基于可控等值比法和氧消耗原理的煙草燃燒熱測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于可控等值比法和氧消耗原理的煙草燃燒熱測量方法，利用可控等值比法實(shí)現(xiàn)了空氣流量、煙草供應(yīng)量和溫度三個重要燃燒要素的準(zhǔn)確調(diào)控，進(jìn)而準(zhǔn)確控制煙草燃燒狀態(tài)；通過對穩(wěn)態(tài)燃燒狀態(tài)下氧氣消耗量的計(jì)算，并結(jié)合氧消耗原理，實(shí)現(xiàn)了煙草燃燒熱的準(zhǔn)確測量。
【專利說明】基于可控等值比法和氧消耗原理的煙草燃燒熱測量方法 【技術(shù)領(lǐng)域】：
[〇〇〇1] 本發(fā)明涉及基于可控等值比法和氧消耗原理的煙草燃燒熱測量方法，屬于熱量測 量【技術(shù)領(lǐng)域】。 【背景技術(shù)】：
[0002] 卷煙是一種依靠燃燒來體現(xiàn)其品質(zhì)的特殊消費(fèi)品。煙草燃燒熱是煙草燃燒特性的 重要參數(shù)之一，與煙草感官質(zhì)量、煙氣中香味成分形成和有害物質(zhì)釋放以及卷煙引燃特性 等都密切相關(guān)。
[0003] 目前，可用于材料燃燒熱的測量裝置主要包括錐型量熱儀和微燃燒量熱儀。錐形 量熱儀和微燃燒量熱儀的設(shè)計(jì)均是根據(jù)氧消耗原理，具體指物質(zhì)燃燒時(shí)每消耗單位質(zhì)量的 氧會產(chǎn)生基本上相同的熱量，即物質(zhì)的氧消耗燃燒熱基本相同。氧消耗原理是由Thornton 在1917年發(fā)現(xiàn)的。Huggett在1980年應(yīng)用氧消耗原理對常見的易燃聚合物及天然材料進(jìn) 行了系統(tǒng)計(jì)算，得到了氧消耗燃燒熱的平均值為13. lkj/g，材料間的E值偏差為5%。需要 說明的是，燃燒熱釋放特性與材料所處燃燒環(huán)境密切相關(guān)，對于煙草來說，其燃燒熱的測量 只有在接近卷煙燃燒環(huán)境的條件下才更具有價(jià)值和實(shí)際意義?，F(xiàn)階段，大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模 擬結(jié)果已經(jīng)證實(shí)，卷煙燃燒環(huán)境處于貧氧富氫的陰燃狀態(tài)。錐型量熱儀是用于測試特定規(guī) 則試樣在氧氣充足的敞開體系內(nèi)劇烈燃燒情況下的熱釋放，由于煙草樣品物理性狀的特殊 性，很難實(shí)現(xiàn)其對煙草燃燒熱的精確測量。微燃燒量熱儀在測定材料的燃燒熱釋放時(shí)，是將 極少量（一般4-5毫克）樣品在裂解爐充分裂解后，再將裂解氣體置于燃燒爐燃燒，因此其 反映的是微觀尺度下物質(zhì)的熱解和燃燒行為，而且重復(fù)性較差。很明顯，錐型量熱儀和微燃 燒量熱儀都無法做到模擬卷煙貧氧燃燒環(huán)境，不適用于煙草燃燒熱的測量。
[0004] 標(biāo)準(zhǔn)IS019700提出了等值比（φ)的概念，核心在于控制燃料的產(chǎn)生速率（V燃料） 與空氣的供給速率（vsn)之比，具體如下式所示，
[0005]
【權(quán)利要求】
1.基于可控等值比法和氧消耗原理的煙草燃燒熱測量方法，其特征在于包括如下步 驟： 步驟1 :計(jì)算理論耗氧量； 煙草樣品經(jīng)元素分析，得到C，H，0, S和N的百分含量，設(shè)定這五種元素組成的化合物 通式為CxHy0zSpNq，則在氧氣中恰好充分燃燒的化學(xué)式如式（1)，
式⑴中I: = + f + p + ,則lg煙草樣品中兀素 C、H、0、N和S充分燃燒熱解時(shí) 所需氧氣的體積為：
