趙文康，鄧 楠，張 齊，黃宇亮，王亞林，趙 敏，崔曉夢，趙路燦，王 婷,羅彥波，王 兵，李 斌，王 樂*

1.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號(hào) 450001

2.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，南寧市北湖南路28 號(hào) 530001

3.陜西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，陜西省寶雞市高新大道100 號(hào) 721013

4.浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，杭州市西湖區(qū)轉(zhuǎn)塘鎮(zhèn)科海路118 號(hào) 310024

5.國家煙草質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)翠竹街6 號(hào) 450001

卷煙的燃燒狀態(tài)受到卷煙紙透氣度、卷煙紙成分、濾棒壓降等多種因素的影響，合理組合這些物性參數(shù)可以提高卷煙感官質(zhì)量，減少煙氣中的有害成分，達(dá)到降焦減害的目的［1］。在卷煙抽吸過程中，卷煙的長度、通風(fēng)率、吸阻等物理參數(shù)均會(huì)發(fā)生變化，由此影響卷煙的燃燒與熱解，造成卷煙逐口之間燃燒狀態(tài)及煙氣釋放產(chǎn)生差異。卷煙在ISO 標(biāo)準(zhǔn)抽吸模式與加拿大深度抽吸模式（HCI）下，因抽吸容量不同，其內(nèi)部氣流存在較大差異，導(dǎo)致燃燒與熱解過程發(fā)生不同程度的變化。鄭賽晶等［2］采用紅外熱成像儀檢測卷煙溫度，研究表明隨著抽吸容量的增加，燃燒錐表面最高溫度逐步上升，卷煙煙氣的煙堿、焦油、水分等釋放量顯著增加，但該研究中關(guān)于卷煙燃燒狀態(tài)的表征參數(shù)較少，僅通過燃燒錐表面最高溫度無法全面描述卷煙的燃燒狀態(tài)。李斌等［3］開發(fā)了基于熱電偶陣列式檢測模塊的卷煙燃燒溫度表征方法，采用8 根微細(xì)熱電偶模塊對(duì)卷煙燃燒錐的內(nèi)部溫度進(jìn)行測定，該方法重復(fù)性良好，溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差在30 ℃以下，且多集中分布于20 ℃以下［4］，可以較好地表征卷煙的燃燒狀態(tài)。隨著卷煙燃燒溫度表征技術(shù)的進(jìn)步，針對(duì)卷煙燃燒過程已有較多研究［5-7］，但不同抽吸模式下卷煙連續(xù)抽吸兩口的燃燒狀態(tài)與煙氣釋放差異則鮮見報(bào)道。微細(xì)熱電偶溫度檢測模塊［3］以及相關(guān)數(shù)據(jù)處理方法［8］，主要是利用8 根熱電偶依次插入卷煙燃燒錐內(nèi)部5 個(gè)不同的深度采集溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)代入相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算得到卷煙燃燒錐的相關(guān)參數(shù)。該方法具有較好的準(zhǔn)確性和適用性，普遍應(yīng)用于卷煙燃燒錐溫度的表征。為此，基于微細(xì)熱電偶溫度檢測模塊建立了13 根熱電偶檢測方法，研究HCI 和ISO 兩種抽吸模式下卷煙連續(xù)抽吸兩口的燃燒狀態(tài)以及主流煙氣中部分化學(xué)成分的釋放量，旨在深入了解卷煙的燃燒過程與燃燒機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

材料：3R4F 肯塔基參比卷煙（美國肯塔基大學(xué)），煙支長度84 mm，濾嘴長度27 mm，圓周24.8 mm，吸阻1 250 Pa，卷煙紙透氣度24 CU，濾嘴通風(fēng)率30%。

1.2 方法

1.2.1 抽吸模式選擇

根據(jù) ISO 3308—2012《Routine analytical cigarette-smoking machine—Definitions and standard conditions》［9］，對(duì)ISO 標(biāo)準(zhǔn)抽吸模式的規(guī)定為：抽吸容量35 mL，抽吸持續(xù)時(shí)間2 s，抽吸間隔60 s，通風(fēng)孔不堵塞。部分研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為ISO 抽吸模式與實(shí)際抽吸模式有所不同，因此建立了其他抽吸模式，如美國的馬賽抽吸模式（Massachusetts）、HCI 等。其中，HCI 抽吸模式的規(guī)定為：抽吸容量55 mL，抽吸持續(xù)時(shí)間2 s，抽吸間隔30 s，通風(fēng)孔完全堵塞。本研究中選擇ISO 和HCI 兩種具有代表性的抽吸模式進(jìn)行對(duì)比分析。

