滤嘴通风对加热卷烟气溶胶物理特性及其温度的影响

㊀
㊀2023年6月第38卷第3期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀
JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY㊀Vol.38No.3Jun.2023
㊀
收稿日期:2022-12-30;修回日期:2023-03-17;出版日期:2023-06-15基金项目:中国烟草总公司重大专项项目(110202101074(XX -19))
作者简介:崔华鹏(1984 ),男,山东省烟台市人,中国烟草总公司郑州烟草研究院高级工程师,主要研究方向为烟草化学㊂E-mail :cuihuapeng516@
通信作者:刘绍锋(1979 ),男,福建省三明市人,中国烟草总公司郑州烟草研究院研究员,主要研究方向为烟草化学㊂E-mail :sfliu@126.
com
崔华鹏,孟璠,陈黎,等.滤嘴通风对加热卷烟气溶胶物理特性及其温度的影响[J].轻工学报,2023,38(3):81-86.
CUI H P,MENG F,CHEN L,et al.Effects of filter ventilation on physical properties and temperature of aerosol in heated tobacco products[J].Journal of Light Industry,2023,38(3):81-86.DOI:10.12187/2023.03.010
滤嘴通风对加热卷烟气溶胶物理特性及其温度的影响
崔华鹏1,孟璠1,陈黎1,樊美娟1,黄龙2,李峰3,张晓兵1,刘绍锋1
1.中国烟草总公司郑州烟草研究院,河南郑州450001;
2.湖北中烟工业有限责任公司,湖北武汉430040;
3.广东中烟工业有限责任公司,广东广州510385
摘要:为研究滤嘴通风对加热卷烟气溶胶释放的影响,制备了滤嘴空腔段通风孔数量分别为0㊁2㊁4㊁6㊁8的
1# 5#加热卷烟样品,分别采用微探针取样原位气溶胶表征方法和热电偶测温法考查了通风孔数量对气溶胶物理特性和温度的影响规律㊂结果表明:滤嘴通风改变了气溶胶的粒径分布,通风孔后气溶胶的粒数浓度和体积浓度随通风孔数量的增加呈降低趋势,5#样品气溶胶体积浓度相较于1#样品降低了57.4%,通风减
小了气溶胶的粒数中值粒径,但其随通风孔数量的变化规律不显著;通风孔后气溶胶的温度随通风孔数量的增加呈降低趋势,5#
样品气溶胶温度相较于1#
样品降低了23.0ħ;通风孔前㊁后气溶胶体积浓度与温度均呈
现中轴线处高,且沿径向随距离增大逐渐降低的分布趋势㊂关键词:加热卷烟;滤嘴通风;气溶胶物理特性;气溶胶温度
中图分类号:TS41+
1㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:2096-1553(2023)03-0081-06
0　引言
加热卷烟气溶胶是通过加热元件对烟芯段材料进行加热,在抽吸过程中受热释放成分(水分㊁雾化剂㊁烟碱及其他香味成分)由于降温作用形成的[1-3]㊂相较于传统卷烟烟气,加热卷烟气溶胶通常会存在一定程度的 烫嘴 问题[4-5],需通过降温滤嘴来降低气溶胶的温度;加热卷烟的烟雾量较低,若采用类
似传统卷烟的较长醋纤滤嘴虽能降低气溶胶的温
度,但同时会增加气溶胶的截留,降低烟雾量㊂因此,降温低截留滤嘴成为加热卷烟产品开发的重点[4,6]㊂有研究[7]表明,在加热卷烟复合滤嘴中使用压纹聚拢聚乳酸薄膜作为降温材料,在气溶胶降温的过程中可减少其截留;罗玮等[4]制备了以纤维素纸为降温材料的降温低截留滤嘴,可明显降低加热卷烟气溶胶的出口温度㊂然而,降温材料滤嘴虽具有较好的降温效果,但存在滤嘴成型工艺要求高㊁气溶胶易发生截留等问题㊂除了降温材料滤嘴,通
