天然气催化燃烧器在烤箱中的应用.pdf

第 2 6卷 第 1 期 2 0 1 0年 3月 北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 J o u r n a l o f B e i j i n g U n i v e r s i t y o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e V0 1 ． 2 6 NO． 1 M a r ．201 O 文 章编 号 1 0 0 46 01 1 2 0 1 0 O 10 0 2 80 4 天然气催化燃烧器在烤箱 中的应用 张世 红 ， 孙威 ， 耿博 潇 北京建筑工程学院 环境与能源工程学院 ， 北京1 0 0 0 4 4 摘要 在天然气催化燃烧理论基础上进行了一些实践应用．在蜂窝状独石燃烧器和滞止点流动 反应器 S P F R 中研究了在稳 态条件下甲烷和空气的贫燃料混合物燃烧的污染排放特性．研 究表 明只有当催化表面温度显著高于普通燃烧的点燃温度时， 气相燃料和空气混合物 才会被点燃．既 然催化反应延伸到 了清洁和稳定氧化条件持续的范围， 催化反应抑制 了气相燃烧是合适的．利用 天然气催化燃烧炉作为热源来烘烤食品 ， 同时与普通电烤箱做 了一些比较 ， 实验结果为催化燃烧烤 箱所 烧烤 出的食 品在 嗅 觉和味 觉上较 好 ． 关键词 催 化燃烧 ； 辐射 ； 烤 箱 中图分 类号 T U 9 9 6 ． 2 文献标 志码 A Ap p l i c a t i o n o n Cha r a c t e r i s t i c s o f Na t ur a l Ga s i n a Ca t a l y t i c Co m b u s t i o n Ov e n Zh a n g S hi h o n g， S un W e i ， Ge n g Bo x i a o S c h o o l o f E n v i r o n me n t a n d E n e r g y E n g i n e e r i n g ， B U C E A，B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 Abs t r a c tT he a p p l i c a t i o n s o f n a t u r e g a s i n a c a t a l y t i c c o mbu s t i o n o v e n i s d i s c u s s e d i n t he a r t i c l e a c c o r d i n g t o i t s t h e o r y ．Th e e mi s s i o n s c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c o mb u s t i o n o f f u e l l e a n mi x t u r e s o f me t h a n e a n d a i r we r e s t u d i e d i n s t e a d y s t a t e c o n d i t i o n s i n a h o n e y c o mb mo n o l i t h bu r n e r a n d a s t a g na t i o n p o i n t flo w r e a c t o r S P F R ．T h e i n v e s t i g a t i o n s h o we d t h a t t h e g a s p h a s e f u e l ／ a i r mi x t u r e d o e s n o t i g n i t e u n t i l t h e c a t a l y t i c s u r f a c e i s s i g n i f i c a n t l y a b o v e t h e o r d i n a r y a u t o i g n i t i o n t e mp e r a t u r e ．