CN204594879U - 一种烟草燃烧热解烟雾释放量测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种烟草燃烧热解烟雾释放量测量装置，其特征是设置具有温度控制器的环形加热炉，石英管置于环形加热炉内的一端为加热端，另一端为非加热端，在非加热端设有密封件，石英舟置于石英管中，并能够沿石英管的轴向匀速移动，在密封件上设置有一级进气口；石英管以其加热端管端为出气端，出气端接入在稀释混合箱中，在稀释混合箱上分别设置有排气口及二级进气口；设置烟雾密度计实时测量稀释混合箱中烟雾光密度。本实用新型利用可控等值比法实现空气流量、烟草供应量和温度的调控，进而控制烟草燃烧热解状态，结合经典消光原理实现烟草在燃烧热解状态下烟雾释放量的准确测量。

Description

一种烟草燃烧热解烟雾释放量测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种烟草燃烧热解烟雾释放量测量装置，属于烟草烟气测量技术领域。

背景技术

无论是常规卷烟、低温卷烟还是电子烟，其在抽吸时都会产生可见烟雾气溶胶。烟雾气溶胶释放量直接影响到卷烟感官质量，因此，有必要对卷烟烟雾气溶胶释放量及其影响因素进行评价和研究，以便于对不同卷烟制品的烟雾释放量进行针对性调控。目前，测量烟雾释放量的方法主要有称重法、重力沉降法、显微镜观察法、惯性冲击法、消光法等。相对于称重法、重力沉降法、显微镜观察法以及惯性冲击法对气溶胶先采集后测量的离线研究手段，电子低压冲击法以及消光法具有实时性好、精度高等优点，其安装使用及维护均比离线手段简便得多。但电子低压冲击法的设备昂贵，还需要烟气进行高度稀释，因此，消光法具有较高性价比。

已有的针对烟雾释放特性评价的公开报道中，如中国专利CN101788447A和中国专利CN101373176A，基本是针对卷烟制品，因此，第一步是制备实验卷烟，这给烟雾释放量影响因素的研究带了极大不便。通过构建合适的模拟卷烟燃烧热解装置，并将其与基于消光原理的烟雾释放量测试仪联用，来分析卷烟主要成分在不同燃烧热解环境下烟雾释放量，无疑是一种既方便又高效的方法。

当前，模拟卷烟燃烧热解环境的装置主要有热重分析仪、常规管式炉和稳态管式炉。但热重分析仪和常规管式炉难以使烟草燃烧热解处于稳态，基于可控等值比原理的稳态管式炉可通过控制样品供应速度、空气供应速度和温度而使燃烧热解处于相对稳定的状态，如中国专利CN103926342A所记载，实现了卷烟燃烧热解环境的准确模拟，为烟气化学成分、烟雾释放量的准确定量分析提供的保障，但是，关于烟草燃烧热解烟雾释放量的测量方法未见公开报导。

实用新型内容

本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种烟草燃烧热解烟雾释放量的测量装置，以实现对烟草在不同燃烧热解环境下烟雾释放量的准确测量。

本实用新型解决技术问题采用如下技术方案：

本实用新型烟草燃烧热解烟雾释放量测量装置的结构特点是：

设置具有温度控制器的环形加热炉，石英管置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，石英舟置于所述石英管中，并能够沿石英管的轴向匀速移动，在所述密封件上设置有一级进气口；所述石英管以其加热端管端为出气端， 所述出气端接入在稀释混合箱中，在所述稀释混合箱上分别设置有排气口及二级进气口；

设置由入射光发射器和出射光接收器组成的烟雾密度计，所述入射光发射器和出射光接收器分处在所述稀释混合箱的两侧对射位置上，并分别与计算机进行信号连接。

本实用新型烟草燃烧热解烟雾释放量测量装置的结构特点也在于：在所述石英管的外部设置步进电机，所述石英舟是在所述步进电机的推动下在石英管中匀速移动，所述步进电机与石英舟之间的传动通道设置在密封件上。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

1、本实用新型通过调控等值比和温度可准确控制燃烧过程中的氧气浓度、加热速率和烟草供应速率等关键燃烧要素，从而实现不同卷烟燃烧环境的准确模拟。

2、本实用新型中的烟草样品可达十克级以上，突破了已有测试手段烟草样品用量过少导致测试结果失准的弊端。

3、本实用新型中所采用的烟雾密度计是依据经典消光原理进行测量，以其直接定量测试不同烟草燃烧热解烟雾释放量，不仅省去了已有手段需要制备实验卷烟步骤，还可有效衡量不同烟草在各个具体的燃烧热解环境下的烟雾释放特性。

