卷烟燃吸状态下的气体流量分配

刘瑞红，郭吉兆，吴桂周，崔华鹏，文建辉，张 霞，郭 磊，聂 聪，谢复炜*

1. 中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州高新技术产业开发区枫杨街2 号 450001

2. 广东中烟工业有限责任公司技术中心，广州市荔湾区东沙环翠南路88 号 510385

3. 湖南中烟工业有限责任公司，长沙市雨花区劳动中路386 号 410007

4. 甘肃烟草工业有限责任公司，兰州市七里河区南滨河中路1111 号 730050

卷烟抽吸时，空气从燃烧锥、卷烟纸及滤嘴三个部位进入烟支［1-2］。卷烟各部分的进气量分配直接影响燃烧锥的形成和烟气在烟支内的传输、稀释，进而影响烟气的产生和主流烟气的释放［3］。因此，围绕卷烟内部气流、压降开展了较多研究。Schneide等［4］和Keith等［5］研究了烟用材料对滤嘴通风率影响的计算模型。王乐等［6-7］分别采用线性网络模型和三维数学模型研究了卷烟未点燃状态下烟支内的气流分布规律。然而，卷烟实际燃吸时形成了高温燃烧锥，烟支吸阻与未点燃时相比增加了50%～60%［8-10］，导致燃吸卷烟的气流分配和未点燃卷烟差异较大。因此，实验测定卷烟燃吸时的气流分配对研究烟气的产生具有实际价值。颜水明等［11］和Baker［12］采用经吸燃淬灭的烟支进行测定，虽然该卷烟带有碳化的燃烧锥，但由于淬灭后燃烧锥温度与燃吸时差异很大，淬灭后的燃烧锥吸阻与燃吸时的吸阻差异显著。邓楠等［13］测定了卷烟燃吸状态下卷烟纸和滤嘴段的总进气量，以抽吸容量与测量值之差作为燃烧锥端进气量，但该方法忽略了卷烟燃吸时燃烧锥因燃烧导致的气体总量变化，如氧气的消耗、CO、CO2等的产生。

准确测定卷烟燃吸状态下烟支各部分的进气量对于研究烟气在燃烧锥的形成和烟支内的传输规律具有重要价值［14］。目前的文献方法忽略了卷烟在燃吸状态和非燃吸状态下的气流分配差异，基于此，设计了一种能够直接测定卷烟燃吸状态下烟支各部分进气量的装置，比较了卷烟在未燃和吸燃两种状态下燃烧锥端、卷烟纸段和滤嘴段进气量的差异，研究了卷烟燃吸状态下烟丝段长度对各部分进气量分配的影响，并分析了单口燃吸的烟气净生成量，旨在深入了解卷烟烟气的形成机制。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

材料：采用相同烟丝配方制作的不同滤嘴通风率卷烟。卷烟物理参数见表1。

表1 实验卷烟物理参数Tab.1 Physical parameters of experimental cigarettes

仪器：单通道吸烟机（郑州嘉德机电科技有限公司）。

1.2 测试装置

图1 为设计的卷烟进气量测试装置示意图。该装置由单孔道吸烟机、玻璃材质圆筒（长15 cm，直径8 cm）、密封隔断组件（2个）、皂膜流量计（2个）及卷烟夹持器组成。密封隔断组件设置有2 个O 型圈用于滑动密封，其中心孔处通过螺纹压环固定有2个反向安置的迷宫环；玻璃圆筒为烟支进气量测试腔，利用密封隔断组件将玻璃圆筒分隔为2个测试空间，通过硅胶软管在每个空间各连接一个皂膜流量计。密封隔断组件的位置可根据烟支测定部位的需要进行调整。

图1 卷烟进气量测试装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the device for measuring air intake of a cigarette

