CN203908979U - 基于可控等值比法和氧消耗原理的烟草燃烧热测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于可控等值比法和氧消耗原理的烟草燃烧热测量装置，利用可控等值比法实现了空气流量、烟草供应量和温度三个重要燃烧要素的准确调控，进而准确控制烟草燃烧状态；通过对稳态燃烧状态下氧气消耗量的计算，并结合氧消耗原理，实现了烟草燃烧热的准确测量。

Description

基于可控等值比法和氧消耗原理的烟草燃烧热测量装置

技术领域：

本实用新型涉及基于可控等值比法和氧消耗原理的烟草燃烧热测量装置，属于热量测量技术领域。

背景技术：

卷烟是一种依靠燃烧来体现其品质的特殊消费品。烟草燃烧热是烟草燃烧特性的重要参数之一，与烟草感官质量、烟气中香味成分形成和有害物质释放以及卷烟引燃特性等都密切相关。

目前，可用于材料燃烧热的测量装置主要包括锥型量热仪和微燃烧量热仪。锥形量热仪和微燃烧量热仪的设计均是根据氧消耗原理，具体指物质燃烧时每消耗单位质量的氧会产生基本上相同的热量，即物质的氧消耗燃烧热基本相同。氧消耗原理是由Thornton在1917年发现的。Huggett在1980年应用氧消耗原理对常见的易燃聚合物及天然材料进行了系统计算，得到了氧消耗燃烧热的平均值为13.1kJ/g，材料间的E值偏差为5％。需要说明的是，燃烧热释放特性与材料所处燃烧环境密切相关，对于烟草来说，其燃烧热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，卷烟燃烧环境处于贫氧富氢的阴燃状态。锥型量热仪是用于测试特定规则试样在氧气充足的敞开体系内剧烈燃烧情况下的热释放，由于烟草样品物理性状的特殊性，很难实现其对烟草燃烧热的精确测量。微燃烧量热仪在测定材料的燃烧热释放时，是将极少量(一般4-5毫克)样品在裂解炉充分裂解后，再将裂解气体置于燃烧炉燃烧，因此其反映的是微观尺度下物质的热解和燃烧行为，而且重复性较差。很明显，锥型量热仪和微燃烧量热仪都无法做到模拟卷烟贫氧燃烧环境，不适用于烟草燃烧热的测量。

标准ISO19700提出了等值比的概念，核心在于控制燃料的产生速率(v_燃料)与空气的供给速率(v_空气)之比，具体如下式所示，

当＝1，>1时，分别代表材料在空气充足，化学当量比(理论值)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的供应量。因此，基于氧消耗原理，利用可控等值比法就可以准确测量烟草在模拟卷烟燃烧环境下的燃烧热。

发明内容：

为克服现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种基于可控等值比法和氧消耗原理的烟草燃烧热测量装置，以实现对烟草在贫氧燃烧状态下燃烧热释放的准确测量。

本实用新型解决技术问题采用如下技术方案：

基于可控等值比法和氧消耗原理的烟草燃烧热测量装置，其包括：

具有控制器的环形加热炉，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一级进气的供气管路通路和步进电机的传动通路；

所述环形加热炉的出气端连接冷却混合箱，所述冷却混合箱上连接有排气口及二级进气管路；

顺磁性氧气分析仪通过管路与所述冷却混合箱连通，并在连通管路上设有过滤器，所述顺磁性氧气分析仪连接计算机。

基于可控等值比法和氧消耗原理的烟草燃烧热测量方法，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_sS_pN_q，则在氧气中恰好充分燃烧的化学式如式(1)，

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

式(1)中则1g烟草样品中元素C、H、O、N和S充分燃烧热解时所需氧气的体积为：

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＝1.2x+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，由于生物质烟草中C，H，O，S和N五种元素质量分数总和高达90％以上，其充分燃烧热解的理论耗氧量可以代表烟草充分燃烧的理论耗氧量，因此1g该烟草充分燃烧时理论空气消耗量如式(3)，

(V_空气)_理论＝(V_氧气)_理论+0.21   式(3)

