炭棒结构对炭加热卷烟温度场的影响

黄嘉若，曾文琦，陈长坤，孙志伟，陈 潜，张 博，喻赛波，谭 超*

1.湖南中烟工业有限责任公司，长沙市劳动中路386号410014

2.中南大学防灾科学与安全技术研究所，长沙市韶山南路22号410075

烟草的化学成分复杂，燃烧时烟草材料中的大分子有机物遇高温裂解会产生大量有害物质，如烟碱、烟焦油、一氧化碳、氢氰酸、氨、甲苯及芳香化合物等。随着社会的不断发展，人们对生命健康越发重视，研制危害更小的新型加热不燃烧卷烟已成为近年的研究热点［1-3］。炭加热卷烟虽然是加热卷烟中的小众产品，但其使用方便，一旦有技术突破，也具有较大的潜在市场价值。

目前在加热不燃烧卷烟产品的成分分析、燃烧特性、材料研发等方向已有大量研究［4］。在烟草材料成分方面，戴路等［5］运用热重分析仪、热裂解仪等仪器测定了加热不燃烧卷烟产品与传统卷烟产品烟草材料的化学成分，并将两者进行对比，分析了两种产品的燃烧特性差异；杨继等［6］通过热裂解的方法研究了炭加热卷烟烟草材料的热行为，分析了卷烟产品烟草材料的挥发成分组成。在烟草材料性质方面，王奕等［7］分析了加热不燃烧状态下温度对不同烟草基体烟气释放的影响；袁宏永等［8］运用热探针法测定了烟草材料的导热系数。在材料选择与研发方面，雷萍等［9］研发了一种用于制作新型卷烟滤嘴的材料，该材料具有良好的耐高温特性，即使在高温情况下也不会出现塌陷与软化。在对抽吸模式的研究中，司晓喜等［10］对加热不燃烧卷烟进行烟气收集，分析了不同抽吸模式对卷烟烟气组成成分的影响；王建民等［11］分析了卷烟参数对抽吸口数的影响，发现自由燃烧速度是影响抽吸口数的重要因素。然而，目前炭棒结构对炭加热卷烟内部温度场影响的相关研究还鲜见报道。因此，通过检测不同炭棒结构炭加热卷烟的燃烧温度，分析了炭加热卷烟的燃烧过程，旨在探究不同炭棒结构对其内部温度场分布规律的影响，为炭加热卷烟的研发设计提供参考。

1 材料、装置与方法

1.1 实验材料

供试炭加热卷烟由炭棒、烟草材料、滤嘴段组成，3部分长度分别为20、30和34 mm（图1），其中滤嘴段为空管。炭棒和烟草材料参数分别见表1、表2。

表1 炭棒参数①Tab.1 Parameters of carbon rod

表2 烟草材料参数①Tab.2 Parameters of tobacco section

设置内部1孔、内部4孔、外部2槽、外部4槽、内部4孔+外部4槽、实心炭棒共6组试验工况，每组试验工况进行3次重复试验，炭棒截面示意图见图2。

图2 炭棒截面示意图Fig.2 Schematic cross sections of six carbon rods

1.2 实验装置

实验装置由吸烟机与温度采集系统两部分组成（图3）。温度采集系统主要包括热电偶、数据采集模块及数据采集软件等。

图3 实验装置图Fig.3 Picture of experimental devices

1.3 实验方法

开始检测前，将已打好孔的待测炭加热卷烟固定在吸烟机上，设置吸烟机的抽吸间隔为60 s，每次抽吸容量为55 ml，抽吸时间为2 s，设置完毕后开启吸烟机同时点燃炭棒开始测量。采用直径为0.1 mm的标准铂铑10－铂热电偶对炭加热卷烟烟草材料段温度进行接触式测温。当炭棒逐渐熄灭或烟草材料发生燃烧时结束实验。本实验中忽略炭加热卷烟同一横截面上的温度差别，将炭加热卷烟燃烧过程简化为纵向一维对流-扩散传热过程。采用打孔机沿纵向中心线对待测炭加热卷烟进行精确打孔，将热电偶布置在打孔位置处。在待测炭加热卷烟上共设置A、B、C、D 4个测点（图4），测点间隔2.5 mm。使用红外热像仪测定炭加热卷烟烟支燃烧时的表面温度。

