基于TRIZ理論的戶用型生物質(zhì)氣化爐的設(shè)計(jì)

1、學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文基于 TRIZ 理論的戶用型生物質(zhì)氣化爐的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué)生姓名：學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)：指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師：所在學(xué)院：所在學(xué)院：工程學(xué)院專專 業(yè)：業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化中國(guó)大慶2010 年 6 月摘摘 要要隨著化石燃料資源的日益減少以及在利用過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成的巨大破壞，生物質(zhì)能的資源化利用正受到越來(lái)越多的重視。熱解氣化技術(shù)作為一種非常重要的生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)，受到越來(lái)越多的關(guān)注。其中，戶用型生物質(zhì)氣化技術(shù)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管路短，操作維護(hù)簡(jiǎn)單方便，耗資少等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)于我國(guó)農(nóng)村目前普遍的經(jīng)濟(jì)水平和組織體制。因此，本文選取戶用型生物質(zhì)氣化爐作為開發(fā)和研究對(duì)象，對(duì)其未來(lái)的推廣應(yīng)用具有指

2、導(dǎo)價(jià)值。本文自行設(shè)計(jì)了戶用型氣化爐氣化系統(tǒng)的，在對(duì)現(xiàn)役氣化爐的氣化性能初步研究的基礎(chǔ)上，獲取戶用氣化爐運(yùn)行的基本性能參數(shù)，并參考相關(guān)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用 TRIZ 理論，設(shè)計(jì)和改進(jìn)了戶用型氣化爐及其凈化裝置，并通過(guò)試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方式，開展氣化爐主要技術(shù)性能和燃?xì)庠罹叩男阅茉囼?yàn)研究。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞: :生物質(zhì) 上吸式 氣化爐 TRIZ 焦油 ABSTRACTWith the fossil resource decreasing and the serious pollution caused by fossil fuel combustion,the biomass energy attrcs

3、 more and more attelltion. As a key thermoehemieal eonversion technology of biomass energy,thermal gasifieation technology is an inereasing eoncem. As the household-tyPe biomass gasifieation teehnology has advantages of simple strueture, short pipeline,simPle operation and inexpensive maintenanee,it

4、 is Prevailing to economic level and organizational strueture in Chinas rural areas.Therefore,the paper chooses household-tyPe biomass gasifier to research and develop which has the value for guiding its applieation.The test bench of household- type gasifieation system is built by ourself.In the bas

5、e of the Preliminary study of gasifier on aetive duty,the updraft-type gasifier and purifieation devices are designed by references and experience. Put to use TRIZ theory,Through a eombination of trial and theoretical analysis，investigations of major teehnieal Performance of the gasifier and domesti

6、c gas cooking applianees are earried out.Keywords:biomass updraft-type gasifier Triz tar.gas 目錄目錄摘 要.IABSTRACT.II目錄.III前言.V1 研究背景 .11.1 國(guó)外生物質(zhì)氣化技術(shù)現(xiàn)狀 .11.2 國(guó)內(nèi)生物質(zhì)氣化技術(shù)現(xiàn)狀.11.3 課題意義.21.4 課題研究?jī)?nèi)容.42 生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)研究綜述 .62.1 生物質(zhì)熱解氣化的原理與分類.62.2 生物質(zhì)氣化爐.102.3 生物質(zhì)燃?xì)獾膬艋?142.4 戶用型生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究意義.182.5TRIZ 理論的相關(guān)介紹及主要內(nèi)容.192

7、.5.1TRIZ 的產(chǎn)生.192.5.4TRIZ 的主要內(nèi)容.202.5.5TRIZ 的重要發(fā)現(xiàn).212.5.6TRIZ 的應(yīng)用及未來(lái)的發(fā)展.21本章小結(jié) .223 戶用生物質(zhì)氣化爐的設(shè)計(jì) .233.1 引言.233.2 氣化爐總體方案的確定.233.3 戶用型氣化爐的設(shè)計(jì).243.4 燃?xì)鈨艋b置的設(shè)計(jì).32本章小結(jié) .364 結(jié)論 .37參考文獻(xiàn).39致 謝.41前言在世界能源消耗中，生物質(zhì)能源一直是人類賴以生存的重要能源，是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費(fèi)總量的第四位的能源，在整個(gè)能源系統(tǒng)中占有重要地位。生物質(zhì)能的利用占世界總能耗的 14 % ，相當(dāng)于 12.57 億噸石油。在

8、發(fā)展中國(guó)家則更為突出，生物質(zhì)能占總能耗的 35 %。目前全世界仍有 25 億人口用生物質(zhì)煮飯、取暖和照明，但生物質(zhì)利用總量還不到其產(chǎn)量的 1。大量使用大自然饋贈(zèng)的生物質(zhì)能源，幾乎不產(chǎn)生污染，資源可再生而不會(huì)枯竭，同時(shí)起著保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境的重要作用。生物質(zhì)能源是理想的可再生能源之一，生物質(zhì)能的應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，旨在把森林砍伐和木材加工剩余物以及農(nóng)林剩余物、工業(yè)廢棄物如秸稈、麥草等原料通過(guò)物理或化學(xué)化工的加工方法，使之成為高品位的能源，提高使用熱效率，減少化石能源使用量，保護(hù)環(huán)境，走可持續(xù)發(fā)展的道路。從加世紀(jì) 70 年代起，生物質(zhì)資源的開發(fā)和利用受到了廣泛關(guān)注。1 1 研究背景研究背景1.11.1

9、國(guó)外生物質(zhì)氣化技術(shù)現(xiàn)狀國(guó)外生物質(zhì)氣化技術(shù)現(xiàn)狀國(guó)外生物質(zhì)氣化領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平的國(guó)家有瑞典、美國(guó)、意大利、德國(guó)等。目前，國(guó)外生物質(zhì)氣化裝置一般規(guī)模較大，自動(dòng)化程度高，工藝較復(fù)雜，以發(fā)電和供熱為主，如加拿大摩爾公司 fMoore CanadaLtd1 設(shè)計(jì)和發(fā)展的固定床濕式上行式氣化裝置、加拿大通用燃料氣化裝置有限公司(Omnifuel Gasification System Limitred)設(shè)計(jì)制造的流化床氣化裝置、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)固體燃料公司(Standard SolidFuels Inc)設(shè)計(jì)制造的炭化氣化木煤氣發(fā)生系統(tǒng)、德國(guó)茵貝爾特能源公司 f Imbert Energietechnik GMBH

10、)設(shè)計(jì)制造的下行式氣化爐一內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)等等，氣化效率可達(dá) 6090，可燃?xì)鉄嶂禐?f1725)1o4kJm。美國(guó)近年來(lái)在生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)方面有所突破，研制出了生物質(zhì)綜合氣化裝置一燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)成套設(shè)備，為大規(guī)模發(fā)電提供了樣板。國(guó)外生物質(zhì)氣化應(yīng)用情況主要為：生物質(zhì)氣化發(fā)電；生物質(zhì)燃?xì)鈪^(qū)域供熱；水泥廠供燃與發(fā)電并用的生物質(zhì)氣化站；生物質(zhì)氣化合成甲醇；生物質(zhì)氣化合成氨。與此同時(shí)，為滿足發(fā)展中國(guó)家農(nóng)村用能的需要，一些國(guó)家也研究了小型戶用型氣化設(shè)備。日本的 Jun Sakai等人于 70 年代設(shè)計(jì)了一臺(tái)小體積戶用型木炭煤氣裝置用于開動(dòng) 44 kw 的汽油機(jī)并取得了成功。類似的裝置在菲律賓的 C