4、本实用新型测试方法易于操作，测试结果准确可靠。

附图说明

图1为本实用新型测量装置示意图；

图2为本实用新型中烟雾密度计示意图；

图3为烤烟烟叶(云南昆明，C₃F)在450℃时D_L第一次测试结果；

图4为烤烟烟叶(云南昆明，C₃F)在450℃时D_L第二次测试结果；

图5为烤烟烟叶(云南昆明，C₃F)在450℃时D_L第三次测试结果；

图中标号：0密封件，1一级进气口，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稀释混合箱，8二级进气口，9排气口，10烟雾密度计，11计算机，101入射光发射器，102出射光接收器。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例中烟草燃烧热解烟雾释放量的测量装置的结构形式是：

设置具有温度控制器的环形加热炉6，石英管3置于环形加热炉6内的一端为加热端，另一端为非加热端，在非加热端设有密封件0，石英舟4置于石英管3中，并能够沿石英管3的轴向匀速移动，在密封件0上设置有一级进气口1；石英管3以其加热端管端为出气端，出气端接入在稀释混合箱7中，在稀释混合箱7上分别设置有排气口9及二级进气口8，在石英管3的外部设置步进电机2，石英舟4是在步进电机2的推动下在石英管3中匀速移动， 步进电机2与石英舟4之间的传动通道设置在密封件0上。

设置由入射光发射器101和出射光接收器102组成的依据经典消光原理而设计的烟雾密度计10，入射光发射器101和出射光接收器102分处在稀释混合箱7的两侧对射位置上，并分别与计算机11进行信号连接，由计算机计算获得单位光路长度上的光密度D_L， 其中，I₀是由入射光发射器101出射的入射光强，I是由出射光接收器102接收的出射光强，B为光运动经过具有烟气的路程，单位为m。

本实施例中实现烟草燃烧热解烟雾释放量测量的方法是按如下步骤进行：

步骤1：计算理论耗氧量；

对于烟草进行元素分析获得其中C、H、O、S和N元素的质量分数，设定烟草中由C、H、O、S和N各元素组成的化合物为C_xH_yO_zS_pN_q，则烟草在氧气中恰好充分燃烧的化学式为： $C_x{H}_y{O}_z{S}_p{N}_q+{\mathrm{tO}}_2={\mathrm{xCO}}_2+\frac{y}{2}{H}_{2}O+{\mathrm{pSO}}_2+{\mathrm{qNO}}_2$

其中：则1克烟草中C、H、O、S和N元素充分燃烧热解时所需氧气的体积V_氧气为：

其中：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，M＝12x+y+16z+32p+14q；R为理想气体常数；P为被测气体压力；T为被测气体温度；由于烟草中C、H、O、S和N的总质量占烟草质量的90％以上，因此，将V_氧气视为烟草充分燃烧的理论耗氧量，则1克烟草充分燃烧热解时理论空气消耗量V_空气为：V_空气＝V_氧气÷0.21

设定烟草的理论供应速率(ν_烟草)_理论为1g/min，

则空气的理论流量(ν_空气)_理论即为V_空气L/min，并有：

步骤2：计算空气的实际流量(ν_空气)_实际和烟草的实际供应速率(ν_烟草)_实际；

根据等值比公式表征的等值比为：

令为根据实验设定的等值比，选取等值比为：由式(1)计算获得烟草的实际供 应速率(ν_烟草)_实际与空气的实际流量(ν_空气)_实际之比为：

并有：

其中，L为石英舟的长度，ν为石英舟的推进速率，W为均匀铺在长度为L的石英舟上的烟草的质量

由式(1)和式(2)计算获得空气的实际流量(ν_空气)_实际为：

步骤3：设定环形加热炉的温度为T₀、一级进气口的空气流量为(ν_空气)_实际、二级进气口的空气流量为V₂、石英舟的推进速率为ν，将质量为W的烟草样品5均匀铺在长度为L石英舟上，开始实验并由烟雾密度计实时测量稀释混合箱中烟雾的单位光路长度上的光密度D_L；质量为W的烟草样品是指按照标准GB/T 16447-2004完成预处理的烟草样品；

步骤4：计算单位质量烟草燃烧热解烟雾释放量；

选取单位光路长度上的光密度D_L随时间变化波动在±30％以内的区间视为稳态区间，计算获得光密度D_L在稳态区间中的平均值 其中，t₁和t₂分别是稳态区间的起点时刻和终点时刻；则烟草燃烧热解的烟雾质量光密度D_m为：

