卷煙燃吸狀態下的氣體流量分配

劉瑞紅，郭吉兆，吳桂周，崔華鵬，文建輝，張 霞，郭 磊，聶 聰，謝復煒*

1. 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2 號 450001

2. 廣東中煙工業有限責任公司技術中心，廣州市荔灣區東沙環翠南路88 號 510385

3. 湖南中煙工業有限責任公司，長沙市雨花區勞動中路386 號 410007

4. 甘肅煙草工業有限責任公司，蘭州市七里河區南濱河中路1111 號 730050

卷煙抽吸時，空氣從燃燒錐、卷煙紙及濾嘴三個部位進入煙支［1-2］。卷煙各部分的進氣量分配直接影響燃燒錐的形成和煙氣在煙支內的傳輸、稀釋，進而影響煙氣的產生和主流煙氣的釋放［3］。因此，圍繞卷煙內部氣流、壓降開展了較多研究。Schneide等［4］和Keith等［5］研究了煙用材料對濾嘴通風率影響的計算模型。王樂等［6-7］分別采用線性網絡模型和三維數學模型研究了卷煙未點燃狀態下煙支內的氣流分布規律。然而，卷煙實際燃吸時形成了高溫燃燒錐，煙支吸阻與未點燃時相比增加了50%～60%［8-10］，導致燃吸卷煙的氣流分配和未點燃卷煙差異較大。因此，實驗測定卷煙燃吸時的氣流分配對研究煙氣的產生具有實際價值。顏水明等［11］和Baker［12］采用經吸燃淬滅的煙支進行測定，雖然該卷煙帶有碳化的燃燒錐，但由于淬滅后燃燒錐溫度與燃吸時差異很大，淬滅后的燃燒錐吸阻與燃吸時的吸阻差異顯著。鄧楠等［13］測定了卷煙燃吸狀態下卷煙紙和濾嘴段的總進氣量，以抽吸容量與測量值之差作為燃燒錐端進氣量，但該方法忽略了卷煙燃吸時燃燒錐因燃燒導致的氣體總量變化，如氧氣的消耗、CO、CO2等的產生。

準確測定卷煙燃吸狀態下煙支各部分的進氣量對于研究煙氣在燃燒錐的形成和煙支內的傳輸規律具有重要價值［14］。目前的文獻方法忽略了卷煙在燃吸狀態和非燃吸狀態下的氣流分配差異，基于此，設計了一種能夠直接測定卷煙燃吸狀態下煙支各部分進氣量的裝置，比較了卷煙在未燃和吸燃兩種狀態下燃燒錐端、卷煙紙段和濾嘴段進氣量的差異，研究了卷煙燃吸狀態下煙絲段長度對各部分進氣量分配的影響，并分析了單口燃吸的煙氣凈生成量，旨在深入了解卷煙煙氣的形成機制。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料：采用相同煙絲配方制作的不同濾嘴通風率卷煙。卷煙物理參數見表1。

表1 實驗卷煙物理參數Tab.1 Physical parameters of experimental cigarettes

儀器：單通道吸煙機（鄭州嘉德機電科技有限公司）。

1.2 測試裝置

圖1 為設計的卷煙進氣量測試裝置示意圖。該裝置由單孔道吸煙機、玻璃材質圓筒（長15 cm，直徑8 cm）、密封隔斷組件（2個）、皂膜流量計（2個）及卷煙夾持器組成。密封隔斷組件設置有2 個O 型圈用于滑動密封，其中心孔處通過螺紋壓環固定有2個反向安置的迷宮環；玻璃圓筒為煙支進氣量測試腔，利用密封隔斷組件將玻璃圓筒分隔為2個測試空間，通過硅膠軟管在每個空間各連接一個皂膜流量計。密封隔斷組件的位置可根據煙支測定部位的需要進行調整。

圖1 卷煙進氣量測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the device for measuring air intake of a cigarette