11、entral Luzon 大學(xué)(1977)，美國(guó)密執(zhí)安州立大學(xué)(1978)和泰國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)工程局(1980)相繼研制成功并逐步走向?qū)嵱没?.21.2 國(guó)內(nèi)生物質(zhì)氣化技術(shù)現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)生物質(zhì)氣化技術(shù)現(xiàn)狀從 20 世紀(jì) 80 年代初開始，我國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)一直受到政府和科技人員的重視，“七五”和“八五”期間取得了較大進(jìn)展。我國(guó)自行研制的集中供氣系統(tǒng)已進(jìn)入實(shí)用化試驗(yàn)及示范階段，山東能源研究所研制的 XFF 系列秸稈氣化爐在農(nóng)村集中供氣應(yīng)用中獲得了一定的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益；大連市環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院用研制的 Lz 系列生物質(zhì)干餾熱解氣化裝置建成了可供 l000 戶農(nóng)民生活用燃?xì)獾纳镔|(zhì)熱解加工廠。 然而，目前的

12、集中供氣系統(tǒng)普遍存在著所的“大馬拉小車”問(wèn)題，即許多氣化工程欠戶現(xiàn)象嚴(yán)重，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的戶數(shù)，使生物質(zhì)氣化設(shè)備的利用率降低，并且焦油問(wèn)題難以根絕，致使大型輸氣管網(wǎng)易堵塞，拆卸和清洗不便，氣化站運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本及難度都很高 ，燃?xì)獾臒嶂岛蜌饣瘡?qiáng)度依然偏低，不能充分滿足用戶使用要求。我國(guó)小型戶用型生物質(zhì)氣化爐的研究開發(fā)也在逐步發(fā)展，基于黨和政府對(duì)生物質(zhì)能開發(fā)利用的高度重視，因此給戶用型生物質(zhì)氣化爐的發(fā)展帶來(lái)了機(jī)遇。戶用型生物質(zhì)氣化爐相對(duì)于傳統(tǒng)的粗燃燒爐具在生產(chǎn)數(shù)量、產(chǎn)品質(zhì)量、加工能力等方面都占據(jù)著很大的優(yōu)勢(shì)，戶用型生物質(zhì)氣化爐是目前農(nóng)戶使用比較理想的生活設(shè)施，對(duì)于解決農(nóng)村的節(jié)能減排、改善室內(nèi)空氣質(zhì)

13、量等問(wèn)題有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著研究的深入，形成了多個(gè)系列的戶用爐型，可滿足多種物料的氣化要求，在生產(chǎn)、生活用能、干燥、供暖等領(lǐng)域得到利用。如中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制的 ND 系列戶用型生物質(zhì)氣化爐，用氣化產(chǎn)出氣烘干農(nóng)林產(chǎn)品，設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少，熱效率高，對(duì)于個(gè)體戶用及小型企業(yè)有很高的使用價(jià)值。雖然，生物質(zhì)氣化爐的生產(chǎn)目前已初具規(guī)模，但要真正實(shí)現(xiàn)普遍化，還有一些技術(shù)障礙亟待解決。1.31.3 課題意義課題意義生物質(zhì)直接燃燒是生物質(zhì)能最早被利用的傳統(tǒng)方法，生物質(zhì)直接作為燃料燃燒具有許多優(yōu)點(diǎn)：l ）資源化，使生物質(zhì)真正成為能源，而不是產(chǎn)生能源產(chǎn)品替代物的原料；2 ）減量化，減少了生物質(zhì)利用后剩余

14、物的量；3 ）無(wú)害化，直接燃燒生物質(zhì)不會(huì)造成環(huán)境問(wèn)題，真正達(dá)到了能源利用的無(wú)害化本課題將原生物質(zhì)氣化技術(shù)并應(yīng)用于家用爐具，有以下重大意義：1.3.11.3.1 部分緩解能源緊張部分緩解能源緊張狀況通過(guò)對(duì) 03 年中國(guó)能源結(jié)構(gòu)和世界能源結(jié)構(gòu)對(duì)比可知，我國(guó)能源仍是以煤為主，但資源利用率低。小煤礦資源回收率不足 20 % ，煤泥、劣質(zhì)煤及伴生資源沒(méi)有有效利用。而 90 以上的城市供熱和工業(yè)用熱由普通燃煤鍋爐供應(yīng)。圖 1.1 世界和中國(guó)能源對(duì)比時(shí)近幾年能源生產(chǎn)安全形勢(shì)依然十分嚴(yán)峻，其中 2003 年全國(guó)煤礦事故死亡6702 人，每生產(chǎn) 100 萬(wàn)噸煤炭平均死亡 4 同人，其中原國(guó)有重點(diǎn)煤炭企業(yè)為 1

15、人、國(guó)有地方煤礦 3 人、鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦 10 人。是僅次于交通的第二大事故災(zāi)害。生物質(zhì)成型燃料的大規(guī)模利用將有利于緩解能源緊張引起及其引起的一系列社會(huì)問(wèn)題。1.3.21.3.2 降低農(nóng)村用能費(fèi)用，改善居室環(huán)境，調(diào)整農(nóng)村用能結(jié)構(gòu)降低農(nóng)村用能費(fèi)用，改善居室環(huán)境，調(diào)整農(nóng)村用能結(jié)構(gòu)從近兒年農(nóng)村能源建設(shè)來(lái)看，成績(jī)顯著，但部分地區(qū)生活用能尚未解決主要問(wèn)題，一是生活用能商品化程度偏低，許多農(nóng)民以薪柴和秸稈為主要生活燃料，影響生活條件改善，導(dǎo)致植被嚴(yán)重破壞。二是地區(qū)發(fā)展不平衡，西部農(nóng)村普遍存在生活能源短缺問(wèn)題，東中部山區(qū)和貧困地區(qū)農(nóng)村生活用能狀況需要進(jìn)一步改善。下表中列舉了生物質(zhì)成型燃料在我省糾莊村的使用情況。全

16、國(guó)各地農(nóng)村實(shí)際情況會(huì)有很大不同，但對(duì)低污染、低費(fèi)用燃料的需求是一致的，較大規(guī)模使用該種燃料可從整體上調(diào)整農(nóng)村用能結(jié)構(gòu)。1.3.31.3.3 零排放零排放2CO生物質(zhì)生長(zhǎng)過(guò)程中吸收的 CO 與其燃燒利用中排放的 CO 是相等的，在 CO總量上實(shí)現(xiàn)了零排放或零增長(zhǎng)，消除了產(chǎn)生溫室效應(yīng)的根源。如果能在中國(guó)廣大農(nóng)村將該燃料應(yīng)用本試驗(yàn)中的高效爐具，將會(huì)進(jìn)一步增加中國(guó)實(shí)施清潔發(fā)展機(jī)制的潛力。我國(guó) 2006 年 1 月 1 日開始實(shí)施的 可再生能源法 指出：“促進(jìn)可再生能源的開發(fā)利用，增加能源供應(yīng)，改善能源結(jié)構(gòu)，保障能源安全，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。 ” “國(guó)家鼓勵(lì)清潔、高效地開發(fā)利用生物質(zhì)燃料