㊃
18㊃
㊀2023年6月第38卷第3期㊀风打孔滤嘴也是加热卷烟滤嘴的一个重要研究方
向,例如使用打孔的硬纸空管滤嘴可以有效降低加
热卷烟气溶胶温度[4]㊂通风打孔滤嘴可通过引入
外部空气对气溶胶进行降温[7],但外部空气对气溶
胶的稀释混合也会降低气溶胶的浓度[8]㊂因此,合
理的滤嘴通风设计应既能保证相对较高的气溶胶释
放量,又能对气溶胶进行有效降温㊂因此,研究通风
对气溶胶的物理特性及其温度的影响,对于加热卷
烟的滤嘴通风设计具有重要意义㊂
为了直观反映通风对气溶胶及其温度的影响,
需要对通风孔前㊁后滤嘴气溶胶的物理特性和温度
进行原位在线表征㊂气溶胶的粒数浓度㊁粒数中值
粒径和体积浓度是其重要的物理特性指标[9],与加
热卷烟感官指标烟雾量密切相关,已有研究[10-11]报
道了加热卷烟加热温度㊁抽吸参数等对气溶胶物理
特性的影响㊂烟气温度表征方面,B.Li等[12]基于
插入热电偶法进行了卷烟燃烧锥的烟气温度分布表
征研究,发现热电偶法可以实现滤嘴内部通风孔前㊁
后位置气溶胶温度的在线测试㊂本研究组前期开发
了基于气溶胶取样微探针的加热卷烟抽吸过程气溶
胶原位表征系统[13-15],可表征加热卷烟气溶胶的生
成㊁传递㊁扩散和过滤过程,为通风孔前㊁后气溶胶物
理特性的直接表征提供了技术手段㊂基于此,本文
拟以不同通风孔数量的加热卷烟滤嘴为研究对象,
通过气溶胶原位表征系统和热电偶测温平台,考查
滤嘴通风对加热卷烟气溶胶物理特性及其温度的影
响,以期为加热卷烟滤嘴开发提供参考㊂
1㊀材料与方法
1.1㊀材料及仪器
主要材料:加热卷烟,湖北中烟工业有限责任公
司㊂烟支长度为45mm(12mm烟芯段+33mm滤
嘴),滤嘴由10mm中空醋纤段㊁16mm空腔段和
7mm醋纤段复合而成,烟支圆周为22.5mm㊂于加
热卷烟滤嘴空腔段中部(8mm处)采用细钻头(直
径0.6mm)进行周向等角度分布打孔,制备打孔数
量分别为0㊁2㊁4㊁6㊁8的加热卷烟样品,编号为1#
5#,测得其吸阻分别为1009.5Pa㊁756.6Pa㊁
593.6Pa㊁550.8Pa和515.7Pa㊂
主要仪器:加热卷烟配套的加热器具(采用圆
柱中心加热方式,加热温度为330ħ,抽吸口数为7
口),湖北中烟工业有限责任公司;基于微探针取样
的气溶胶原位表征系统(由气溶胶快速粒径谱仪
(DMS500,英国Cambustion公司产)㊁流量稀释控制
系统(SCS,英国Cambustion公司产)㊁微探针取样系
统㊁加热卷烟固定组件和吸烟机等部分组成,其中吸
烟机用于加热卷烟抽吸,微探针取样系统用于加热
卷烟内部特定位置的气溶胶取样,流量稀释控制系
统和气溶胶快速粒径谱仪分别用于气溶胶的稀释引
入和在线检测)㊁热电偶测温平台(由加热卷烟固定
组件㊁2根热电偶及数据采集模块组成,2根热电偶的
规格为K型,线径0.25mm,采用齐头平行设置,间隔
距离为6mm),中国烟草总公司郑州烟草研究院
㊂
图1㊀加热卷烟气溶胶粒径分布和温度
测试点示意图
Fig.1㊀Schematic diagram of measurement points
of particle size distribution and temperature
of aerosol in heated tobacco products
1.2㊀实验方法
1.2.1㊀加热卷烟样品通风孔前、后气溶胶粒径分布
检测㊀采用气溶胶原位表征系统检测1# 5#加热卷
烟样品通风孔前㊁后中轴线处气溶胶的粒径分布㊂
参照文献[13]设定流量稀释控制系统的抽吸模式
为HCI模式(抽吸容量为55mL㊁抽吸持续时间为
2s㊁抽吸频率为30s/口),气溶胶快速粒径谱仪的