1.3 測試方法

對于無濾嘴通風卷煙，卷煙抽吸時空氣從卷煙紙段和燃燒錐端進入煙支，調整密封隔斷組件位置，將待測煙支穿過密封隔斷組件的迷宮環插入玻璃圓筒中，使得2個測試空間分別對應煙支的卷煙紙段和燃燒錐端，煙支濾嘴端通過卷煙夾持器與吸煙機相連。在煙支燃燒錐端所在測試空間與空氣相通的條件下，點燃煙支并陰燃15 mm 后封閉燃燒錐端玻璃圓筒，同時記錄皂膜流量計初示數據；啟動吸煙機抽吸1 口，抽吸波型為鐘形波，抽吸持續時間2 s；抽吸結束后，記錄皂膜流量計終示數據，兩個數據之差即為卷煙燃吸時由該皂膜流量計所測煙支段進入的空氣體積。

對于濾嘴通風卷煙，抽吸時空氣從煙支的濾嘴段、卷煙紙段和燃燒錐端3部分進入，將濾嘴段和卷煙紙段合并為總紙段進行測定，即調整密封隔斷組件，將2個測試空間分別對應煙支的總紙段和燃燒錐端，首先測得總紙段進氣量和燃燒錐端進氣量，再移動密封隔斷組件，單獨測定濾嘴段進氣量，卷煙紙段進氣量通過總紙段進氣量與濾嘴段進氣量的差值得到，即獲得濾嘴段、卷煙紙段和燃燒錐端3部分的進氣量。

2 結果與討論

2.1 方法精密度評價

在不同抽吸容量下，采用設計的裝置對1#卷煙燃吸時燃燒錐端和卷煙紙段的進氣量進行測定，每組數據測定6 支卷煙，結果見表2。在3 種抽吸容量下，燃燒錐端進氣量和卷煙紙段進氣量測試值的RSD均低于7%，表明采用此裝置測定得到的卷煙燃吸時煙支各部分的進氣量結果精密度較高。為了減小隨機誤差，本研究后續數據均采用6支卷煙測試結果的平均值。

表2 卷煙燃吸狀態下燃燒錐端和卷煙紙段進氣量Tab.2 Air intakes from combustion cone and cigarette paper during puffing （mL）

2.2 卷煙燃吸狀態下煙支進氣量的測定

分別采用10、20、35、45、55 和70 mL 的抽吸容量，測定了1#無濾嘴通風卷煙和4#濾嘴通風卷煙在距點燃端15 mm 處抽吸時其燃燒錐端、卷煙紙段和濾嘴段的進氣量，結果如圖2和圖3所示。1#卷煙和4#卷煙抽吸時，其燃燒錐端和卷煙紙段進氣量均與抽吸容量呈正比關系，4#卷煙燃吸時的濾嘴段進氣量與抽吸容量也呈正比關系，這一結果表明卷煙在同一煙支位置燃吸時，從燃燒錐端、卷煙紙段和濾嘴段進入煙支的空氣比例不受抽吸容量變化影響。

圖2 未點燃和燃吸兩種狀態下1#卷煙進氣量與抽吸容量的關系Fig.2 Relationships between air intake and puffing volume of unlit or lit cigarette sample No.1

圖3 未點燃和燃吸兩種狀態下4#卷煙進氣量與抽吸容量的關系Fig.3 Relationships between air intake and puffing volume of unlit or lit cigarette sample No.4

為比較燃吸和非點燃兩種狀態下煙支進氣量分配的差異，測定了未點燃卷煙燃燒錐端、卷煙紙段和濾嘴段的進氣量。如圖2和圖3所示，在不同抽吸容量下，1#無濾嘴通風卷煙和4#濾嘴通風卷煙燃燒錐端進氣量燃吸時均比未點燃時低，而卷煙紙段進氣量燃吸時均比未點燃時高，4#卷煙濾嘴段進氣量燃吸時也比未點燃時高。這是由于卷煙燃吸時產生了高溫燃燒錐，使燃燒錐端吸阻增加，從而降低了空氣從燃燒錐端進入的傾向，進而導致燃吸卷煙各部分的進氣量大小和分配比例與未點燃卷煙有明顯差異。