1.2.2 卷煙樣品的前處理

將3R4F 樣品單層均勻地放置在溫度為（22±1）℃，相對(duì)濕度為（60±2）%的環(huán)境中［10］平衡48 h。實(shí)驗(yàn)前對(duì)卷煙樣品的單支質(zhì)量及吸阻進(jìn)行測量，挑選平均質(zhì)量±50 mg/支、平均吸阻±49 Pa 的卷煙樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2.3 卷煙燃燒狀態(tài)的表征

采用李斌等［3］開發(fā)的熱電偶采集模塊測量燃燒錐氣相溫度，所用熱電偶為K 型微細(xì)熱電偶，檢測方法及溫度數(shù)據(jù)前處理方法同文獻(xiàn)［8，11］。在距離卷煙點(diǎn)燃端20～45 mm 范圍內(nèi)，卷煙軸向密度分布較為均勻，故選取20～44 mm 作為溫度檢測區(qū)域。為測量卷煙連續(xù)抽吸兩口的溫度值，同時(shí)避免一次性在卷煙中插入過多熱電偶而對(duì)卷煙燃燒產(chǎn)生影響，實(shí)驗(yàn)中選用一次插入8 根熱電偶，分兩次測量的方法。第一次將熱電偶插入20～34 mm 范圍內(nèi)并采用第6 根熱電偶溫控啟動(dòng)；第二次將熱電偶插入30～44 mm 范圍內(nèi)并采用第1 根熱電偶溫控啟動(dòng)。相同插入深度下，第一次測量與第二次測量所采用的溫控啟動(dòng)溫度相同。溫控啟動(dòng)方法為：將第5 和第6 根熱電偶插入卷煙檢測位置的徑向中心處，使卷煙靜燃并記錄第5 和第6根熱電偶的溫度T54和T64，保持第5 根熱電偶的位置不變，將第6 根熱電偶的位置縱向后移d/8（d為煙支直徑），當(dāng)?shù)? 根熱電偶溫度達(dá)到T54時(shí)，記錄第6 根熱電偶的溫度T63，依次可以得到其他深度下的啟動(dòng)溫度T62、T61、T60［7］。經(jīng)過60 s（ISO 模式）或30 s（HCI 模式）進(jìn)行第二口抽吸，將第一次測量的第6、7、8 根熱電偶數(shù)據(jù)分別與第二次測量的第1、2、3 根熱電偶數(shù)據(jù)進(jìn)行加和求平均值，以此重組得到13 根熱電偶兩次抽吸所測得的數(shù)據(jù)。

為表征卷煙的燃燒狀態(tài)，選用了燃燒錐體積V0、燃燒錐特征溫度T0.5、溫度范圍T0.1～T0.9以及燃燒錐最高溫度Tmax4 個(gè)特征參數(shù)。其中，T0.5指燃燒錐內(nèi)部某溫度以上累積體積V占燃燒錐體積（即200 ℃以上累積體積）50%時(shí)的溫度，代表了燃燒錐的溫度變化趨勢；T0.1～T0.9指溫度范圍，即V占V0的10%～90%時(shí)的溫度范圍［12］。

根據(jù)燃燒錐內(nèi)部氣相溫度以及傳熱特點(diǎn)，可以將燃燒錐劃分為煙灰區(qū)、煙灰與燃燒過渡區(qū)（以下簡稱過渡區(qū)）、燃燒區(qū)和熱解區(qū)4 個(gè)區(qū)域。為更加直觀地描述卷煙在燃燒過程中內(nèi)部溫度變化情況，選擇卷煙內(nèi)部A、B、C、D 4 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行溫度以及升溫速率測定，見圖1。其中，A、C、D 3 個(gè)點(diǎn)位于燃燒線左側(cè)（處于熱解區(qū)），但軸向深度不同；B 點(diǎn)位于燃燒線右側(cè)，與A 點(diǎn)處于同一深度，但兩者徑向位置不同。將熱電偶采集模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到燃燒錐不同區(qū)域在卷煙燃燒過程中的體積變化，卷煙的燃燒速率采用燃燒錐內(nèi)部微元點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離來表示［13］。

圖1 卷煙溫度檢測位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of temperature detection positions in cigarette

1.2.4 主流煙氣化學(xué)成分的檢測

按照GB/T 19609—2004［14］測定總顆粒物（TPM）和焦油量；按照GB/T 23355—2009［15］測定煙堿；按照GB/T 23356—2009［16］測定CO；采用行業(yè)標(biāo) 準(zhǔn)YC/T 253—2008［17］、YC/T 255—2008［18］、YC/T 377—2010［19］和國標(biāo)GB/T 21130—2007［20］、GB/T 23228—2008［21］檢測氰化氫（HCN）、酚類化合物（包括苯酚、對(duì)苯二酚、鄰甲酚、鄰苯二酚、間苯二酚）、NH3、B［a］P 和TSNAs（包括NNN、NAT、NAB、NNK）；按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YC/T 254—2008［22］檢測主要醛類物質(zhì)（包括甲醛、乙醛、丙烯醛、丙醛、巴豆醛和丁醛）。