采样流量为15L/min,二级稀释比为15ʒ1㊂设定
气溶胶原位取样位置为通风孔前3mm和通风孔后
3mm的中轴线处(见图1)㊂每次检测时,将微探针
插至测试点,启动吸烟机对加热卷烟样品进行逐口
抽吸;抽吸过程中,由微探针抽取5mL气溶胶,并在
气溶胶快速粒径谱仪中测得测试点原位气溶胶的粒
径分布㊂将加热卷烟样品抽吸第3㊁4㊁5口的检测结㊃28㊃
㊀崔华鹏,等:滤嘴通风对加热卷烟气溶胶物理特性及其温度的影响果取平均值,每个测试点平行检测4次,分别记为通风孔前-1至4㊁通风孔后-1至4㊂
1.2.2㊀加热卷烟样品气溶胶物理特性数据计算㊀根据加热卷烟样品通风孔前㊁后中轴线处气溶胶粒径分布数据,计算粒数浓度㊁粒数中值粒径和体积浓度等气溶胶物理特性数据,依据该数据可对比分析通风孔数量对加热卷烟样品气溶胶物理特性的影响规律㊂
1.2.3㊀加热卷烟样品通风孔前、后气溶胶温度检测㊀采用热电偶测温平台检测1# 5#加热卷烟样品通风孔前㊁后中轴线处的气溶胶温度㊂参考文献[16],将2根热电偶同时插入至检测位置(见图1),对加热卷烟样品逐口抽吸气溶胶温度进行连续监测,提取每口抽吸过程中的最高温度作为该测试点气溶胶的温度㊂将加热卷烟样品抽吸第3㊁4㊁5口的检测结果取平均值,每个样品平行检测4次,计算平均值作为该样品的温度数据㊂
1.2.4㊀加热卷烟样品气溶胶体积浓度和温度分布检测㊀气溶胶物理特性和温度在空腔段内并非均匀分布,为表征通风对气溶胶体积浓度和温度分布的具体影响,基于微探针取样气溶胶表征方法和热电偶测温法分别检测了3#样品通风孔前㊁后不同位置气溶胶的体积浓度和温度,设定轴向距离气溶胶体积浓度和温度不发生变化,采用Matlab 软件的grid-
data 插值函数对微探针和热电偶不同插入深度的径向位置检测数据进行Linear 插值处理,获得加热卷烟通风孔前㊁后的气溶胶体积浓度和温度分布㊂
2㊀结果与讨论
2.1㊀通风孔数量对加热卷烟气溶胶粒径分布的影响
㊀㊀通风孔数量对加热卷烟气溶胶粒径分布的影响如图2所示㊂由图2可知,所有样品气溶胶的粒径分布整体呈现近似正态分布,主要分布于10~300nm 的范围内㊂1#样品的滤嘴空腔不设通风孔,
通风位置前㊁后测得的气溶胶粒径分布基本一致,粒数浓度略有降低,表明不通风的空腔段对气溶胶粒径分布基本无影响,但由于气溶胶在空腔段内运动时会与空腔内壁发生碰撞导致截留,因此使气溶胶粒数浓度有所降低㊂2# 5#样品的滤嘴空腔均设置有通风孔,每个样品通风孔前㊁后测得的气溶胶粒径
分布均发生明显变化,通风孔后气溶胶的粒径整体变小,粒数浓度均有所降低㊂其原因是当滤嘴空腔通过通风孔引入空气后,空气对气溶胶进行瞬间的稀释,导致气溶胶粒数浓度降低[17];此外,空气稀释作用加剧了气溶胶液滴的表面挥发,使气溶胶粒径变小[18]㊂因此,加热卷烟通风会明显影响气溶胶的粒径分布
㊂
图2㊀通风孔数对加热卷烟气溶胶粒径分布的影响
Fig.2㊀Effects of ventilation holes on particle size distribution of aerosol in heated tobacco products
㊃
38㊃
㊀2023年6月第38卷第3期㊀2.2㊀通风孔数量对加热卷烟气溶胶物理特性
的影响
㊀㊀通风孔数量对加热卷烟气溶胶物理特性的影响
如图3所示㊂由图3可知,随着通风孔数量增加,通
风孔前气溶胶粒数浓度呈先保持不变后下降的趋
势,由4.6ˑ109个/cm3降低至3.5ˑ109个/cm3;通
风孔后气溶胶粒数浓度呈逐渐降低趋势,由4.1ˑ
109个/cm3降低至1.8ˑ109个/cm3;5#样品相较于
1#样品的粒数浓度降低了56.7%㊂滤嘴空腔设有通
风孔时,经过烟芯段的空气量与经过通风孔的空气
