HCI抽吸模式下大于800 ℃的区域高于ISO 抽吸模式。图7 为燃烧锥各区域的体积大小，在ISO 和HCI 模式下抽吸第二口时的燃烧锥烟灰区体积增幅较大。结合表1 数据可知，烟灰区体积增大会造成燃烧锥体积增大和高温区域所占比例降低，而烟灰的保温作用也使最高温度有所增加。结合表2 数据可知，第一口抽吸过程中卷烟燃烧锥的过渡区和燃烧区体积较大，使得卷烟在第一口抽吸过程中有更多的热量被转移至燃烧锥后部的烟丝中，后部烟丝经过一定程度的加热以及烟灰区的逐渐累积，减少了热量散失，由此造成第二口静燃速率增大。

表2 ISO 和HCI 抽吸模式下卷烟燃烧速率相关参数Tab.2 Parameters related to combustion rate of cigarette under ISO and HCI regimes（mm·s-1）

图6 燃烧锥不同区域在抽吸1 s 时的温度分布Fig.6 Temperature distribution in different areas of combustion cone at the first second during puffing

图7 燃烧锥不同区域在抽吸过程中的体积分布Fig.7 Volumes of different areas of combustion cone during puffing

2.2 主流烟气化学成分分析

表3 为ISO 和HCI 抽吸模式下主流烟气中22种化学成分的释放情况。HCI 抽吸模式下，卷烟的全支释放量和单口释放量均大于ISO 模式，且单位质量烟丝释放量是ISO 抽吸模式下的1.396～3.041 倍（邻甲酚除外），原因可能是HCI 抽吸模式下，滤嘴通风孔封闭，通风率为0，燃烧锥的内部温度与升温速率较高，使得焦油和其他化学成分的释放量增加。已有文献表明，卷烟滤嘴通风率越高，焦油、CO、烟碱等有害成分的释放量越低［23-26］。

表3 ISO 和HCI 抽吸模式下卷烟主流烟气中22 种化学成分释放量Tab.3 Deliveries of 22 chemical components in mainstream cigarette smoke under ISO and HCI regimes

表3（续）

3 结论

①相比ISO 抽吸模式，HCI 抽吸模式能够提高燃烧锥体积V0、最高温度Tmax、特征温度T0.5、温度范围T0.1～T0.9等特征参数值；在两种模式下，抽吸第二口时燃烧锥的体积和最高温度均会增加，但高温区域所占比例有所减小。②HCI 和ISO 抽吸模式下，卷烟燃烧锥内部区域温度随抽吸过程的进行呈现先增加后减小的趋势，燃烧锥表面温度则呈现先减小后增加的趋势；HCI 抽吸模式下，卷烟燃烧锥内部温度和升温速率整体高于ISO 抽吸模式，燃烧锥表面温度则低于ISO 抽吸模式。③HCI 和ISO 抽吸模式下，抽吸第一口时过渡区和燃烧区体积较大，导致抽吸第二口前的静燃速率较第一口有所增加。④与ISO 抽吸模式相比，HCI抽吸模式下燃烧锥内部温度较高、升温速率较快，使得卷烟单位质量烟丝主流烟气化学成分释放量升高。