因此可以得到式(4)：

步骤2：计算实际空气供应量和烟草样品供应量；

选取等值比根据等值比公式(5)，

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(6)，

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(7)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(8)，

式(8)基于以下处理：Wg烟草样品要均匀铺在测量装置内Lcm的载样器上；

步骤3：根据式(7)和式(8)，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Lcm载样器上，开始实验并实时测量氧气体积浓度和温度；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热释放；

(a)计算烟草燃烧热释放速率；

选取氧气体积浓度随时间变化波动在±15％以内的区间，此时可视为稳态，求取氧气体积浓度在该区间内的平均值如公式(9)，

$\stackrel{\‾}{f_{{\mathrm{\σ}}_2}}=\frac{{\∫}_{t_1}^{t_2}{f}_{{\mathrm{\σ}}_2}\mathrm{dt}}{t_2-t_1}$    式(9)

式(9)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V₁ l·min^-1，用于燃烧产物冷却稀释的二级进气流量为V₂ l·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，所以单位时间内消耗氧气的体积如式(10)：

${\mathrm{\ΔV}}_{{\mathrm{\σ}}_2}=(V_1+V_2)[{\left(f_{{\mathrm{\σ}}_2}\right)}_0-\stackrel{\‾}{f_{{\mathrm{\σ}}_2}}]$    式(10)

式(10)中为氧气的初始体积浓度，对于空气来说，为0.21；

那么单位时间内消耗氧气质量为，

$V_{{\mathrm{\σ}}_2}=\frac{\mathrm{P\Δ}{V}_{o_2}{M}_{o_2}}{\mathrm{RT}}$    式(11)

式(11)中P为环境大气压；T为气体的温度；是氧气分子量；

则烟草燃烧热释放速率为，

$H_R=13.1\×V_{{\mathrm{\σ}}_2}$    式(12)

(b)计算1g烟草燃烧热释放量

根据公式(8)和公式(12)，计算1g烟草燃烧热释放量如式(13)，

与已有技术相比，本实用新型的有益效果体现在：

相比现有技术，本实用新型利用可控等值比法解决了目前燃烧热测量方法难以调控烟草燃烧环境的问题，并结合氧消耗原理可以定量计算各个贫氧燃烧状态下烟草燃烧热释放量，为烟草燃烧热的精确测量提供了一个可行的方案。

附图说明：

图1为本实用新型烟草燃烧热释放测量装置示意图。

图2为烟叶A在800℃燃烧时O₂浓度随时间变化曲线。

图3为烟叶A在800℃燃烧时O₂浓度随时间变化曲线。

图4为烟叶A在900℃燃烧时O₂浓度随时间变化曲线。

图5为烟叶A在700℃燃烧时O₂浓度随时间变化曲线。

图中标号：1一级进气，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冷却混合箱，8二级进气，9排气口，10过滤器，11顺磁性氧气分析仪，12计算机。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式：

本实用新型测量装置如图1所示，其包括：

具有控制器的环形加热炉6，石英管3设于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一级进气1的供气管路通路和步进电机2的传动通路；

所述环形加热炉6的出气端连接冷却混合箱8，所述冷却混合箱上连接有排气口9及二级进气8管路；

顺磁性氧气分析仪11通过管路与所述冷却混合箱连通，并在连通管路上设有过滤器10，所述顺磁性氧气分析仪11连接计算机12。

所述一级进气1的管路上设有一级进气流量计，二级进气8的管路上设有二级进气流量计。

可采用上述装置基于可控等值比法和氧消耗原理进行烟草燃烧热测量，实施例如下：

实施例1：本实施例是对烟叶A在800℃、等值比为1燃烧时燃烧热释放的测量。

烟叶A为2011年云南普洱生产的云烟87C₂F烟叶样品，经元素分析得到其碳、氢、氧、氮、硫元素含量分别为43.24％、6.29％、42.98％、1.93、0.77％。设定这五种元素所组成的化合物通式为C_xH_yO_zS_PN_q，结合元素分析结果，可简化为C_3.6H_6.29O_2.69N_0.14S_0.22，其在氧气中充分燃烧的化学式如下，