量之和为抽吸容量(55mL),通风孔数量的增加会
导致经过烟芯段空气量逐渐降低㊂上述结果表明,
通风孔数量的增加会明显降低通风孔后气溶胶粒数
浓度,也会对通风孔前气溶胶粒数浓度产生影响㊂
气溶胶粒径方面,1# 5#样品通风孔前气溶胶粒数
中值粒径基本保持不变,为43.8~45.0nm;2# 5#
样品在通风孔后的气溶胶粒数中值粒径均明显变
小,为23.3~27.4nm㊂烟芯段空气量的降低不会影
响其形成的气溶胶粒径[11],而通风稀释会增加气溶
胶表面液膜的挥发速率,使通风孔后的气溶胶粒径
减小㊂体积浓度是气溶胶粒数浓度与粒径分布综合
作用的特征数据,与评吸感官指标烟雾量直接相关㊂
通风对气溶胶体积浓度的影响规律与粒数浓度基本
一致,表现为通风孔数量增加会明显降低气溶胶的
体积浓度㊂不通风样品(1#)气溶胶的体积浓度为
1.1ˑ106μm3/cm3,2# 5#样品体积浓度相较于1#样
品分别降低30.8%㊁39.3%㊁52.1%㊁57.4%㊂这表
明,滤嘴通风能明显降低气溶胶的粒数浓度和体积
浓度,降低程度与通风孔的设计密切相关,具体表现
为通风孔数量越多,气溶胶粒数浓度和体积浓度降
低越明显㊂此外,通风能明显减小气溶胶的粒径㊂
2.3㊀通风孔数量对加热卷烟气溶胶温度的影响
㊀㊀通风孔数量对加热卷烟气溶胶温度的影响结果
如图4所示㊂由图4a)可知,随着通风孔数量增加,
通风孔前气溶胶温度呈逐渐下降趋势,由1#样品的
66.3ħ逐渐降低至5#样品的46.1ħ,表明滤嘴空
腔通风孔数量的增加会降低气溶胶温度㊂加热卷烟
在加热和抽吸过程中,加热元件持续的热辐射作用
会使滤嘴空腔段内的温度高于室温,
当滤嘴空腔通
图3㊀通风孔数对加热卷烟气溶胶物理特性的影响
Fig.3㊀Effects of ventilation holes on physical properties
of aerosol in heated tobacco products
图4㊀通风孔数加热卷烟对气溶胶温度的影响
Fig.4㊀Effects of ventilation holes on temperature
of aerosol in heated tobacco products
风孔数量增加时,加强了滤嘴空腔与外部冷空气的
热量交换,使滤嘴空腔温度降低,从而降低了通过滤
嘴空腔气溶胶的温度㊂由图4b)可知,随着通风孔
数量增加,通风孔后气溶胶温度同样呈逐渐下降趋
势,由1#样品的58.2ħ逐渐降低至5#样品的
35.2ħ,温度降低幅度分别为8.7ħ㊁15.8ħ㊁
21.7ħ㊁23.0ħ㊂这表明,在一定的通风孔数量范
围内,加热卷烟滤嘴空腔通风孔数量的增加会明显
降低气溶胶温度㊂通风可将滤嘴外部的冷空气引入㊃48㊃
㊀崔华鹏,等:滤嘴通风对加热卷烟气溶胶物理特性及其温度的影响滤嘴空腔内,冷空气在空腔内与气溶胶发生瞬间稀释混合,伴随着大量的热量交换,可有效地降低气溶胶温度,温度降低程度与通风孔的设计相关,表现为通风孔数量越多,气溶胶温度越低㊂
2.4㊀通风加热卷烟气溶胶的体积浓度和温度分布分析
㊀㊀通风加热卷烟气溶胶的体积浓度和温度分布如图5所示㊂由图5a)可知,在通风孔的前㊁后位置,气溶胶体积浓度均表现为中轴线处浓度高,且沿径向随距离增大逐渐降低㊂中轴线位置对应于加热元件,较高的加热温度增加了烟草成分的释放,利于形成较高体积浓度的气溶胶[19],边缘位置加热温度较低,烟草成分的释放量也较低,故形成气溶胶的体积
浓度相对较低;通风孔处引入的冷空气对气溶胶的稀释混合,降低了气溶胶的体积浓度,由于通风对中图5㊀通风加热卷烟的气溶胶体积浓度和温度分布Fig.5㊀Distributions of particle volume concentration and temperature of aerosol in heated tobacco products