1.3 测试方法

对于无滤嘴通风卷烟，卷烟抽吸时空气从卷烟纸段和燃烧锥端进入烟支，调整密封隔断组件位置，将待测烟支穿过密封隔断组件的迷宫环插入玻璃圆筒中，使得2个测试空间分别对应烟支的卷烟纸段和燃烧锥端，烟支滤嘴端通过卷烟夹持器与吸烟机相连。在烟支燃烧锥端所在测试空间与空气相通的条件下，点燃烟支并阴燃15 mm 后封闭燃烧锥端玻璃圆筒，同时记录皂膜流量计初示数据；启动吸烟机抽吸1 口，抽吸波型为钟形波，抽吸持续时间2 s；抽吸结束后，记录皂膜流量计终示数据，两个数据之差即为卷烟燃吸时由该皂膜流量计所测烟支段进入的空气体积。

对于滤嘴通风卷烟，抽吸时空气从烟支的滤嘴段、卷烟纸段和燃烧锥端3部分进入，将滤嘴段和卷烟纸段合并为总纸段进行测定，即调整密封隔断组件，将2个测试空间分别对应烟支的总纸段和燃烧锥端，首先测得总纸段进气量和燃烧锥端进气量，再移动密封隔断组件，单独测定滤嘴段进气量，卷烟纸段进气量通过总纸段进气量与滤嘴段进气量的差值得到，即获得滤嘴段、卷烟纸段和燃烧锥端3部分的进气量。

2 结果与讨论

2.1 方法精密度评价

在不同抽吸容量下，采用设计的装置对1#卷烟燃吸时燃烧锥端和卷烟纸段的进气量进行测定，每组数据测定6 支卷烟，结果见表2。在3 种抽吸容量下，燃烧锥端进气量和卷烟纸段进气量测试值的RSD均低于7%，表明采用此装置测定得到的卷烟燃吸时烟支各部分的进气量结果精密度较高。为了减小随机误差，本研究后续数据均采用6支卷烟测试结果的平均值。

表2 卷烟燃吸状态下燃烧锥端和卷烟纸段进气量Tab.2 Air intakes from combustion cone and cigarette paper during puffing （mL）

2.2 卷烟燃吸状态下烟支进气量的测定

分别采用10、20、35、45、55 和70 mL 的抽吸容量，测定了1#无滤嘴通风卷烟和4#滤嘴通风卷烟在距点燃端15 mm 处抽吸时其燃烧锥端、卷烟纸段和滤嘴段的进气量，结果如图2和图3所示。1#卷烟和4#卷烟抽吸时，其燃烧锥端和卷烟纸段进气量均与抽吸容量呈正比关系，4#卷烟燃吸时的滤嘴段进气量与抽吸容量也呈正比关系，这一结果表明卷烟在同一烟支位置燃吸时，从燃烧锥端、卷烟纸段和滤嘴段进入烟支的空气比例不受抽吸容量变化影响。

图2 未点燃和燃吸两种状态下1#卷烟进气量与抽吸容量的关系Fig.2 Relationships between air intake and puffing volume of unlit or lit cigarette sample No.1

图3 未点燃和燃吸两种状态下4#卷烟进气量与抽吸容量的关系Fig.3 Relationships between air intake and puffing volume of unlit or lit cigarette sample No.4

为比较燃吸和非点燃两种状态下烟支进气量分配的差异，测定了未点燃卷烟燃烧锥端、卷烟纸段和滤嘴段的进气量。如图2和图3所示，在不同抽吸容量下，1#无滤嘴通风卷烟和4#滤嘴通风卷烟燃烧锥端进气量燃吸时均比未点燃时低，而卷烟纸段进气量燃吸时均比未点燃时高，4#卷烟滤嘴段进气量燃吸时也比未点燃时高。这是由于卷烟燃吸时产生了高温燃烧锥，使燃烧锥端吸阻增加，从而降低了空气从燃烧锥端进入的倾向，进而导致燃吸卷烟各部分的进气量大小和分配比例与未点燃卷烟有明显差异。

