基于可控等值比法的烟草燃烧CO释放量分析方法及分析装置

摘要

本发明公开了一种基于可控等值比法的烟草燃烧CO释放量分析方法及分析装置，所述方法通过调控等值比

说明书

技术领域：

本发明涉及一种基于可控等值比法的烟草燃烧CO释放量分析方法及分析装置，属于烟草燃烧产物检测分析技术领域。 

背景技术：

烟草燃烧CO释放量能够直接反映烟草的燃烧特性和烟气毒性，与其卷烟主流烟气中CO形成密切相关，是影响卷烟质量稳定和衡量烟草综合品质的重要指标。CO释放特性与材料所处燃烧环境密切相关，对于烟草来说，其燃烧CO释放量的测量只有在接近卷烟燃烧环境的条件下才更具有价值和实际意义。现阶段，大量实验和数值模拟结果已经证实，卷烟燃烧锥内部处于贫氧富氢的燃烧状态。卷烟阴燃时的加热速率在5-20℃/s，而卷烟抽吸过程中的加热速率则最高可达500℃/s，平均加热速率也有30℃/s。 

常规分析方法如热重红外联用和热重质谱联用等手段，在进行烟草CO释放量分析上存在着明显缺陷。首先，其仅能对CO生成量进行定性分析和半定量，无法做到精确定量；其次，其实验所用样品量过小，通常为毫克级的样品，一方面造成实验结果受样品均匀性影响较大，重复性差，测量误差大，另一方面其实验过程主要反映烟草的热解行为，与实际燃烧有较大差异；最后，热重分析装置受到其加热单元的功能限制，无法实现对样品的快速加热（普通加热炉最大加热速率仅为3℃/s），导致样品升温速率与卷烟阴燃和吸燃加热环境相差甚远。 

ISO19700标准“可控等值比法测定火灾燃烧流出物有害成分”中提出了等值比的概念，具体指燃料的产生速率（v_燃料）与空气的供给速率（v_空气）的比值，如下式所示， 

当>1时，分别代表材料在空气充足，化学当量比时和贫氧条件下的稳态燃烧。其中，的物理含义是指燃料中的各元素充分燃烧时空气供应量。因此，通过控制等值比以及温度就能模拟卷烟贫氧燃烧环境。同时，标准ISO19700中提出的稳态燃烧管式炉可实现对宏量烟草的快速加热，该升温速率也接近卷烟阴燃和吸 燃时的加热环境。 

综上可以看出，基于可控等值比法的稳态燃烧管式炉可准确模拟卷烟燃吸时的燃烧环境，对特定燃烧环境下产生的CO进行采集并加以定量分析汇总，便可以对烟草在模拟卷烟燃烧环境下的CO释放量进行准确测量。然而现阶段，该技术在国内外烟草行业尚未见相关研究报道。开发出基于可控等值比法的烟草燃烧CO释放量在线分析方法和装置，将丰富并完善烟草和烟草制品质量安全综合评价体系，为烟叶原料质量评价和保障、卷烟设计开发和品质提升提供重要技术支撑，对于“减害降焦”等重大专项关键技术突破具有积极的推动作用。 

发明内容：

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于可控等值比法的烟草燃烧CO释放量分析方法及分析装置，所要解决的技术问题是实现对卷烟燃烧环境的准确模拟和在此环境下烟草燃烧CO释放量的精确测量。 

本发明解决技术问题采用如下技术方案： 

基于可控等值比法的烟草燃烧CO释放量分析方法，其包括如下步骤： 

步骤1：计算理论耗氧量； 

烟草样品经元素分析，得到C，H，O，S和N的百分含量，设定这五种元素组成的化合物通式为C_xH_yO_zS_pN_q，则在空气中恰好充分燃烧的化学式如式（1）， 

$C_x{H}_y{O}_z{S}_p{N}_q+t{O}_2+r{N}_2=x{\mathrm{CO}}_2+\frac{y}{2}{H}_{2}O+p{\mathrm{SO}}_2+q{\mathrm{NO}}_2+r{N}_2$    式(1) 

