[發明專利]一種炭加熱卷煙供熱體材料逐口燃燒放熱量的測量方法

有效

• 申請號: 201810387266.4
• 申請日: 2018-04-26
• 公開（公告）號: CN108872145B
• 公開（公告）日: 2020-07-21
• 發明（設計）人: 張柯;王菁;雷萍;楊菁;鄧楠;張明建;湯建國;艾明歡;王樂;魯端峰;李斌
• 申請（專利權）人: 中國煙草總公司鄭州煙草研究院;云南中煙工業有限責任公司;上海新型煙草制品研究院
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 鄭州中民專利代理有限公司 41110
• 代理人: 姜振東

1.一種炭加熱卷煙供熱體材料逐口燃燒放熱量的測量方法，其特征在于：利用可調諧二極管激光吸收光譜技術檢測炭供熱體在逐口抽吸過程中煙氣中的一氧化碳、二氧化碳、氧氣含量，進而獲得供熱體材料在該口抽吸中生成的一氧化碳、二氧化碳量和消耗的氧氣量，結合炭供熱體的低位熱值和元素分析數據，經過化學計量學推導和數學運算過程，即可得到該抽吸過程中供熱體材料的燃燒放熱量；具體步驟如下：

1).使用元素分析儀測定供熱體材料的碳、氫、氧元素含量ω_C、ω_H、ω_O，根據元素分析結果，將炭供熱體的化學組成表達為CH_2mO_n，其中

使用氧彈量熱儀測定炭供熱體材料在完全燃燒時的燃燒熱值△H₁，單位kJ/g，該過程化學反應式為：

對于單位質量的炭供熱體，

2).假設入口氣體和出口氣體的溫度、壓力相等，體積分別為V₁和V₂，燃燒過程中氮氣不發生反應，且計算時忽略惰性氣體的影響；將大氣中一氧化碳、二氧化碳、氧氣和水分的體積濃度表示為[CO]₁、[CO₂]₁、[O₂]₁、[H₂O]₁，通過濾嘴端煙氣中的一氧化碳、二氧化碳和氧氣的體積濃度表示為[CO]₂、[CO₂]₂、[O₂]₂；

根據質量守恒原理，炭供熱體燃燒過程可用下式表示：

y(CH_2mO_n)+(fO₂+gN₂+hCO₂+kH₂O)→pCO₂+rCO+sH₂O+tO₂+uN₂ (5)

其中，y,f,g,h,k,p,r,s,t,u均為物質的量，則：

f＝[O₂]₁·V₁ (6)

h＝[CO₂]₁·V₁ (7)

p＝[CO₂]₂·V₂ (8)

r＝[CO]₂·V₂ (9)

t＝[O₂]₂·V₂ (10)

根據反應前后化學元素守恒，可知：

碳：y+h＝p+r (11)

氫：2my+2k＝2s (12)

氧：ny+2f+2h+k＝2p+r+s+2t (13)

氮：2g＝2u (14)

由(6)～(14)聯立可解得：

y＝p+r-h＝[CO₂]₂·V₂+[CO]₂·V₂-[CO₂]₁·V₁ (15)

s＝my+k (16)

u＝g (17)

即：

合并同類項后得：

將式(20)帶入到式(15)便可求解出逐口抽吸過程中消耗的炭供熱體材料的量y：

若只計逐口抽吸過程中實際發生反應的物質，其反應方程式為：

(CH_2mO_n)_y(s)+(f-t)O₂(g)→(p-h)CO₂(g)+rCO(g)+(s-k)H₂O(g) ΔH₂ (22)

引入標準質量生成焓的概念：規定在標準壓力和298K條件下，由最穩定的單質合成標準壓力下單位質量物質A的反應焓變，叫做物質A的標準質量生成焓，為了與標準摩爾生成焓區分，用符號Δ_fH_w(A，相態,298K)表示，單位為kJ/g，由此可知標準質量生成焓和標準摩爾生成焓存在如下關系：

則反應熱、標準摩爾生成焓與標準質量生成焓之間的關系為：

那么，對于式(3)，有：

Δ_fH_w(CH_2mO_n,s,298K)＝z[44.009×Δ_fH_w(CO₂,g,298K)+18.015m×Δ_fH_w(H₂O,l,298K)]-ΔH₁ (25)

代入到式(22)可求△H₂，同理可求燃燒完全生成CO時的反應熱ΔH₃；

進而可知每消耗1g氧氣，完全燃燒時對應的放熱量

不完全燃燒時放熱量

燃燒生成1g CO₂放熱量

生成1g CO放熱量

用多種不同元素含量的供熱體材料進行實驗后，通過擬合可以得到△H₂和q₁、q₂、q₃之間的數學關系；

3).假設大氣的濕度為H，氧氣的體積分數為21％，V_m為標準摩爾體積，那么入口氣體各組分的濃度可表示為：

[CO]₁＝0 (36)

此外，用一系列已知濃度的氧氣、二氧化碳和一氧化碳的標準氣體對卷煙煙氣氣相物監測裝置進行標定，獲得氧氣、二氧化碳和一氧化碳的工作曲線；進而，在設定的抽吸模式下，獲得供熱體逐口燃燒煙氣中一氧化碳、二氧化碳和氧氣的濃度，即[O₂]₂、[CO₂]₂和[CO]₂；

4).根據逐口抽吸過程前后氧氣、二氧化碳和一氧化碳濃度變化情況，利用式(21)和式(28-30)即可計算出在該抽吸模式下的炭供熱體逐口的放熱量。