Th i s i n h i b i t i o n o f g a s p h a s e c o mbu s t i o n b y t he c a t a l y t i c r e a c t i o n s i s d e s i r a b l e，s i n c e i t e x t e n d s t h e r a n g e o v e r wh i c h c l e a n a n d s t a b l e o x i d a t i o n c o n d i t i o n s p e r s i s t ． T he c a t a l y t i c c o mbu s t i o n b u r n e r wa s u s e d f o r r o a s t e d f o o d． Th e r e s u l t o f e x p e r i me n t s h o we d t h a t t h e s e ns e o f s me l l a n d t a s t e for t h e r o a s t e d f o o d b y c a t a l y t i c c o mb us t i o n o v e n wa s b e t t e r t ha n t h a t o f c o n v e n t i o n a l e l e c t r i c a 1 o v e n． Ke y wor ds c a t a l y t i c c o mb u s t i o n；r a d i a t i o n；o v e n 随着 社会 的发 展 ， 人们 在 生 活和 生 产 中对 能 源 的需要 与 日俱增 ， 与 此 同 时也 逐渐 地 增 大 了污 染 物 的排放 ．为 了控 制 污染 物 排 放 ， 许 多行 业 部 门都 在 开发各 自的新型能源利用模式．以天然气为例， 如 今 天然气作 为一 种优质 能源 已经 进入 到我们 的生 活 中， 但 目前天然气作为能源进行燃烧时大部分仍采 用火 焰燃 烧 的方式 ， 火焰 燃 烧 不但 易 产 生 C O 和 大 量 的 N O 而且 还 容 易 造 成 天 然 气 中的 甲烷 反 应不 完全 ， 从而导 致 燃 料 的浪 费 ．而 利用 催 化 燃 烧 的 方 式 ， 可以使燃烧效率接近 1 0 0 ％ ， 同时能达到 C O和 N O 的近 零 污 染 排 放 ．催 化 燃 烧 已经 在 燃 料 电 池。 和一些家庭 、 工业 等生产过程 中的供热炉 等 收稿 日期 2 0 0 91 0 2 9 基金项 目北京市供热 、 供燃气、 通风与空调工程重点实验室基金 作者简 介张世红 1 9 6 4 一 ， 女 ， 教授 ， 博十 ， 研究方I 自 贫天然气 、 空气混合物 、 催化燃烧理论和应用 第 1 期 张世红等 天然气 催化燃烧 器在烤箱 中的应用 2 9 装置中得到应用 ， 这些装置通常都选择 天然气作为 燃料．本文主要是阐述催化燃烧在食 品烧烤的实际 应 用 ． 1 表面催化燃烧 的辐射机理及 电烤箱 加 热 原 理 1 ． 1 表 面催 化燃 烧炉 的辐 射机 理 催化烤箱 主要 由催化燃烧器和烤箱箱体组成． 具体工作原理为天然气与空气先按普通火焰燃烧的 比例预混， 预混的气体通过催化燃烧炉 ， 并在催化剂 表面进行点燃 ， 此时的燃烧仍为普通天然气火焰燃 烧 ， 等 其 燃 烧 7～1 0 mi n后 ， 催 化 剂 已经 被 完 全 预 热 ， 此时再重新调节天然气与空气的比例 ， 使燃烧方 式 完全 变为催 化燃 烧 ．在 1 0 ． 4 L ／ m i n ， 空气 量 9 m ／ h的条件 下 ， 此 时通 过 红 外 测量 器 测 得催 化剂 表 面 的温度 在 1 2 0 0 K至 1 5 0 0 K左右 ．催 化 剂表 面正 是 在 这个 温度下 向炉 内的食 品进 行 辐射 加热 ．根 据 维 恩 位移定 率 可计算 出烤炉 的峰值 辐 射波 长 ． A⋯ T2 8 9 7 ． 6 I,z m ‘ K 1 式中 卜物体表面温度 ， K； A ⋯黑体的峰值波长 ， Ix m． 由此可知炉内的食 品是在波长为 1 ． 9 3 1 7 m～ 2 ． 4 1 4 6 m的辐射下 加热成熟 的．而在 电磁波谱 中 ， 此波 长在 热射线 范 围 内 ， 而且 是在 热 辐射 占大 部 分 能量 的 红 外 线 区 段 的 0 ． 7 6 m ～2 0 m 的 范 围 内 ．由此可 以看 出 ， 催 化 燃 烧 炉 有 比较强 的辐 射 加热能力．在污染物排放方 面， 通过实验发现 ， 火焰 温度 低 于 1 5 0 0 o C时 ， 温度 型 N O 生 成量 很 少 ， 当 火 焰 温度 高于 1 5 0 0℃ 时 ， 生 成 速 度就 变 得 明 显 ， 可 见 温 度 的影 响 对 温 度 型 N O 的 生 成 有 决 定 性 的 作 用 ．然而催化燃烧反应较低的活化能容许反应在 贫碳氢化合物浓度下发生 ， 因此绝热反应的温度低 于 N O 形 成 的界 限 ， 并完 全 氧化 ， 不形 成 C O和 未 完 全燃烧的碳氢化合物 ， 燃烧 发生在常规气相易燃 极 限之外 ， 因此燃 烧更 加 稳定 ； 反应 物 在催 化剂表 面 被 吸 附 ； 之 后它们 在催 化 剂表 面进 行分 解 ； 进 而 在催 化 剂 表面 复合成 产 物 ； 最 后 产 物 从 表 面 脱 附 ．