有了催化式紅外技術，烤箱有望不用電

家庭常用的烤箱以電為能源，電作為二次能源，必須通過煤炭、石油、天然氣等一次能源的消耗才能得到。有沒有一種可能，將天然氣在不燃燒的情況下轉化為熱能，直接讓烤箱不通電也能烘制美食？

日前，江蘇大學食品物理加工研究院與美的集團合作，探討開發不用電的烤箱，合作的基礎正是團隊研發的燃氣催化式紅外加熱技術與裝備。

“這是國際上一種新型熱能轉化形式，在國際上得到高度重視。簡單地說，就是找到了一種新的路徑，讓天然氣不用轉化為電，而是直接轉化為紅外線，能耗約是電紅外的50%，節能效果顯著，具有高效、潔凈、低價的優點。”江蘇大學食品物理加工研究院教授馬海樂告訴《中國科學報》。

馬海樂團隊為企業開發的轉筒式催化紅外加熱設備。課題組供圖

馬海樂團隊研發的多段網帶式催化紅外加熱設備。課題組供圖

國內首創

傳統的紅外裝備都以電力作為能源,能耗較高、碳排放較大。燃氣催化式紅外加熱技術的原理是燃氣和空氣中的氧氣借助貴金屬的催化作用，在不燃燒的情況下被轉化成二氧化碳和水,同時釋放出紅外線。

燃氣催化式紅外加熱技術的核心部件——發射器的設計和制造一直掌握在歐美企業手中。2010年，馬海樂團隊從國外購買了燃氣催化式紅外加熱發射器，發現國外這種發射器不僅價格昂貴，而且規格固定、應用場景少,無法滿足我國種類繁多的加熱裝備開發的需要。團隊決定自己研發，直到2016年做出了我國第一臺燃氣催化式紅外加熱發射器。

“發射器做出來了，但是還有很多技術問題需要攻關，比如熱轉化效率進一步提升、發熱板溫差進一步減小、催化材料性能進一步改善等。”馬海樂進一步開展基礎理論研究和技術迭代升級。

經過長達10多年的不斷鉆研，在2021年中國輕工業聯合會組織的專家鑒定會上，專家組鑒定表示，該技術實現了我國在該領域從0到1的突破，打破了國外先進技術的封鎖，擺脫了對國外先進產品進口的依賴，且相關的表面溫度、發熱均勻性、功率密度等核心指標達到歐美先進產品標準。

“有了發射器后，我們還開始做裝備。”團隊成員、江蘇大學教授周存山表示，團隊利用自主開發的催化式紅外發射器研制出傳送帶式、滾筒式、烘房式、掃描式等4個系列化燃氣催化式紅外加熱裝備，團隊還主導起草發布了我國第一個燃氣催化式紅外裝備行業標準，申請立項的燃氣催化式紅外發射器和催化式紅外烘房兩個國家輕工行業標準也正在起草中。

節約能耗50%以上

國外的燃氣催化式紅外加熱技術主要應用于油漆烘干業，而馬海樂團隊是做食品加工裝備起家的，依托裝備和標準，他們發現，這項技術在國內廣闊的工業市場中有著巨大的應用場景。

目前，團隊加快成果應用和轉化，積極將燃氣催化式紅外技術應用在涂料干燥、皮革干燥、芯材固化、天然氣減壓閥防堵塞、天然廢氣、食品干燥等7個領域，與中集集團、卡特彼勒、中海油等20家企業合作，建成催化式紅外生產線和裝備184套臺，產生了顯著的經濟效益和社會效益。

在和中國科學院大連化學物理研究所的可燃廢氣應用合作中，實驗產生大量天然氣廢氣需要排出，而使用該裝備后，廢氣可以作為原料燃燒產生熱量。不僅把廢氣處理了，還可以產生能源，實現了廢氣的資源化利用。中國科學院大連化學物理研究所與團隊一拍即合，先后安裝了12套裝備。

蘋果加工成脆片，如何防止氧化褐變，加工技術是關鍵。“常用的方法是用化學護色劑把氧化褐變的酶鈍化，我們的裝備既取代了化學試劑的使用，又起到了部分干燥的作用。”周存山說。 

最近，馬海樂團隊開發的催化式紅外裝備應用于山西平陸縣神鷹果品專業合作社的蘋果片制作中，干法鈍酶護色，從根本上解決了化學護色技術存在的水體污染嚴重和食用安全性差的難題，同時具有一定的脫水效果，顯著降低了蘋果片壓差閃蒸膨化干燥的能耗。

隨著技術的進步，應用于不同行業產生的節能效率的提升也讓合作方多次刷新了對燃氣催化式紅外加熱技術的認識。經過測試，該技術用在油漆烘干領域，比原先的電紅外烘干節約能耗50%；用在氣田井口采氣樹減壓閥加熱上，與利用柴油機發電電加熱比較能耗降低90%；為德州星豪皮業有限公司進行皮革催化式紅外固化，裝備占地面積減少50%、耗氣量降低了61.3%……

不久的將來會實現

天然氣是排碳量最少的三大化石能源之一，如何將其效益最大化地利用好？馬海樂團隊還將繼續在燃氣催化式紅外加熱技術與裝備領域深耕下去。

馬海樂表示，一方面團隊將持續加強基礎理論研究，從材料科學、反應動力學等方面進一步促進轉化效率的再提升，從而保持和國際領先水平并跑甚至領跑；另一方面，面向國內產業布局廣泛、產業鏈比較長的現狀，團隊還將重點做好皮革固化、食品加工的應用。“中國有5000多家皮革廠，都是重污染高能耗企業，而在食品加工領域，所有的食品加工環節都是熱加工，如果不能解決能耗問題，成本就降不下來……這些都是我們主要的攻克方向。”

馬海樂團隊還為13家高校、科研院所和企業研發中心定制了25臺小試和中試裝備，支持更多的團隊一起推動這一國際先進的節能低碳技術在我國的快速發展。馬海樂也樂觀地認為，盡管目前所有的應用都是在工業領域，未來在民用領域也會有新應用場景的突破，也許，不用電的烤箱在不久的將來也會成為現實。