在ISO 標準抽吸條件下，文獻［11］中采用與1#卷煙相同通風設計的煙支，測定其在經吸燃后淬滅狀態下的燃燒錐端進氣量為33.30 mL，大幅高于本實驗中23.92 mL的測定值。這一方面是因為卷煙燃吸時的煙支吸阻比吸燃后淬滅煙支的吸阻高［11］，另一方面是由于卷煙燃吸時煙絲熱解、燃燒產生了氣相成分，貢獻了部分煙支內氣體流量，因此對吸燃后淬滅煙支進氣量的測定并不能反映卷煙抽吸時真實的氣體流量傳輸規律。

2.3 卷煙燃吸狀態下濾嘴通風率的測定

測定了3 種濾嘴通風卷煙在未點燃和燃吸狀態下的濾嘴段進氣量，考察了煙支狀態對濾嘴通風率的影響，結果如表3 所示。采用的抽吸容量為35 mL、抽吸時間為2 s，抽吸位置為距點燃端15 mm。表3中數據顯示，3種卷煙燃吸時的濾嘴通風率均大于未點燃狀態下的濾嘴通風率，其中2#卷煙、3#卷煙和4#卷煙燃吸時的濾嘴通風率與未燃時相比分別增加了31.2%、29.6%和25.9%。這是由于卷煙燃吸時，燃燒錐的產生增加了煙絲段吸阻，而濾嘴段吸阻基本不變，因此從煙絲段進入的空氣量趨于減少，進而導致從濾嘴段進入的空氣量相應增加。

表3 3種通風卷煙燃吸狀態下濾嘴進氣量及實際通風率Tab.3 Air intake from cigarette filter and actual filter ventilation rates of three cigarette samples with different ventilation rates during puffing

2.4 卷煙燃吸狀態下進氣量與煙絲段長度的關系

卷煙逐口抽吸過程中，隨著煙絲段長度縮短，煙絲段吸阻降低，煙支逐口氣體流量的分配隨煙絲段長度縮短而改變。圖4 和圖5 分別為1#無濾嘴通風卷煙燃吸時其燃燒錐端和卷煙紙段進氣量隨煙絲段長度的變化規律。結果表明，卷煙燃吸狀態下燃燒錐端進氣量隨煙絲段長度減小而增加，卷煙紙段進氣量隨煙絲段長度減小而減少。這主要歸于卷煙紙段進氣量和卷煙紙表面積呈正相關，煙絲段長度減小，卷煙紙表面積相應減小，從而導致卷煙紙段進氣量降低，而抽吸容量不變，因此燃燒錐端進氣量增加。另外，由圖4 和圖5 可知，燃燒錐進氣量與煙絲段長度呈近似線性關系，煙絲段長度每縮短1 mm，燃燒錐端進氣量約增加0.2 mL；而卷煙紙段進氣量與煙絲段長度的平方呈線性關系，和文獻［7］的理論模型一致。

圖4 1#卷煙燃吸狀態下燃燒錐端進氣量和煙絲段長度的關系Fig.4 Relationship between air intake from combustion cone and remaining tobacco rod length of cigarette sample No.1 during puffing

圖5 1#卷煙燃吸狀態下卷煙紙段進氣量和煙絲段長度的關系Fig.5 Relationship between air intake from cigarette paper and remaining tobacco rod length of cigarette sample No.1 during puffing

2.5 煙氣凈生成量

卷煙燃吸時，煙絲經高溫熱解、燃燒產生了煙氣，空氣中氧氣被消耗的同時產生包括CO、CO2、乙醛、丙酮等氣相成分［15-18］，可能導致消耗的氣體量和產生的煙氣量不等，進而影響煙支內部氣體流量分配。上述研究可知，卷煙燃吸時燃燒錐端、卷煙紙段和濾嘴段進氣量與抽吸容量成正比例關系，其線性擬合曲線的斜率代表了煙支相應部位進氣量占抽吸容量的比例，將圖2和圖3中各直線的線性方程和相關系數列于表4。

