CN108872145B - 一种炭加热卷烟供热体材料逐口燃烧放热量的测量方法 - Google Patents

一种炭加热卷烟供热体材料逐口燃烧放热量的测量方法 Download PDF

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Abstract

一种炭加热卷烟供热体材料逐口燃烧放热量的测量方法，其特征在于：利用可调谐二极管激光吸收光谱技术检测炭供热体在逐口抽吸过程中烟气中的一氧化碳、二氧化碳、氧气含量，进而获得供热体材料在该口抽吸中生成的一氧化碳、二氧化碳量和消耗的氧气量，结合炭供热体的低位热值和元素分析数据，经过化学计量学推导和数学运算过程，即可得到该抽吸过程中供热体材料的燃烧放热量。本发明为有效测定供热体材料在不完全燃烧时的放热量提供了一种较为完整、可行的方案，同时可实现检测炭供热体逐口消耗量，为调整炭供热体配方提供了一种技术手段。

Description

一种炭加热卷烟供热体材料逐口燃烧放热量的测量方法
技术领域
本发明涉及一种测量炭加热卷烟供热体材料燃烧放热量的方法，具体是通过化学反应计量的方法，利用抽吸过程烟气中一氧化碳、二氧化碳和氧气等含量变化，计算出抽吸过程中供热体逐口的放热量，本发明属于烟用材料质量检测领域。
背景技术
随着烟草业的发展，烟草制品也在不断发生变化，近年来随着人们对健康要求的提高和国内外控烟政策的日益严苛，传统卷烟产品的销量呈现下滑的趋势，世界上几大烟草公司都加大了对于新型烟草制品研发的投入。相比于其他新型烟草制品，炭加热卷烟在产品外形、抽吸方式和感官体验等方面最接近传统卷烟，具有其独特的价值和意义，因此其受到各大烟草公司的广泛关注。
传统卷烟的燃吸过程是一个经典的自持循环过程，烟气中的香味物质和有害物质均来源于烟草燃烧、热解及初始产物的二次反应等一系列复杂过程，而炭加热卷烟是通过气流加热、辅材导热和辐射传热等方式将热量传递至烟草材料，从而释放出烟碱和香味物质，因此炭加热卷烟与传统卷烟类似，烟气的组成及浓度与燃吸过程中供热体材料产生的热量密切相关。
在烟支结构和辅材指标确定的前提下，供热体的性质，尤其是燃烧特性对于炭加热卷烟质量有非常重要的影响。燃烧热通常是利用量热法和热分析法获得，这些方法已应用于评价烟草原料的燃烧特性，然而针对炭加热卷烟及其供热体材料，由于其特殊结构和贫氧的燃烧环境，上述方法不适用于评价炭加热卷烟供热材料燃吸过程中释放的热量。
各类燃料燃烧消耗氧气并产生二氧化碳、一氧化碳和水等，消耗的氧气或生成的二氧化碳、一氧化碳和水与燃烧产生的热量正相关。较传统卷烟，炭加热卷烟用的卷烟纸材料渗透系数很低，抽吸过程中空气仅从烟支前段进入烟支，参与供热材料的燃烧反应，并且燃烧烟气不会经卷烟纸向外扩散。利用我们已经设计并实现的动态检测卷烟烟气组分的装置和方法(CN201610998074.8、CN201610998097.9、CN201721224975.8、CN201710867881.0和CN201621220165.0等)，通过化学计量学便可计算出炭加热卷烟供热体材料的逐口燃烧热。本专利为评价炭加热卷烟供热体燃烧特性态及研究放热量与烟气间的关系提供了一种新的方法。
发明内容
本发明主要解决的技术问题在于，针对炭加热卷烟供热体的结构及受限燃烧的特点，提供一种通过燃烧烟气组分测量燃烧热的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
利用可调谐二极管激光吸收光谱技术检测炭供热体在逐口抽吸过程中烟气中的一氧化碳、二氧化碳、氧气含量，进而获得供热体材料在该口抽吸中生成的一氧化碳、二氧化碳量和消耗的氧气量，结合炭供热体的低位热值和元素分析数据，经过化学计量学推导和数学运算过程，即可得到该抽吸过程中供热体材料的燃烧放热量。该方案具体步骤包括：
