来源:烟草工艺学术交流

【NSCs科学】2021冬至会议最新!李斌博士—从卷烟燃烧机制谈自然烟气产品(NSCs)创新

【NSCs科学】2021冬至会议最新!李斌博士—从卷烟燃烧机制谈自然烟气产品(NSCs)创新

自然烟气产品NSCs从上次冬至会议全面技术发布以来,我们开展了许多相关的工作,包括了理论,技术,产品以及在消费者体验方面,在12月初,经过多次迭代,在行业内外相关单位共同努力之下,在IECIE深圳展会上展示了云南中烟“元气”,河南中烟“FARSTAR-UNIO”的NSCs烟支,以及“海萤泪”“Mr.Yeah NM5000”和“Mr.Yeah NF5000”三款NSCs烟具。一年之后的今天,再次回到创新的方法上来,我简单介绍下,我们如何从拿掉燃烧谈加热卷烟大类中NSCs的创新路径。题目定位于:“从卷烟燃烧机制谈自然烟气产品(Natural Smoke Cigarettes,NSCs)创新”,以期大家共同来继续探讨和推进我们更加开放包容的这一烟草制品体系。
 
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作为烟草行业烟草工艺重点实验室的一员,我们在创新上一直坚持“熟悉的路上没有大鱼”的理念,从物理过程的底层原理描述去构建烟草工艺领域的创新,这和思考的快与慢,有一定的相似,面向一项技术研发需求,最快能想到的,可能大家都在走的路径,另外,能够另辟蹊径,走一条果显著的创新之路。
 
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当然,思考NSCs的创新,这与中国烟草总公司(国家局)长期以来对我们团队在卷烟燃烧或者说解决工艺过程热过程相关领域支撑密不可分,同时在这个领域我们团队也受到了行业各个中烟以及行业外高校和研究机构长期共同研究是分不开的。经过十几年一如既往的勤奋和努力创新,我们已经形成了一支解决行业面向卷烟热问题的核心团队,未来在更加开放的平台不断支撑下,我们能够在该方向上做的更好。
 
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上次冬至会,我们和云南中烟汤博士团队一起利用六个报告全面解读了NSCs这一技术,并表达了一切成功的产品都是强大系统能力的产物,在未来,在此开放的平台上,我们只有更大开放才能形成足够的合力,来推动该烟草品类技术的不断成熟,尽早与消费者见面。
 
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下面我们就来思考我们见到的传统卷烟制品,这其实讲到了我们烟草工艺的核心,烟草工艺就是将原料和材料加工成产品的方法与技术。一支卷烟包含了材料与原料,其重要特征在于这些材料与原料在吸烟者抽吸过程中基本物理过程就是多孔介质中的流动。
 

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如何理解这件事,我们将多孔介质中流体流动,可以使用达西流动来描述该过程,其关键在于流速,粘度和渗透能力完全表达多孔介质中的流体流动,其流速与消费者抽吸模式相关,而烟气粘度与温度有关,多孔介质的渗透能力与烟草与材料多孔介质的设计密切相关。基于此,就可以完全描述传统卷烟的燃烧过程。
 
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基于上述所介绍的多孔介质流动下的物理过程,可以连接上热解燃烧反应,就可以完美形成卷烟燃烧过程,那么传统卷烟与加热卷烟在这种物理过程描述中的异同点是什么呢?可以归结为两者有相似的热化学与热物理过程机制,相似的热解/蒸馏反应、气溶胶形成、抽吸过程中轴向热量、质量和动量的传递现象、滤嘴对形成烟气的过滤特征,不同点就是从反应工程角度看,一个是自热式,一个是外热式(不是燃烧自身烟草可燃物形成的持续反应过程)。
 
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这个图就形成了对自热反应的整体说明,热量来源于烟草自身蒸馏热解后生成半焦的燃烧,热解时与燃烧时产生的气体与未反应的空气共同形成烟气,加热卷烟就区别了上述过程,热量来源于外部,烟气来源于蒸馏和热解,但我们最关心的是到底我们看到的烟气需要多少质量的烟气。
 
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那烟气生成的来源我们还是应该归因于烟草物料蒸馏与热解动力学特征,我们可以用上述一级反应动力学进行表达,另外一个层面烟气压力还来自于麦克斯韦的分子运动率。其两种的作用就形成了烟气源,也就是这里所说的正压系统,其核心是温度。
 
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传统卷烟的温度我们团队主要在检测与表征方法上进行了创新,通过温度标记与吸烟行为的耦合,重构了燃烧过程温度分布特征。
 