17、。 ”專家認(rèn)為，到 2015 年，全球總能耗將有 40來(lái)自生物質(zhì)能源。根據(jù)中國(guó)工程院 中國(guó)可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略研究 預(yù)測(cè)，2050 年我國(guó)生物質(zhì)能開發(fā)利用量將占一次能源供應(yīng)量的 8 %。將生物質(zhì)成型燃料應(yīng)用于農(nóng)用爐具不僅可以滿足快速發(fā)展的國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)能源利用的需要，而且對(duì)于改善農(nóng)村用能結(jié)構(gòu)，緩解能源生產(chǎn)和使用造成的環(huán)境污染，彌補(bǔ)化石能源的不足，保障能源供應(yīng)安全，建立可持續(xù)的生物能源系統(tǒng)，保障我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的意義。1.41.4 課題研究?jī)?nèi)容課題研究?jī)?nèi)容針對(duì)我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀和生物質(zhì)資源特點(diǎn)，根據(jù)農(nóng)戶生活用能的實(shí)際需要和經(jīng)濟(jì)狀況，選取戶用型生物質(zhì)氣化爐作為本課題的設(shè)計(jì)和研究對(duì)象，

18、在對(duì)現(xiàn)役氣化爐的氣化性能初步研究的基礎(chǔ)上，獲取戶用氣化爐運(yùn)行的基本性能參數(shù)，并參考相關(guān)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用 TRIZ 理論，設(shè)計(jì)了戶用型生物質(zhì)氣化爐及其凈化裝置，并通過(guò)試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方式，開展氣化爐主要結(jié)構(gòu)和性能的試驗(yàn)研究。主要研究?jī)?nèi)容如下: :第二章介紹了生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的原理與分類，各種生物質(zhì)氣化爐的特點(diǎn)和燃?xì)鈨艋夹g(shù)，綜述了國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究成果和發(fā)展應(yīng)用情況。結(jié)合我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)狀，分析了生物質(zhì)氣化技術(shù)尤其是集中供氣技術(shù)在商業(yè)化推廣和應(yīng)用中存在的問(wèn)題，指明了戶用型生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究意義。第三章根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用 TRIZ 理論，對(duì)戶用型生物質(zhì)氣化爐進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)

19、計(jì)。改進(jìn)型氣化爐應(yīng)用了爐膛集中燃燒和尾部配風(fēng)的技術(shù)和爐膛口徑漸縮的獨(dú)特爐型，凈化裝置采用氣水分離器與干式顆粒層過(guò)濾器相串聯(lián)的形式。 第四章全文總結(jié)，歸納本文的主要工作和研究成果，并對(duì)生物質(zhì)氣化技術(shù)的進(jìn)一步研究提出一些建議。2 2 生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)研究綜述生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)研究綜述2.12.1 生物質(zhì)熱解氣化的原理與分類生物質(zhì)熱解氣化的原理與分類2.1.12.1.1 生物質(zhì)熱解氣化的原理生物質(zhì)熱解氣化的原理生物質(zhì)熱解氣化(簡(jiǎn)稱氣化)是一種熱化學(xué)反應(yīng)技術(shù)，它是指利用空氣中的氧氣、含氧的物質(zhì)或水蒸汽作為氣化劑，將生物質(zhì)中的碳氧化成 CO、等2H4CH可燃?xì)怏w的過(guò)程。氣化反應(yīng)過(guò)程隨著氣化裝置的類型、

20、工藝流程、反應(yīng)條件、氣化劑種類、原料性質(zhì)等條件的不同，其反應(yīng)過(guò)程也不相同。以上吸式氣化爐為例，氣化反應(yīng)大致分為氧化層、還原層、裂解層和干燥層。其它類型的氣化爐內(nèi)部氣化反應(yīng)與上吸式氣化爐有很大相似。（1）氧化反應(yīng)氣化劑由爐柵下部導(dǎo)入，經(jīng)灰渣層吸熱后進(jìn)入氧化層，在這里同熾熱的碳發(fā)生燃燒反應(yīng)，生成大量的，同時(shí)放出熱量，溫度可達(dá) 1000 1300，反應(yīng)2CO式為: (2-1)22408.8COCOkJ由于是限氧燃燒，沒(méi)有充分的氧進(jìn)行完全燃燒。因此，不完全燃燒反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，反應(yīng)式為： (2-2)222246.44COCOkJ在氧化層進(jìn)行的均為燃燒，是放熱反應(yīng)，也正是這部分反應(yīng)放出的熱量為還原層的還原反

21、應(yīng)、物料的裂解和干燥提供了熱源。（2）還原反應(yīng)在還原層已沒(méi)有氧氣存在，在氧化反應(yīng)生成的和碳、水蒸氣發(fā)生還原反2CO應(yīng)，還原區(qū)的溫度約為 700900，主要產(chǎn)物為 CO、和，其反應(yīng)式為：2CO2H (23)22162.41CCOCOkJ (24)22118.82H OCCOHkJ (25)2222275.24H OCCOHkJ (26)22243.58H OCOCOHkJ (27)242CHCH氧化區(qū)及還原區(qū)總稱為氣化區(qū)，是氣化反應(yīng)的主反應(yīng)區(qū)。（3）裂解反應(yīng)氧化區(qū)及還原區(qū)生成的熱氣體，在上行過(guò)程中經(jīng)過(guò)裂解區(qū)，將生物質(zhì)加熱，使在裂解區(qū)的生物質(zhì)進(jìn)行裂解反應(yīng)。在裂解反應(yīng)中，生物質(zhì)中大部分的揮發(fā)份從固體

22、中分離出去，該區(qū)的溫度大約在 400600。裂解區(qū)的主要產(chǎn)物是炭、揮發(fā)份氣體、焦油和水蒸氣。（4）干燥區(qū)在該區(qū)通過(guò)加熱生物質(zhì)原料，使原料中的水分蒸發(fā)，吸收熱量，并降低產(chǎn)氣溫度，氣化爐出口溫度可達(dá) 100300。裂解區(qū)和干燥區(qū)，總稱為燃料準(zhǔn)備區(qū)。2.1.22.1.2 生物質(zhì)氣化技術(shù)的分類生物質(zhì)氣化技術(shù)的分類目前，生物質(zhì)氣化技術(shù)大體上可按兩種方式進(jìn)行分類:一是按氣化劑類型進(jìn)行分類，二是按設(shè)備運(yùn)行方式進(jìn)行分類。（1）按氣化劑類型分類生物質(zhì)氣化技術(shù)按氣化劑類型分類如圖 2.那么其中干餾氣化其實(shí)是熱解氣化的一種特例，幾而且由于干餾是吸熱反應(yīng)，必須在工藝中提供外部熱源才可以使反應(yīng)進(jìn)行氧氣氣化則不需要提供外