式⑵中b為C、H、0、S和N五種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和；Μ為CxHy0zS pNq的分子量，即Μ =12x+y+16z+32p+14q ;R為理想氣體常數(shù)；Ρ為測試氣體的壓力；Τ為測試氣體的溫度，由 于生物質(zhì)煙草中C，H，0, S和N五種元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和高達(dá)90 %以上，其充分燃燒熱解的理 論耗氧量可以代表煙草充分燃燒的理論耗氧量，因此lg該煙草充分燃燒時(shí)理論空氣消耗 量如式（3)，
因此可以得到式（4):
步驟2 :計(jì)算實(shí)際空氣供應(yīng)量和煙草樣品供應(yīng)量； 選取等值比，根據(jù)等值比公式（5)，
計(jì)算出煙草樣品的實(shí)際推進(jìn)速度與空氣的供給速度之比，如式（6)，
設(shè)定燃料的供給速率為（ν?4) 則空氣的實(shí)際流量為：
式（7)中燃料供給速率由載樣器長度L、載樣器推進(jìn)速率ν以及煙草樣品質(zhì)量W來計(jì) 算，具體如式（8)，
式（8)基于以下處理：W g煙草樣品要均勻鋪在測量裝置內(nèi)L cm的載樣器上； 步驟3 :根據(jù)式（7)和式（8)，設(shè)定儀器參數(shù)，待其穩(wěn)定后，準(zhǔn)確稱量經(jīng)預(yù)處理的Wg煙草 樣品均勻鋪在L cm載樣器上，開始實(shí)驗(yàn)并實(shí)時(shí)測量氧氣體積濃度和溫度；所述預(yù)處理步驟 按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T16447-2004進(jìn)行； 步驟4 :計(jì)算單位質(zhì)量煙草燃燒熱釋放； (a) 計(jì)算煙草燃燒熱釋放速率； 選取氧氣體積濃度/c^隨時(shí)間變化波動在± 15%以內(nèi)的區(qū)間，此時(shí)可視為穩(wěn)態(tài)，求取氧 氣體積濃度在該區(qū)間內(nèi)的平均值I，如公式（9),
式（9)中t2分別是選取的穩(wěn)態(tài)區(qū)間的起點(diǎn)和終點(diǎn)； 在整個燃燒過程中，用于燃燒煙草的一級進(jìn)氣流量為· mirT1，用于燃燒產(chǎn)物冷卻稀 釋的二級進(jìn)氣流量為V21 · mirT1，這里規(guī)定V2彡lOVi，由于一級進(jìn)氣中氧氣含量只有21%， 而且其體積數(shù)的降低彌補(bǔ)了煙草裂解燃燒生成的氣體，因此燃燒導(dǎo)致的雙級進(jìn)氣體積變化 很小，經(jīng)計(jì)算，變化率在±3%以內(nèi)，其對體積的影響可以忽略，也就是說，最終氣體總量仍 為（Vi+V 2)l 所以單位時(shí)間內(nèi)消耗氧氣的體積如式（10):
式（10)中（/。山為氧氣的初始體積濃度,對于空氣來說，為0.21 ; 那么單位時(shí)間內(nèi)消耗氧氣質(zhì)量為，
式（11)中P為環(huán)境大氣壓；T為氣體的溫度；M3:是氧氣分子量； 則煙草燃燒熱釋放速率為，
(b) 計(jì)算lg煙草燃燒熱釋放量 根據(jù)公式（8)和公式（12)，計(jì)算lg煙草燃燒熱釋放量如式（13)，
【文檔編號】G01N25/22GK104062317SQ201410312130
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】周順, 王孝峰, 何慶, 張亞平, 徐迎波 申請人:安徽中煙工業(yè)有限責(zé)任公司