炭供热体组成和成型结构对其供热性能的影响研究

摘要

炭加热型卷烟供热体的燃烧及供热性能直接决定了加热非燃烧状态下烟草原料化学组分释放量，因此炭供热体所用材料及成型后炭供热体的燃烧特性对炭加热型卷烟的感官质量有着重要的影响，是该类卷烟产品研究的重点。本文以炭加热型卷烟用供热体为研究目标，主要研究内容包括以下几个方面：
　　以烟草秸秆为生物质碳源，系统地研究了不同水热温度和反应时间对烟杆水热炭表观形貌、化学组成、燃烧特性及燃烧动力学的影响。结果表明：经过水热反应后烟杆的表观形貌遭到严重破坏，碳元素含量提高到46.5-65.2％，而氢和氧元素含量则分别降低至5.2-5.8%和16.2-42.1%；烟杆水热炭具有较低的挥发分含量（42.4-75.7%），而固定碳含量（15.6-48.8%）和高位热值（18.7-27.2 MJ·kg-1）均较高；烟杆水热炭和烟杆本身的BET比表面积和孔容积均较小，燃烧过程中的失重率、燃烧温度区间和燃烧特征温度具有显著差异；烟杆水热炭在第二、三个燃烧温度区间的活化能分别介于43.7-74.8kJ/mol和46.7-85.8kJ/mol之间，而对于烟杆本身，分别只有46.1 kJ/mol和41.5 kJ/mol。以上结果说明水热反应可以显著提高烟杆作为燃料炭的潜在应用价值，有助于为下一步炭供热体的选材提供参考。
　　选用纤维素和烟梗作为碳源，分别在350℃、550℃、750℃和950℃下热解制备得到热解炭，通过组成和燃烧特性分析考察了热解炭的燃烧特性。结果表明：随着热解温度的提高，纤维素热解炭中碳元素、固定碳含量和高位热值显著升高，氢、氧元素和挥发分含量则明显下降，燃烧特性曲线逐渐往高温区移动，着火温度和燃尽温度升高，燃烧失重及放热区间变窄；对于烟梗热解炭，随着热解温度的提高，碳元素和固定碳含量升高，但较纤维素热解炭的碳元素和固定碳含量低；将上述几种纤维素热解炭进行相应比例混合，能够得到具有低引燃性、高放热量、放热区间宽且燃烧过程较稳定的混合炭材料；不同热解温度得到的烟梗热解炭燃烧特性曲线无明显规律，燃烧区间较集中，不适合通过上述物理掺混的方法对混合炭材料燃烧性能进行调控。
　　建立并设计开发了一套实验室用小型炭供热体成型工艺体系和一套可燃材料热性能检测装置，提供了一种测定炭加热型卷烟供热体引燃温度、燃尽温度和燃烧持续时间的方法，弥补了目前对炭供热体燃烧特征温度检测的空白。
　　选用木炭和竹炭、淀粉水热炭（HTC-S）和烟杆水热炭（HTC-TS）分别作为热解炭和水热炭材料代表，研究了原料组成和成型结构对炭供热体燃烧性能的影响。结果表明：两种热解炭材料的碳元素含量、固定碳含量、高位热值和着火温度均显著高于所用水热炭材料，而氢、氧元素含量与水热炭材料相比较低。用竹炭和木炭制备得到的供热体着火温度显著高于HTC-S和HTC-TS制备得到的供热体，且由可燃材料热性能检测装置得到的炭供热体着火温度均高于热重分析仪所测得的单组分炭材料，燃尽温度、燃烧持续时间和燃烧最高温度的变化趋势一致，从高到低依次均为木炭供热体、竹炭供热体、淀粉水热炭供热体和烟杆水热炭供热体；不同成型结构供热体燃烧特性差异主要表现为：随着供热体底面积增大，着火温度逐渐下降，随着供热体体积增大，燃烧持续时间逐渐延长，燃尽温度和燃烧最高温度在供热体体积相差较大时有显著差异。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 新型烟草制品研究现状及发展趋势

1.2 生物质炭材料的制备

1.3 生物质炭材料燃烧特性

1.4 炭材料成型研究

1.5 成型炭材料燃烧特性

1.6 研究目的与研究内容

第二章 烟杆水热炭的制备及燃烧特性分析

2.1 实验部分

2.2 结果与讨论

2.3 本章小结

第三章 热解炭材料燃烧性能调控研究

3.1 实验部分

3.2 结果与讨论

3.3 本章小结

第四章 炭供热体成型工艺及其燃烧性能研究

4.1 实验部分

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 建议与展望

参考文献

作者简介

致谢