多组分碳材料燃烧耦合匹配机制研究(2)
1.1 新型烟草制品研究现状卷烟烟气是由烟草制品在抽吸过程中通过高温燃烧、裂解、蒸馏等过程而产生的一种极其复杂的混合物，燃烧型烟草燃烧时烟气中已发现 7000 余种化学成分[4-7]，其中包含大量对人体有害的成分[8]。相对传统卷烟而言，新型烟草制品的独有特征使得消费者在消费烟草制品过程中产生较低的危害风险[9]。随着技术创新的不断发展，新型烟草制品的种类也在不断增加，一般认为主要有无烟气烟草制品、电子烟、加热非燃烧型烟草制品等。近年来，传统烟草制品的消费人口比率逐年下降以及世界范围内的禁烟力度不断加大，也促使了新型烟草制品呈现快速发展态势，其市场需求增长较快。加热非燃烧型烟草制品起源于上世纪八十年代，它具有“加热烟丝或烟草提取物而非燃烧烟丝”的特点，它减少了烟草高温燃烧裂解产生的有害成分，使主流烟气化学组分的释放量大大降低[10-12]。与常规卷烟引燃不同，它在抽吸间歇时烟丝处于非燃烧/非加热状态，因此侧流烟气和环境烟气也大幅度降低。按照加热源的不同，加热非燃烧型烟草制品可分为“电加热型烟草制品”、“燃烧加热型烟草制品”和“理化反应加热型烟草制品”。菲莫公司以降低加热无烟气烟草制品燃烧温度为科研重点，先后开发了电加热低温卷烟Accord和Hertbar[13]， 目前正在研发电加热低温卷烟、 燃料加热低温卷烟和化学加热低温卷烟。英美烟草公司成立了 Nicoventures 公司，致力于烟草替代品研究，推出了 Intellicig 等电子卷烟产品。雷诺公司开发的炭加热型卷烟“Premier”和“Eclipse”是燃料加热型卷烟的典型代表，通过对其主流烟气中粒相物、气相物及毒理学进行分析，研究者认为“Premier”和“Eclipse” 的低温加热烟丝结构设计利于降低其主流烟气化学成分细胞毒性和遗传毒性， 吸烟者肺炎和支气管炎的发病率显著降[14-18]。国外专利报道以纤维素、棉花、粘胶、纸等为碳前驱体，在400-1300℃下热解，有时需要在 650-1250℃二次热解，来获得炭材料，将作为催化剂的超细颗粒与炭材料混合作为热源体，可以减少炭材料燃烧形成烟雾中的一氧化碳含量[19, 20]。这些技术采用的炭材料经过高温处理，其结构紧密、引燃温度高、燃烧时温度分布集中、催化剂与炭材料在宏观规模上进行混合，催化剂的催化活性不高或不足。炭材料的供热特性及燃烧过程稳定性直接决定加热非燃烧状态下烟叶原料化学成分释放量，因此对炭供热体燃烧特性及动力学分析的研究具有重要意义。
1.2 可再生能源与生物质随着我国经济的飞速发展，我国对能源的消费需求越来越大。根据 BP 公司发布的 2015年世界能源统计回顾[21]，中国 2015年的能量消费中，煤炭消耗量占总量的 66.0%，而可再生能源的消耗量占总量的 1.8%，而美国的可再生能源消耗量占其总量的 2.8%，由此可见，我国在可再生能源利用方面还有待开发。可再生能源是能源体系的重要组成部分，生物质能具有分布广泛、低污染，可持续利用等特点。我国作为一个农业大国，来源最广泛的可再生能源是生物质，除了风能、太阳能外，生物质能因其可利用量大且能直接用于生产气体、液体和固体等燃料而备受关注[22, 23]。生物质[24]主要是指农林业生产过程中除粮食、果实以外的秸秆、树木等木质纤维素（简称木质素）、农产品加工业下脚料、农林废弃物及畜牧业生产过程中的禽畜粪便和废弃物等物质。生物质直接燃烧作为碳源通常会带来有毒有害物质大量排放的环境问题，因此，对生物质进行加工处理来改善其燃烧性能是当今的研究重点。1.3 生物质热化学转化技术生物质在生长过程中吸收 CO2与转化利用排放的CO2达到平衡[25]，同时它具有低灰、低硫和低氮的特性[26]。随着化石燃料危机的加剧和科技的进步，生物质能作为可再生能源在能源结构中越来越重要，对生物质能的利用再次受到人们的关注。目前生物质转换技术主要有热解技术、气化技术和水热技术。生物质热解是在较高温度和隔绝空气的条件下将生物质有机高聚物分子迅速断裂为短链分子，得到液体产品、部分气体和固体产物的过程[27]。在热解过程中，热解温度和停留时间决定了裂解产物中焦炭和气体的百分比，因此适中的温度与时间是裂解发生的主要条件，但是无论条件如何改变，热解过程中三种产物一定是存在的，比例会随操作条件的不同发生较大变化。热裂解产生的油不仅利于存储也有利于运输，因而越来越受到人们的关注[26]。