23、部熱源，氧氣與原料之間進(jìn)行的氧化反應(yīng)所放出的熱量可以為熱解反應(yīng)提供充足的熱源，所產(chǎn)生的一般是 15000kJ/ 遙的中熱值3m氣化氣?？諝鈿饣捎诜Φ募尤?，使其可燃?xì)獬煞趾拷档?，熱值也隨之降低2N到 5000kJ 如 3 左右，為低熱值燃?xì)?。氫氣作為氣化劑氣化反?yīng)條件較為苛刻，需要在高溫高壓且具有氫源的條件下進(jìn)行，其氣化氣為熱值高達(dá) 2226026040kJ/，的高熱值氣化氣3m圖 2.1 生物質(zhì)氣化技術(shù)分類（2）按設(shè)備運(yùn)行方式分類生物質(zhì)氣化技術(shù)按氣化裝置的運(yùn)行方式分類如下圖 2.2 生物質(zhì)氣化技術(shù)分類2.22.2 生物質(zhì)氣化爐生物質(zhì)氣化爐把農(nóng)作物秸稈、薪柴等經(jīng)過(guò)氣化轉(zhuǎn)變成生物質(zhì)燃?xì)?，需要?/p>

24、生物質(zhì)氣化爐來(lái)完成，因此，氣化爐便是生物質(zhì)氣化設(shè)備的核心技術(shù)。氣化爐大體上可分為兩大類:固定床氣化爐和流化床氣化爐(具體分類見圖 2.3)。2.2.12.2.1 固定床氣化爐固定床氣化爐固定床氣化爐是將切碎的生物質(zhì)原料由爐子頂部加料口投入固定床氣化爐中，物料在爐內(nèi)基本上是按層次地進(jìn)行氣化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體在爐內(nèi)的流動(dòng)要靠風(fēng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。固定床氣化爐的爐內(nèi)反應(yīng)速度較慢，按氣體在爐內(nèi)的流動(dòng)方向，可將固定床氣化爐分為下吸式、上吸式、橫吸式和開心式四種類型(1)上吸式氣化爐上吸式氣化爐的氣一固呈逆向流動(dòng)，運(yùn)行過(guò)程中，物料從頂部加入后，被上升的熱氣流干燥而將水蒸氣排除，干燥了的物料下降時(shí)被氣流加熱分解，而

25、釋放揮發(fā)分，剩余的炭繼續(xù)下降時(shí)與上升的以及水蒸氣反應(yīng)，和等還原2CO2CO2H O為 CO 及等，余下的炭被底部進(jìn)入的空氣氧化，放出的燃燒熱量為整個(gè)氣化過(guò)2H程提供熱源。上吸式氣化爐的優(yōu)點(diǎn)是:燃?xì)庠诮?jīng)過(guò)熱分解層和干燥層時(shí)，將其攜帶的熱量傳遞給物料，用于物料的熱分解和干燥，同時(shí)降低其自身的溫度，使?fàn)t子熱效率大大提高;熱分解層和干燥層對(duì)燃?xì)庥幸欢ǖ倪^(guò)濾作用，所以出爐的燃?xì)庵兄缓猩倭炕曳?結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造容易，爐內(nèi)阻力小。上吸式氣化爐的缺點(diǎn)是:原料中水分不能參加反應(yīng)，減少了燃?xì)庵泻吞細(xì)?H化合物的含量，氣體與固體逆向流動(dòng)時(shí)，物料中的水分隨產(chǎn)品氣體帶出爐外，降低了氣體的實(shí)際熱值，增加了排煙熱損失;

26、熱氣體從底部上升時(shí)，溫度沿著反應(yīng)層高度下降，物料被干燥后與低溫度的氣流相遇，原料在低溫(250400)下進(jìn)行熱分解，導(dǎo)致焦油含量高。(2）下吸式氣化爐下吸式氣化爐的生物質(zhì)原料由爐頂?shù)募恿峡谕度?，氣化?空氣、氧氣)可以由頂部進(jìn)入，也可在喉管區(qū)加入，氣化劑與物料混合向下流動(dòng)，在高溫喉管區(qū)發(fā)生氣化反應(yīng)。爐內(nèi)的物料自上而下分為干燥層、熱分解層、氧化層、還原層。下吸式反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是:氣化強(qiáng)度高(相對(duì)于上吸式);工作穩(wěn)定性好;可隨時(shí)開蓋添料;由于氧化區(qū)在熱解區(qū)與還原區(qū)之間，因而干餾和熱解的產(chǎn)物都要經(jīng)過(guò)氧化區(qū)，在高溫下裂解成和 CO 等水久性小分子氣體，使得氣化氣中焦油含量大大2H減少。它的缺點(diǎn)是:由于爐

27、內(nèi)的氣體流向是自上而下的，而熱流的方向是自下而上的,致使引風(fēng)機(jī)從爐柵下抽出可燃?xì)庖馁M(fèi)較大的功率；出爐的可燃?xì)庵泻械幕曳州^多；出爐的可燃?xì)獾臏囟容^多，須用水進(jìn)行冷卻。（3）橫吸式氣化爐橫吸式氣化爐的生物質(zhì)原料由氣化爐頂端加入，灰分落入爐柵下部的灰室。氣化劑側(cè)面進(jìn)入，產(chǎn)出的氣體也由側(cè)面流出，氣流橫向通過(guò)氣化區(qū)，在氧化區(qū)、還原區(qū)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)與下吸式氣化爐相同，只不過(guò)反應(yīng)溫度較高，燃燒區(qū)溫度甚至?xí)^(guò)灰熔點(diǎn)，易造成結(jié)渣。因此，該爐適用于含灰分少的原料，一般用作焦炭和木炭氣化。（4）開心式氣化爐開心式氣化爐結(jié)構(gòu)和反應(yīng)原理同下吸式氣化爐相類似，可以看成是其一種特例。它有縮口，爐算不平，而是中間隆起的

28、，以轉(zhuǎn)動(dòng)爐柵代替高溫喉管區(qū)，主要反應(yīng)在爐柵上的氣化區(qū)進(jìn)行。該爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，氧化還原區(qū)小，反應(yīng)溫度較低。 2.2.22.2.2 流化床氣化爐流化床氣化爐流化床氣化爐的反應(yīng)物料中常摻有精選過(guò)的惰性材料沙子，在吹入氣化劑作用下，物料顆粒、沙子、氣化劑接觸充分，受熱充分，在爐內(nèi)呈“沸騰”燃燒狀態(tài)，氣化反應(yīng)速度快，生產(chǎn)能力大，氣化效率高。爐內(nèi)溫度高而且恒定，焦油在高溫下裂解生成氣體，因而焦油含量較小，但出爐的燃?xì)庵泻休^多的灰分。流化床氣化爐結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，設(shè)備投資較大。按氣化爐結(jié)構(gòu)和氣化過(guò)程，可將流化床氣化爐分為單流化床、循環(huán)流化床、雙流化床和攜帶流化床四種類型，按吹入氣化劑的壓力大小，流化床氣化爐又可分

