本发明属于烟草分析领域，具体涉及一种大容量加热不燃烧烟草制品模拟实验分析装置及方法。
背景技术：
新型烟草制品是烟草产业的新兴战略性产品，发展新型烟草制品是事关行业未来发展的重大战略性课题。随着新型无烟气烟草制品市场需求快速增长以及越来越多的烟草生产厂商致力于危害性更小的新型烟草制品的研发，作为具有代表性的新型无烟气烟草制品，只加热不燃烧型的低温烟草制品开始逐渐受到越来越多的关注。所谓只加热不燃烧型的低温烟草制品，是指通过低温加热烟丝而非燃烧烟丝的方法产生烟雾，可减少烟草高温燃烧裂解产生的有害成分，使得主流烟气化学组分释放量大大降低，可减少对吸烟者的危害。
然而加热不燃烧型的烟草制品还有很多问题有待解决，如烟草制品加热温度不稳定，烟草制品加热不均匀，烟草制品检测中组分、加热器加热方式、温度测量精确性、烟丝受热均匀性等诸多问题还都不明确或未解决。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种大容量加热不燃烧烟草制品模拟实验分析装置及方法，采用开放式结构，利于模拟烟草制品热蒸发、热裂解的温度梯度(200-800℃)抽吸环境，并能够对微量组分进行检测。
为了达到上述目的，本发明装置采用如下技术方案：
包括依次相连的气瓶、阀门、管式加热炉、气体流量计、气体收集装置和色谱质谱联用仪；
其中，管式加热炉包括炉体以及在炉体内部设置的内管，炉体上开设有用于取出内管的炉口；炉体和内管之间设置有加热装置；内管前端的入口通过阀门与气瓶相连，后端的出口与气体流量计相连，且内管的入口和出口均高于其底部。
进一步地，炉口开设在炉体的侧壁上，且炉口处设置炉盖。
进一步地，炉体和加热装置之间设置有耐火保温层。
进一步地，内管采用石英管。
进一步地，内管包括一体相连的直管和渐缩管，且渐缩管的末端与气体流量计相连。
进一步地，加热装置包括设置在直管外侧的第一加热模块，设置在渐缩管外侧的第二加热模块以及设置在直管中心的第三加热模块。
进一步地，气瓶为两个；阀门包括设置在每个气瓶出口处的气源减压阀以及同时与两个气源减压阀相连的气体流量控制器。
本发明方法的技术方案是：包括以下步骤：
步骤一：在内管中装入烟草样品，然后将内管装入炉体内，炉体中带有用于对内管加热的加热装置；
步骤二：向内管中通入载气，直至内管中充满载气；
步骤三：开启加热装置，设置加热参数，对内管进行加热，烟草样品受热生成气态烃和残留物；
步骤四：收集气态烃和残留物并进行分析，完成大容量加热不燃烧烟草制品模拟实验分析。
进一步地，步骤一中装入1～100g的烟草样品；步骤二中持续向内管中通入载气10～60min；步骤三中加热时，升温速率为30～60℃/min。
进一步地，步骤四中，气态烃是通过色谱质谱联用仪直接进行组分分析；残留物是通过100ml的二氯甲烷超声萃取1～2h，取上清液自然晾干得到液态烃，对液态烃称重后再用15ml的二氯甲烷复溶并通过色谱质谱联用仪进行组分分析。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明装置中通过气瓶连接开放式的管式加热炉，管式加热炉后端连接气体流量计及气体收集装置实现气体计量及收集，样品收集后通过色谱质谱联用仪进样检测样品组分含量；本发明中设置的开放式的管式加热炉，利于模拟烟草制品抽吸过程中气体(温度梯度)氛围和压力，可以最大程度上模拟烟草制品热扩散行为，利用样品本身裂解或热蒸发所产生的压力实现样品收集，并采用开放式设计，有效避免因密闭环境和压力等因素产生的二次裂解，测量准确；本发明通过设置气体收集装置以收集热蒸发及热裂解后的气态烃；而内管的入口和出口均高于其底部，热裂解后的其它残留物将留在管式加热炉的内管中，气态烃和残留物分开且能够分别收集，因此可以采用离线进样方式，本发明样品容量高，是市场加热不燃烧产品进样量的几十倍，更有利于微量组分的分析研究。
进一步地，本发明中内管包括直管和渐缩管，能够模拟烟草制品烟锥形态，用于最大程度上模拟烟草制品燃烧的热行为。