根據(jù)得到的卷煙在燃燒過程中主流煙氣化學(xué)成分及含量、卷煙的抽吸口數(shù)、瞬時(shí)燃燒速率以及卷煙軸向密度分布，計(jì)算卷煙煙氣單口釋放量以及兩種抽吸模式下單位質(zhì)量煙絲煙氣釋放量比值。

2 結(jié)果與分析

2.1 卷煙燃燒狀態(tài)分析

2.1.1 燃燒錐特征參數(shù)

圖2 為連續(xù)抽吸兩口過程中燃燒錐特征參數(shù)隨時(shí)間的變化。可見，在HCI 抽吸模式下，卷煙燃燒錐體積V0、最高溫度Tmax、特征溫度T0.5和溫度范圍T0.1～T0.9整體上均呈先增加后減小趨勢，而在靜燃過程中特征參數(shù)V0、T0.5和T0.1～T0.9均呈降低趨勢，而Tmax則呈先降低后升高的趨勢。由于HCI 模式的抽吸容量大于ISO 模式，卷煙燃燒更充分，因此4 個(gè)特征參數(shù)相對(duì)較大。表1 為卷煙在兩種抽吸模式下抽吸2 s 區(qū)間內(nèi)溫度特征參數(shù)的平均值，可以看出兩種抽吸模式下第二口的燃燒錐體積V0和最高溫度Tmax均大于第一口，而第二口的T0.5和T0.1～T0.9均比第一口小，這表明卷煙連續(xù)抽吸兩口過程中，燃燒錐的體積和最高溫度增加，而燃燒錐內(nèi)部的高溫區(qū)域所占比例有所降低。

圖2 ISO 和HCI 抽吸模式下溫度特征參數(shù)變化趨勢Fig.2 Variations of characteristic temperature parameters under ISO and HCI regimes

表1 ISO 和HCI 抽吸模式下卷煙抽吸2 s 區(qū)間內(nèi)溫度特征參數(shù)平均值Tab.1 Average values of characteristic temperature parameters in 2 s interval of puffing under ISO and HCI regimes

2.1.2 卷煙特定位置溫度及升溫速率變化

由圖3 可見，在HCI 抽吸模式下，抽吸第一口（HCI-1）和第二口（HCI-2）時(shí)，A、B、C 3 個(gè)點(diǎn)的溫度均高于ISO 抽吸模式，但D 點(diǎn)的溫度低于ISO 抽吸模式，這是因?yàn)镠CI 模式下卷煙抽吸過程中的空氣流速增大，煙支表面熱量容易損失，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒錐表面溫度降低。在ISO 抽吸模式下，A、B、C 3 個(gè)點(diǎn)抽吸第二口（ISO-2）的溫度低于第一口（ISO-1），這是由于ISO 模式下抽吸間隔較長，燃燒錐熱量散失較大，且逐漸累積的煙灰減少了煙絲與空氣的接觸，因此抽吸第二口時(shí)的起始溫度低于第一口。而HCI 模式下抽吸間隔較短（30 s），熱量損失較少，因此抽吸第二口時(shí)的起始溫度高于第一口。

圖3 ISO 和HCI 抽吸模式下A、B、C、D 4 個(gè)點(diǎn)抽吸第一口和第二口時(shí)溫度變化Fig.3 Variations of temperature at the detection positions A,B,C and D of the first and second puffs under ISO and HCI regimes

由圖4 可以看出，A、B 兩點(diǎn)在HCI 模式下抽吸兩口時(shí)的升溫速率均比ISO 模式高；C 點(diǎn)在HCI 模式下抽吸第一口時(shí)的升溫速率比ISO 模式高，而抽吸第二口時(shí)的升溫速率則比ISO 模式低；煙支表面D 點(diǎn)由于接觸空氣，升溫速率變化較大。

圖4 ISO 和HCI 抽吸模式下A、B、C、D 4 個(gè)點(diǎn)抽吸第一口和第二口時(shí)升溫速率變化Fig.4 Variations of rate of temperature elevation at detection positions A,B,C and D of the first and second puffs under ISO and HCI regimes

2.1.3 卷煙瞬時(shí)燃燒速率

圖5 和表2 為兩種抽吸模式下卷煙瞬時(shí)燃燒速率及相關(guān)參數(shù)?？梢?，HCI 模式下平均抽吸燃燒速率和最大燃燒速率均高于ISO 模式，這是因?yàn)镠CI 模式的抽吸容量高于ISO 模式，空氣進(jìn)入量多可以使卷煙紙與煙絲燃燒更加充分。ISO 和HCI 模式下，抽吸第二口與第一口相比較，靜燃速率分別增加48.6%和16.5%，這可能是因?yàn)槌槲谝豢跁r(shí)熱量隨空氣轉(zhuǎn)移至尚未燃燒的煙絲中，使后部煙絲得到一定程度的加熱，從而提高了抽吸第二口前的靜燃速率。