式（1）中则1g该烟草样品恰好充分燃烧时所需空气的体积如式（2）， 

    式(2) 

式（2）中b为C、H、O、S和N五种元素的质量分数总和；M为C_xH_yO_zS_pN_q的分子量，即M＝12x+y+16z+32p+14q；R为理想气体常数；P为测试气体的压力；T为测试气体的温度；则1g该烟草样品充分燃烧所消耗的空气量如式（3）， 

    式(3) 

步骤2：计算实际空气供应量和样品供应量； 

选取等值比根据等值比公式（4）， 

    式（4） 

计算出烟草样品的实际推进速度与空气的供给速度之比，如式（5）， 

    式（5） 

设定燃料的供给速率为(v_燃料)_实际，则空气的实际流量为： 

    式（6） 

式（6）中燃料供给速率由载样器长度L、载样器推进速率v以及烟草样品质量W来计算，具体如式（7）， 

    式（7） 

式（7）基于以下处理：W g烟草样品要均匀铺在测量装置内L cm的载样器上； 

步骤3：根据式（6）和式（7），设定仪器参数，待其稳定后，准确称量经预处理的Wg烟草样品均匀铺在L cm载样器上，开始实验并实时测量一氧化碳体积浓度和温度；所述预处理步骤按照标准GB/T16447-2004进行； 

步骤4：计算单位质量烟草燃烧CO释放量； 

（a）计算单位时间内烟草燃烧生成CO质量； 

选取一氧化碳体积分数Vol_co随时间变化波动在±15%以内的区间，此时可视为稳态，求取一氧化碳体积分数在该区间内的平均值如公式（8）， 

$\overline{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{co}}}=\frac{{\int }_{t_1}^{t_2}{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{co}}\mathrm{dt}}{t_2-t_1}$    式（8） 

式（8）中t₁、t₂分别是选取的稳态区间的起点和终点； 

在整个燃烧过程中，用于燃烧烟草的一级进气流量为V₁l·min^-1，用于燃烧产物冷却稀释的二级进气流量为V₂l·min^-1，这里规定V₂≥10V₁，由于一级进气中氧气含量只有21%，而且其体积数的降低弥补了烟草裂解燃烧生成的气体，因此燃烧导致的双级进气体积变化很小，经计算，变化率在±3%以内，其对体积的影响可以忽略，也就是说，最终气体总量仍为（V₁+V₂）l·min^-1，所以单位时间内生成CO的体积如式（9）： 

$V_{\mathrm{co}}=(V_1+V_2)\overline{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{co}}}$    式（9） 

那么单位时间内生成CO质量为， 

$v_{\mathrm{CO}}=\frac{{\mathrm{PV}}_{\mathrm{co}}{M}_{\mathrm{co}}}{\mathrm{RT}}$    式（10） 

式（10）中P为环境大气压；T为气体的温度；M_co是CO的分子量； 

（b）计算单位质量的烟草燃烧生成CO质量 

根据公式（7）和公式（10），计算单位质量的烟草燃烧生成CO质量如式（11）， 

    式（11）。 

本发明基于可控等值比法的烟草燃烧CO释放量分析装置，其包括： 

环形加热炉及环形加热炉控制器，石英管设于所述环形加热炉内的一端为加热端，另一端为非加热端，在所述非加热端设有密封件，石英舟设于所述石英管内并由外部的步进电机推动能够在石英管内匀速移动，在所述密封件上设有两个通孔用于供气管路通路和步进电机传动通路，所述供气管路上设有一级进气流量计； 