29、為常壓流化床和加壓流化床。(1)循環(huán)流化床氣化爐循環(huán)流化床氣化爐和單流化床的主要區(qū)別是在燃?xì)獬隹谔幵O(shè)有旋風(fēng)分離器或袋式分離器，將燃?xì)鈹y帶的炭粒和沙子分離出來(lái)，返回氣化爐再次參加氣化反應(yīng)。循環(huán)流化床氣化爐是唯一在恒溫床上反應(yīng)的氣化爐，氣化反應(yīng)在床內(nèi)進(jìn)行，焦油也在床內(nèi)裂解，氣固分離以后的炭不斷循環(huán)回反應(yīng)爐內(nèi)，因而保持大的床密度，床截面上顆粒密度分布均勻，并使炭有足夠的時(shí)間在床內(nèi)停留，以適應(yīng)還原反應(yīng)速度慢的需要，適合水分含量大、熱值低、著火困難的生物質(zhì)物料。循環(huán)流化床氣化爐的主要缺點(diǎn)是入料需要預(yù)處理，產(chǎn)氣中灰分需要很好地凈化處理和部件磨損嚴(yán)重。(2)雙流化床氣化爐雙流化床氣化爐分為兩個(gè)組成部分:一部

30、分是氣化爐;另一部分是燃燒爐。氣化爐中產(chǎn)生的燃?xì)饨?jīng)分離后，沙子和炭粒流入燃燒爐中，在這里炭粒燃燒將沙子加熱，灼熱的沙子再返回到氣化爐中，以補(bǔ)充氣化爐所需的熱量。(3)攜帶床氣化爐攜帶床氣化爐是流化床氣化爐的一種特例，它不使用惰性材料作為流化介質(zhì)，氣化劑直接吹動(dòng)爐中生物質(zhì)原料，且流動(dòng)較大，為紊流床。原料入爐前需粉碎成細(xì)小顆粒，氣化溫度高達(dá) 1100，炭的轉(zhuǎn)化率可達(dá) 100%，燃?xì)庵薪褂秃亢艿?，但由于反?yīng)溫度高而易燒結(jié)。2.32.3 生物質(zhì)燃?xì)獾膬艋镔|(zhì)燃?xì)獾膬艋瘡纳镔|(zhì)氣化爐中出來(lái)的可燃?xì)夥Q為“粗燃?xì)狻?，其中含有一定的雜質(zhì)，不能直接使用，如果不經(jīng)過(guò)處理直接使用的話，就會(huì)影響用氣設(shè)備的正常運(yùn)

31、轉(zhuǎn)，所以需對(duì)“粗燃?xì)狻弊鬟M(jìn)一步的凈化處理，使之符合有關(guān)煤氣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。2.3.12.3.1 生物質(zhì)燃?xì)獾闹饕s質(zhì)成份生物質(zhì)燃?xì)獾闹饕s質(zhì)成份在固定床的熱分解層，溫度在 200以上，生物質(zhì)的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素開始熱分解，生成焦炭、焦油、木醋液及其他氣體。因此，從生物質(zhì)氣化爐出來(lái)的氣化燃?xì)庵须s質(zhì)含量較大，約占 10200g/N，其成份比較復(fù)雜，主要是焦3m油和灰塵。創(chuàng)門的存在對(duì)氣化有諸多方面的不利影響:首先，降低了氣化效率;其次，焦油在低溫時(shí)會(huì)凝結(jié)成液態(tài)，容易堵塞輸氣管道及灶具、氣表等，使氣化設(shè)備的運(yùn)行發(fā)生故障。另外，凝結(jié)成細(xì)小液滴的焦油化氣體難以燃盡，燃燒時(shí)易產(chǎn)生炭黑等顆粒，對(duì)灶具損害相當(dāng)

32、嚴(yán)重，大大降低了生物質(zhì)燃?xì)獾钠焚|(zhì)和利用價(jià)值。雜質(zhì)成份主要有:(1)焦油和灰份 焦油的成份十分復(fù)雜，主要是多核芳香族成份。目前能分析出的成份有 200 多種，主要成份不少于 20 種，大部分是苯的衍生物，其中含量大于 5%的有以下幾種:苯、 萘、甲苯、二甲苯、苯乙烯、酚和茚。(2)有機(jī)酸 在生物質(zhì)熱加工過(guò)程中產(chǎn)生有機(jī)酸，如乙酸、丙酸等，這是與煤熱加工的最大不同點(diǎn)。雖然大部分有機(jī)酸會(huì)冷凝到木蠟液中被排出，但氣化氣中仍然含有一定量的以蒸汽形式存在的有機(jī)酸。這些有機(jī)酸蒸汽對(duì)輸氣管道和灶具有很強(qiáng)的腐蝕作用。(3)氧 生物質(zhì)燃?xì)庵械难踔饕獊?lái)自未被完全消耗的氧化劑，從安全角度來(lái)考慮，應(yīng)當(dāng)盡量降低氣化氣中的氧

33、含量，國(guó)家規(guī)定人工煤氣中的氧的含量應(yīng)小于 1%。(4)水 生物質(zhì)原料中或多或少含有一定量的水分，氣化過(guò)程中，水被加熱成為蒸汽，過(guò)多的水分蒸發(fā)會(huì)帶走較多的熱量，降低系統(tǒng)的熱效率，同時(shí)會(huì)影響生物質(zhì)氣化燃?xì)獾钠焚|(zhì)，嚴(yán)重者將不能點(diǎn)燃;在管道中凝結(jié)下來(lái)的水分，混合焦油將會(huì)堵塞管道，外漏的話將會(huì)污染環(huán)境。2.3.22.3.2 燃?xì)鈨艋夹g(shù)燃?xì)鈨艋夹g(shù)有效地降低生物質(zhì)燃?xì)庵械碾s質(zhì)含量，將氣化過(guò)程中產(chǎn)生的焦油脫除或使其轉(zhuǎn)化為可燃?xì)?，盡量減少二次污染，對(duì)推廣和應(yīng)用生物質(zhì)氣化技術(shù)具有重要意義。目前生物質(zhì)燃?xì)鈨艋夹g(shù)主要有以下幾種:（1）濕式凈化法濕式凈化是采用水洗的方法脫除焦油和灰塵的一種凈化方式。由于冷卻洗滌塔

34、的除塵效率為 30%左右，所以濕式凈化系統(tǒng)一般是把多個(gè)水洗噴淋系統(tǒng)連接在一起對(duì)生物質(zhì)燃?xì)膺M(jìn)行凈化。此外，冷卻洗滌、旋風(fēng)分離一過(guò)濾器的過(guò)濾組合凈化裝置應(yīng)用也比較廣泛。濕式凈化系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本較低等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是由于它是直接用水洗滌凈化燃?xì)?，洗過(guò)焦油后的污水直接排入農(nóng)田或河流會(huì)造成嚴(yán)重的二次污染問(wèn)題;此外，氣化中焦油產(chǎn)物含有的能量一般占總能量的 515%，大量焦油隨水流失也會(huì)造成能量的艱費(fèi)。因此，這種凈化方式在生物質(zhì)氣化技術(shù)初期經(jīng)常采用，現(xiàn)在逐漸被淘汰。（2）干式凈化法干式凈化方法又稱過(guò)濾法，將吸附性很強(qiáng)的材料(如活性碳、棉花或粉碎的玉米芯等裝在容器中，讓可燃?xì)獯┻^(guò)吸附材料，從而把