在ISO 标准抽吸条件下，文献［11］中采用与1#卷烟相同通风设计的烟支，测定其在经吸燃后淬灭状态下的燃烧锥端进气量为33.30 mL，大幅高于本实验中23.92 mL的测定值。这一方面是因为卷烟燃吸时的烟支吸阻比吸燃后淬灭烟支的吸阻高［11］，另一方面是由于卷烟燃吸时烟丝热解、燃烧产生了气相成分，贡献了部分烟支内气体流量，因此对吸燃后淬灭烟支进气量的测定并不能反映卷烟抽吸时真实的气体流量传输规律。

2.3 卷烟燃吸状态下滤嘴通风率的测定

测定了3 种滤嘴通风卷烟在未点燃和燃吸状态下的滤嘴段进气量，考察了烟支状态对滤嘴通风率的影响，结果如表3 所示。采用的抽吸容量为35 mL、抽吸时间为2 s，抽吸位置为距点燃端15 mm。表3中数据显示，3种卷烟燃吸时的滤嘴通风率均大于未点燃状态下的滤嘴通风率，其中2#卷烟、3#卷烟和4#卷烟燃吸时的滤嘴通风率与未燃时相比分别增加了31.2%、29.6%和25.9%。这是由于卷烟燃吸时，燃烧锥的产生增加了烟丝段吸阻，而滤嘴段吸阻基本不变，因此从烟丝段进入的空气量趋于减少，进而导致从滤嘴段进入的空气量相应增加。

表3 3种通风卷烟燃吸状态下滤嘴进气量及实际通风率Tab.3 Air intake from cigarette filter and actual filter ventilation rates of three cigarette samples with different ventilation rates during puffing

2.4 卷烟燃吸状态下进气量与烟丝段长度的关系

卷烟逐口抽吸过程中，随着烟丝段长度缩短，烟丝段吸阻降低，烟支逐口气体流量的分配随烟丝段长度缩短而改变。图4 和图5 分别为1#无滤嘴通风卷烟燃吸时其燃烧锥端和卷烟纸段进气量随烟丝段长度的变化规律。结果表明，卷烟燃吸状态下燃烧锥端进气量随烟丝段长度减小而增加，卷烟纸段进气量随烟丝段长度减小而减少。这主要归于卷烟纸段进气量和卷烟纸表面积呈正相关，烟丝段长度减小，卷烟纸表面积相应减小，从而导致卷烟纸段进气量降低，而抽吸容量不变，因此燃烧锥端进气量增加。另外，由图4 和图5 可知，燃烧锥进气量与烟丝段长度呈近似线性关系，烟丝段长度每缩短1 mm，燃烧锥端进气量约增加0.2 mL；而卷烟纸段进气量与烟丝段长度的平方呈线性关系，和文献［7］的理论模型一致。

图4 1#卷烟燃吸状态下燃烧锥端进气量和烟丝段长度的关系Fig.4 Relationship between air intake from combustion cone and remaining tobacco rod length of cigarette sample No.1 during puffing

图5 1#卷烟燃吸状态下卷烟纸段进气量和烟丝段长度的关系Fig.5 Relationship between air intake from cigarette paper and remaining tobacco rod length of cigarette sample No.1 during puffing

2.5 烟气净生成量

卷烟燃吸时，烟丝经高温热解、燃烧产生了烟气，空气中氧气被消耗的同时产生包括CO、CO2、乙醛、丙酮等气相成分［15-18］，可能导致消耗的气体量和产生的烟气量不等，进而影响烟支内部气体流量分配。上述研究可知，卷烟燃吸时燃烧锥端、卷烟纸段和滤嘴段进气量与抽吸容量成正比例关系，其线性拟合曲线的斜率代表了烟支相应部位进气量占抽吸容量的比例，将图2和图3中各直线的线性方程和相关系数列于表4。