1.使用元素分析仪测定供热体材料的碳(ωC)、氢(ωH)、氧(ωO)元素含量，根据元素分析结果，将炭供热体的化学组成表达为CH2mOn，其中
Figure BDA0001642569120000021
Figure BDA0001642569120000022
使用氧弹量热仪测定炭供热体材料在完全燃烧时的燃烧热值△H1，单位kJ/g，该过程化学反应式为：
Figure BDA0001642569120000023
对于单位质量的炭供热体，
Figure BDA0001642569120000024
2.假设入口气体和出口气体的温度、压力相等，体积分别为V1和V2，燃烧过程中氮气不发生反应，且计算时忽略惰性气体的影响。将大气中一氧化碳、二氧化碳、氧气和水分的体积浓度表示为[CO]1、[CO2]1、[O2]1、[H2O]1，通过滤嘴端烟气中的一氧化碳、二氧化碳和氧气的体积浓度表示为[CO]2、[CO2]2、[O2]2。
根据质量守恒原理，炭供热体燃烧过程可用下式表示：
y(CH2mOn)+(fO2+gN2+hCO2+kH2O)→pCO2+rCO+sH2O+tO2+uN2 (5)
其中，y,f,g,h,k,p,r,s,t,u均为物质的量，则：
f＝[O2]1·V1 (6)
h＝[CO2]1·V1 (7)
p＝[CO2]2·V2 (8)
r＝[CO]2·V2 (9)
t＝[O2]2·V2 (10)
根据反应前后化学元素守恒，可知：
碳：y+h＝p+r (11)
氢：2my+2k＝2s (12)
氧：ny+2f+2h+k＝2p+r+s+2t (13)
氮：2g＝2u (14)由(6)～(14)联立可解得：
y＝p+r-h＝[CO2]2·V2+[CO]2·V2-[CO2]1·V1 (15)
s＝my+k (16)
u＝g (17)
Figure BDA0001642569120000031
即：
Figure BDA0001642569120000032
Figure BDA0001642569120000041
合并同类项后得：
Figure BDA0001642569120000042
将式(20)带入到式(15)便可求解出逐口抽吸过程中消耗的炭供热体材料
的量y：
Figure BDA0001642569120000043
若只计逐口抽吸过程中实际发生反应的物质，其反应方程式为：
(CH2mOn)y(s)+(f-t)O2(g)→(p-h)CO2(g)+rCO(g)+(s-k)H2O(g)ΔH2 (22)
引入标准质量生成焓的概念：规定在标准压力和298K条件下，由最稳定的单质合成标准压力下单位质量物质A的反应焓变，叫做物质A的标准质量生成焓，为了与标准摩尔生成焓区分，用符号ΔfHw(A，相态,298K)表示，单位为kJ/g，由此可知标准质量生成焓和标准摩尔生成焓存在如下关系：
Figure BDA0001642569120000044
则反应热、标准摩尔生成焓与标准质量生成焓之间的关系为：
Figure BDA0001642569120000045
那么，对于式(3)，有：
ΔfHw(CH2mOn,s,298K)＝z[44.009×ΔfHw(CO2,g,298K)+18.015m×ΔfHw(H2O,l,298K)]-ΔH1
(25)
代入到式(22)可求△H2，同理可求燃烧完全生成CO时的反应热ΔH3。
Figure BDA0001642569120000051
进而可知每消耗1g氧气，完全燃烧时对应的放热量
Figure BDA0001642569120000052
不完全燃烧时放热量
Figure BDA0001642569120000053
燃烧生成1g CO2放热量
Figure BDA0001642569120000054
生成1g CO放热量
Figure BDA0001642569120000055
