浅谈天然气低碳催化燃烧烤箱的应用及烟气对大气的影响论文
浅谈天然气低碳催化燃烧烤箱的应用及烟气对大气的影响论文
人类在追求经济快速发展的过程中，也给环境带来了极大的危害。 不断恶化的环境，也在时时刻刻提醒人们，过度发展给环境带来沉重的负担，也正是如此让人们对催化燃烧炉的研究产生了极大的兴趣。 如何通过设备的升级，使人类能够高效利用能源并将产出的污染物降到最低已成为全球性讨论的问题。 催化燃烧技术得到了越来越多的关注，人们渴望可以通过对催化燃烧技术的研究得到一个成熟的技术，来弥补人类经济发展所带来的环境后果。
烤鸭作为我国的传统美食，以肉质鲜美多汁、表皮酥脆、入口即化等特点著称，但是由于烤鸭在传统制作过程中需要燃烧大量的木炭或天然气，而这种传统的烤制方式将会导致大量的污染物生成，其产生的烟气对大气影响尤为严重，烟气是气体和烟尘的混合物，是污染居民区大气的主要原因。 传统的制作过程利用枣木或者果木直接明火烘烤，由于木材燃烧会产生大量的诸如SO2，CO，CO2以及燃料的灰分，且皮下脂肪熔化溢出会不可避免地滴落到火上或炙热的炉膛内，发生热氧化反应、热分解反应及热聚合反应，产生含有多环芳烃的火焰，从而沾附在食品表面污染食品，因此烟气对环境的污染是多种毒物复合的污染，对人体的危害甚大，并且也是导致雾霾天气的因素之一。 而天然气催化燃烧烟气干净，污染物极少，且稳定燃烧时是无焰燃烧，溢出的脂肪达不到热分解反应的条件，且由于在托盘底部设有鸭油排出装置，能够及时排出溢出的脂肪。
传统的烤制方法既不利于环境保护，也不利于食品安全。 而天然气催化燃烧技术以其低碳、环保和高效的特点，可以完美解决传统烤制过程中所带来的环境问题，若能将催化燃烧技术应用于烤鸭的烤制，则可以在一定程度上缓解环境污染方面的巨大压力。 因此，本文在催化燃烧烤炉保证烤制肉类食品质量的同时，分析了催化燃烧对诸如SO2，CO，CO2等污染气体排放量的问题。
1 表面催化燃烧的辐射机理
催化烤箱采用天然气作为能源，其核心部件是催化燃烧器，燃烧器采用两块镀催化剂蜂窝状独石并排组成。 其工作原理首先是风机卷吸室温空气，通过空气流量计后与来自市政管道的天然气混合( 以燃气量5 L /min 与空气量3。 7 m3 /h 混合) 送入催化燃烧器，预混的气体在催化燃烧炉充分混合后，并在燃烧器头部的镀催化剂蜂窝状独石上进行点燃，这采用的是气相普通燃烧时过量空气系数为2左右对独石加热，等催化剂被完全预热且催化剂表面完全没有火焰后，立刻调整天然气与空气的比例，使燃烧方式完全变为催化燃烧。
在燃气量5 L /min，空气量5。 7 m3 /h 的条件下，采用非接触式红外测温仪测得催化剂表面的温度在1 200 ～ 1 500 K 之间。 催化剂壁面正是在这个温度下向烤箱内的食品进行辐射加热，且催化燃烧释放能量的方式也都以辐射为主。 根据维恩位移定律可计算出催化剂表面的峰值辐射波长。λmaxT = 2 897。 6 μm·K ( 1)式中T——物体表面温度( K) ;λmax——黑体的峰值波长( μm) 。由此可知炉内的食品是在波长为1。 931 7 ～2。 414 6 μm 的辐射下加热成熟的。 而在电磁波谱中，此波长在热辐射占大部分能量红外线区段的0。 76 ～ 20 μm 范围内，由此可以看出，催化剂表面的辐射加热是使食物成熟的主要原因。采用催化燃烧的方式来加热食品不仅能提高天然气的利用率而且燃烧所产生的烟气是无害的`，其主要成分是CO2和水蒸气，可以与食物直接接触。
通过对催化燃烧V 型炉独石表面取气的实验可知催化燃烧产生的CO2含量在6。 25% V/V 左右，但由于烤箱箱体的密闭性会有极少量的空气泄漏到烤箱内，使CO2的含量略有下降，另外在烤箱内的CO2和水蒸气会携带大量的热量，携带热量的烟气与烤箱内的食物发生辐射、对流换热，促进了食物的成熟，最后经由排气孔排出。 除CO2和水蒸气外，几乎没有有害气体如NOx以及CO 的生成，根据中国计量院对催化燃烧烟气成分所提供的报告中，NO2的含量小于0。 5 × 10 - 6 mol /mol，CO 的含量为4。 53 ×10 - 6 mol /mol，NOx和CO 的浓度几乎为零，因为催化燃烧反应较低的活化能允许反应在贫碳氢化合物浓度下发生，因此绝热反应的温度低于NOx形成的限制，并完全氧化，不生成CO，且火焰温度低于1 500 ℃时，温度型NOx生成量很少，当火焰温度高于1 500 ℃时，生成速度就变得明显，可见温度的影响对温度型NOx的生成有决定性的作用。 因此，NOx，CO 达到近零污染排放。
