卷烟阴燃和吸燃时CO的释放

陈昆焱张峻松李巧灵张颖璞黄惠贞郭松斌余玉梅

CHEN Kun-yan1,2 ZHANG Jun-song1 LI Qiao-ling2 ZHANG Ying-pu2 HUANG Hui-zhen2 GUO Song-bin2 YU Yu-mei2

(1. 郑州轻工业学院，河南 郑州 450001；2. 福建中烟工业有限责任公司技术中心，福建 厦门 361021)

(1. College of Food and Bioengineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhenzhou, Henan 450001, China; 2. Technology Center, China Tobacco Fujian Industrial Co., Ltd., Xiamen, Fujian 361021, China)

CO是综合表征卷烟主流烟气危害性的典型物质之一，其主要来源于烟草的热解、烟草的不完全燃烧以及CO2和焦炭的还原反应[1-3]。虽然已经有大量致力于降低卷烟烟气中的CO的研究[4-6]，但更深入了解卷烟燃吸过程中CO的释放机理，将更有助于设计出低危害卷烟。阴燃和吸燃是卷烟燃吸时存在的2种状态，且这2种状态下生成的烟气组分有很大的差异[7]，Liu等[8]的研究也表明卷烟抽吸时的烟气成分不仅受吸燃的影响，同时也受到阴燃的影响。阴燃和吸燃是相辅相成的，二者存在着密切的联系，构成主流烟气的来源不仅有吸燃来源，也有阴燃来源。然而，目前的研究[9]都将阴燃和吸燃看成完全分离的2个过程，且主要研究吸燃时烟气成分的生成，没有充分考虑阴燃对后续吸燃的影响。

本研究拟通过热电偶测温装置测得卷烟在阴燃和吸燃时不同温度区间的体积分布，选择合理的试验条件进行一系列的热解燃烧试验，用于模拟卷烟阴燃和吸燃2种状态，并同时在线检测CO的释放情况。将阴燃与吸燃过程进行紧密的联系，深入研究CO在阴燃和吸燃状态下的释放行为，以及阴燃对后续吸燃CO释放的影响，探究影响CO释放的关键因素，为降低卷烟抽吸过程中CO的释放提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

卷烟样品：福建中烟工业有限责任公司；

烟支燃吸气相温度场分析仪：TF-M100型，北京紫东科技有限公司；

快速管式升温炉：OTF-1200X-4-RTP型，合肥科晶材料技术有限公司；

多功能烟气分析仪：ecom-J2KN型，德国RBR公司；

数字式质量流量计：CS200型，中国七星电子公司；

电子天平：ML204/02型，瑞士Mettler Toledo公司。

1.2 方法

1.2.1 卷烟燃烧温度场分布的测定 待测卷烟样品在使用前都置于22 ℃和60%相对湿度的环境中至少48 h。根据文献[10]测定方法和分析手段，得到卷烟燃烧温度场分布。

1.2.2 烟草快速热解燃烧系统 根据文献[10]所介绍的烟草快速热解燃烧系统及试验方法进行试验，将1.000 g烟丝样品放入石英玻璃管中部，反应气氛分别为N2、10% O2+90% N2(Vol)和空气，流速15 cm/s，以20 ℃/s的升温速率进行程序或者直接升温，用剑桥滤片过滤粒相物，气相物质CO由烟气分析仪进行在线测定。

2 结果与分析

2.1 卷烟阴燃和吸燃时的区域划分

图1展示了烟支在阴燃和吸燃状态下的温度场分布，图中的灰色线条代表燃烧线。在卷烟抽吸的2 s内，燃烧线平移了接近4 mm。根据卷烟在阴燃和吸燃下的2条燃烧线，将卷烟分为3个区域，分别是：阴燃燃烧线前端的R1区；2条燃烧线经过的R2区；吸燃燃烧线后端的R3区。

图1 卷烟阴燃和吸燃时的区域划分

2.2 卷烟从阴燃到吸燃对应不同温度段的体积变化

卷烟阴燃和吸燃时R1～R3区域不同温度段的体积分布如图2所示。

从图2可以看出，在阴燃状态下， R1区内的烟丝体积分数主要集中在200～700 ℃，R2区内的烟丝体积分数主要集中在100～400 ℃，而R3区内的烟丝体积分数主要集中在100 ℃以下。说明在阴燃时，R1和R2区内的烟丝已受到不同程度的预热，且R1区内的烟丝被预热的程度最高，而R3区内的烟丝则保持在常温未预热的状态。

由于热传导的影响，这3个区域在吸燃时，体积分数都向温度升高的方向偏移。R1区内的烟丝体积分数在200～800 ℃呈现较均匀的分布，R2区内的烟丝体积分数则主要集中在300～700 ℃，R3区内的烟丝体积分数则主要集中在100～400 ℃。

Figure 2 Volume distribution at different temperatures of cigarette during smoldering and puffing

2.3 烟草热解燃烧过程中CO的释放

2.3.1 烟草样品在不同气氛下的程序升温试验 由于R1和R2都在阴燃状态下处于一个预加热状态，大部分的烟丝在吸燃时都是经历了一个预热过程，因此设计烟草样品的程序升温试验用于说明阴燃状态下预热烟丝在吸燃时对CO生成的贡献。按1.2.2的试验要求分别将烟草置于N2、10% O2+90% N2(Vol)和空气气氛下，依次程序升温至200，300，400，500，600 ℃，并对CO进行在线测定，如图3 所示。