以烟雾质量光密度D_m作为单位质量烟草在温度为T₀、等值比为时燃烧热解烟雾释放量的衡量参数。

实施例1：本实施例是对烤烟烟叶(云南昆明，C₃F)在T₀＝450℃时烟雾释放量的第一次测量。

烤烟烟叶(云南昆明，C₃F)，经元素分析得到其碳、氢、氧、氮和硫元素质量分数分别为42.25％、6.32％、40.99％、1.97％、0.78％。设定烟草中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C₃₅₂H₆₃₂O₂₅₆N₁₄S₂，其在氧气中充分燃烧热解的化学式为：C₃₅₂H₆₃₂O₂₅₆N₁₄S₂+398O₂→352CO₂+316H₂O+2SO₂+14NO₂。

则在常温常压下，即温度为25℃，压力为1.013MPa，1g该烟草样品中元素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92.31％，因此，将V_氧气视为烟草充分燃烧的理论耗氧量，因此1g该烟草充分燃烧热解时理论空气消耗量V_空气为：

V_空气＝V_氧气÷0.21＝4.64L

此时，如果设定烟草的理论供应速率为1g/min，则空气的理论流量为4.64L/mim，因此有：

选取等值比则可得

当将20g该烟草均匀铺在长度为80cm的石英舟上，石英舟推进速度为6cm/min，则烟草的实际供给速率为：

则空气的实际流量

设定步进电机的推进速率为6cm/min、加热炉温度T₀为450℃、一级进气口的进气流量(ν_空气)_实际为6.98L/min、二级进气口的进气流量V₂为43.02L/min，准确称量20g烟草均匀铺在长度为80cm石英舟上，开始实验并实时测量D_L。根据图3并结合计算得知D_L在350～760s之间波动在±30％以内，求取D_L在该区间内的平均值为：

1kg该烟草在T₀＝450℃时烟雾释放量第一次测试结果，即烟草燃烧热解的烟雾质量光密度D_m为：

实施例2：本实施例是对烤烟烟叶(云南昆明，C₃F)在T₀＝450℃时烟雾释放量的第二次测量。

实验参数设置和实验过程均与实施例1相同，图4所示为测试结果；

通过计算得知D_L在360～760s之间波动在±30％以内，求取D_L在该区间内的平均值为：

$\stackrel{\‾}{D_L}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=350}^{760}{\left(D_L\right)}_i}{760-350}=3.89m^{-1}$

1g该烟草在T₀＝450℃时烟雾释放量第二次测试结果，即烟草燃烧热解的烟雾质量光密度D_m为：

实施例3：本实施例是对烤烟烟叶(云南昆明，C₃F)在T₀＝450℃时烟雾释放量的第三次测量。

实验参数设置和实验过程均与实施例1相同，图5所示为测试结果；

通过计算得知D_L在360～750s之间波动在±30％以内，求取D_L在该区间内的平均值为：

$\stackrel{\‾}{D_L}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=350}^{760}{\left(D_L\right)}_i}{760-350}=3.96m^{-1}$

1g该烟草在T₀＝450℃时烟雾释放量第三次测试结果，即烟草燃烧热解的烟雾质量光密度D_m为：

将实施例1、2和3中的烟雾释放量测算结果整理如表1。可以得知，三次测试结果平均值为131.0m²/kg，三次测试结果相对于平均值的波动均在±1％以内，说明由本实用新型所述测量装置测试的烟雾释放量的结果重复性好。

表1三次测试数据分析结果

Claims (2)

1.一种烟草燃烧热解烟雾释放量测量装置，其特征是：

设置具有温度控制器的环形加热炉(6)，石英管(3)置于所述环形加热炉(6)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(0)，石英舟(4)置于所述石英管(3)中，并能够沿石英管(3)的轴向匀速移动，在所述密封件(0)上设置有一级进气口(1)；所述石英管(3)以其加热端管端为出气端，所述出气端接入在稀释混合箱(7)中，在所述稀释混合箱(7)上分别设置有排气口(9)及二级进气口(8)；

设置由入射光发射器(101)和出射光接收器(102)组成的烟雾密度计(10)，所述入射光发射器(101)和出射光接收器(102)分处在所述稀释混合箱(7)的两侧对射位置上，并分别与计算机(11)进行信号连接。

2.根据权利要求1所述的烟草燃烧热解烟雾释放量测量装置，其特征是：在所述石英管(3)的外部设置步进电机(2)，所述石英舟(4)是在所述步进电机(2)的推动下在石英管(3)中匀速移动，所述步进电机(2)与石英舟(4)之间的传动通道设置在密封件(0)上。