由表4可知，1#卷烟未点燃时其燃烧锥端进气量和卷烟纸段进气量分别约占抽吸容量的87.27%和9.99%，二者之和接近100%，这是由于1#卷烟为无滤嘴通风卷烟，抽吸时空气仅从燃烧锥端和卷烟纸段进入烟支，抽吸容量和进气量之和遵循物质守恒原则。而燃吸时1#卷烟燃烧锥端进气量约占抽吸容量的67.25%，卷烟纸段进气量约占16.49%，二者之和仅为83.74%。与此类似，4#滤嘴通风卷烟燃吸时其燃烧锥端、卷烟纸段和滤嘴段进气量之和仅为88.54%，同样小于抽吸容量。这说明卷烟燃吸时消耗的气体体积小于生成的烟气体积，即烟丝热解、燃烧过程存在气体净生成量，使得从燃烧锥端、卷烟纸段和滤嘴段进入的空气总量与抽吸容量不一致。通过“单口烟气净生成量=抽吸容量-卷烟纸段进气量-燃烧锥端进气量-滤嘴段进气量”的物质守恒计算公式可得到1#卷烟和4#卷烟单口燃吸产生的净烟气量分别约占抽吸容量的16.26%和11.46%。图6为1#卷烟和4#卷烟燃吸时其烟支内部的气体流量分配，提示卷烟燃吸产生的净烟气量在卷烟烟气传输、分配规律的研究中应予以关注。

表4 1#和4#卷烟燃烧锥端、卷烟纸段和滤嘴段进气量与抽吸容量间的线性方程Tab.4 Linear equations between the combustion cone，cigarette paper and filter of cigarette samples No.1 and No.4 and puffing volume

图6 1#卷烟和4#卷烟燃吸状态下烟支气体流量分配Fig.6 Air flow distribution of cigarette samples No.1 and No.4 during puffing

2.6 卷烟燃吸状态下燃烧锥端进气量与烟气净生成量的关系

燃烧锥端进气量直接影响烟丝的热解、燃烧过程，进而影响烟气的生成量。为了探究卷烟燃吸状态下燃烧锥端进气量与烟气净生成量的关系，根据实验所测进气量数据，计算1#和4#卷烟不同抽吸容量下燃烧锥端进气量与烟气净生成量关系如图7和图8所示。由图可知，无论卷烟滤嘴通风与否，卷烟燃吸时，燃烧锥端进气量越大，单口燃吸产生的净烟气量越大，二者呈正比例关系，且两种卷烟燃吸时，其燃烧锥端进气量和烟气净生成量的线性拟合曲线斜率均约为0.24，即本实验所用卷烟燃吸时，每毫升燃烧锥端进气量约能产生0.24 mL 净烟气量。这一结果也说明烟丝配方相同时，单位燃烧锥端进气量产生的净烟气量基本相同，与卷烟通风和抽吸容量无关。

图7 1#卷烟燃烧锥进气量与单口烟气净生成量的关系Fig.7 Relationship between air intake from the combustion cone and the net smoke yield per puff of cigarette sample No.1

图8 4#卷烟燃烧锥进气量与单口烟气净生成量的关系Fig.8 Relationship between air intake from the combustion cone and the net smoke yield per puff of cigarette sample No.4

3 结论

设计了一种可直接测定卷烟进气量的装置，对燃吸状态下卷烟燃烧锥端、卷烟纸段和滤嘴段进气量进行了测量和分析。结果表明：①由于燃烧锥吸阻的存在，卷烟燃吸时不同部分的气流分配与未燃卷烟不同；②卷烟燃吸时燃烧锥端进气量低于未点燃卷烟，卷烟纸段进气量高于未点燃卷烟，卷烟的滤嘴通风率高于未燃卷烟滤嘴通风率；卷烟燃烧锥端进气量和烟丝段长度呈负的线性相关关系，卷烟纸进气量与烟丝段长度的平方呈正比例关系；③卷烟抽吸时燃烧锥烟气净生成量与燃烧锥端进气量呈线性关系，实验卷烟燃吸时每毫升燃烧锥端进气量约净产生0.24 mL的烟气。