用多种不同元素含量的供热体材料进行实验后，通过拟合可以得到△H2和q1、q2、q3之间的数学关系。
3.假设大气的湿度为H，氧气的体积分数为21％，Vm为标准摩尔体积，那么入口气体各组分的浓度可表示为：
Figure BDA0001642569120000056
Figure BDA0001642569120000057
Figure BDA0001642569120000058
Figure BDA0001642569120000059
Figure BDA00016425691200000510
[CO]1＝0 (36)
此外，用一系列已知浓度的氧气、二氧化碳和一氧化碳的标准气体对卷烟烟气气相物监测装置进行标定，获得氧气、二氧化碳和一氧化碳的工作曲线；进而，在设定的抽吸模式下，获得供热体逐口燃烧烟气中一氧化碳、二氧化碳和氧气的浓度，即[O2]2、[CO2]2和[CO]2。
4.根据逐口抽吸过程前后氧气、二氧化碳和一氧化碳浓度变化情况，利用式(21)和式(28-30)即可计算出在该抽吸模式下的炭供热体逐口的释热量。
本发明为有效测定供热体材料在不完全燃烧时的放热量提供了一种较为完整、可行的方案，同时可实现检测炭供热体逐口消耗量，为调整炭供热体配方提供了一种技术手段。
附图说明
图1为测量CO含量使用的标准曲线图。
图2为测量CO2含量使用的标准曲线图。
图3为测量O2含量使用的标准曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的操作过程进行进一步的说明:
样品为实验室制备成型的几种供热体材料；
1.使用元素分析仪测定供热体材料的C、H、O元素含量
根据元素分析仪的操作规范，先将样品烘干，然后进行称量和制样，每个样品制3个样，记录样品质量。检测前需在操作程序中选择CHNS模式(仪器中可以选择该模式)，并以磺胺作为标准样，对仪器进行标定。标定后进行样品的元素分析，每种样品3个样分析结果取平均即可得到样品的ωC、ωH、ωO。测得样品元素含量及计算得到的m、n如下表：
表1供热体材料样品元素分析
Figure BDA0001642569120000061
2.使用氧弹量热仪测定供热体材料的热值
根据氧弹量热仪操作规范，称量约0.3g的样品放入坩埚中，记录样品准确质量，称量并记录连接触发器的金属丝和棉线质量，按照规范连接触发器。连好后，充入高压氧气，放入恒温水中，开始测试。测得样品高位热值如下表：
表2供热体材料样品热值
Figure BDA0001642569120000062
3.使用TDLAS装置测定CO、CO2、O2出口浓度
首先设定装置吸入气体频率每分钟一次，抽吸时间2秒，每次吸入体积V1＝35mL，然后用配制好的一定梯度的标准浓度的气体对装置进行标定，做出标准曲线如说明书附图1～3。标定完成后，点燃供热体材料使其燃烧气进入装置，将每种气体每口的浓度取平均即可作为出口浓度。
表3供热体材料第五、六口燃烧气检测结果
Figure BDA0001642569120000071
4.运用已知条件进行计算推导
以第5口为例：
湿度计读出湿度H＝0.10，由(32)-(35)可得：
[H2O]1＝6.192mmol/L，[O2]1＝8.072mmol/L，[CO2]1＝0.01153mmol/L。
将[CO2]1、[O2]1、[CO]2、[CO2]2、[O2]2代入(20)得：V2＝36.68mL
则由(8)-(10)、(15)得：
p＝163.9μmol，r＝49.17μmol，t＝81.96μmol，y＝p+r-h＝212.7μmol。
由(22)-(23)得：ΔH2＝-34.09kJ/g，ΔfHw(CH2mOn,s,298K)＝0.647kJ/g。
同理计算得到第6口的相关数据汇总如下表4：
表4供热体材料第五、六口燃烧气计算结果
Figure BDA0001642569120000072

