Статья поступила в редакцию 06.11.13. Ред. рег. № 1857
The article has entered in publishing office 06.11.13. Ed. reg. No. 1857
УДК 664.951.3
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ ОЧИСТКЕ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ КОПТИЛЬНОГО ДЫМА
Ю.Н. Варфоломеев, Д. О. Суринский, Е.В. Соломин, А.Г. Возмилов
ФГБОУ ВПО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», 625003, Тюменская область, г. Тюмень, ул. Республики, 7 Тел. +7 (3452) 46-16-43, факс +7 (3452) 64-62-03, e-mail: surd1985@mail.ru
Заключение совета рецензентов 22.11.13 Заключение совета экспертов 26.11.13 Принято к публикации 28.11.13
В статье представлены состав коптильного дыма, основные способы его очистки и перспективы использования электронно-ионной технологии.
Ключевые слова: электрокопчение, дымогенерация, электрическое поле, рыба.
USING ELECTRONIC-ION TECHNOLOGY FOR CLEANING DISPERSE PHASE OF SMOKE FUME
U.N. Varfolomeev, D.O. Surinskiy, E.V. Solomin, A.G. Vozmilov
State Agrarian University of Northern Trans-Ural 7 Respubliky St., Tumen, Tumensky region, 625003, Russia Tel. +7 (3452) 46-16-43, fax +7 (3452) 64-62-03, e-mail: surd1985@mail.ru
Referred 22.11.13 Expertise 26.11.13 Accepted 28.11.13
Gas-steam-turbine energy plant with environmental and energy steam injection into an air-gas channel of the gas-turbine engine is considered, and advantages of its scheme are shown.
Keywords: gas-steam-turbine energy plant, heat recovery boiler, combustion chamber.
Химический состав коптильного дыма, а также его конденсатов в полной мере не исследован. На сегодняшний день идентифицировано около 300 соединений, тогда как в коптильном дыме их находится порядка 10 тысяч, причем некоторые из них присутствуют в микроколичествах, играя важную роль в формировании эффектов копчения.
В коптильном конденсате обнаружено 288 соединений, при этом только 68 - в копченом пищевом продукте. Это свидетельствует о чрезвычайно высокой реакционной способности основных коптильных компонентов, реагирующих с веществами продукта: спиртов, кетонов, кетоспиртов, альдегидов, кислот, эфиров. Наблюдения последних 200 лет показали, что люди, которые вынуждены по роду своей деятельности соприкасаться со смолой и сажей, часто болеют тяжелыми онкологическими заболеваниями (к ним относятся сотрудники коптильных компаний, специалисты по очистке труб и др.). Исследования, проведенные в Исландии в начале века, также указывают на то, что заболеваемость раком в этой стране и в Норвегии, где традиционными являлись заготовки сельди домашнего копчения на зиму, в 2,53 раза выше, чем в других странах. Это воздействие
приписывают группе полициклических
ароматизированных углеводородов (ПАУ), в большом количестве содержащихся в смоле и саже. В процессе копчения ПАУ попадают на поверхность и внутрь продукта, изменяя свойства при взаимодействии с ним. В течение последних 100 лет ученые всего мира пристально исследуют ПАУ и предлагают различные методы защиты копченых продуктов от загрязнения ими.
Целью проводимых исследований являлось повышение качества при копчении
сельскохозяйственных продуктов путем
использования технических средств
электрокопчения на основе электронно-ионной технологии (ЭИТ). В задачи исследования входило теоретическое изучение состава коптильного дыма, содержание ПАУ в дисперсной фазе, а также разработка конструкции аппарата электрокопчения с предварительной электроочисткой коптильного дыма и равномерным осаждением его на продукте копчения с получением аналитической зависимости распределения напряженности электрического поля по длине продукта.
В коптильном дыме идентифицировано 47 видов ПАУ, однако имеется около 200 соединений
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 16 (138) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
подобного типа. В самих пищевых продуктах (мясе, рыбе) можно обнаружить около 20 видов ПАУ. Проведенные опыты показали, что не все ПАУ обладают канцерогенными или мутагенными свойствами. Одним из наиболее канцерогенных веществ является бензо(а)пирен, который в устаревшей номенклатуре упоминается как 3,4-бензо(а)пирен. Канцерогенность продукции устанавливают по нему, так как аналитически это вещество относительно просто определяется. В выкопченных продуктах содержание бензо(а)пирена составляет от 0 до 500 мкг/кг.
Нормативы на количественный уровень ПАУ в отечественных стандартах в целом совпадают с требованиями западных стран. Например, верхняя граница содержания 3,4-бензо(а)пирена в копченых продуктах не должна превышать 1 мкг/кг. Считается, что ниже этого предела канцерогенные и мутагенные свойства ПАУ не проявляются.
ПАУ образуются в коптильном дыме практически из всех органических субстанций при недостаточной подаче кислорода в результате реакций циклизации, дегидрирования, конденсации при температуре более 400°С. Вероятность их образования особенно высока в случае нерегулируемого горения древесины, когда температура в дыме достигает 1000°С и выше.