35、可燃?xì)庵械慕褂?、飛灰等雜質(zhì)過(guò)濾出來(lái)。其機(jī)理是依靠慣性碰撞、攔截、擴(kuò)散以及靜電力、重力等作用，使懸浮于流體中的固體顆粒沉積于多孔體表面或容納于多孔體中。過(guò)濾分離可將0.1 一 1um 的微粒有效捕集下來(lái)，是種分離效果高而穩(wěn)定的方法，但燃?xì)饬魉俨荒芎芨?。工業(yè)上應(yīng)用的主要是顆粒層過(guò)濾器，其主要特點(diǎn)是適應(yīng)性廣、除焦油效率高、濾料來(lái)源廣、價(jià)格便宜，用過(guò)的濾料可以作為氣化原料投入氣化爐中燒掉，這樣既可以減少環(huán)境污染，又回收了過(guò)濾雜質(zhì)中的能量。目前應(yīng)用最廣泛的是山東省科學(xué)院能源研究所開發(fā)研制的 XFF 型固定床下吸式生物質(zhì)氣化系統(tǒng)中采用的技術(shù)方法:旋風(fēng)除塵弓管式冷卻一過(guò)濾器凈化。干式過(guò)濾器采取干燥介質(zhì)過(guò)濾的

36、辦法除去燃?xì)庵械乃趾徒褂停細(xì)庵苯油ㄟ^(guò)干燥介質(zhì)的料層，部分水分和冷凝的焦油被吸附，從而凈化了燃?xì)?。此種凈化方式克服了濕式凈化因水洗噴淋而導(dǎo)致燃?xì)鈹y帶更多水分的缺陷，具有能量利用率高，無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)。（3）電捕焦油法電捕焦油器是一種高效的除焦油灰塵設(shè)備，尤其對(duì) 0.01lum 焦油灰塵微粒有很好的分離效率，具有阻力損失小、燃?xì)馓幚砹看蟮膬?yōu)點(diǎn)，但要求顆粒的比電阻值在，所含顆粒濃度一般在 309g/N以下為宜。該方法設(shè)備410102 10cm3m造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用高，對(duì)操作管理的要求也較其它方法高，當(dāng)前還不適于面向農(nóng)村的燃?xì)鈨艋夹g(shù)使用。（4）裂解凈化法裂解凈化技術(shù)是將在生物質(zhì)氣化中所產(chǎn)生的焦油利用

37、某種方法使其裂解為可利用的永久性氣體(如、CO、等)，其方法有熱裂解、催化裂解、電裂解等，2H2CO以達(dá)到焦油的去除和回收利用的雙重目的。這種凈化技術(shù)較好地回收利用了焦油中所含的能量，凈化效率也比較高，但其工藝復(fù)雜，成本太高，難以在我國(guó)農(nóng)村應(yīng)用和推廣，如催化裂解需要單獨(dú)的裝置，要求高溫，且要求連續(xù)運(yùn)行(否則效率太低)，控制難度較大，這些都限制了該種凈化方法在我國(guó)農(nóng)村的適用性。（5）微生物法處理焦油國(guó)外對(duì)微生物降解酚已有報(bào)道，楊秀山等開展了用微生物降解生物質(zhì)氣化洗焦廢水和焦油的研究，他們利用微生物實(shí)驗(yàn)室保存的菌種處理廢水和焦油。目前，該法還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，不具備產(chǎn)業(yè)化條件.2.42.4 戶用

38、型生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究意義戶用型生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究意義2.4.12.4.1 我國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)應(yīng)用存在的問(wèn)題我國(guó)生物質(zhì)氣化技術(shù)應(yīng)用存在的問(wèn)題生物質(zhì)燃?xì)馐且环N高品質(zhì)的能源，可以暫時(shí)存儲(chǔ)起來(lái)，需要使用時(shí)再通過(guò)輸氣管網(wǎng)送至最終用戶。生物質(zhì)氣化集中供氣系統(tǒng)技術(shù)自 1994 年在山東省建立第一個(gè)集中供氣試點(diǎn)以來(lái)，陸續(xù)在山東、河北、遼寧、吉林、黑龍江、天津、北京等省、市都有所推廣應(yīng)用，目前山東、遼寧、吉林、安徽等省都有生物質(zhì)氣化設(shè)備的生產(chǎn)廠家，該技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，但其技術(shù)本身及推廣應(yīng)用過(guò)程中尚存在諸多障礙，具體問(wèn)題分述如下:（1）生物質(zhì)氣化過(guò)程中的副產(chǎn)物焦油是制約生物質(zhì)氣化技術(shù)應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵因素焦油在

39、低溫時(shí)容易凝結(jié)為粘稠的液體，與灰粒一起堵塞輸氣管道，影響氣化系統(tǒng)的正常運(yùn)行，對(duì)生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的使用造成許多危害;此外，焦油的處理方法和效果尚不理想，進(jìn)化后的污水排放會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染（2）系統(tǒng)較為龐大，造價(jià)較高，一般經(jīng)濟(jì)條件的村鎮(zhèn)難于接受。據(jù)反映一些地方在運(yùn)行中已經(jīng)出現(xiàn)進(jìn)料難，原料易堆積難疏松，燃?xì)鈹?shù)量不易控制，原料粉碎機(jī)與機(jī)組不匹配等等問(wèn)題。這些情況一經(jīng)發(fā)生，輕者停機(jī)，重者停產(chǎn)，機(jī)組造價(jià)較高，大都認(rèn)為難以承受。（3）系統(tǒng)在推廣應(yīng)用中普遍存在“大馬拉小車”的問(wèn)題。許多氣化站“欠戶”現(xiàn)象非常嚴(yán)重，機(jī)組不能按設(shè)計(jì)戶數(shù)供氣，使設(shè)備利用率降低，燃?xì)獬杀驹黾?。?）一些灶具燃燒穩(wěn)定性不好，回火、熄火現(xiàn)

40、象頻頻發(fā)生，機(jī)組的配套設(shè)施無(wú)定型產(chǎn)品，加之燃燒不完全，CO 嚴(yán)重超標(biāo)，生產(chǎn)和使用中存在安全隱患。2.4.22.4.2 戶用型氣化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和研究意義戶用型氣化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和研究意義以上問(wèn)題在一定程度上影響了集中供氣技術(shù)的商業(yè)化推廣和應(yīng)用，從我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn)看，生物質(zhì)氣化技術(shù)特別是戶用型生物質(zhì)氣化技術(shù)對(duì)于廣大農(nóng)村地區(qū)來(lái)講是一項(xiàng)先進(jìn)實(shí)用的新能源應(yīng)用技術(shù)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管路短，操作維護(hù)簡(jiǎn)單方便，耗資少等優(yōu)點(diǎn)，弱化了制約生物質(zhì)氣化技術(shù)應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵因素焦油的影響，且能適應(yīng)我國(guó)農(nóng)村目前普遍的經(jīng)濟(jì)水平和組織體制。2.5TRIZ2.5TRIZ 理論的相關(guān)介紹及主要內(nèi)容理論的相關(guān)介紹及主要內(nèi)容2.5