with ventilation holes
轴线处气溶胶的影响程度小于外围区域[7],故气溶胶在中轴线处具有较高的体积浓度㊂同样地,如图5b)所示,在通风孔的前㊁后位置,气溶胶温度也均表现为中轴线处温度较高,且沿径向随距离增大逐渐降低㊂气溶胶温度的径向分布与烟芯段温度的径向分布直接相关,呈现中轴线温度高边缘温度低的趋势[19];通风孔后位置,冷空气对气溶胶进行稀释混合,降低了气溶胶温度,但气溶胶的运动为层流状态,且通风稀释主要发生于滤棒边缘位置,使通风对边缘气溶胶的影响作用较强,因此并未改变气溶胶中轴线温度高边缘温度低的分布趋势㊂
3㊀结论
本文制备了通风孔数量分别为0㊁2㊁4㊁6㊁8的1# 5#加热卷烟样品,分别采用微探针取样气溶胶原位表征方法和热电偶测温法检测了滤嘴内部通风孔前㊁后气溶胶的粒径分布和温度,计算并分析了通风孔数量对气溶胶物理特性及其温度的影响㊂结果表明:1)滤嘴通风能减小加热卷烟气溶胶的粒数中值粒径,且气溶胶粒数浓度和体积浓度均随通风孔数量的增加而逐渐降低,5#样品的气溶胶体积浓度相较于1#样品降低了57.4%㊂2)通风能有效降低气溶胶温度,且通风孔数量越多,气溶胶温度越低,5#样品的气溶胶温度相较于1#样品降低了23.0ħ㊂3)通风孔前㊁后气溶胶体积浓度与温度均呈现中轴线处高,且沿径向随距离增大逐渐降低的分布趋势㊂
在本研究基础上,将继续开展加热卷烟气溶胶形成及气溶胶扩散截留过程的分析,为加热卷烟气溶胶物理特性的精确调控提供参考依据,从而有效指导加热卷烟的产品开发㊂
参考文献:
[1]㊀刘珊,崔凯,曾世通,等.加热非燃烧型烟草制品剖析
[J ].烟草科技,2016,49(11):56-65.
[2]㊀SMITH M R ,CLARK B ,LUEDICKE F ,et al.Evaluation
of the tobacco heating system 2.2.Part 1:Description of the system and the scientific assessment program [J ].
Regulatory Toxicology and Pharmacology ,2016,81(Suppl.2):s17-s26.
[3]㊀CHRISTOPH W ,ARKADIUSZ K K ,MARKUS N ,et al.
Simulation of aerosol formation due to rapid cooling of multispecies vapors [J ].Journal of Engineering Mathemat-ics ,2018,108(1):171-196.
[4]㊀罗玮,谢兰英,秦亮生,等.加热卷烟 降温低截留 滤
㊃
58㊃
㊀2023年6月第38卷第3期㊀
棒的制备及应用[J ].烟草科技,2021,54(3):50-57.
[5]㊀郭新月,杨占平,宋晓梅,等.加热不燃烧卷烟烟气降温技术研究进展[J ].中国烟草学报,2020,26(3):24-32.[6]㊀马扩彦,刘义波,唐杰,等.聚乳酸膜材料在加热卷烟
中的应用研究[J ].中国烟草学报,2022,28(3):9-16.[7]㊀LI B ,ZHAO L C ,YU C F ,et al.Effect of machine smok-ing intensity and filter ventilation level on gas-phase tem-perature distribution inside a burning cigarette [J ].Beitr Tabakforsch Int ,2014,26:191-203.
