卷煙陰燃和吸燃時CO的釋放

陳昆焱張峻松李巧靈張穎璞黃惠貞郭松斌余玉梅

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

(1. 鄭州輕工業學院，河南 鄭州 450001；2. 福建中煙工業有限責任公司技術中心，福建 廈門 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是綜合表征卷煙主流煙氣危害性的典型物質之一，其主要來源于煙草的熱解、煙草的不完全燃燒以及CO2和焦炭的還原反應[1-3]。雖然已經有大量致力于降低卷煙煙氣中的CO的研究[4-6]，但更深入了解卷煙燃吸過程中CO的釋放機理，將更有助于設計出低危害卷煙。陰燃和吸燃是卷煙燃吸時存在的2種狀態，且這2種狀態下生成的煙氣組分有很大的差異[7]，Liu等[8]的研究也表明卷煙抽吸時的煙氣成分不僅受吸燃的影響，同時也受到陰燃的影響。陰燃和吸燃是相輔相成的，二者存在著密切的聯系，構成主流煙氣的來源不僅有吸燃來源，也有陰燃來源。然而，目前的研究[9]都將陰燃和吸燃看成完全分離的2個過程，且主要研究吸燃時煙氣成分的生成，沒有充分考慮陰燃對后續吸燃的影響。

本研究擬通過熱電偶測溫裝置測得卷煙在陰燃和吸燃時不同溫度區間的體積分布，選擇合理的試驗條件進行一系列的熱解燃燒試驗，用于模擬卷煙陰燃和吸燃2種狀態，并同時在線檢測CO的釋放情況。將陰燃與吸燃過程進行緊密的聯系，深入研究CO在陰燃和吸燃狀態下的釋放行為，以及陰燃對后續吸燃CO釋放的影響，探究影響CO釋放的關鍵因素，為降低卷煙抽吸過程中CO的釋放提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

卷煙樣品：福建中煙工業有限責任公司；

煙支燃吸氣相溫度場分析儀：TF-M100型，北京紫東科技有限公司；

快速管式升溫爐：OTF-1200X-4-RTP型，合肥科晶材料技術有限公司；

多功能煙氣分析儀：ecom-J2KN型，德國RBR公司；

數字式質量流量計：CS200型，中國七星電子公司；

電子天平：ML204/02型，瑞士Mettler Toledo公司。

1.2 方法

1.2.1 卷煙燃燒溫度場分布的測定 待測卷煙樣品在使用前都置于22 ℃和60%相對濕度的環境中至少48 h。根據文獻[10]測定方法和分析手段，得到卷煙燃燒溫度場分布。

1.2.2 煙草快速熱解燃燒系統 根據文獻[10]所介紹的煙草快速熱解燃燒系統及試驗方法進行試驗，將1.000 g煙絲樣品放入石英玻璃管中部，反應氣氛分別為N2、10% O2+90% N2(Vol)和空氣，流速15 cm/s，以20 ℃/s的升溫速率進行程序或者直接升溫，用劍橋濾片過濾粒相物，氣相物質CO由煙氣分析儀進行在線測定。

2 結果與分析

2.1 卷煙陰燃和吸燃時的區域劃分

圖1展示了煙支在陰燃和吸燃狀態下的溫度場分布，圖中的灰色線條代表燃燒線。在卷煙抽吸的2 s內，燃燒線平移了接近4 mm。根據卷煙在陰燃和吸燃下的2條燃燒線，將卷煙分為3個區域，分別是：陰燃燃燒線前端的R1區；2條燃燒線經過的R2區；吸燃燃燒線后端的R3區。

圖1 卷煙陰燃和吸燃時的區域劃分

2.2 卷煙從陰燃到吸燃對應不同溫度段的體積變化

卷煙陰燃和吸燃時R1～R3區域不同溫度段的體積分布如圖2所示。

從圖2可以看出，在陰燃狀態下， R1區內的煙絲體積分數主要集中在200～700 ℃，R2區內的煙絲體積分數主要集中在100～400 ℃，而R3區內的煙絲體積分數主要集中在100 ℃以下。說明在陰燃時，R1和R2區內的煙絲已受到不同程度的預熱，且R1區內的煙絲被預熱的程度最高，而R3區內的煙絲則保持在常溫未預熱的狀態。

由于熱傳導的影響，這3個區域在吸燃時，體積分數都向溫度升高的方向偏移。R1區內的煙絲體積分數在200～800 ℃呈現較均勻的分布，R2區內的煙絲體積分數則主要集中在300～700 ℃，R3區內的煙絲體積分數則主要集中在100～400 ℃。

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

2.3 煙草熱解燃燒過程中CO的釋放

2.3.1 煙草樣品在不同氣氛下的程序升溫試驗 由于R1和R2都在陰燃狀態下處于一個預加熱狀態，大部分的煙絲在吸燃時都是經歷了一個預熱過程，因此設計煙草樣品的程序升溫試驗用于說明陰燃狀態下預熱煙絲在吸燃時對CO生成的貢獻。按1.2.2的試驗要求分別將煙草置于N2、10% O2+90% N2(Vol)和空氣氣氛下，依次程序升溫至200，300，400，500，600 ℃，并對CO進行在線測定，如圖3 所示。

從圖3中可以看出，在無氧狀態下，CO的生成主要來自于煙草的熱解，其在300 ℃大量生成。隨著10% O2的引入，CO的生成溫度提前，即在200 ℃就有CO的顯著生成，此時200，300 ℃是CO生成的主要溫度區間。繼續增加氧濃度至空氣狀態，CO則主要在200 ℃就大量生成。此結果說明在有氧條件下，熱解和氧化反應同時存在，那些原本要在更高的溫度下進行熱解的物質，在低溫有氧條件下就直接發生了不完全氧化反應，并同時釋放大量的CO，這種趨勢隨著氧濃度的增大越加明顯。