由表4可知，1#卷煙未點燃時其燃燒錐端進氣量和卷煙紙段進氣量分別約占抽吸容量的87.27%和9.99%，二者之和接近100%，這是由于1#卷煙為無濾嘴通風卷煙，抽吸時空氣僅從燃燒錐端和卷煙紙段進入煙支，抽吸容量和進氣量之和遵循物質守恒原則。而燃吸時1#卷煙燃燒錐端進氣量約占抽吸容量的67.25%，卷煙紙段進氣量約占16.49%，二者之和僅為83.74%。與此類似，4#濾嘴通風卷煙燃吸時其燃燒錐端、卷煙紙段和濾嘴段進氣量之和僅為88.54%，同樣小于抽吸容量。這說明卷煙燃吸時消耗的氣體體積小于生成的煙氣體積，即煙絲熱解、燃燒過程存在氣體凈生成量，使得從燃燒錐端、卷煙紙段和濾嘴段進入的空氣總量與抽吸容量不一致。通過“單口煙氣凈生成量=抽吸容量-卷煙紙段進氣量-燃燒錐端進氣量-濾嘴段進氣量”的物質守恒計算公式可得到1#卷煙和4#卷煙單口燃吸產生的凈煙氣量分別約占抽吸容量的16.26%和11.46%。圖6為1#卷煙和4#卷煙燃吸時其煙支內部的氣體流量分配，提示卷煙燃吸產生的凈煙氣量在卷煙煙氣傳輸、分配規律的研究中應予以關注。

表4 1#和4#卷煙燃燒錐端、卷煙紙段和濾嘴段進氣量與抽吸容量間的線性方程Tab.4 Linear equations between the combustion cone，cigarette paper and filter of cigarette samples No.1 and No.4 and puffing volume

圖6 1#卷煙和4#卷煙燃吸狀態下煙支氣體流量分配Fig.6 Air flow distribution of cigarette samples No.1 and No.4 during puffing

2.6 卷煙燃吸狀態下燃燒錐端進氣量與煙氣凈生成量的關系

燃燒錐端進氣量直接影響煙絲的熱解、燃燒過程，進而影響煙氣的生成量。為了探究卷煙燃吸狀態下燃燒錐端進氣量與煙氣凈生成量的關系，根據實驗所測進氣量數據，計算1#和4#卷煙不同抽吸容量下燃燒錐端進氣量與煙氣凈生成量關系如圖7和圖8所示。由圖可知，無論卷煙濾嘴通風與否，卷煙燃吸時，燃燒錐端進氣量越大，單口燃吸產生的凈煙氣量越大，二者呈正比例關系，且兩種卷煙燃吸時，其燃燒錐端進氣量和煙氣凈生成量的線性擬合曲線斜率均約為0.24，即本實驗所用卷煙燃吸時，每毫升燃燒錐端進氣量約能產生0.24 mL 凈煙氣量。這一結果也說明煙絲配方相同時，單位燃燒錐端進氣量產生的凈煙氣量基本相同，與卷煙通風和抽吸容量無關。

圖7 1#卷煙燃燒錐進氣量與單口煙氣凈生成量的關系Fig.7 Relationship between air intake from the combustion cone and the net smoke yield per puff of cigarette sample No.1

圖8 4#卷煙燃燒錐進氣量與單口煙氣凈生成量的關系Fig.8 Relationship between air intake from the combustion cone and the net smoke yield per puff of cigarette sample No.4

3 結論

設計了一種可直接測定卷煙進氣量的裝置，對燃吸狀態下卷煙燃燒錐端、卷煙紙段和濾嘴段進氣量進行了測量和分析。結果表明：①由于燃燒錐吸阻的存在，卷煙燃吸時不同部分的氣流分配與未燃卷煙不同；②卷煙燃吸時燃燒錐端進氣量低于未點燃卷煙，卷煙紙段進氣量高于未點燃卷煙，卷煙的濾嘴通風率高于未燃卷煙濾嘴通風率；卷煙燃燒錐端進氣量和煙絲段長度呈負的線性相關關系，卷煙紙進氣量與煙絲段長度的平方呈正比例關系；③卷煙抽吸時燃燒錐煙氣凈生成量與燃燒錐端進氣量呈線性關系，實驗卷煙燃吸時每毫升燃燒錐端進氣量約凈產生0.24 mL的煙氣。