所述环形加热炉的出气端连接稀释箱，所述稀释箱上连接有泄压阀及二级进气管路，在所述二级进气管路上设有二级进气流量计； 

非散射红外仪通过管路与所述稀释箱连通，并在连通管路上设有过滤器，所述非散射 红外仪后部连通有真空泵及CO浓度记录仪。 

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在： 

1、更加准确地模拟卷烟燃烧环境。本发明基于可控等值比原理设计开发，通过调控等值比可准确控制燃烧过程中的氧气浓度、加热速率和气体流量等关键燃烧要素，从而实现卷烟燃烧环境的准确模拟。 

2、实现了烟草燃烧CO释放量的精确在线测量。本发明基于可控等值比法使宏量烟草在设定燃烧环境下进行稳态燃烧，结合非散射红外仪实现了烟草CO释放量的精确测量。 

附图说明：

图1为本发明中烟草燃烧CO释放量测试装置示意图。 

图2为样品A在以及550℃燃烧时CO浓度随时间变化曲线。 

图3为样品B在以及550℃燃烧时CO浓度随时间变化曲线。 

图4为样品C在以及750℃燃烧时CO浓度随时间变化曲线。 

图5样为品D在以及850℃燃烧时CO浓度随时间变化曲线。 

表1本发明所用的烟草样品的具体信息。 

表2本发明所用的烟草样品的元素分析结果。 

图中标号：1一级进气流量计，2步进电机，3石英管，4石英舟，5烟草样品，6环形加热炉，7环形加热炉控制器，8稀释箱，9二级进气流量计，10泄压阀，11过滤器，12非散射红外仪，13CO浓度记录仪，14真空泵。 

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。 

具体实施方式：

本发明基于可控等值比法的烟草燃烧CO释放量分析装置，其包括： 

环形加热炉6及环形加热炉控制器7，石英管3设于所述环形加热炉内的一端为加热端，另一端为非加热端，在所述非加热端设有密封件，石英舟4设于所述石英管内并由外部的步进电机2推动能够在石英管内匀速移动，在所述密封件上设有两个通孔用于供气管路通路和步进电机传动通路，所述供气管路上设有一级进气流量计1； 

所述环形加热炉6的出气端连接稀释箱8，所述稀释箱上连接有泄压阀10及二级进气管路，在所述二级进气管路上设有二级进气流量计9； 

非散射红外仪12通过管路与所述稀释箱连通，并在连通管路上设有过滤器11，所述 非散射红外仪12后部连通有真空泵14及CO浓度记录仪13。 

可采用上述装置对烟草燃烧CO释放量进行分析，实施例如下： 

实施例1：本实施例是对烟叶样品A燃烧时CO释放量的测算方法。 

烟草样品A经元素分析结果如表2所示，碳、氢、氧、氮、硫这五种元素的质量总和为90.279%，经计算，1g该烟草样品充分燃烧后的消耗空气的体积为5.028L（温度为25度，压力为一个大气压）。取等值比为1.0，则可得到 

取烟草样品20g均匀的平铺在80cm的石英舟上，石英舟的推进速度为3cm/min，则燃料的供给速度为20g÷80cm×3cm/min=0.75g/min，则空气的流量为0.75g/min÷0.199g/l≈3.77L/min。 

石英舟以3cm/min的速度推进550℃燃烧炉，保持一级进气（用于供应燃烧）与二级进气（用于稀释和冷却燃烧产物）分别为3.77L/min和46.23L/min，同时开启与非散射红外仪相连的真空泵，调节抽取气体的流量为1L/min。根据样品A燃烧生成的CO的体积分数随时间的变化曲线（如图2所示），可以看出其在400～800s之间波动较小，将该区间内CO体积分数加和后取平均得到平均体积分数为： 

$\overline{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{co}}}=\frac{{\int }_{400}^{300}{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{co}}\mathrm{dt}}{800-400}=0.0166\%$