圖3 CO在不同氣氛下溫度生成情況

對各個CO峰進行積分計算，得到N2、10% O2+90% N2(Vol)和空氣氣氛下各溫度CO生成總量，如表1所示。

表1不同氣氛下煙草在各溫度的CO釋放量

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

反應氣氛200 ℃300 ℃400 ℃200～400 ℃N26.4117.534.2728.2110% O2+90% N221.5812.113.0836.77空氣37.495.902.2445.63

從表1中可以看出，隨著氧濃度的增加，不僅CO的生成溫度向低溫偏移，而且CO的生成量也隨著氧濃度的增加而增加。當程序升溫至400 ℃，此時生成的CO相對較少，繼續升溫至500，600 ℃， CO未檢出(圖3中未展示)。此結果說明，卷煙燃燒的過程中，R1和R2的煙絲在陰燃時已被預熱，在吸燃時，即使溫度升高，由于這些生成CO的前體物已經在陰燃時發生了熱解燃燒反應而被消耗，主要貢獻于側流煙氣，對主流煙氣CO的貢獻較小。

2.3.2 煙草樣品在不同氣氛下的直接升溫試驗 由于R3在陰燃狀態下未被預熱，所有煙絲在吸燃時都屬于新鮮的煙絲，且在吸燃時的最高溫度不超過400 ℃。因此設計煙草樣品的直接升溫試驗用于說明R3陰燃狀態下新鮮煙絲在吸燃時對CO生成的貢獻。按1.2.2的試驗要求分別將煙草置于N2、10% O2+90% N2(Vol)和空氣氣氛下，直接升溫至400 ℃，并對CO進行在線測定，如圖4所示。

從圖4中可以看出，在直接升溫的情況下，CO的釋放量依然隨著氧濃度的增加而增加。因此在所研究的氧濃度范圍內，無論是直接升溫還是程序升溫，CO繼續被O2氧化生成CO2的程度較小，因此呈現出隨著氧濃度增加，CO生成量增加的趨勢。對不同氣氛下的CO峰進行積分計算，得到400 ℃時N2、10% O2+90% N2(Vol)和空氣氣氛下CO的釋放量分別是46.66，77.51，80.93 mg/g。對比程序升溫200～400 ℃的CO釋放總量和直接升溫400 ℃的CO釋放量，發現直接升溫條件下的CO釋放量明顯高于程序升溫條件下的。

圖4 煙草在不同氣氛下直接升溫至400 ℃生成CO的情況

根據以上的試驗結果，可以推測在卷煙吸燃的過程中，相對于R1和R2的預加熱煙絲，R3的新鮮煙絲可在400 ℃的范圍內大量生成主流煙氣中的CO。因此，雖然R3的溫度較低，但卻是在吸燃時CO生成的主要來源。而R1和R2則是在陰燃時已達到高溫，因此側流煙氣中的CO則主要來自于R1和R2。

2.4 陰燃狀態對后續吸燃時CO釋放的影響

為了進一步論證2.3的推論，通過在卷煙紙中添加助劑來改變卷煙的燃燒狀態，然后對不同陰燃和吸燃溫度CO的釋放情況進行比對。

分別用編號A、B表示通過在卷煙紙中添加助劑而改變燃燒狀態的卷煙，2.1中采用未添加助劑的卷煙記做C。A、B和C 3種卷煙具有相同的煙葉結構和卷煙紙透氣度。表2展示了煙支A和B在卷煙抽吸0～2 s時R1～R3不同溫度段的體積分布。如表2所示，陰燃時，煙支B高溫體積分布均高于煙支A和C。由于陰燃狀態的溫度較高，受到熱傳導的影響，在吸燃時R3的受熱程度是煙支B>煙支C>煙支A。將A、B和C 3種煙支分別按國標方法進行抽吸，并測定CO釋放量，得到煙支A、B和C在吸煙機上釋放的CO含量分別是11.0，14.5，13.0 mg/支。該釋放順序與R3的受熱程度順序保持一致。由此可見，卷煙的陰燃狀態會影響后續卷煙吸燃的結果，R3的受熱程度將直接影響卷煙吸燃時所釋放的CO量，受熱程度越高的，CO的釋放量越高。

表2 煙支A和B在卷煙抽吸0～2 s時不同溫度段的體積分布

3 結論

通過測定卷煙燃燒時陰燃和吸燃狀態下的溫度場分布以及對應溫度段的體積分布，從而準確選取合適的加熱條件進行煙草的熱解燃燒反應，分別采用程序升溫和直接升溫用于模擬卷煙陰燃和吸燃的狀態，并在線檢測CO的釋放情況用于說明煙支燃燒不同區域在陰燃和吸燃狀態各自對CO釋放的貢獻程度，以及不同的陰燃狀態對后續吸燃所釋放CO的影響。

根據燃燒線的遷移，可將卷煙分為3個區域，分別是陰燃燃燒線前端的R1區，吸燃時燃燒線經過的R2區，吸燃燃燒線后端R3區。R1和R2在陰燃時已達到較高的溫度，是側流煙氣中CO生成的主要來源，對吸燃時主流煙氣的貢獻較少。R3在吸燃時，雖然溫度較低(<400 ℃)，但是卻對主流煙氣中CO的釋放貢獻最大。由于熱傳導的影響，陰燃時溫度越高的卷煙，吸燃時R3的溫度越高，所釋放的CO含量也隨之增加。

本試驗只研究了卷煙燃吸過程中CO的釋放情況，今后可采用先進的熱電偶測溫裝置與煙草熱解燃燒反應系統相結合的方式，研究卷煙燃吸過程中其他煙氣成分的釋放。