[8]㊀BROWNE C L ,KEITH C H ,ALLEN R E ,et al.The effect
of filter ventilation on the yield and composition of main-stream and sidestream smokes [J ].Beitr Tabakforsch Int ,1980,10:81-90.
[9]㊀崔华鹏,陈黎,樊美娟,等.电加热卷烟气溶胶物理特
性的表征[J ].轻工学报,2022,37(2):87-93.
[10]崔华鹏,陈黎,樊美娟,等.加热温度对加热卷烟气溶胶
物理特性的影响[J ].烟草科技,2022,55(4):36-41.[11]王帅鹏,崔华鹏,陈黎,等.抽吸参数对电加热卷烟气
溶胶粒数和粒径的影响[J ].烟草科技,2022,55(9):44-50.
[12]LI B ,PANG H R ,ZHAO L C ,et al.Quantifying gas-phase
temperature inside a burning cigarette [J ].Industrial &Engineering Chemistry Research ,2014,53:7810-7820.
[13]崔华鹏,孟璠,陈黎,等.加热卷烟抽吸过程中气溶胶
动态分布表征系统的开发[J ].烟草科技,2023,56(1):60-65.
[14]MENG F ,CUI H P ,FAN M J ,et al.Spatially resolved
aerosol characterization during thermal distillation and
pyrolysis of tobacco using an in-situ microprobe sampling
coupled with fast particulate spectrometer [J ].Journal of
Analytical and Applied Pyrolysis ,2023,170:105911.
[15]孟璠,崔华鹏,陈黎,等.不同加热温度加热卷烟抽吸
过程中烟芯段气溶胶的动态分布[J ].烟草科技,2023,56(3):41-50.
[16]王乐,王亚林,李志强,等.电加热卷烟烟芯段温度分
布和烟气关键成分逐口变化:第1部分实验[J ].烟草科技,2021,54(3):31-39.
[17]吴君章,孔浩辉,沈光林,等. 三纸一棒 对卷烟烟气
气溶胶粒度分布的影响[J ].烟草科技,2013,46(9):58-62,67.
[18]VEHKAMEOKI H.Classical nucleation theory in multi-component systems [M ].Berlin :Springer-Verlag ,2006.
[19]MARKUS N ,ARKADIUSZ K K.Modeling aerosol forma-tion in an electrically heated tobacco product [J ].Interna-
tional Scholarly and Scientific Research &Innovation ,2016,10(4):373-385.
Effects of filter ventilation on physical properties and temperature
of aerosol in heated tobacco products
CUI Huapeng 1,MENG Fan 1,CHEN Li 1,FAN Meijuan 1,HUANG Long 2,
LI Feng 3,ZHANG Xiaobing 1,LIU Shaofeng 1
1.Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC ,Zhengzhou 450001,China ;
2.China Tobacco Hubei Industrial Co.,Ltd.,Wuhan 430040,China ;
3.China Tobacco Guangdong Industrial Co.,Ltd.,Guangzhou 510385,China
Abstract :In order to study the influence of filter ventilation of heated tobacco products on aerosol released,1# 5
#
heated tobacco products samples with 0,2,4,6,and 8ventilation holes set at cavity section of filter were
prepared.With an in-situ aerosol characterization method with microprobe sampling and a thermocouple
temperature measurement method,the effects of ventilation on the physical properties and temperature of aerosol were investigated and analyzed.The results showed that filter ventilation changed the particle size distribution of aerosol in heated tobacco products.The particle number concentration and volume concentration of aerosol behind
ventilation holes in heated tobacco products decreased with the increase of the number of ventilation holes.The
reduction rate of particle volume concentration of aerosol from sample 5#
was 57.4%compared with sample 1#
.
Ventilation reduced the count median diameter of aerosol.However,the change of count median diameter with the
number of ventilation holes was not significant.The temperature of aerosol in front of and behind ventilation holes decreased with the increase of the number of ventilation holes.The aerosol temperature of sample 5#was 23.0ħ
lower than that of sample 1#.The particle volume concentration and temperature of aerosol in front of and behind
ventilation holes were higher at the central axis and lower along the radial distance.
Key words :heated tobacco product;filter ventilation;aerosol physical properties;aerosol temperature
㊀
(责任编辑:吴晓亭)
㊃68㊃。