烟草热解行为及燃烧特性实验研究

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烟草是当今世界最重要的经济作物之一,中国是世界第一烟草消费大国,2021年中国卷烟产量达24182.4亿支,近五年年均增长量为0.77%。明晰烟草热解产物的生成机理和调控机制,可为烟草生产工艺的优化和新型高品质卷烟制品的研发提供技术支撑。以湖南中部片烟为原料,联合采用TG-FTIR、Py-GC/MS及in-situ FTIR进行不同温度下烟草热解实验,并开展基于双高斯分布式活化能模型的动力学分析,研究烟草热解特性及热解过程结构演变规律。烟草热解过程中分解反应涉及的平行反应更少,反应活化能更低,对脱挥发分过程的贡献更大。600℃前烟草热解主要液相产物为含氧组分及含氮组分,600℃后随着温度的上升产生大量的烯烃、芳香烃等产物。烟碱是低温段含氮产物的主要成分,600℃后烟碱骨架发生断裂反应或消去反应,生成乙腈等小分子化合物及3-乙烯基吡啶、麦司明、吡啶等较小分子的含氮杂环。甘油是生物柴油炼制工艺中的主要副产物,也是加热卷烟中重要的雾化剂将其与烟草混合热解,可以有效改善烟草热解产物品质。首先通过TGA-FTIR对不同添加量甘油(0%、5%、10%、15%、20%、25%)添加后烟草热解规律进行表征,发现甘油的添加有助于烟草热解挥发分的生成并增加了烟草热解炭的产率。随着甘油添加量的增加,热解过程中脱挥发分及焦炭交联反应的活化能均明显下降。并通过Py-GC/MS研究了烟草及典型甘油添加量添加后烟草在低、高温条件下的热解产物分布,高温条件下,甘油的添加可以促进烟草热解过程中酮类、醛类、烃类及羧酸类产物的生成,并有助于抑制芳香烃类产物的生成。通过对不同含氧量条件下(0%、4%、8%、12%、16%、20%)的TG-FTIR实验研究,发现含氧气氛主要影响425-570℃温度区间的失重范围,含氧量不同主要影响烟草失重速率,对残炭率影响不大。在小型立式管式炉试验台上进行空气气氛的热解实验并结合原位红外实验发现空气气氛下烟草的气相产物产率明显高于氮气气氛,固相产物产率则低于惰性气氛。且空气气氛下大量化学键的断裂与脱除反应完成温度由400℃提前至300℃。高温区间空气气氛下形成更多的芳环化合物。
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