Н.Д. Горелова и П.П. Дикун [3] установили, что бензо(а)пирен присутствует в коптильном дыме при всех условиях дымогенерации (от 2,3-4,8 до 5,2 мкг/м3), в соскобе со стен камер для копчения рыбы (в 1 г соскоба от 1 до 10 мкг), в мышечных тканях копченой рыбы (от 3,3 до 6,7 мкг/кг), в копченых колбасах (от 1,9 до 10,5 мкг/кг). Л.М. Шабад [3] отмечает, что заболеваемость раком среди работников предприятий коптильных производств мясной и рыбной отраслей выше, чем среди работников молочной промышленности.
По данным немецкого исследователя Б. Шобера [3], рыба холодного и горячего копчения имеет примерно одинаковый уровень содержания ПАУ в мышечных тканях (1-3 мкг/кг) и коже (2-61 мкг/кг) [3].
Снизить содержание ПАУ в копченостях можно следующими способами:
- Регулирование процесса дымогенерации, поддержание температуры тления опилок на более низком уровне (не более 4000С), которое достигается применением эндотермического способа дымогенерации.
- Очистка дыма перед подачей в коптильную камеру (механическая фильтрация, водоиммерсионная или электростатическая очистка). ПАУ содержатся, прежде всего, в крупных частицах дисперсной фазы дыма, которая удаляется фильтрованием, осаждением или конденсацией в воде. Этот способ является дорогостоящим и пока не нашел практического применения.
- Удлинение пути движения дыма от дымогенератора до камеры (но не более 30 с). В этом случае в дымоходах остается большая часть смоляной фракции, содержащей ПАУ [2]. Такой
способ увеличивает габариты и массу коптильной установки.
- Использование коптильных препаратов вместо дыма, предварительно очищенных от смоляной фракции и ПАУ. Этот подход не применим при дымовом копчении.
В результате проведенных исследований было предложено устройство предварительной очистки дыма от крупных частиц за счет применения электронно-ионной технологии, используемой при копчении сельскохозяйственной продукции (электрокопчении). Техническое решение основано на предварительной очистке дымовоздушной смеси коптильного дыма от крупных частиц. Продолжительный режим работы дымогенератора требует непрерывной очистки дисперсной фазы коптильного дыма от крупных частиц и более равномерного рассеивания мелкодисперсной части аэрозоля на продукте копчения.
Очистка коптильного дыма достигается путем установки в коптильной камере дополнительного осадительного электрода, а рассеивание мелкодисперсной части аэрозоля на продукте производится за счет получения электрического поля с переменной напряженностью по длине продукта копчения.
Для получения электрического поля с переменной напряжённостью по высоте коптильной камеры коронирующие электроды располагаются под углом к вертикальной оси (рис. 1).
Рис. 1. Схема расположения коронирующих электродов опытной установки, картина осаждения частиц дымовоздушной смеси для нее: 1 - коронирующий игольчатый электрод; 2 - заземленный электрод (продукт копчения); 3 - дополнительный заземленный электрод для предварительной очистки дымокоптильной смеси от крупных частиц
Fig. 1. Structure of corona-forming electrodes location in experimental prototype and chart of air-smoke particles deposition for it: 1 - corona needle electrode; 2 - grounded electrode (smoked product); 3 - additional grounded electrode for preliminary purification of smoke fume mixture from large particles
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 16 (138) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Ю.Н. Варфоломеев, Д.О. Суринский и др. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ ОЧИСТКЕ
Из теории электрогазоочистки известно аналитическое выражение расчета эффективности очистки дымовоздушной смеси [4]:
Fk = Eq
(4)
Г = 1 - e
W -1 d-u
(1)
4s E2S r W = E o r ,
6 p
где £0 - электрическая постоянная, S = 1 + 2
(2)
g-1 g-2
^don
ln(1 - r) - u - d W - ln e ''
(3)
где д - заряд частицы.
В свою очередь, напряженность электрического поля можно рассчитать по формуле:
где Ь - длина коронирующей системы, м; Б -межэлектродное расстояние, м; W - скорость дрейфа заряженных частиц, м/с; и - скорость воздушного потока, м/с.
Скорость дрейфа осаждаемых частиц в электрокоптильной камере определяется по известному выражению [4]:
E = U. d
(5)
Согласно рис. 1, значение d будет равно:
ё = + Аё . (6)
Значение Дd определяется по выражению:
Аё = I ■ гап(а) . (7)
Подставив выражения (6) и (7) в (5) получим:
коэффициент, учитывающий диэлектрические свойства частиц, £ - относительная диэлектрическая проницаемость частиц коптильного дыма; Е -напряжённость электрического поля; ^ -коэффициент динамической вязкости воздушной среды; г - радиус частицы.
В начальный период осаждаются наиболее крупные частицы, т.к. скорость дрейфа частиц W прямо пропорциональна размеру частиц г. Задаваясь требуемыми значениями п, г, Е2, и можно из (2) рассчитать длину дополнительного электрода и межэлектродное расстояние d, обеспечивающие осаждение крупных частиц в зоне предварительной очистки дымовоздушной смеси. Разрешив уравнение (1) относительно I получим аналитическое выражение для расчета длины дополните
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.