淺談天然氣低碳催化燃燒烤箱的應(yīng)用及煙氣對(duì)大氣的影響論文
人類在追求經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的過程中，也給環(huán)境帶來了極大的危害。 不斷惡化的環(huán)境，也在時(shí)時(shí)刻刻提醒人們，過度發(fā)展給環(huán)境帶來沉重的負(fù)擔(dān)，也正是如此讓人們對(duì)催化燃燒爐的研究產(chǎn)生了極大的興趣。 如何通過設(shè)備的升級(jí)，使人類能夠高效利用能源并將產(chǎn)出的污染物降到最低已成為全球性討論的問題。 催化燃燒技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注，人們渴望可以通過對(duì)催化燃燒技術(shù)的研究得到一個(gè)成熟的技術(shù)，來彌補(bǔ)人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來的環(huán)境后果。
烤鴨作為我國(guó)的傳統(tǒng)美食，以肉質(zhì)鮮美多汁、表皮酥脆、入口即化等特點(diǎn)著稱，但是由于烤鴨在傳統(tǒng)制作過程中需要燃燒大量的木炭或天然氣，而這種傳統(tǒng)的烤制方式將會(huì)導(dǎo)致大量的污染物生成，其產(chǎn)生的煙氣對(duì)大氣影響尤為嚴(yán)重，煙氣是氣體和煙塵的混合物，是污染居民區(qū)大氣的主要原因。 傳統(tǒng)的制作過程利用棗木或者果木直接明火烘烤，由于木材燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的諸如SO2，CO，CO2以及燃料的灰分，且皮下脂肪熔化溢出會(huì)不可避免地滴落到火上或炙熱的爐膛內(nèi)，發(fā)生熱氧化反應(yīng)、熱分解反應(yīng)及熱聚合反應(yīng)，產(chǎn)生含有多環(huán)芳烴的火焰，從而沾附在食品表面污染食品，因此煙氣對(duì)環(huán)境的污染是多種毒物復(fù)合的污染，對(duì)人體的危害甚大，并且也是導(dǎo)致霧霾天氣的因素之一。 而天然氣催化燃燒煙氣干凈，污染物極少，且穩(wěn)定燃燒時(shí)是無焰燃燒，溢出的脂肪達(dá)不到熱分解反應(yīng)的條件，且由于在托盤底部設(shè)有鴨油排出裝置，能夠及時(shí)排出溢出的脂肪。
傳統(tǒng)的烤制方法既不利于環(huán)境保護(hù)，也不利于食品安全。 而天然氣催化燃燒技術(shù)以其低碳、環(huán)保和高效的'特點(diǎn)，可以完美解決傳統(tǒng)烤制過程中所帶來的環(huán)境問題，若能將催化燃燒技術(shù)應(yīng)用于烤鴨的烤制，則可以在一定程度上緩解環(huán)境污染方面的巨大壓力。 因此，本文在催化燃燒烤爐保證烤制肉類食品質(zhì)量的同時(shí)，分析了催化燃燒對(duì)諸如SO2，CO，CO2等污染氣體排放量的問題。
1 表面催化燃燒的輻射機(jī)理
催化烤箱采用天然氣作為能源，其核心部件是催化燃燒器，燃燒器采用兩塊鍍催化劑蜂窩狀獨(dú)石并排組成。 其工作原理首先是風(fēng)機(jī)卷吸室溫空氣，通過空氣流量計(jì)后與來自市政管道的天然氣混合( 以燃?xì)饬? L /min 與空氣量3。 7 m3 /h 混合) 送入催化燃燒器，預(yù)混的氣體在催化燃燒爐充分混合后，并在燃燒器頭部的鍍催化劑蜂窩狀獨(dú)石上進(jìn)行點(diǎn)燃，這采用的是氣相普通燃燒時(shí)過量空氣系數(shù)為2左右對(duì)獨(dú)石加熱，等催化劑被完全預(yù)熱且催化劑表面完全沒有火焰后，立刻調(diào)整天然氣與空氣的比例，使燃燒方式完全變?yōu)榇呋紵?/p>
