淺談天然氣低碳催化燃燒烤箱的應用及煙氣對大氣的影響論文

　　人類在追求經(jīng)濟快速發(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，也在時時刻刻提醒人們，過度發(fā)展給環(huán)境帶來沉重的負擔，也正是如此讓人們對催化燃燒爐的研究產(chǎn)生了極大的興趣。 如何通過設備的升級，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。 催化燃燒技術得到了越來越多的關注，人們渴望可以通過對催化燃燒技術的研究得到一個成熟的技術，來彌補人類經(jīng)濟發(fā)展所帶來的環(huán)境后果。

　　烤鴨作為我國的傳統(tǒng)美食，以肉質鮮美多汁、表皮酥脆、入口即化等特點著稱，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)的烤制方式將會導致大量的污染物生成，其產(chǎn)生的煙氣對大氣影響尤為嚴重，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、熱分解反應及熱聚合反應，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，因此煙氣對環(huán)境的污染是多種毒物復合的污染，對人體的危害甚大，并且也是導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)定燃燒時是無焰燃燒，溢出的脂肪達不到熱分解反應的條件，且由于在托盤底部設有鴨油排出裝置，能夠及時排出溢出的脂肪。

　　傳統(tǒng)的烤制方法既不利于環(huán)境保護，也不利于食品安全。 而天然氣催化燃燒技術以其低碳、環(huán)保和高效的'特點，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應用于烤鴨的烤制，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量的同時，分析了催化燃燒對諸如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石并排組成。 其工作原理首先是風機卷吸室溫空氣，通過空氣流量計后與來自市政管道的天然氣混合( 以燃氣量5 L /min 與空氣量3。 7 m3 /h 混合) 送入催化燃燒器，預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石上進行點燃，這采用的是氣相普通燃燒時過量空氣系數(shù)為2左右對獨石加熱，等催化劑被完全預熱且催化劑表面完全沒有火焰后，立刻調整天然氣與空氣的比例，使燃燒方式完全變?yōu)榇呋�燃燒�?/p>

　　在燃氣量5 L /min，空氣量5。 7 m3 /h 的條件下，采用非接觸式紅外測溫儀測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溫度下向烤箱內(nèi)的食品進行輻射加熱，且催化燃燒釋放能量的方式也都以輻射為主。 根據(jù)維恩位移定律可計算出催化劑表面的峰值輻射波長。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( μm) 。由此可知爐內(nèi)的食品是在波長為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。

　　通過對催化燃燒V 型爐獨石表面取氣的實驗可知催化燃燒產(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、對流換熱，促進了食物的成熟，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)中國計量院對催化燃燒煙氣成分所提供的報告中，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，因為催化燃燒反應較低的活化能允許反應在貧碳氫化合物濃度下發(fā)生，因此絕熱反應的溫度低于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，溫度型NOx生成量很少，當火焰溫度高于1 500 ℃時，生成速度就變得明顯，可見溫度的影響對溫度型NOx的生成有決定性的作用。 因此，NOx，CO 達到近零污染排放。

　　2 烤箱的實驗裝置

　　烤箱箱體是由不銹鋼制作而成，內(nèi)部容積為( 100 × 60 × 60) cm3，中間設有觀察孔，箱體頂部有可旋轉掛鉤，底層放置拖油板。 頂部和側面設置兩個通氣球閥，底部設有通風煙囪，烤箱體一側外接催化燃燒器。 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 催化燃燒烤箱實驗過程及結果分析

　　本次實驗的主要實驗材料是經(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產(chǎn)生大量的油脂，所以在旋轉托盤上設置不銹鋼盤，以承接溢出的油脂，并在其底部設有鴨油排出裝置，及時將油脂排出爐外。 為保證實驗之后的烤鴨衛(wèi)生，本實驗所有器具都經(jīng)過反復洗滌，防止實驗器具污染實驗材料和影響實驗效果。

　　3。 1 實驗過程及煙氣污染情況分析

　　本實驗利用催化燃燒所產(chǎn)生的溫度進行肉質的燒烤。 首先，將處理過的鴨子放入催化烤箱中，將燃氣量調到5。 0 L /min，空氣量調到3。 7 m3 /h。 大約15min 爐內(nèi)發(fā)生完全的催化燃燒，此時將空氣量調到5。 7 m3 /h。 此時溫度穩(wěn)定上升，當溫度升高到150 ℃左右時關閉爐門。 由于實驗過程中需要不斷進行開門觀察，而過多打開爐門將導致爐內(nèi)整體溫度的下降，影響試驗質量，故經(jīng)反復試驗，將開門間隔定在15 min /次，在開門之后對鴨肉的色澤及成熟程度進行觀察和記錄。 烤鴨正對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，利用旋轉托盤在每次開門的時候都將烤鴨旋轉180°，從而在45 min 的實驗過程中可以讓烤鴨的各個側面均能正對輻射面15 min，從而改善實驗效果。

　　與傳統(tǒng)的氣相燃燒火焰烘烤產(chǎn)生大量的NOx和CO 相比，利用催化燃燒進行烘烤基本不會產(chǎn)生NOx和CO，這是由于溫度是限制NOx產(chǎn)生的決定因素。 本實驗的燒烤溫度在250 ℃左右，低于NOx的生成界限。 實驗過程中爐內(nèi)發(fā)生完全氧化，所以不形成CO 和未完全燃燒的碳氫化合物。 因此，利用催化烤箱進行燒烤是十分環(huán)保的。

　　3。 2 實驗結果及分析

　　經(jīng)過驗證，鴨肉在催化燃燒Ⅴ型烤箱中烤制45min 之后，肉質和表皮均已熟透。 經(jīng)剖開檢查，鴨肉肉質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驗結論有以下幾點:

　　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鮮嫩多汁，鴨肉口感肥而不膩。

　　3) 在烤鴨剛剛烤制成功時，烤鴨表皮酥脆，入口即化，后因油脂滲出過多且沒有及時清理，所以導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)行標準中的感官指標，天然氣催化燃燒烤箱燒制的烤鴨，可與之媲美且肉質鮮嫩多汁。

　　4 結論

　　本文主要以鴨肉為實驗主體，通過實驗驗證了天然氣低碳催化燃燒技術在肉類食品加工過程中的應用可行性，通過實驗可以看出: 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; 由于催化燃燒技術燃燒熱效率高，燒制時間縮短到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; 在燒制過程中不會產(chǎn)生大量的煙氣，對大氣不會造成太大的影響，CO 的生成量控制在10 × 10 - 6 之內(nèi)，實現(xiàn)了對環(huán)境的保護; 由于催化燃燒技術燃燒狀態(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，殺滅病菌的同時保證了良好口感。

　　實驗證明無論是從環(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在烤制食品加工方面的應用有廣闊的前景。

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