图4 热电偶测点布置图Fig.4 Temperature measuring points by thermocouples

2 结果与讨论

2.1 炭棒燃烧特点

炭燃烧时，氧气由于存在浓度梯度会向炭表面扩散，在扩散过程中与可燃物结合发生燃烧，因此氧气往往在靠近炭棒附近的区域被消耗殆尽，炭棒表面基本没有氧气存在。据此，可将炭棒表面附近分为两个区域（图5）。区域Ⅰ为紧挨炭棒表面的区域，在该区域内，随着与炭棒距离的增加，与反应区越靠近，温度逐渐增加，CO2浓度随之增加，CO浓度逐渐降低。当CO浓度降低为0时为区域Ⅱ，在此区域内，随着距离的增加，即距离反应区越远，温度和CO2浓度逐渐降低，O2浓度逐渐恢复至大气条件下的水平。因此当通风条件改善时（即发生抽吸时），一方面氧气的供应量增加，使更多的可燃物被氧化，温度升高，另一方面，冷空气会吸收燃烧产生的热量，使温度降低，两种作用相互博弈。

图5 炭棒表面燃烧示意图Fig.5 Surface combustion diagram of carbon rod

2.2 不同炭棒结构烟支的温度曲线

检测6种炭棒结构样品的内部温度，发现炭加热卷烟在抽吸时内部温度随时间变化的曲线会出现温度峰（图6），这是由于抽吸时空气卷入炭加热卷烟内部改变了炭棒的燃烧环境，导致炭加热卷烟温度场分布在抽吸过程中变化较大从而形成温度峰，相邻温度峰间隔为60 s，与抽吸间隔时间相同。

由图6a可见，实心炭棒样品抽吸时的温度峰向下，而另外5个样品的温度峰向上，这是因为到达烟支内部测温点的气流有两个来源，一部分从燃烧端的烟支横截面进入，由于其流经燃烧的炭棒，所以是温度高的热空气，另一部分是从烟支侧壁进入的冷空气。实心炭棒上由于缺乏进气道（孔或槽），导致进入的热空气少而冷空气多。抽吸进行到第8口时，最高温度已高于红色虚线，超过了烟草物质的着火点，之后的最高温度超过700℃，说明烟草物质已被完全引燃，引燃烟草物质的热量主要通过热传导而非对流扩散。

由图6可见，当炭棒结构为内部1孔时，炭棒与烟草材料交界面的最高温度达到800℃，说明烟草材料被引燃，发生在第7口，时间约为370 s；当炭棒结构为内部4孔时，炭棒与烟草材料交接面的最高温度超过了700℃，烟草材料在第6口约310 s时被引燃；当炭棒结构为4孔+4槽时，第5口时烟草材料被引燃，250 s之后交界处的温度已超过着火点。上述差异是由比表面积造成的。实心、内部1孔、内部4孔、内部4孔+外部4槽样品的比表面积依次递增，对应的烟支燃烧时引燃烟草材料的时间依次递减（表3）。比表面积大的炭棒，燃烧速率和放热速率都较大，因此烟草材料的引燃时间更短。

表3 不同结构炭棒的表面积、体积及比表面积Tab.3 Surface area,volume and specific surface area of carbon rods with different structures