在 贫 燃 料条件下 ， 如果无铂催化剂存在 ， 从机理模拟的燃料 转 化率 曲线看 出 ， 在 表 面 温度 为 约 1 2 0 0 K时 开 始 气 相转 化 ， 也 即气 相点 燃 ， 但 实 际在 1 5 5 0 K左 右 开 始 气相转化 ， 因此铂表面的异相反应抑制 了气相氧化 反应 的点燃温度 ， 并且提高了单相点燃 的表面温度 从 1 2 0 0 K到 1 5 5 0 K左右 ．因此， 通过天然气催 化 燃烧 ， 天 然 气燃 烧 排 放 物 N O 、 C O 达 到近 零 污 染 排放 ， 同时燃烧效率达近 1 0 0 ％． 1 ． 2 普通 电烤 炉 的工作 原理 和特 点 电烤炉主要由箱体 、 加热器、 电气控制部分和附 件等部分组成．电烤炉 的加 热器 电热管 是发热 体 ， 当发热体通电后 ， 表面温度迅速升高．温度达到 5 0 0℃ ～ 6 0 0℃时 ， 其热量主要以红外线的形式辐射 出来 ， 被炉内烘烤的食 品所吸收 ， 从而对炉内的食品 产生烘烤作用．电烤炉一般 辐射传热约 占 6 0 ％ ～ 7 0 ％左右， 对流传热约 占 3 0 ％ ．同样 由维恩位移 定律可 知 ， 炉 内的辐 射波 长 为 3 ． 3 1 9 m ～3 ． 7 4 8 I． z m．催 化燃 烧烤 箱 与 电烤 箱 的辐射 对 比如表 1 ． 表 1 催化燃烧烤箱 与电烤箱的辐射对比 2烤箱 的实验装置 催化燃烧烤箱结构示意图 1 a和图 1 b ． 变频控制器 双路稳压稳流电源 天然气 图 1 a 催化燃烧烤箱结构 町伸缩 挂钩 图 1 b 催化燃烧烤 箱内部结构 其箱体是由不锈钢制作而成 ， 内部容积为 1 0 0 6 0 x 6 0 c m ， 中间有玻 璃 观察 孔 ， 炉 内顶部 有 半 径 3 0 北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 为 2 5 c m圆轮肉架 ， 内部设有三层不锈钢多孔垫 ， 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 燃烧过程中热辐射从炉内右侧辐射人炉中， 在炉内进 行热传递， 燃烧所产生的烟气经烟囱和排烟阀排出． 电烤箱的额定 电压 2 2 0 V额定频率 5 0 H z 额 定功率 1 0 0 0 W 内表面的容积为 3 0 3 0 2 0 c m ， 可以长时间以2 5 0 q C 左右加热食品． 3 催化燃烧烤箱与电烤箱对 比烘烤 的 实验结果和分析 实验过程中采用同一块米龙牛肉分成质量近似 的两块 a 2 0 4 g ， b l 7 4 g ．初始状态， 两块 肉分别 为 2 0 4 g和 1 7 4 g ， 可以从表 面看 出两块 为相 同鲜 度 ， 重量近 似 肉色 鲜 红 ， 肉纤 维 排 列 有 序 ， 纤 维组 织 较 粗 ， 含有 少量脂 肪 ．烘烤 过程如下 对催 化燃 烧系统 进行 点火 ， 通人 燃气量 l 0 ． 4 L ／ ra i n ．1 0 r n i n后催化燃烧烤箱达到稳定的催化燃烧 反应 ， 用热电偶深入通过通气阀门深入烤箱测得温 度为 1 9 7 ． 3℃．将两块 肉分别用锡纸包装 ， 将试块 a 挂 入催化 燃 烧烤 箱 ．将 电烤 箱温 度 调 到 2 5 0 c c 加 热 ， 将试 块 b 放 入 电烤 箱．加 热 1 0 rai n后 ， a 的颜 色更 浅 ， 有 明显 的 肉香 味 ， 肌 肉纤 维 细 腻 ； b 释出的水多， 颜色深 ， 气味不 明显 ， 肌肉纤维粗糙如 图 2所 示 ． 加热 2 0 rai n 后 ， a 的熟度内外近似， 肌肉纤维 显得蓬 松． b 外部 和 内部 的熟度 不 同 ， 肌 肉纤维 显 得僵硬 ．加 热 3 5分 钟 后 ， 放 入催 化 烤箱 的 肉 a 已 经烤熟 ， 无血水 ， 肉纤维蓬 松如 图 3所示 ．放 人 电烤 箱的肉 b 的内部并没有熟透 ， 有血水 ， 肉纤维依然 僵直 ， 4 5分 钟后 取 出 电烤 箱 的米 龙 肉 b 如 图 4所 刁 ． 感 官综 合评 定 样 品 a 口感 鲜嫩 ， 清 爽 ， 柔 软 汁 多 ， 容 易 嚼 烂 ， 气 味 更 明显 ， 肉香 味 诱 人 ．样 品 b 外皮层 口感偏老 ， 干燥 ， 柴瑟 ， 肉香味道不明显． 4 两种烧烤方式对 比结果分析 1 加热方式 的对 比．电烤炉一般辐射传热约占 6 0 ％ ～ 7 0 ％左右 ， 对流传热约占 3 0 ％．而催化燃烧 器主要 以表面 辐射为 主．