进一步地，本发明中采用第一加热模块、第二加热模块和第三加热模块，可分别独立控制，模拟不同加热方式。第二加热模块模拟烟草制品前端加热，对于传统烟草制品热模拟研究及热行为研究具有重要作用；第一加热模块为全管加热，加热速度更快，温度控制更加稳定，用于模拟外部加热的加热不燃烧烟草制品；第三加热模块为内部中心加热，用于模拟中心加热的加热不燃烧烟草制品。
进一步地，本发明通过设置两个气瓶，通过气体减压阀和气体流量控制器的控制，能够进行燃烧试验和热裂解试验。本发明分析方法步骤简单，操作方便，可以检出相对含量较低的微量低碳数气态化合物；在大容量加热不燃烧烟草制品热模拟800℃化合物组分分析中，共检出气态化合物37种，液态烃化合物93种，其中液态烃化合物中检出多种种类稠环芳烃如α-苯并芘等。而热模拟300℃化合物组分分析中，在共检出116种裂解产物，其中气态化合物17种，液态烃化合物99种，稠环芳烃类化合物明显减少。本发明采用的是离线进样方式，样品容量最高可达100g，是市场加热不燃烧新型烟草制品产品最大用量的几十倍，更有利于微量组分的分析研究。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2是本发明中开放式大容量的管式加热炉侧面图。
图3是管式加热炉的剖面示意图。
其中：1-气瓶；2-气源减压阀；3-气体流量控制器；4-管式加热炉；5-气体流量计；6-气体收集装置；7-计算机；8-色谱质谱联用仪；9-管式加热炉控制器；10-气体控制阀；11-炉体；12-炉盖；13-耐火保温层；14-第一加热模块；15-石英管；16-第二加热模块；17-第三加热模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
参见图1，本发明包括两个气瓶1，内装有实验所需气源；每个气瓶1出口处均设置气源减压阀2，两个气源减压阀2同时与气体流量控制器3相连；气体流量控制器3与管式加热炉4、气体流量计5、气体收集装置6和色谱质谱联用仪8依次相连。
参见图2和图3，管式加热炉4包括炉体11以及在炉体11内部设置的内管15，炉体11侧壁上开设有用于取出内管5的炉口，且炉口处设置炉盖12，便于取出内管15以装填烟草样品；炉体11和内管15之间从内向外依次设置有加热装置和耐火保温层13；内管15包括一体相连的直管和渐缩管，加热装置包括套设在直管外侧的第一加热模块14，设置在渐缩管外侧的第二加热模块16以及设置在直管内部的一根加热管，该加热管作为第三加热模块17。
第一加热模块14、第二加热模块16以及第三加热模块17均连接管式加热炉控制器9，管式加热炉控制器9连接计算机7。
内管15采用石英管；内管15包括一体相连的直管和渐缩管，以模拟烟草制品燃烧过程中烟头的圆锥状部分，本发明是参照燃烧中烟头形状并放大倍数设计的内管15，用于最大程度上模拟烟草制品燃烧的热行为；且直管前端的入口与气体流量控制器3相连，渐缩管的末端出口与气体流量计5相连。内管15的入口和出口均高于其底部，以收集液态烃。
本发明方法包括以下步骤：
步骤一：样品填装；首先打开管式加热炉4，拿出内管15，取少许石英棉塞入内管15渐缩管的尖锥处，在内管15中装入1～100g的烟草样品，将第三加热模块17插入内管15，然后将内管15装入炉体11内，盖好炉盖12；本发明中烟草样品为烟草烟丝、烟叶或薄片；
步骤二：实验气体氛围控制；开启不同气瓶1的气体减压阀2，通过气体流量控制器3使气体混合并控制气体流量计5显示的流速，以控制气体流量；经过混合后的载气进入管式加热炉4的内管15中排空其内残留空气气体，持续通入10～60min，使炉体11充满载气后关闭气体；本发明中载气可以为氮气；本发明设计可根据不同的实验方案调整载气比例，比如在燃烧试验时，可以同时打开两个气瓶1使气体混合调节成类似空气成分；在热解试验时，可以只打开一个气瓶1，通入纯氮气，通过控制气体流量控制器3实现不同载气氛围下烟草的热裂解行为。
步骤三：烟草样品热裂解参数控制；残留气体排空后利用计算机7设置升温速率为30～60℃/min；设置目标温度和温度保持时间，目标温度为烟草样品的热裂解温度，如200～800℃下保持8h；对内管15进行加热，温度升高至目标温度，烟草样品受热生成气态产物和残留物；其中气态产物主要为气态烃；内管15中的残留物通过二氯甲烷冲洗萃取得到液态烃成分；