在整个燃烧过程中，用于燃烧烟叶的一阶进气流量为3.77L/min，而其中只有21%的氧气，也即0.79L/min氧气，这些氧气用于燃烧0.75g/min的烟叶；用于燃烧产物稀释的二阶进气流量为46.23L/min，因此，燃烧产生的气体在双阶进气的总量中含量很低，其对体积的影响可以忽略，也就是说，最终气体总量仍视为50L/min。这样就能得到1min内生成的CO的体积： 

$V_{\mathrm{co}}=50L\times \overline{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{co}}}=50L\times 0.0166\%=0.0083L$

1分钟内生成的CO的质量为： 

$v_{\mathrm{co}}=\frac{{\mathrm{PV}}_{\mathrm{co}}{M}_{\mathrm{co}}}{\mathrm{RT}}=0.00947g·{\min }^{-1}$

其中P为一个大气压，M_co为CO分子量，T为气体稳态时的温度，测试结果为25.8℃； 

所以1g烟叶A在550℃以及等值比时燃烧生成的CO质量为： 

实施例2：本实施例是对烟叶样品B燃烧时CO释放量的测算方法。 

烟草样品B经元素分析结果如表2所示，碳、氢、氧、氮和硫这五种元素的质量总和为90.189%，经计算，1g该烟草样品充分燃烧后的消耗空气的体积为4.7145L（温度为25度，压力为一个大气压）。取等值比为4.0，则可得到 

取该烟草样品40g均匀的平铺在80cm的石英舟上，石英舟的推进速度为6cm/min，则燃料的供给速度为40g÷80cm×6cm/min=3g/min，则空气的流量为3g/min÷0.8484g/l=3.54L/min。 

石英舟以6cm/min的速度推进550℃燃烧炉，保持一级进气（用于供应燃烧）与二级进气（用于稀释和冷却燃烧气体）分别为3.54L/min和46.46L/min,同时开启与非散射红外仪相连的真空泵，调节抽取气体的流量为1L/min。根据B燃烧生成的CO的体积分数随时间的变化曲线（如图3所示），可以看出其在500～950s之间较为平稳，将该区间内CO体积分数加和后取平均得到平均体积分数为： 

$\overline{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{co}}}=\frac{{\int }_{500}^{900}{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{co}}\mathrm{dt}}{900-500}=0.3205\%$

在整个燃烧过程中，用于燃烧烟叶的一阶进气流量为3.54L/min，而其中只有21%的氧气，也即0.74L/min氧气，这些氧气用于燃烧3g/min的烟叶；用于燃烧产物稀释的二阶进气流量为46.46L/min，因此，氧化裂解产生的气体在双阶进气的总量中含量很低，其对体积的影响可以忽略，也就是说，最终气体总量仍视为50L/min。这样就能得到1min内生成的CO的体积： 

$V_{\mathrm{co}}=50L\times \overline{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{co}}}=50L\times 0.3205\%=0.1603L$

1分钟内生成的CO的质量为： 

$v_{\mathrm{co}}=\frac{{\mathrm{PV}}_{\mathrm{co}}{M}_{\mathrm{co}}}{\mathrm{RT}}=0.1835g·{\min }^{-1}$

其中P为一个大气压，M_co为CO分子量，T为气体稳态时的温度，测试结果为24.9℃； 

所以1g烟叶B在550℃以及等值比时燃烧生成的CO质量为： 

实施例3：本实施例是对烟叶样品C燃烧时CO释放量的测算方法。 

烟草样品C经元素分析结果如表2所示，碳、氢、氧、氮和硫这五种元素的质量总和为93.916%，经计算，1g该烟草样品充分燃烧后的消耗空气的体积为4.8831L（温度为25度，压力为一个大气压）。取等值比为2.0，则可得到 

取该烟草样品25g均匀的平铺在80cm的石英舟上，石英舟的推进速度为5cm/min，则燃料的供给速度为25g÷80cm×5cm/min=1.5625g/min，则空气的流量为1.5625g/min÷0.41g/l=3.81L/min。 