Claims (1)

1.一种炭加热卷烟供热体材料逐口燃烧放热量的测量方法，其特征在于：利用可调谐二极管激光吸收光谱技术检测炭供热体在逐口抽吸过程中烟气中的一氧化碳、二氧化碳、氧气含量，进而获得供热体材料在该口抽吸中生成的一氧化碳、二氧化碳量和消耗的氧气量，结合炭供热体的低位热值和元素分析数据，经过化学计量学推导和数学运算过程，即可得到该抽吸过程中供热体材料的燃烧放热量；具体步骤如下：
1).使用元素分析仪测定供热体材料的碳、氢、氧元素含量ωC、ωH、ωO，根据元素分析结果，将炭供热体的化学组成表达为CH2mOn，其中
Figure FDA0002521599850000011
Figure FDA0002521599850000012
使用氧弹量热仪测定炭供热体材料在完全燃烧时的燃烧热值△H1，单位kJ/g，该过程化学反应式为：
Figure FDA0002521599850000013
对于单位质量的炭供热体，
Figure FDA0002521599850000014
2).假设入口气体和出口气体的温度、压力相等，体积分别为V1和V2，燃烧过程中氮气不发生反应，且计算时忽略惰性气体的影响；将大气中一氧化碳、二氧化碳、氧气和水分的体积浓度表示为[CO]1、[CO2]1、[O2]1、[H2O]1，通过滤嘴端烟气中的一氧化碳、二氧化碳和氧气的体积浓度表示为[CO]2、[CO2]2、[O2]2；
根据质量守恒原理，炭供热体燃烧过程可用下式表示：
y(CH2mOn)+(fO2+gN2+hCO2+kH2O)→pCO2+rCO+sH2O+tO2+uN2 (5)
其中，y,f,g,h,k,p,r,s,t,u均为物质的量，则：
f＝[O2]1·V1 (6)
h＝[CO2]1·V1 (7)
p＝[CO2]2·V2 (8)
r＝[CO]2·V2 (9)
t＝[O2]2·V2 (10)
根据反应前后化学元素守恒，可知：
碳：y+h＝p+r (11)
氢：2my+2k＝2s (12)
氧：ny+2f+2h+k＝2p+r+s+2t (13)
氮：2g＝2u (14)
由(6)～(14)联立可解得：
y＝p+r-h＝[CO2]2·V2+[CO]2·V2-[CO2]1·V1 (15)
s＝my+k (16)
u＝g (17)
Figure FDA0002521599850000021
即：
Figure FDA0002521599850000022
合并同类项后得：
Figure FDA0002521599850000031
将式(20)带入到式(15)便可求解出逐口抽吸过程中消耗的炭供热体材料的量y：
Figure FDA0002521599850000032
若只计逐口抽吸过程中实际发生反应的物质，其反应方程式为：
(CH2mOn)y(s)+(f-t)O2(g)→(p-h)CO2(g)+rCO(g)+(s-k)H2O(g) ΔH2 (22)
引入标准质量生成焓的概念：规定在标准压力和298K条件下，由最稳定的单质合成标准压力下单位质量物质A的反应焓变，叫做物质A的标准质量生成焓，为了与标准摩尔生成焓区分，用符号ΔfHw(A，相态,298K)表示，单位为kJ/g，由此可知标准质量生成焓和标准摩尔生成焓存在如下关系：
Figure FDA0002521599850000033
则反应热、标准摩尔生成焓与标准质量生成焓之间的关系为：
Figure FDA0002521599850000034
那么，对于式(3)，有：
ΔfHw(CH2mOn,s,298K)＝z[44.009×ΔfHw(CO2,g,298K)+18.015m×ΔfHw(H2O,l,298K)]-ΔH1 (25)
代入到式(22)可求△H2，同理可求燃烧完全生成CO时的反应热ΔH3；
Figure FDA0002521599850000035
进而可知每消耗1g氧气，完全燃烧时对应的放热量
Figure FDA0002521599850000041
不完全燃烧时放热量
Figure FDA0002521599850000042
燃烧生成1g CO2放热量
Figure FDA0002521599850000043
生成1g CO放热量
Figure FDA0002521599850000044
用多种不同元素含量的供热体材料进行实验后，通过拟合可以得到△H2和q1、q2、q3之间的数学关系；
3).假设大气的湿度为H，氧气的体积分数为21％，Vm为标准摩尔体积，那么入口气体各组分的浓度可表示为：
Figure FDA0002521599850000045
Figure FDA0002521599850000046
Figure FDA0002521599850000047
Figure FDA0002521599850000048
Figure FDA0002521599850000049
[CO]1＝0 (36)
此外，用一系列已知浓度的氧气、二氧化碳和一氧化碳的标准气体对卷烟烟气气相物监测装置进行标定，获得氧气、二氧化碳和一氧化碳的工作曲线；进而，在设定的抽吸模式下，获得供热体逐口燃烧烟气中一氧化碳、二氧化碳和氧气的浓度，即[O2]2、[CO2]2和[CO]2；
4).根据逐口抽吸过程前后氧气、二氧化碳和一氧化碳浓度变化情况，利用式(21)和式(28-30)即可计算出在该抽吸模式下的炭供热体逐口的放热量。
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