步骤四：气体收集及检测开启加热装置，通过气体流量计5记录样品裂解产生的气态产物体积，通过气体收集装置6进行气态样品收集，手动进样通过气相的色谱质谱联用仪8进行气态烃组分分析；最后将石英管连同样品和炉后管道拆开并将样品残留物通过100ml二氯甲烷超声萃取1～2h，取上清液自然晾干，称重得其液态烃总量；经15ml二氯甲烷复溶后通过色谱质谱联用仪8进行液态烃组分分析，完成开放式大容量烟草热模拟实验分析。本发明中检测及数据处理所得样品组分含量采用的是面积归一法。
本发明具有以下优点：
1.本发明中的开放式大容量管式加热炉，是模拟烟草制品燃烧及裂解热行为设计，石英管能够模拟烟草制品烟锥形态；
2.开放式设计是根据模拟烟草制品抽吸过程中气体氛围和压力设计，整个装置处于开放式，利用样品本身裂解或热蒸发所产生的压力实现样品收集，有效避免因密闭环境和压力等因素产生的二次裂解；
3.本发明采用的是离线进样方式，样品仓可以是加热不燃烧烟草制品进样量的几十倍；本发明样品容量最高可达100g，更有利于微量组分的分析研究。
4、本发明开放式大容量管式加热炉加热单元分为3个模块，第二加热模块16模拟烟草制品前端加热，对于烟草制品热模拟研究及热行为研究具有重要作用；第一加热模块14为全管加热，加热速度更快，温度控制更加稳定；第三加热模块17为内部中心加热，可模拟中心加热的加热不燃烧烟草制品；三个加热单元可以独立控制。
5、在实验过程中，产生的气体有时会出现脉冲式喷出，通过在内管15渐缩管的尖锥处塞入石英棉会起到阻挡固体样品的作用，防止固体样品带入到气体收集装置6中。
本发明主要是通过氮气钢瓶连接开放式大容量的管式加热炉4，管式加热炉4通过计算机7实现温度控制等功能，炉体11后端连接气体流量计5及气体收集装置6实现气体计量及收集，样品收集后通过gc-ms手动进样检测样品组分含量。
通过本发明可以实现：
1.本发明所设计的管式加热炉中石英管及加热单元模拟烟草制品结构设计，可以最大程度上模拟烟草制品热扩散行为；2.本发明为开放式装置，利用样品热裂解及热蒸发所产生的气体压力收集，解决了密闭环境问题所带来的二次裂解污染；3.本发明所需样品量为1-100g，为加热不燃烧烟草制品的几十倍，可以检测研究更多微量组分大容量；4.可根据实验条件调整加热温度、恒温时间及实验气体氛围。
表1为烟丝热模拟800℃气态化合物组分分析表，表2为烟丝热模拟800℃液态化合物组分分析表，本实验精确称取5g烟丝，在氮气氛围下开启第二加热模块16，800℃下热模拟反应8h，通过气体收集装置得到气态化合物组分采用气质联用仪进行成分分析；去除石英管，其中的液态残留物经100ml二氯甲烷萃取和反复冲洗至烧杯中自然晾干，称重得其液态化合物总量。经15ml一定量二氯甲烷复溶后采用气质联用仪进行成分分析。由表1、表2可以看出，一些相对含量较低的微量低碳数气态化合物可以检出，共检出129种裂解产物，其中气态化合物36种，液态烃化合物93种。孔浩辉等人2010年发表的《不同氛围下烟草的热裂解行为研究》论文中采用cds5200热裂解仪用2mg烟丝粉末在he气氛围下600-1000℃温度下共检出83种裂解产物。
表1.烟丝热模拟800℃气态烃化合物鉴定表
表2.烟丝热模拟800℃液态烃化合物鉴定表
表3为本发明新型烟草样品热模拟300℃气态化合物组分分析表，表4为本发明新型烟草样品热模拟300℃液态化合物组分分析表，本实验精确称取5g新型烟草样品烟丝，在氮气氛围下开启第二加热模块，300℃下热模拟反应8h，通过气体收集装置得到气态化合物组分采用气质联用仪进行成分分析；去除石英管，其中的液态残留物经100ml二氯甲烷萃取和反复冲洗至烧杯中自然晾干，称重得其液态化合物总量。经15ml一定量二氯甲烷复溶后采用气质联用仪进行成分分析。由表3、表4可以看出，随着温度的降低，共检出116种裂解产物，其中气态化合物17种，液态烃化合物99种。其中稠环芳烃类化合物随着裂解温度的降低明显减少，这说明低温加热不燃烧烟草制品可有效的降低焦油类化合物的产生，达到降害目的。
表3.烟丝热模拟300℃气态物化合物鉴定表
表4.烟丝热模拟300℃液态烃化合物鉴定表