图6 炭加热卷烟温度随时间变化曲线Fig.6 Temperature-time curves of carbon-heated tobacco products

当炭棒有外部开槽时，对应的炭加热卷烟内部温度低于炭棒有内部开孔的试验工况，直到炭棒温度升至最高后开始下降（即逐渐熄灭），烟草材料都未着火燃烧。从图6e和图6f可见，炭棒结构为外部2槽的样品炭棒-烟草材料交界面的最高温度为280℃，抽吸时温度升幅约为70℃，而炭棒结构为外部4槽的炭加热卷烟样品，炭棒-烟草材料交界面的最高温度为310℃，抽吸时温度升幅约为100℃，表明炭棒燃烧速率随外部开槽数量的增加而增大，这与其比表面积的增大有关。外部开槽的两种样品不会引燃烟草材料，原因可能是空气可从槽中流入，导致炭棒空间的温度梯度较小，即温度分布较均匀（图7）。此外，有槽的炭棒外表面积大且热量散失多，所以炭棒-烟草材料交界处的温度不会高过着火点。

图7 实心炭棒与外部开槽炭棒温度分布对比Fig.7 Temperature distributions of solid carbon rod and carbon rod with external slots

打孔的炭棒可以引燃烟草材料是因为槽和孔对热量的保持能力差异较大（图8）。炭棒的槽直接与外界环境接触，表面的热量会通过热辐射的方式散失。孔内部具有良好的保温聚热效果，内部氧化反应产生的热量大部分保留在孔内部，且相互辐射促进氧化反应进行，形成正反馈，因此会比实心炭棒更早引燃烟草材料。

图8 外部开槽和内部开孔两种不同结构炭棒的热辐射特点Fig.8 Thermal radiation characteristics of carbon rods with external slots or internal holes

使用红外热像仪拍摄不同结构炭棒烟支样品的燃烧过程，发现不同结构的炭棒在燃烧时通过辐射向外散失的热量不同（图9）。外部有槽炭棒的外表面积比内部有孔的炭棒大，燃烧时大量的热向周围空间辐射，所以红外热像仪检测出的温度更高。因为大量的热散失至环境中，造成有外部开槽的炭棒在相似的比表面积下升温速率较慢，整体温度较低，不会引燃烟丝。实心炭棒因流经的气流少，热量集中，检测出的表面温度最高点高于400℃。内部有孔的炭棒由于抽吸使得热量在轴向上分布较均匀，表面温度稍低，而打孔炭棒之所以能引燃烟草材料则是由于热量在孔的内表面聚集，孔的聚热效应如图8所示。炭棒结构为内部4孔+外部4槽的样品因为比表面积最大，燃烧剧烈，所以检测出的温度最高，烟草材料在第5口就被引燃，时间最短（图9）。

图9 不同结构炭棒样品烟支燃烧时的红外热像图Fig.9 Infrared thermogram of tobacco products with different carbon rod structures during combustion

3 结论

①当炭棒结构为实心时，抽吸过程中炭加热卷烟的炭棒-烟草材料交界处温度随时间变化的曲线会产生向下的温度峰，这是由于实心炭棒自身燃烧速率较低，进入的冷空气比热空气更多，使得短时间内冷空气的散热速率快于热气流加热速率，出现温度峰向下的现象。

②在分析炭棒燃烧对烟丝温度场的影响时应综合考虑炭棒的比表面积和开口结构类型。比表面积决定着炭热源的热释放速率，比表面积越大，热释放速率越大，烟丝段升温越快。开口类型分为内部开孔和外部开槽，孔相对于槽具有明显的聚热效应。当比表面积比较接近时，孔的蓄热能力强，能够使烟丝段快速升温。开槽炭棒空间的温度梯度较小，即温度分布较均匀，加上外表面积大热量散失多，所以内部温度不高。

③炭棒结构为内部1孔、内部4孔、内部4孔+外部4槽和实心结构的炭加热卷烟在燃烧后期，烟支烟草材料段的温度均超出烟草材料的着火点温度，不满足炭加热卷烟加热不燃烧的要求。而炭棒结构为外部2槽和外部4槽的炭加热卷烟，其烟草材料段的温度均未超过烟草材料的着火点，满足炭加热卷烟加热不燃烧的要求。