从图3中可以看出，在无氧状态下，CO的生成主要来自于烟草的热解，其在300 ℃大量生成。随着10% O2的引入，CO的生成温度提前，即在200 ℃就有CO的显著生成，此时200，300 ℃是CO生成的主要温度区间。继续增加氧浓度至空气状态，CO则主要在200 ℃就大量生成。此结果说明在有氧条件下，热解和氧化反应同时存在，那些原本要在更高的温度下进行热解的物质，在低温有氧条件下就直接发生了不完全氧化反应，并同时释放大量的CO，这种趋势随着氧浓度的增大越加明显。

图3 CO在不同气氛下温度生成情况

对各个CO峰进行积分计算，得到N2、10% O2+90% N2(Vol)和空气气氛下各温度CO生成总量，如表1所示。

表1不同气氛下烟草在各温度的CO释放量

Table1 CO release amount of different temperatures under different atmosphere mg/g

反应气氛200 ℃300 ℃400 ℃200～400 ℃N26.4117.534.2728.2110% O2+90% N221.5812.113.0836.77空气37.495.902.2445.63

从表1中可以看出，随着氧浓度的增加，不仅CO的生成温度向低温偏移，而且CO的生成量也随着氧浓度的增加而增加。当程序升温至400 ℃，此时生成的CO相对较少，继续升温至500，600 ℃， CO未检出(图3中未展示)。此结果说明，卷烟燃烧的过程中，R1和R2的烟丝在阴燃时已被预热，在吸燃时，即使温度升高，由于这些生成CO的前体物已经在阴燃时发生了热解燃烧反应而被消耗，主要贡献于侧流烟气，对主流烟气CO的贡献较小。

2.3.2 烟草样品在不同气氛下的直接升温试验 由于R3在阴燃状态下未被预热，所有烟丝在吸燃时都属于新鲜的烟丝，且在吸燃时的最高温度不超过400 ℃。因此设计烟草样品的直接升温试验用于说明R3阴燃状态下新鲜烟丝在吸燃时对CO生成的贡献。按1.2.2的试验要求分别将烟草置于N2、10% O2+90% N2(Vol)和空气气氛下，直接升温至400 ℃，并对CO进行在线测定，如图4所示。

从图4中可以看出，在直接升温的情况下，CO的释放量依然随着氧浓度的增加而增加。因此在所研究的氧浓度范围内，无论是直接升温还是程序升温，CO继续被O2氧化生成CO2的程度较小，因此呈现出随着氧浓度增加，CO生成量增加的趋势。对不同气氛下的CO峰进行积分计算，得到400 ℃时N2、10% O2+90% N2(Vol)和空气气氛下CO的释放量分别是46.66，77.51，80.93 mg/g。对比程序升温200～400 ℃的CO释放总量和直接升温400 ℃的CO释放量，发现直接升温条件下的CO释放量明显高于程序升温条件下的。

图4 烟草在不同气氛下直接升温至400 ℃生成CO的情况

根据以上的试验结果，可以推测在卷烟吸燃的过程中，相对于R1和R2的预加热烟丝，R3的新鲜烟丝可在400 ℃的范围内大量生成主流烟气中的CO。因此，虽然R3的温度较低，但却是在吸燃时CO生成的主要来源。而R1和R2则是在阴燃时已达到高温，因此侧流烟气中的CO则主要来自于R1和R2。

2.4 阴燃状态对后续吸燃时CO释放的影响

为了进一步论证2.3的推论，通过在卷烟纸中添加助剂来改变卷烟的燃烧状态，然后对不同阴燃和吸燃温度CO的释放情况进行比对。

分别用编号A、B表示通过在卷烟纸中添加助剂而改变燃烧状态的卷烟，2.1中采用未添加助剂的卷烟记做C。A、B和C 3种卷烟具有相同的烟叶结构和卷烟纸透气度。表2展示了烟支A和B在卷烟抽吸0～2 s时R1～R3不同温度段的体积分布。如表2所示，阴燃时，烟支B高温体积分布均高于烟支A和C。由于阴燃状态的温度较高，受到热传导的影响，在吸燃时R3的受热程度是烟支B>烟支C>烟支A。将A、B和C 3种烟支分别按国标方法进行抽吸，并测定CO释放量，得到烟支A、B和C在吸烟机上释放的CO含量分别是11.0，14.5，13.0 mg/支。该释放顺序与R3的受热程度顺序保持一致。由此可见，卷烟的阴燃状态会影响后续卷烟吸燃的结果，R3的受热程度将直接影响卷烟吸燃时所释放的CO量，受热程度越高的，CO的释放量越高。

表2 烟支A和B在卷烟抽吸0～2 s时不同温度段的体积分布

3 结论

通过测定卷烟燃烧时阴燃和吸燃状态下的温度场分布以及对应温度段的体积分布，从而准确选取合适的加热条件进行烟草的热解燃烧反应，分别采用程序升温和直接升温用于模拟卷烟阴燃和吸燃的状态，并在线检测CO的释放情况用于说明烟支燃烧不同区域在阴燃和吸燃状态各自对CO释放的贡献程度，以及不同的阴燃状态对后续吸燃所释放CO的影响。

根据燃烧线的迁移，可将卷烟分为3个区域，分别是阴燃燃烧线前端的R1区，吸燃时燃烧线经过的R2区，吸燃燃烧线后端R3区。R1和R2在阴燃时已达到较高的温度，是侧流烟气中CO生成的主要来源，对吸燃时主流烟气的贡献较少。R3在吸燃时，虽然温度较低(<400 ℃)，但是却对主流烟气中CO的释放贡献最大。由于热传导的影响，阴燃时温度越高的卷烟，吸燃时R3的温度越高，所释放的CO含量也随之增加。

本试验只研究了卷烟燃吸过程中CO的释放情况，今后可采用先进的热电偶测温装置与烟草热解燃烧反应系统相结合的方式，研究卷烟燃吸过程中其他烟气成分的释放。