C_3.6H_6.29O_2.69N_0.14S_0.02+3.9875O₂→3.6CO₂+3.145H₂O+0.02SO₂+0.14NO₂

则在常温常压下(T＝25℃，P＝1stm)，1g烟草样品中元素C、H、O、N和S充分燃烧所需氧气体积为：

由于C、H、O、N和S的百分含量总和高达95.21％，其充分燃烧热解的理论耗氧量基本上可以代表烟草充分燃烧热解的理论耗氧量，因此1g该烟草充分燃烧热解时理论空气消耗量为：

(V_空气)_理论＝(V_氧气)_理论+0.21＝4.65L

因此有下式：

选取等值比则可得

当将17.5g烟草样品均匀铺在70cm的石英舟上，石英舟推进速度为6cm/min，则烟草供给速度为：

则空气实际流量为：

根据式计算结果，将步进电机的推进速率设定为6cm/min，加热炉温度设定为800℃一级进气流量设定为6.98L/min，二级进气流量设定为43.12L/min，待稳定后，准确称量17.5g烟草样品均匀铺在70cm石英舟上，开始实验并实时测量氧气体积浓度。根据图2可以看出氧气浓度在500～900s之间波动较小，将该区间内氧气体积浓度加和后取平均得到平均体积分数为：

因此1min内消耗的氧气的体积为：

${\mathrm{\ΔV}}_{{\mathrm{\σ}}_2}=(V_1+V_2)[{\left(f_{{\mathrm{\σ}}_2}\right)}_0-\stackrel{\‾}{f_{{\mathrm{\σ}}_2}}]=50L\·{\min }^{-1}\×(0.21-0.18566)=1.217L\·{\min }^{-1}$

1分钟内消耗氧气质量为：

$V_{{\mathrm{\σ}}_2}=\frac{\mathrm{P\Δ}{V}_{{\mathrm{\σ}}_2}{M}_{{\mathrm{\σ}}_2}}{\mathrm{RT}}=1.559g/\min$

其中P为一个大气压，为氧气分子量，T为气体稳态时的温度，测试结果为25.1℃；

所以1g烟叶A在800℃以及等值比时燃烧热释放为：

实施例2：本实施例是对烟叶A在800℃、等值比为2.5燃烧时燃烧热释放的测量。

1g烟叶样品A充分燃烧理论空气消耗量详见实施例1中计算。选取等值比则可得

当将21.875g烟草样品均匀铺在70cm的石英舟上，石英舟推进速度为6cm/min，则烟草供给速度为：

则空气实际流量为：

根据式计算结果，将步进电机的推进速率设定为6cm/min，加热炉温度设定为800℃一级进气流量设定为3.49L/min，二级进气流量设定为46.51L/min，待稳定后，准确称量21.875g烟草样品均匀铺在70cm石英舟上，开始实验并实时测量氧气体积浓度。根据图3可以看出氧气浓度在600～1000s之间波动较小，将该区间内氧气体积浓度加和后取平均得到平均体积分数为：

因此1min内消耗的氧气的体积为：

${\mathrm{\ΔV}}_{{\mathrm{\σ}}_2}=(V_1+V_2)[{\left(f_{{\mathrm{\σ}}_2}\right)}_0-\stackrel{\‾}{f_{{\mathrm{\σ}}_2}}]=50L\·{\min }^{-1}\×(0.21-0.1935)=0.825L\·{\min }^{-1}$

1分钟内消耗的质量为：

$V_{{\mathrm{\σ}}_2}=\frac{\mathrm{P\Δ}{V}_{{\mathrm{\σ}}_2}{M}_{{\mathrm{\σ}}_2}}{\mathrm{RT}}=1.046g\·{\min }^{-1}$