圖5 ISO 和HCI 抽吸模式下卷煙瞬時(shí)燃燒速率Fig.5 Instantaneous combustion rate of cigarettes under ISO and HCI regimes

2.1.4 燃燒錐不同區(qū)域的溫度及體積分布分析

圖6 為燃燒錐在抽吸1 s 時(shí)煙灰區(qū)、過渡區(qū)、燃燒區(qū)和熱解區(qū)4 個(gè)區(qū)域的溫度分布。兩種模式在抽吸1 s 時(shí)均出現(xiàn)高于800 ℃的高溫區(qū)域，且HCI抽吸模式下大于800 ℃的區(qū)域高于ISO 抽吸模式。圖7 為燃燒錐各區(qū)域的體積大小，在ISO 和HCI 模式下抽吸第二口時(shí)的燃燒錐煙灰區(qū)體積增幅較大。結(jié)合表1 數(shù)據(jù)可知，煙灰區(qū)體積增大會(huì)造成燃燒錐體積增大和高溫區(qū)域所占比例降低，而煙灰的保溫作用也使最高溫度有所增加。結(jié)合表2 數(shù)據(jù)可知，第一口抽吸過程中卷煙燃燒錐的過渡區(qū)和燃燒區(qū)體積較大，使得卷煙在第一口抽吸過程中有更多的熱量被轉(zhuǎn)移至燃燒錐后部的煙絲中，后部煙絲經(jīng)過一定程度的加熱以及煙灰區(qū)的逐漸累積，減少了熱量散失，由此造成第二口靜燃速率增大。

表2 ISO 和HCI 抽吸模式下卷煙燃燒速率相關(guān)參數(shù)Tab.2 Parameters related to combustion rate of cigarette under ISO and HCI regimes（mm·s-1）

圖6 燃燒錐不同區(qū)域在抽吸1 s 時(shí)的溫度分布Fig.6 Temperature distribution in different areas of combustion cone at the first second during puffing

圖7 燃燒錐不同區(qū)域在抽吸過程中的體積分布Fig.7 Volumes of different areas of combustion cone during puffing

2.2 主流煙氣化學(xué)成分分析

表3 為ISO 和HCI 抽吸模式下主流煙氣中22種化學(xué)成分的釋放情況。HCI 抽吸模式下，卷煙的全支釋放量和單口釋放量均大于ISO 模式，且單位質(zhì)量煙絲釋放量是ISO 抽吸模式下的1.396～3.041 倍（鄰甲酚除外），原因可能是HCI 抽吸模式下，濾嘴通風(fēng)孔封閉，通風(fēng)率為0，燃燒錐的內(nèi)部溫度與升溫速率較高，使得焦油和其他化學(xué)成分的釋放量增加。已有文獻(xiàn)表明，卷煙濾嘴通風(fēng)率越高，焦油、CO、煙堿等有害成分的釋放量越低［23-26］。

表3 ISO 和HCI 抽吸模式下卷煙主流煙氣中22 種化學(xué)成分釋放量Tab.3 Deliveries of 22 chemical components in mainstream cigarette smoke under ISO and HCI regimes

表3（續(xù)）

3 結(jié)論

①相比ISO 抽吸模式，HCI 抽吸模式能夠提高燃燒錐體積V0、最高溫度Tmax、特征溫度T0.5、溫度范圍T0.1～T0.9等特征參數(shù)值；在兩種模式下，抽吸第二口時(shí)燃燒錐的體積和最高溫度均會(huì)增加，但高溫區(qū)域所占比例有所減小。②HCI 和ISO 抽吸模式下，卷煙燃燒錐內(nèi)部區(qū)域溫度隨抽吸過程的進(jìn)行呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，燃燒錐表面溫度則呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢；HCI 抽吸模式下，卷煙燃燒錐內(nèi)部溫度和升溫速率整體高于ISO 抽吸模式，燃燒錐表面溫度則低于ISO 抽吸模式。③HCI 和ISO 抽吸模式下，抽吸第一口時(shí)過渡區(qū)和燃燒區(qū)體積較大，導(dǎo)致抽吸第二口前的靜燃速率較第一口有所增加。④與ISO 抽吸模式相比，HCI抽吸模式下燃燒錐內(nèi)部溫度較高、升溫速率較快，使得卷煙單位質(zhì)量煙絲主流煙氣化學(xué)成分釋放量升高。