41、.1TRIZ2.5.1TRIZ 的產(chǎn)生的產(chǎn)生TRIZ 是解決發(fā)明創(chuàng)造、實(shí)際技術(shù)創(chuàng)新問(wèn)題的理論。由前蘇聯(lián) G.S.Altshuller為首的專家首先提出。他們對(duì)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的專利文獻(xiàn)加以研究，經(jīng)過(guò) 50 多年的搜集整理、歸納提煉，發(fā)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的開發(fā)創(chuàng)新是有規(guī)律可循的，并在此基礎(chǔ)上建立了一整套體系化的、實(shí)用的解決發(fā)明創(chuàng)造問(wèn)題的方法。2.5.2TRIZ2.5.2TRIZ 的定義的定義（1）TRIZ 是基于知識(shí)的方法從世界范圍內(nèi)的專利中抽象出來(lái)，大量利用已得知識(shí)，是發(fā)明問(wèn)題解決問(wèn)題獲得啟發(fā)式方法的知識(shí)。（2）TRIZ 是面向人的方法將系統(tǒng)分解為子系統(tǒng)，區(qū)分有益及有害功能的實(shí)踐，計(jì)算機(jī)軟件僅起支持作用。（

42、3）TRIZ 是系統(tǒng)化的方法采用通用及詳細(xì)的模型，方便運(yùn)用已有知識(shí)。（4）TRIZ 是解決發(fā)明問(wèn)題的理論首先找到設(shè)計(jì)中的沖突，然后據(jù)已知系統(tǒng)進(jìn)化趨勢(shì)推斷，最后取得創(chuàng)新解。2.5.3TRIZ2.5.3TRIZ 的基本觀點(diǎn)的基本觀點(diǎn) （1）是理想技術(shù)系統(tǒng)，采用優(yōu)化簡(jiǎn)化原則。（2）采用縮小問(wèn)題與擴(kuò)大問(wèn)題的思路，具有韌性。（3）運(yùn)用系統(tǒng)沖突對(duì)問(wèn)題進(jìn)行描述，TRIZ 的發(fā)明過(guò)程是系統(tǒng)沖突的解決過(guò)程。2.5.4TRIZ2.5.4TRIZ 的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容（1）產(chǎn)品進(jìn)化理論TRIZ 將產(chǎn)品生產(chǎn)趨勢(shì)分為前期加大投入，中期加大研發(fā)力度，退潮期盡快出手三個(gè)階段。（2）分析TRIZ 重要工具之一，包括產(chǎn)品功能分

43、析、理想解的確定、可用資源分析和沖突區(qū)域的確定。（3）沖突解決原理（4）物質(zhì)場(chǎng)分析TRIZ 重要工具之一，TRIZ 認(rèn)為可以把所有的功能分解為兩種物質(zhì)和一種場(chǎng)。（5）效應(yīng)主要利用數(shù)學(xué)、電子等領(lǐng)域的相關(guān)數(shù)據(jù)和有關(guān)定律解決問(wèn)題。（6）ARIZTRIZ 重要工具之一，TRIZ 認(rèn)為一個(gè)問(wèn)題解決的難易程度取決于對(duì)該問(wèn)題的描述或程式化過(guò)程。ARIZ 是解決發(fā)明問(wèn)題的完整算法，該算法采用一整套邏輯過(guò)程逐漸將初始問(wèn)題程式化。2.5.5TRIZ2.5.5TRIZ 的重要發(fā)現(xiàn)的重要發(fā)現(xiàn)（1）在以往不同領(lǐng)域的發(fā)明中所用到的原理并不多，不同時(shí)代的發(fā)明，不同領(lǐng)域的發(fā)明，應(yīng)用的原理被反復(fù)復(fù)制。（2）每條發(fā)明原理并不限定

44、應(yīng)用于某一特殊領(lǐng)域，而是融合了物理的、化學(xué)的和各個(gè)工程領(lǐng)域的原理，這些原理是用于不同領(lǐng)域的發(fā)明創(chuàng)造和創(chuàng)新。（3）類似的沖突或問(wèn)題與該問(wèn)題的解決原理在不同的工業(yè)及科學(xué)領(lǐng)域交替出現(xiàn)。（4）技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的模式在不同的工程及科學(xué)領(lǐng)域交替出現(xiàn)。（5）創(chuàng)新設(shè)計(jì)所依據(jù)的科學(xué)原理往往屬于其他領(lǐng)域。（6）提出產(chǎn)品技術(shù)成熟的分段 S 曲線。（7）提出發(fā)明創(chuàng)造等級(jí)制度。（8）提出沖突矩陣，該矩陣將描述技術(shù)沖突的 39 個(gè)通用工程參數(shù)與 40 條發(fā)明創(chuàng)造原理建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系，很好的解決了設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇發(fā)明創(chuàng)造原理的難題。2.5.6TRIZ2.5.6TRIZ 的應(yīng)用及未來(lái)的發(fā)展的應(yīng)用及未來(lái)的發(fā)展TRIZ 理論廣泛應(yīng)用于工

45、程技術(shù)領(lǐng)域，目前已逐步向其他領(lǐng)域滲透和擴(kuò)展。應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，由原來(lái)擅長(zhǎng)的工程技術(shù)領(lǐng)域分別向科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、管理科學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)展。 TRIZ 理論目前及今后的發(fā)展趨勢(shì)主要集中在 TRIZ 本身的完善和進(jìn)一步擴(kuò)展研究方面，熟練的學(xué)習(xí)和掌握 TRIZ 理論，并與工程設(shè)計(jì)的實(shí)際相結(jié)合，可以幫助我們解決在生產(chǎn)世界中遇到的各種問(wèn)題。本章小結(jié)本章小結(jié)生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的研究已經(jīng)成為近年來(lái)能源研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，作為一種非常重要的生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)，生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)是一項(xiàng)十分有前途的工藝，受到業(yè)內(nèi)人士越來(lái)越多的關(guān)注。本章主要介紹了生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的原理與分類，各種生物質(zhì)氣化爐的特點(diǎn)和燃?xì)鈨艋夹g(shù)，

46、綜述了國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究成果和發(fā)展應(yīng)用情況。從反應(yīng)器角度來(lái)看，流化床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，比較適合于大型的制氣系統(tǒng);而固定床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本少，適合于中小型的集中供氣、供熱、干燥系統(tǒng)，以上吸式氣化爐適用于戶用型設(shè)備;從燃?xì)鈨艋嵌葋?lái)說(shuō)，干式凈化法技術(shù)簡(jiǎn)單，脫除效果好，無(wú)二次污染問(wèn)題，應(yīng)用最為廣泛。此外，結(jié)合我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的現(xiàn)狀，分析了生物質(zhì)氣化技術(shù)尤其是集中供氣技術(shù)在商業(yè)化推廣和應(yīng)用中存在的問(wèn)題，從我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)和實(shí)際國(guó)情出發(fā)，戶用型生物質(zhì)氣化技術(shù)對(duì)于廣大農(nóng)村地區(qū)來(lái)講是一項(xiàng)先進(jìn)實(shí)用的新能源應(yīng)用技術(shù)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管路短，操作維護(hù)簡(jiǎn)單方便，耗資少等優(yōu)點(diǎn)，弱化了制約生物質(zhì)氣化

