卷烟燃烧模型研讨进展

1卷烟燃烧模型的发展过程

卷烟燃烧模型始建于上世纪60年代，发展至今，按照卷烟燃烧模式的不同，可分为阴燃模型和吸燃模型。卷烟燃烧循环中阴燃和吸燃的概念框架已经提出[9]，在这个概念框架中，对于卷烟吸燃的分析有限，因为此过程的气体流速快速增加，而且在燃烧区后端的烟草将出现预热现象；而对于卷烟阴燃，气体的流速是确定的，所以此过程发生的反应在化学计量学和动力学的控制范围，因此针对卷烟阴燃的模型较多。卷烟的燃烧过程可以看成是一个小型的化学反应系统，其中包含烟草的热解和燃烧反应以及卷烟内部质量、能量和动量的传递。因此，要建立卷烟的阴燃和吸热模型，首先要建立烟草的热解和燃烧模型，为后续卷烟燃烧模型的建立提供可靠的化学反应动力学数据，其中包括反应的活化能，指前因子和反应级数等等，之后再加入质量、能量和动量传递方程以及其他相关的变量方程。

2烟草热解反应动力学模型

虽然在卷烟燃烧内部主要可分为2个区域：燃烧放热区和热解蒸馏吸热区，但是除了CO和CO2之外，大部分的烟气组分来自热解蒸馏区，因此目前文献中所报道的主要是烟草热解反应动力学模型。针对焦油生成的烟草热解反应动力学模型已有文献报道。研究表明当烟草在一个无氧的气氛下进行非等温加热，气流速度的变化对气态产物生成速率的影响很小，在烟草表面和气态物质之间的质量传递是十分迅速的，产物的生成速率主要受化学反应动力学控制，在其控制范围内所收集的动力学参数则被用于模拟卷烟的阴燃过程。在这些烟草热解反应动力学模型中，有些模型是一维的[10-12]，有些模型是二维的[13-14]，而大部分的模拟数据则来源于热重实验。TGA技术已经被广泛应用于研究生物质的热解反应，它也是研究烟草热解反应的有利工具，其可在温和的升温速率条件下提供准确的热解反应实验数据。模型模拟中所使用的升温速率范围很广，然而大部分的升温速率都要比实际卷烟在阴燃和吸燃条件下的升温速率慢很多。Muller等[15]得到在空气条件下，升温速率在5-300℃/min范围内的动力学参数，此模型所有的反应均假设为一级反应，并利用阿伦尼乌斯公式对实验数据进行拟合，确定了反应的活化能和指前因子。Encinar[16]根据气体的生成情况建立了低升温速率条件下的热解反应动力学模型。烟草中大多数的有机物具有各种各样的热解产物，甚至是相同的化学物质由于其所在的环境不同，也会发生不同的反应。各种反应的分布经常与活化能的高斯分布保持一致。自1985年来，活化能的高斯分布已经被用于研究生物质的热解反应动力学，Avni等[17]应用活化能的高斯分布研究木质素热解过程中挥发性物质的形成，之后这种研究方法还被应用于许多的生物质热解反应，这其中就包括烟草的热解反应。Varhegyi等[18]利用TGA-MS技术，以活化能的高斯分布理论建立了烟草热解反应动力学模型。最具综合性的烟草热解反应动力学模型来自Bassilakis[19]和Wojtowicz[20]，他们利用CFD软件模拟了烤烟，白肋烟，香料烟热解过程中的烟气成分生成情况（焦油、尼古丁、CO、CO2和NH3等）。实验在热分析仪上，升温速率为1-100℃/min，气体产物通过傅里叶红外仪进行检测，获得烟草热解反应的实验数据，之后根据一级平行反应的假设以及活化能的高斯分布理论建立烟草热解反应动力学模型（见表2），通过试差法得到主要烟草成分在不同反应条件下所对应的指前因子A，活化能E，以及烟气成分的总生成量v*。但是此模型并未考虑到质量、能量和动量传递以及卷烟纸的渗透率等因素，所以该模型对某些物种的生成情况模拟得较为合理，而对于另一些物种的生成情况则与文献报道值有很大的差别。因此，在烟草热解反应动力学模型的基础上，加入质量、能量和动量传递方程以及其他相关的变量方程，是建立卷烟燃烧模型的必要要求，以达到模拟值与实验值吻合较好的理想状态。