石英舟以5cm/min的速度推进750℃燃烧炉，保持一级进气（用于供应燃烧）与二级进气（用于稀释和冷却燃烧气体）分别为3.81L/min和46.19L/min,同时开启与非散射红外仪相连的真空泵，调节抽取气体的流量为1L/min。根据B燃烧生成的CO的体积分数随时间的变化曲线（如图4所示），可以看出其在500～850s之间较为平稳，将该区间内CO体积分数加和后取平均得到平均体积分数为： 

$\overline{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{co}}}=\frac{{\int }_{500}^{850}{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{co}}\mathrm{dt}}{850-500}=0.454\%$

在整个燃烧过程中，用于燃烧烟叶的一阶进气流量为3.81L/min，而其中只有21%的氧气，也即0.8L/min氧气，这些氧气用于燃烧1.5625g/min的烟叶；用于燃烧产物稀释的二阶进气流量为46.19L/min，因此，氧化裂解产生的气体在双阶进气的总量中含量很低，其对体积的影响可以忽略，也就是说，最终气体总量仍视为50L/min。这样就能得到1min内生成的CO的体积： 

$V_{\mathrm{co}}=50L\times \overline{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{co}}}=50L\times 0.454\%=0.227L$

1分钟内生成的CO的质量为： 

$v_{\mathrm{co}}=\frac{{\mathrm{PV}}_{\mathrm{co}}{M}_{\mathrm{co}}}{\mathrm{RT}}=0.2597g·{\min }^{-1}$

所以1g烟叶B在750℃以及等值比时燃烧生成的CO质量为： 

实施例4：本实施例是对烟叶样品D燃烧时CO释放量的测算方法。 

烟草样品D经元素分析结果如表2所示，碳、氢、氧、氮和硫这五种元素的质量总和为92.381%，经计算，1g该烟草样品充分燃烧后的消耗空气的体积为4.8628L（温度为25 度，压力为一个大气压）。取等值比为2.0，则可得到 

取该烟草样品20g均匀的平铺在80cm的石英舟上，石英舟的推进速度为5cm/min，则燃料的供给速度为20g÷80cm×5cm/min=1.25g/min，则空气的流量为1.25g/min÷0.4113g/l=3.04L/min。 

石英舟以5cm/min的速度推进850℃燃烧炉，保持一级进气（用于供应燃烧）与二级进气（用于稀释和冷却燃烧气体）分别为3.04L/min和46.96L/min,同时开启与非散射红外仪相连的真空泵，调节抽取气体的流量为1L/min。根据D燃烧生成的CO的体积分数随时间的变化曲线（如图5所示），可以看出其在350～700s之间较为平稳，将该区间内CO体积分数加和后取平均得到平均体积分数为： 

$\overline{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{co}}}=\frac{{\int }_{350}^{700}{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{co}}\mathrm{dt}}{700-350}=0.5303\%$

在整个燃烧过程中，用于燃烧烟叶的一阶进气流量为3.04L/min，而其中只有21%的氧气，也即0.64L/min氧气，这些氧气用于燃烧1.25g/min的烟叶；用于燃烧产物稀释的二阶进气流量为46.96L/min，因此，氧化裂解产生的气体在双阶进气的总量中含量很低，其对体积的影响可以忽略，也就是说，最终气体总量仍视为50L/min。这样就能得到1min内生成的CO的体积： 

$V_{\mathrm{co}}=50L\times \overline{{\mathrm{Vol}}_{\mathrm{co}}}=50L\times 0.3102\%=0.2652L$

1分钟内生成的CO的质量为： 

$v_{\mathrm{co}}=\frac{{\mathrm{PV}}_{\mathrm{co}}{M}_{\mathrm{co}}}{\mathrm{RT}}=0.3035g·{\min }^{-1}$

所以1g烟叶D在850℃以及等值比时燃烧生成的CO质量为： 

表1本发明所用的烟草样品的具体信息。 

表2本发明所用的烟草样品的元素分析结果。 

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