在燃?xì)饬? L /min，空氣量5。 7 m3 /h 的條件下，采用非接觸式紅外測(cè)溫儀測(cè)得催化劑表面的溫度在1 200 ～ 1 500 K 之間。 催化劑壁面正是在這個(gè)溫度下向烤箱內(nèi)的食品進(jìn)行輻射加熱，且催化燃燒釋放能量的方式也都以輻射為主。 根據(jù)維恩位移定律可計(jì)算出催化劑表面的峰值輻射波長(zhǎng)。λmaxT = 2 897。 6 μm·K ( 1)式中T——物體表面溫度( K) ;λmax——黑體的峰值波長(zhǎng)( μm) 。由此可知爐內(nèi)的食品是在波長(zhǎng)為1。 931 7 ～2。 414 6 μm 的輻射下加熱成熟的。 而在電磁波譜中，此波長(zhǎng)在熱輻射占大部分能量紅外線區(qū)段的0。 76 ～ 20 μm 范圍內(nèi)，由此可以看出，催化劑表面的輻射加熱是使食物成熟的主要原因。采用催化燃燒的方式來加熱食品不僅能提高天然氣的利用率而且燃燒所產(chǎn)生的煙氣是無害的，其主要成分是CO2和水蒸氣，可以與食物直接接觸。
通過對(duì)催化燃燒V 型爐獨(dú)石表面取氣的實(shí)驗(yàn)可知催化燃燒產(chǎn)生的CO2含量在6。 25% V/V 左右，但由于烤箱箱體的密閉性會(huì)有極少量的空氣泄漏到烤箱內(nèi)，使CO2的含量略有下降，另外在烤箱內(nèi)的CO2和水蒸氣會(huì)攜帶大量的熱量，攜帶熱量的煙氣與烤箱內(nèi)的食物發(fā)生輻射、對(duì)流換熱，促進(jìn)了食物的成熟，最后經(jīng)由排氣孔排出。 除CO2和水蒸氣外，幾乎沒有有害氣體如NOx以及CO 的生成，根據(jù)中國(guó)計(jì)量院對(duì)催化燃燒煙氣成分所提供的報(bào)告中，NO2的含量小于0。 5 × 10 - 6 mol /mol，CO 的含量為4。 53 ×10 - 6 mol /mol，NOx和CO 的濃度幾乎為零，因?yàn)榇呋紵磻?yīng)較低的活化能允許反應(yīng)在貧碳?xì)浠衔餄舛认掳l(fā)生，因此絕熱反應(yīng)的溫度低于NOx形成的限制，并完全氧化，不生成CO，且火焰溫度低于1 500 ℃時(shí)，溫度型NOx生成量很少，當(dāng)火焰溫度高于1 500 ℃時(shí)，生成速度就變得明顯，可見溫度的影響對(duì)溫度型NOx的生成有決定性的作用。 因此，NOx，CO 達(dá)到近零污染排放。
2 烤箱的實(shí)驗(yàn)裝置
烤箱箱體是由不銹鋼制作而成，內(nèi)部容積為( 100 × 60 × 60) cm3，中間設(shè)有觀察孔，箱體頂部有可旋轉(zhuǎn)掛鉤，底層放置拖油板。 頂部和側(cè)面設(shè)置兩個(gè)通氣球閥，底部設(shè)有通風(fēng)煙囪，烤箱體一側(cè)外接催化燃燒器。 在催化燃燒過程中，輻射熱從催化燃燒器表面到箱體內(nèi)，在箱體內(nèi)進(jìn)行熱傳遞，燃燒所產(chǎn)生的煙氣經(jīng)煙囪和排煙閥排出。
3 催化燃燒烤箱實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析
本次實(shí)驗(yàn)的主要實(shí)驗(yàn)材料是經(jīng)過專業(yè)處理的鴨肉，采用掛爐烤制，由于鴨肉在烤制過程中會(huì)產(chǎn)生大量的油脂，所以在旋轉(zhuǎn)托盤上設(shè)置不銹鋼盤，以承接溢出的油脂，并在其底部設(shè)有鴨油排出裝置，及時(shí)將油脂排出爐外。 為保證實(shí)驗(yàn)之后的烤鴨衛(wèi)生，本實(shí)驗(yàn)所有器具都經(jīng)過反復(fù)洗滌，防止實(shí)驗(yàn)器具污染實(shí)驗(yàn)材料和影響實(shí)驗(yàn)效果。
3。 1 實(shí)驗(yàn)過程及煙氣污染情況分析
