作者:温才妃,吴奕 来源:中国科学报 发布时间:2024/5/12 19:56:08
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有了催化式红外技术,烤箱有望不用电

 

家庭常用的烤箱以电为能源,电作为二次能源,必须通过煤炭、石油、天然气等一次能源的消耗才能得到。有没有一种可能,将天然气在不燃烧的情况下转化为热能,直接让烤箱不通电也能烘制美食?

日前,江苏大学食品物理加工研究院与美的集团合作,探讨开发不用电的烤箱,合作的基础正是团队研发的燃气催化式红外加热技术与装备。

“这是国际上一种新型热能转化形式,在国际上得到高度重视。简单地说,就是找到了一种新的路径,让天然气不用转化为电,而是直接转化为红外线,能耗约是电红外的50%,节能效果显著,具有高效、洁净、低价的优点。”江苏大学食品物理加工研究院教授马海乐告诉《中国科学报》。

马海乐团队为企业开发的转筒式催化红外加热设备。课题组供图

马海乐团队研发的多段网带式催化红外加热设备。课题组供图

国内首创

传统的红外装备都以电力作为能源,能耗较高、碳排放较大。燃气催化式红外加热技术的原理是燃气和空气中的氧气借助贵金属的催化作用,在不燃烧的情况下被转化成二氧化碳和水,同时释放出红外线。

燃气催化式红外加热技术的核心部件——发射器的设计和制造一直掌握在欧美企业手中。2010年,马海乐团队从国外购买了燃气催化式红外加热发射器,发现国外这种发射器不仅价格昂贵,而且规格固定、应用场景少,无法满足我国种类繁多的加热装备开发的需要。团队决定自己研发,直到2016年做出了我国第一台燃气催化式红外加热发射器。

“发射器做出来了,但是还有很多技术问题需要攻关,比如热转化效率进一步提升、发热板温差进一步减小、催化材料性能进一步改善等。”马海乐进一步开展基础理论研究和技术迭代升级。

经过长达10多年的不断钻研,在2021年中国轻工业联合会组织的专家鉴定会上,专家组鉴定表示,该技术实现了我国在该领域从0到1的突破,打破了国外先进技术的封锁,摆脱了对国外先进产品进口的依赖,且相关的表面温度、发热均匀性、功率密度等核心指标达到欧美先进产品标准。

“有了发射器后,我们还开始做装备。”团队成员、江苏大学教授周存山表示,团队利用自主开发的催化式红外发射器研制出传送带式、滚筒式、烘房式、扫描式等4个系列化燃气催化式红外加热装备,团队还主导起草发布了我国第一个燃气催化式红外装备行业标准,申请立项的燃气催化式红外发射器和催化式红外烘房两个国家轻工行业标准也正在起草中。

节约能耗50%以上

国外的燃气催化式红外加热技术主要应用于油漆烘干业,而马海乐团队是做食品加工装备起家的,依托装备和标准,他们发现,这项技术在国内广阔的工业市场中有着巨大的应用场景。

目前,团队加快成果应用和转化,积极将燃气催化式红外技术应用在涂料干燥、皮革干燥、芯材固化、天然气减压阀防堵塞、天然废气、食品干燥等7个领域,与中集集团、卡特彼勒、中海油等20家企业合作,建成催化式红外生产线和装备184套台,产生了显著的经济效益和社会效益。

在和中国科学院大连化学物理研究所的可燃废气应用合作中,实验产生大量天然气废气需要排出,而使用该装备后,废气可以作为原料燃烧产生热量。不仅把废气处理了,还可以产生能源,实现了废气的资源化利用。中国科学院大连化学物理研究所与团队一拍即合,先后安装了12套装备。

苹果加工成脆片,如何防止氧化褐变,加工技术是关键。“常用的方法是用化学护色剂把氧化褐变的酶钝化,我们的装备既取代了化学试剂的使用,又起到了部分干燥的作用。”周存山说。 

最近,马海乐团队开发的催化式红外装备应用于山西平陆县神鹰果品专业合作社的苹果片制作中,干法钝酶护色,从根本上解决了化学护色技术存在的水体污染严重和食用安全性差的难题,同时具有一定的脱水效果,显著降低了苹果片压差闪蒸膨化干燥的能耗。

随着技术的进步,应用于不同行业产生的节能效率的提升也让合作方多次刷新了对燃气催化式红外加热技术的认识。经过测试,该技术用在油漆烘干领域,比原先的电红外烘干节约能耗50%;用在气田井口采气树减压阀加热上,与利用柴油机发电电加热比较能耗降低90%;为德州星豪皮业有限公司进行皮革催化式红外固化,装备占地面积减少50%、耗气量降低了61.3%……

不久的将来会实现

天然气是排碳量最少的三大化石能源之一,如何将其效益最大化地利用好?马海乐团队还将继续在燃气催化式红外加热技术与装备领域深耕下去。

马海乐表示,一方面团队将持续加强基础理论研究,从材料科学、反应动力学等方面进一步促进转化效率的再提升,从而保持和国际领先水平并跑甚至领跑;另一方面,面向国内产业布局广泛、产业链比较长的现状,团队还将重点做好皮革固化、食品加工的应用。“中国有5000多家皮革厂,都是重污染高能耗企业,而在食品加工领域,所有的食品加工环节都是热加工,如果不能解决能耗问题,成本就降不下来……这些都是我们主要的攻克方向。”

马海乐团队还为13家高校、科研院所和企业研发中心定制了25台小试和中试装备,支持更多的团队一起推动这一国际先进的节能低碳技术在我国的快速发展。马海乐也乐观地认为,尽管目前所有的应用都是在工业领域,未来在民用领域也会有新应用场景的突破,也许,不用电的烤箱在不久的将来也会成为现实。

 
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