3卷烟阴燃和吸燃模型

对于卷烟的阴燃过程，有2个很重要的控制参数：燃烧区O2的浓度以及热损失。Egerton[21]和Gugan[22]研究了在自然对流条件下卷烟的阴燃过程，假设卷烟的燃烧受O2扩散的影响，建立了一个2维的模型，并预测了燃烧锥温度的分布特征。Jenkins等[23]测定了在阴燃过程中的密度变化以及对应的温度分布。根据实验所测得的温度和气体分布，Baker等[24]利用简化的能量和质量传递方程，预测了稳态阴燃过程中化学产物的生成速率。Moussa等[25]建立了圆柱形纤维质的阴燃机理，模型很好地解释了O2的摩尔分率以及分压对阴燃速度和温度的影响。但此时的实验数据和理论研究还不能完全地定义阴燃的反应机理。1973-1981年，Muramatsu等[26]全面研究了阴燃的性质，通过（1）测量烟草的有效传热系数和比热容，（2）对烟草进行热分析，（3）测量O2的浓度和放热量，（4）建立热解蒸馏区的模型，预测温度变化和密度变化，（5）建立了一个卷烟阴燃的较全面的理论，同时考虑燃烧区和热解蒸馏区，从而预测了卷烟的阴燃速率和温度分布。Muramatsu等假定在气固相间存在热平衡，模型中展示了烟草在蒸发热解区存在4个步骤，认为烟草由4种前躯体以及水分组成，他们在烟草热解过程中生成4种挥发性产物，并有焦油和灰炭形成。模型中所使用的物理参数见表4，该模型预测的卷烟阴燃速率和温度分布和实验值吻合较好。自1980年以来，大量的工作都主要关注多孔性物质燃烧模型的建立，但却较少关注卷烟燃烧数学模型的建立。2003年，Rostami等[27]致力于用Fluent软件建立一个模型，包括卷烟燃烧过程中的质量，能量和动量传递以及化学反应（见表5），该模型把燃烧过程中卷烟纸透气度以及卷烟长度的变化也考虑进去。模型预测了卷烟阴燃过程中的温度变化特征，物种的浓度变化以及燃烧速率，都与实验值吻合较好，模型中最重要的参数是卷烟纸的透气度，即在卷烟边界O2的质量传递，以及表面的热传递系数，但此模型仍有改进的空间。2006年，江威等[28]利用模型模拟了卷烟阴燃时的温度场分布，模拟结果与实验结果相符合。目前，对于卷烟的吸燃模型研究较少，据我们了解，仅有2004年，Saidi等[29]建立了可同时模拟卷烟阴燃和吸燃的3维模型（见表6），并用该模型模拟了主流烟气中CO，CO2和O2的产率（见表7）以及CO递送量随抽吸口数的变化（见图2），计算结果基本与实验结果保持一致；2005年，Yi等[30]模拟了不同的卷烟类型（烤烟，白肋烟，香料烟）对某些烟气组分在阴燃和吸燃时产率的影响，但是该模型较为简化，未考虑温度和浓度梯度，某些预测结果与实验结果拟合较好，但是也有些预测结果与实验结果有很大的差距，这主要是由于该模型对于烟草的热物性研究较少，烟草结构的变化，二级热解反应，传质传热过程都未加入到模型中。

4结语

综上所述，经过几十年的深入研究，技术人员已经基本把握了在卷烟燃烧过程中烟草成分的变化对烟气组成的影响，对卷烟的燃烧过程有了较理性的认识，建立了几种卷烟燃烧的数学模型。但是目前的卷烟燃烧模型还都相对片面的，仅能模拟卷烟燃烧的某个反应或者某个类型，并且还有一些模型并未将质量，能量和动量传递以及其他变量对卷烟燃烧的影响考虑进去，因而未能真正地模拟实际卷烟的燃烧过程。随着数值计算技术的发展和对卷烟燃烧过程的深入研究，考虑到吸烟对烟民以及二手烟人群健康的影响，建立全面系统的卷烟燃烧模型，同时考虑各种卷烟材料的特性与可能添加剂（催化剂或者吸附剂），可为烟草的加工工艺以及低焦油卷烟的配方设计提供量化依据，有助于提高国内卷烟的设计和生产水平。

作者：李巧灵 陈晓东 李军 颜聪 辛洪人 王慧 黄朝章 李跃锋 谢卫 张伟 傅辉 单位：厦门大学化学化工学院 福建中烟工业有限责任公司技术中心