本實(shí)驗(yàn)利用催化燃燒所產(chǎn)生的溫度進(jìn)行肉質(zhì)的燒烤。 首先，將處理過的鴨子放入催化烤箱中，將燃?xì)饬空{(diào)到5。 0 L /min，空氣量調(diào)到3。 7 m3 /h。 大約15min 爐內(nèi)發(fā)生完全的催化燃燒，此時(shí)將空氣量調(diào)到5。 7 m3 /h。 此時(shí)溫度穩(wěn)定上升，當(dāng)溫度升高到150 ℃左右時(shí)關(guān)閉爐門。 由于實(shí)驗(yàn)過程中需要不斷進(jìn)行開門觀察，而過多打開爐門將導(dǎo)致爐內(nèi)整體溫度的下降，影響試驗(yàn)質(zhì)量，故經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，將開門間隔定在15 min /次，在開門之后對(duì)鴨肉的色澤及成熟程度進(jìn)行觀察和記錄。 烤鴨正對(duì)輻射面部分的顏色首先開始焦黃，油脂的滲出量也比其他部位多，所以，為保證烤鴨色澤均勻，利用旋轉(zhuǎn)托盤在每次開門的時(shí)候都將烤鴨旋轉(zhuǎn)180°，從而在45 min 的實(shí)驗(yàn)過程中可以讓烤鴨的各個(gè)側(cè)面均能正對(duì)輻射面15 min，從而改善實(shí)驗(yàn)效果。
與傳統(tǒng)的氣相燃燒火焰烘烤產(chǎn)生大量的NOx和CO 相比，利用催化燃燒進(jìn)行烘烤基本不會(huì)產(chǎn)生NOx和CO，這是由于溫度是限制NOx產(chǎn)生的決定因素。 本實(shí)驗(yàn)的燒烤溫度在250 ℃左右，低于NOx的生成界限。 實(shí)驗(yàn)過程中爐內(nèi)發(fā)生完全氧化，所以不形成CO 和未完全燃燒的碳?xì)浠衔铩?因此，利用催化烤箱進(jìn)行燒烤是十分環(huán)保的。
3。 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
經(jīng)過驗(yàn)證，鴨肉在催化燃燒Ⅴ型烤箱中烤制45min 之后，肉質(zhì)和表皮均已熟透。 經(jīng)剖開檢查，鴨肉肉質(zhì)最厚的胸脯及大腿根部也都熟透， 經(jīng)各方品嘗整理本次實(shí)驗(yàn)結(jié)論有以下幾點(diǎn):
1) 經(jīng)催化燃燒Ⅴ型烤箱烤制出的鴨肉在色澤上鮮艷亮麗，無焦糊，無受熱不均，油脂滲出量大。
2) 經(jīng)品嘗，傳統(tǒng)果木烤鴨肉質(zhì)較干，皮下脂肪存留較少，而通過催化燃燒Ⅴ型烤箱烤制的烤鴨肉質(zhì)鮮嫩多汁，鴨肉口感肥而不膩。
3) 在烤鴨剛剛烤制成功時(shí)，烤鴨表皮酥脆，入口即化，后因油脂滲出過多且沒有及時(shí)清理，所以導(dǎo)致烤鴨表皮逐漸軟化，但在軟化之后表皮韌性有所增加，并未出現(xiàn)入口肥膩的感覺。全聚德烤鴨執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)中的感官指標(biāo)，天然氣催化燃燒烤箱燒制的烤鴨，可與之媲美且肉質(zhì)鮮嫩多汁。
4 結(jié)論
本文主要以鴨肉為實(shí)驗(yàn)主體，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了天然氣低碳催化燃燒技術(shù)在肉類食品加工過程中的應(yīng)用可行性，通過實(shí)驗(yàn)可以看出: 在鴨肉的烤制方面，利用催化燃燒Ⅴ型爐烤制的鴨肉在色澤上與傳統(tǒng)方式烤制的烤鴨并無太大差別; 由于催化燃燒技術(shù)燃燒熱效率高，燒制時(shí)間縮短到45 min 左右，在批量生產(chǎn)中較傳統(tǒng)方式可節(jié)約大量能源; 在燒制過程中不會(huì)產(chǎn)生大量的煙氣，對(duì)大氣不會(huì)造成太大的影響，CO 的生成量控制在10 × 10 - 6 之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境的保護(hù); 由于催化燃燒技術(shù)燃燒狀態(tài)穩(wěn)定，與火焰燃燒相比輻射均勻，能夠保證食品成熟程度，殺滅病菌的同時(shí)保證了良好口感。
實(shí)驗(yàn)證明無論是從環(huán)保節(jié)能的角度，還是從食品安全的角度，利用催化燃燒技術(shù)的制作方法均優(yōu)于傳統(tǒng)的制作方法，天然氣催化燃燒技術(shù)在烤制食品加工方面的應(yīng)用有廣闊的前景。
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