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我们有了温度分布特征与时间,也就是燃烧过程的关系,我们对其进行一阶偏导就是升温速度,二阶偏导就是温度加速度,就是能力。通过这种分析方法,我们可以推测快速升温的状态下气流方向,已经卷烟燃烧锥上哪些是烟灰,哪些是燃烧区,哪些是热解区域。
 
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同时对场的概念做累计积分,同时建立R-R模型,提取温度分布的关键参数。燃烧锥体积,特征温度和分布参数等。
 
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增加标记后,我们通过冷态模型和热态模型下的达西流动特征,结合测试压力数据,获得表征卷烟燃烧锥内流场分布特征。
 
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从流场特征中可以直观的发现,传统卷烟的流体流动是从卷烟纸燃烧锥后端燃烧纸位置大量进入,而在卷烟锥端部进入的流体非常淡薄,从源相生成的图像中可以发现,在传统卷烟烟气的生成和递送过程是具有提取效应的,也就是压力作用下的烟气自然递送。
 
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同时,我们团队与英美烟草刘川老师团队、罗斯托克大学Raf.Zimmermann团队通过温度标记下的微量烟气原位提取,获得了原位烟气成分的生成。
 
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结合温度、压力、流速、烟碱、典型香味物质和典型有害物质原位数据耦合测试出来,可以看出,烟碱、典型香味物质与典型有害成分,生成的区域完全不同。可以看出,烟碱并不需要太高的温度、典型香味物质多数生成也可以在低温区,典型有害物质生成与高温的燃烧区域。
 
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现在我们到加热卷烟上来,前面分析获得燃烧机制的影响,这些数据大家也都非常熟悉了,PMI努力打造一个smoke-free的世界,投入了很多的力量,也取得了很好的结果。
 
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但创新的脚步远远没有停滞不前,依然在一代代的更新,在iluma第四代出现后,出现了出品以往前三代产品的这个方式的产品,在技术核心创新中,不兼容的特点决定了该产品是一款代差优势的产品,可以有效的摆脱其他产品对该产品类型的跟随。
 
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那我们的路线重新回到燃烧卷烟上来,要使得或者说实现不燃烧过程,烟草在燃烧三要素中暂时认为是不可回避的物质。另外两个就形成了两个路线,目前加热卷烟例如PMI的IQOS和BAT的glo,都是使用了拿掉温度这个概念,把温度降至该条件下着火点温度以下即可。另外一个方面可以拿掉氧气这个概念,这就形成了自然烟气卷烟NSCs这个产品的基本构象。
 
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如果拿掉氧气,这个可以将空气进入烟气形成区域快速消耗掉,但这种快反应可能使用燃烧比较不错,这里暂时我们不做讨论,我们在回到传统卷烟的燃烧过程中,烟气的形成依据热解动力学加上分子运动论,而多孔介质中的达西流动决定流体流动的方向,同时要借助消费者的吸烟行为,中间这幅图是一个利用多孔介质将流体密封的一个looping,也可以叫做U型阀或者L型阀,所以构建拿掉氧气的方案可以利用消费者、烟支或者烟具的耦合形成一个拿掉氧气的自然烟气卷烟的体系。
 
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其构象可以通过上面左图所示,通过密封烟支端,在中空管中设置气流通道,抽吸中快速的是烟气释放中快速去氧形成自然烟气产品,其原理基础是烟气源生成加上麦克斯韦分子运动率形成正压,流体流动的伯努利方程形成负压区,同时达西流动觉得空气的流动方向形成去氧的概念。完美形成NSCs的核心特征。这个特征在传统燃烧型卷烟上也是存在的,左上图是2016年我们的论文就论述过。
 
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所以我们再来一遍,我们可以将自然烟气卷烟定义为无外源性物质影响下的烟气自然生成、扩散、提取所形成的一类烟草制品,其核心要素是低氧环境和提取方式两个。左上面的动画表达了这一构象。
 
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通过一年的深入工作,我们对NSCs这个产品构象产生了更深的理解,更强的信心,其模型简化,技术简化和感官提升形成了六大竞争优势,同时另辟蹊径开辟了加热卷烟去氧加热技术的这一新赛道,为未来在这个平台开发产品带来的无限可能。
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这是我们去氧加热技术的logo,我们期待向logo所表达愿景一样,内嵌NSC三个字母,赋能我们对0到1,1到无穷的追求,而在无穷大的窗口表达了NSCs平台与生俱来的开放性,我们期待更好的技术带进更好的未来。
 
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END

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作者 xie, yao