2 烤箱的实验装置
烤箱箱体是由不锈钢制作而成，内部容积为( 100 × 60 × 60) cm3，中间设有观察孔，箱体顶部有可旋转挂钩，底层放置拖油板。 顶部和侧面设置两个通气球阀，底部设有通风烟囱，烤箱体一侧外接催化燃烧器。 在催化燃烧过程中，辐射热从催化燃烧器表面到箱体内，在箱体内进行热传递，燃烧所产生的烟气经烟囱和排烟阀排出。
3 催化燃烧烤箱实验过程及结果分析
本次实验的主要实验材料是经过专业处理的鸭肉，采用挂炉烤制，由于鸭肉在烤制过程中会产生大量的油脂，所以在旋转托盘上设置不锈钢盘，以承接溢出的油脂，并在其底部设有鸭油排出装置，及时将油脂排出炉外。 为保证实验之后的烤鸭卫生，本实验所有器具都经过反复洗涤，防止实验器具污染实验材料和影响实验效果。
3。 1 实验过程及烟气污染情况分析
本实验利用催化燃烧所产生的温度进行肉质的烧烤。 首先，将处理过的鸭子放入催化烤箱中，将燃气量调到5。 0 L /min，空气量调到3。 7 m3 /h。 大约15min 炉内发生完全的催化燃烧，此时将空气量调到5。 7 m3 /h。 此时温度稳定上升，当温度升高到150 ℃左右时关闭炉门。 由于实验过程中需要不断进行开门观察，而过多打开炉门将导致炉内整体温度的下降，影响试验质量，故经反复试验，将开门间隔定在15 min /次，在开门之后对鸭肉的色泽及成熟程度进行观察和记录。 烤鸭正对辐射面部分的颜色首先开始焦黄，油脂的渗出量也比其他部位多，所以，为保证烤鸭色泽均匀，利用旋转托盘在每次开门的时候都将烤鸭旋转180°，从而在45 min 的实验过程中可以让烤鸭的各个侧面均能正对辐射面15 min，从而改善实验效果。
与传统的气相燃烧火焰烘烤产生大量的NOx和CO 相比，利用催化燃烧进行烘烤基本不会产生NOx和CO，这是由于温度是限制NOx产生的决定因素。 本实验的烧烤温度在250 ℃左右，低于NOx的生成界限。 实验过程中炉内发生完全氧化，所以不形成CO 和未完全燃烧的碳氢化合物。 因此，利用催化烤箱进行烧烤是十分环保的。
3。 2 实验结果及分析
经过验证，鸭肉在催化燃烧Ⅴ型烤箱中烤制45min 之后，肉质和表皮均已熟透。 经剖开检查，鸭肉肉质最厚的胸脯及大腿根部也都熟透， 经各方品尝整理本次实验结论有以下几点:
1) 经催化燃烧Ⅴ型烤箱烤制出的鸭肉在色泽上鲜艳亮丽，无焦糊，无受热不均，油脂渗出量大。
2) 经品尝，传统果木烤鸭肉质较干，皮下脂肪存留较少，而通过催化燃烧Ⅴ型烤箱烤制的烤鸭肉质鲜嫩多汁，鸭肉口感肥而不腻。
3) 在烤鸭刚刚烤制成功时，烤鸭表皮酥脆，入口即化，后因油脂渗出过多且没有及时清理，所以导致烤鸭表皮逐渐软化，但在软化之后表皮韧性有所增加，并未出现入口肥腻的感觉。全聚德烤鸭执行标准中的感官指标，天然气催化燃烧烤箱烧制的烤鸭，可与之媲美且肉质鲜嫩多汁。
4 结论
本文主要以鸭肉为实验主体，通过实验验证了天然气低碳催化燃烧技术在肉类食品加工过程中的应用可行性，通过实验可以看出: 在鸭肉的烤制方面，利用催化燃烧Ⅴ型炉烤制的鸭肉在色泽上与传统方式烤制的烤鸭并无太大差别; 由于催化燃烧技术燃烧热效率高，烧制时间缩短到45 min 左右，在批量生产中较传统方式可节约大量能源; 在烧制过程中不会产生大量的烟气，对大气不会造成太大的影响，CO 的生成量控制在10 × 10 - 6 之内，实现了对环境的保护; 由于催化燃烧技术燃烧状态稳定，与火焰燃烧相比辐射均匀，能够保证食品成熟程度，杀灭病菌的同时保证了良好口感。
实验证明无论是从环保节能的角度，还是从食品安全的角度，利用催化燃烧技术的制作方法均优于传统的制作方法，天然气催化燃烧技术在烤制食品加工方面的应用有广阔的前景。