其中P为一个大气压，为氧气分子量，T为气体稳态时的温度，测试结果为25.0℃；

所以1g烟叶A在800℃以及等值比时燃烧热释放为：

实施例3：本实施例是对烟叶A在900℃、等值比为1.5燃烧时燃烧热释放的测量。

1g烟叶样品A充分燃烧理论空气消耗量详见实施例1中计算。选取等值比则可得

当将17.5g烟草样品均匀铺在70cm的石英舟上，石英舟推进速度为6cm/min，则烟草供给速度为：

则空气实际流量为：

根据式计算结果，将步进电机的推进速率设定为6cm/min，加热炉温度设定为900℃一级进气流量设定为4.65L/min，二级进气流量设定为45.35L/min，待稳定后，准确称量17.5g烟草样品均匀铺在70cm石英舟上，开始实验并实时测量氧气体积浓度。根据图4可以看出氧气浓度在600～1100s之间波动较小，将该区间内氧气体积浓度加和后取平均得到平均体积分数为：

$\stackrel{\‾}{f_{{\mathrm{\σ}}_2}}=\frac{{\∫}_{t_1}^{t_2}{f}_{{\mathrm{\σ}}_2}\mathrm{dt}}{t_2-t_1}=\frac{{\∫}_{600}^{1100}{f}_{{\mathrm{\σ}}_2}\mathrm{dt}}{1100-600}=18.89\%$

因此1min内消耗的氧气的体积为：

${\mathrm{\ΔV}}_{{\mathrm{\σ}}_2}=(V_1+V_2)[{\left(f_{{\mathrm{\σ}}_2}\right)}_0-\stackrel{\‾}{f_{{\mathrm{\σ}}_2}}]=50L\·{\min }^{-1}\×(0.21-0.1889)=1.055L\·{\min }^{-1}$

1分钟内消耗的质量为：

$V_{{\mathrm{\σ}}_2}=\frac{\mathrm{P\Δ}{V}_{{\mathrm{\σ}}_2}{M}_{{\mathrm{\σ}}_2}}{\mathrm{RT}}=1.38g\·{\min }^{-1}$

其中P为一个大气压，为氧气分子量，T为气体稳态时的温度，测试结果为25.3℃；

所以1g烟叶A在900℃以及等值比时燃烧热释放为：

实施例4：本实施例是对烟叶A在700℃、等值比为1.5燃烧时燃烧热释放测量方法。

1g烟叶样品A在等值比为1.5时的相关参数计算详见实施例3。将加热炉温度设定为700℃，其他参数与实施例3中的相同。根据图5可以看出氧气浓度在500～1100s之间波动较小，将该区间内氧气体积浓度加和后取平均得到平均体积分数为：

$\stackrel{\‾}{f_{{\mathrm{\σ}}_2}}=\frac{{\∫}_{t_1}^{t_2}{f}_{{\mathrm{\σ}}_2}\mathrm{dt}}{t_2-t_1}=\frac{{\∫}_{500}^{1100}{f}_{{\mathrm{\σ}}_2}\mathrm{dt}}{1100-500}=19.33\%$

因此1min内消耗的氧气的体积为：

${\mathrm{\ΔV}}_{{\mathrm{\σ}}_2}=(V_1+V_2)[{\left(f_{{\mathrm{\σ}}_2}\right)}_0-\stackrel{\‾}{f_{{\mathrm{\σ}}_2}}]=50L\·{\min }^{-1}\×(0.21-0.1933)=1.675L\·{\min }^{-1}$

1分钟内消耗的质量为：

$V_{{\mathrm{\σ}}_2}=\frac{\mathrm{P\Δ}{V}_{{\mathrm{\σ}}_2}{M}_{{\mathrm{\σ}}_2}}{\mathrm{RT}}=1.095g\·{\min }^{-1}$

其中P为一个大气压，为氧气分子量，T为气体稳态时的温度，测试结果为24.8℃；

所以1g烟叶A在700℃以及等值比时燃烧热释放为：

Claims (1)

1.基于可控等值比法和氧消耗原理的烟草燃烧热测量装置，其特征在于包括：

具有控制器的环形加热炉(6)，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一级进气(1)的供气管路通路和步进电机(2)的传动通路；

所述环形加热炉(6)的出气端连接冷却混合箱(8)，所述冷却混合箱上连接有排气口(9)及二级进气管路(8)；

顺磁性氧气分析仪(11)通过管路与所述冷却混合箱连通，并在连通管路上设有过滤器(10)，所述顺磁性氧气分析仪(11)连接计算机(12)。