由两物 体之 间 辐射 的角 系 数公式 试块 ㈣ 图 2加热 1 0 m i n 后米龙牛 肉样品的照片 图 3加热 3 5分钟后米龙牛肉样 品 a 图 4加热 4 5分钟后米龙牛 肉样品 b 第 1 期 张世 红等 天然气催化燃烧器在烤 箱中的应用 3 l 每 ff d A 。 d A 2 1 d d AI A 2 7 r 式 中 表面 积 1对表 面积 2的角 系数 面积 A 。 投射到面积 A 的辐射能 ， J 。 面积 A ， 的辐射能 ， J ，A 物 体 1 ， 2的表面 积 ， m 0 ， 0 2 两 表 面 的 法 线 与 连 线 间 的 夹 角 分别是 0 。 ， 0 。 两物体之间的距离 ， m 由于烤箱是个封 闭狭小的空问 ， 所 以食物与发 热体之间的距离 和对应 角度 的影响都不 占主要作 用 ， 由以上公式我们可以定性的看出 ， 无论是在电烤 箱 中还是 在催 化烤箱 中均可 以利 用 以上 公式 定性 地 分析加热体 的面积决定了辐射能 的大小 ， 而普通电 烤炉的发热管的面积无法同催化燃烧器的辐射面积 相比， 所以在催化燃烧烤箱 中食物能够更好地接受 高温 辐射所 传来 的能 量 ． 2 污染 程度对 比．虽 然 电烤 箱 本 身并 无 污染 ， 但电能是二次能源 ， 电的产生本身就带有污染物的 排放 ， 而催 化燃 烧炉 的放 热 的热利 用率 近 1 0 0 ％ ， 而 且有害气体排放量接近为零．并且催化烤箱烤 出的 食品的干净成度与 电烤箱一样 ， 对食 品本身没有任 何污 染． 5 结论 天然气催化燃烧 红外 辐射加热技术具有效率 高、 运行成本低和污染少等优点和潜在的应用价值 ， 受到广泛关注．通过实验可 以看出 ， 催化燃烧烤箱 有 多 种优 点 ， 投入 成 本低 、 节 能 ， 加 工 出 的食 品味 道 鲜美 ， 可以让食物均匀受 热， 无污染 ， 适用 于食品加 工 工业 ．特别 在 大 型 食 品 加 工 企 业 ， 利 用 催 化 燃 烧 炉 不但 能 减少 企业 生 产 成 本 ， 而 且 还 能有 效 控 制 环 境 污染 ．随着 人 们 对 环 保 意识 的不 断 提 升 ， 这种 无 污 染 的烧烤 方式 会有 更广 泛 的空 间． 参 考 文献 [ 1 ] 张世红 ， D u p o n t V， 周琦 ， 等．天然气催化燃烧近零 污 染 物排 放机理和应用[ M] ．北京 科学 出版社 ， 2 0 0 8 [ 2 ] F i n n e r t y C， T o mp s e t t G A， K e n d a l l K， e t a 1 ．S O F C s y s - t e n w i t h i n t e r g r a t e d c a t a l y t i c f u e l p r o c e s s i o n [ J ] ．J o u r n a l o f P o we r S o u r c e s ，2 0 0 0， 8 6 1 4 5 94 6 3 [ 3 ] S e o Y S ，K a n g S K，H a n M H，e t a 1 ．D e v e l o p m e n t o f c a t a l y t i c b u r n e r w i t h P d ／ N i O c a t a l y s t s [ J ] ．C a t a l y s i s T o d a y，1 9 9 9， 4 7 14 4 2 14 2 7 [ 4 ] 章熙 民， 任泽霈 ， 梅飞 呜．传热 学 第 4版[ M] ．北京 中国建筑 出版社 ， 2 0 0 1 [ 5 ] 廖 传 华 ， 史 勇春 ， 鲍 金 刚．燃 烧 过程 与设 备 [ M] ．北 京 中国石化出版社 ， 2 0 0 8 [ 6 ] 初级职业技术教育培训教材编 审委员会．微波炉与 电 烤炉修理 [ M] ．上海 上海科学技术出版社 ， 1 9 9 4 [ 责任编辑 王克黎] 征 订 启 事 北京建筑工程学院学报 是 国内外公开发行 的理 工类综合性 学术期刊 ， 国际标 准刊 号 I S S N 1 0 0 46 0 1 1 ， 国内统一刊号 C N 1 1 3 0 3 2 ／ T U， 国际标准大 1 6开本， 季刊 ， 每逢季末 出版， 每 期定价 8 ． 0 0元 ， 全年定价 3 2 ． o 0元。欲订阅者请通过 天津全 国非邮发报刊发行部办理 ， 非邮发 代 号 9 l 8 4 ， 或 者通过 邮局 直接 汇款 至本 刊编 辑部 。 联 系方 式 1 ．天 津全 国非 邮发报 刊发 行部 地 址 天津 市大 寺泉集 北里 别墅 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