47、技術(shù)應(yīng)用和推廣的關(guān)鍵因素焦油的影響，且能適應(yīng)我國(guó)農(nóng)村目前普遍的經(jīng)濟(jì)水平和組織體制.最后，引出了 TRIZ 理論的相關(guān)介紹及主要內(nèi)容。3 3 戶用生物質(zhì)氣化爐的設(shè)計(jì)戶用生物質(zhì)氣化爐的設(shè)計(jì)3.13.1 引言引言戶用型氣化爐初步試驗(yàn)研究表明現(xiàn)役的氣化爐存在氣化效率較低，熱值不高，焦油和灰塵含量較高等問(wèn)題，因此必須采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案解決這些問(wèn)題。本章在參考相關(guān)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)生物質(zhì)氣化爐不足，設(shè)計(jì)了改進(jìn)型戶用生物質(zhì)氣化爐，希望本章能為戶用型氣化爐的設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。3.23.2 氣化爐總體方案的確定氣化爐總體方案的確定3.2.13.2.1 研究設(shè)計(jì)的原則研究設(shè)計(jì)的原則(1）氣化效率高，燃

48、氣質(zhì)量好。目前市場(chǎng)上許多生物質(zhì)氣化爐氣化效率較低或是不穩(wěn)定，燃?xì)馄焚|(zhì)較差，因此，必須合理設(shè)計(jì)氣化爐爐膛結(jié)構(gòu)，提高氣化品質(zhì)。(2)物料適應(yīng)性好。由于農(nóng)村生物質(zhì)種類較多，設(shè)計(jì)出的生物質(zhì)氣化爐對(duì)原料應(yīng)具有廣泛的適應(yīng)性;同時(shí)，由于面向各家用戶，對(duì)于原料無(wú)需經(jīng)過(guò)復(fù)雜的預(yù)處理，一般鍘成小段即可。(3)堅(jiān)固耐用、安全穩(wěn)定。選擇合理的耐火材料與保溫材料，設(shè)計(jì)合理的檢修口，增加設(shè)備運(yùn)行的可靠性，安全性和維修的簡(jiǎn)便性。(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格便宜。由于生物質(zhì)氣化爐主要用于農(nóng)村，面向農(nóng)戶，因此結(jié)構(gòu)不能過(guò)于復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)合理，便于日常操作;同時(shí)還要盡可能地降低成本，以利推廣。3.2.23.2.2 擬達(dá)到的主要技

49、術(shù)指標(biāo)擬達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)（1）氣化效率穩(wěn)定達(dá)到 65%，生物質(zhì)燃?xì)獾臀话l(fā)熱量大于 6.0，氧含量3/MJNm小于 1.0%。（2）氣化爐運(yùn)行穩(wěn)定，能夠連續(xù)運(yùn)行 3 小時(shí)左右，產(chǎn)氣量 68以上，可供農(nóng)3m戶一天的炊事使用;封火時(shí)間 12h 以上。3.2.33.2.3 生物質(zhì)氣化爐的選型生物質(zhì)氣化爐的選型本文開發(fā)和研究的是適應(yīng)我國(guó)農(nóng)村家庭使用的戶用型生物質(zhì)氣化爐及其凈化裝置，由于農(nóng)村單戶使用并不需要不斷地添料，可以采取間歇式加料，而且輸送管道短，產(chǎn)出的氣體可以立馬用掉，因此對(duì)可燃?xì)庵薪褂秃恳蟛⒉粐?yán)格，無(wú)需使用繁雜的設(shè)備脫除焦油。所以，本文選擇上吸式氣化系統(tǒng)作為戶用型生物質(zhì)氣化爐的基本爐型。上

50、吸式氣化爐的主要特點(diǎn)是:通用性好，原料無(wú)需經(jīng)過(guò)較為復(fù)雜的預(yù)處理過(guò)程，對(duì)原料的種類、尺寸、含水量等沒(méi)有嚴(yán)格的要求;爐體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，操作及維修方便;可燃?xì)饨?jīng)過(guò)熱分解層和干燥層時(shí)將熱量傳遞給物料，自身溫度降低，熱效率較高;熱分解層和干燥層對(duì)可燃?xì)庥羞^(guò)濾作用，出爐的可燃?xì)饣曳稚?且爐排受進(jìn)風(fēng)冷卻，工作比較可靠。3.33.3 戶用型氣化爐的設(shè)計(jì)戶用型氣化爐的設(shè)計(jì)3.3.13.3.1 氣化爐的總體結(jié)構(gòu)氣化爐的總體結(jié)構(gòu)在市場(chǎng)調(diào)研和參考相關(guān)文獻(xiàn)與經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定如圖 3.1 所示的戶用型上吸式氣化爐的設(shè)計(jì)方案，該氣化爐具有如下的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):（1）氣化爐內(nèi)筒采用徑口漸縮的錐形設(shè)計(jì)，合理的斜度和錐角設(shè)計(jì)可以

51、提高原料和爐內(nèi)容積的利用率，提高氣化爐的氣化效率。（2）氣化劑在氣化爐的下部(氧化層附近)夾層中預(yù)熱，通過(guò)進(jìn)風(fēng)口深入膛心送入爐膛，在膛心集中供氧燃燒，進(jìn)入爐膛參與氣化反應(yīng)，這種膛心集中燃燒的技術(shù)可以大大提高氣化爐內(nèi)的反應(yīng)溫度和氣化效率。（3）爐體具有爐膛及與爐膛相通的爐渣室，爐膛與爐渣室之間有爐箅子。（4）尾部配風(fēng)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)氣化爐氣化出來(lái)的是燃?xì)?，直接送入灶頭燃燒的話屬于擴(kuò)散火焰，部分可燃?xì)獬煞挚赡軙?huì)由于混入空氣不足而逸出灶頭后與周邊的氧氣再發(fā)生燃燒反應(yīng)，火苗將會(huì)大而不穩(wěn)，因此需要配入空氣成為預(yù)混火焰后再燃燒，這樣可以達(dá)到較的燃燒效果。因此，我們?cè)跉饣癄t氧化區(qū)域的外筒和內(nèi)筒之間設(shè)有風(fēng)道，風(fēng)道的一

52、端是進(jìn)風(fēng)口，與風(fēng)機(jī)相連，送入空氣;另一端是配風(fēng)口，用后面接有的閥門控制配風(fēng)量;風(fēng)道的周圍均勻分布噴嘴。送入的空氣在風(fēng)道中流動(dòng)，可以利用氧化區(qū)的熱量預(yù)熱自身的溫度，空氣一部分通過(guò)噴嘴進(jìn)入氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)，另一部分通過(guò)配風(fēng)口與出口的燃?xì)忸A(yù)混送入灶頭燃燒。圖 3.1 戶用型上吸式氣化爐總體結(jié)構(gòu)示意圖（5）氣化爐內(nèi)部是氣化各層的反應(yīng)區(qū)，外層是保溫層，爐頂為進(jìn)料口，采用法蘭密封，爐底設(shè)有除灰口。保溫層由耐火泥石棉等保溫材料填充，這樣在保證反應(yīng)區(qū)溫度的同時(shí)，又可以降低氣化爐外壁的溫度，保證使用安全，減少熱量的散失，并延長(zhǎng)封火時(shí)間。3.3.23.3.2 氣化原料的選定氣化原料的選定農(nóng)作物秸稈、刨花等是我

53、國(guó)農(nóng)村和木材加工廠等最常見的生物質(zhì)廢棄物，資源廣泛，成本低廉，我們收集和選取了若干種典型的農(nóng)林廢棄物(如表 3.1)，將其放置在房屋中若干天，使原料的性質(zhì)均勻、穩(wěn)定，然后用鍘刀將秸稈等物料切成23cm 的碎料，以備分析和試驗(yàn)使用。設(shè)計(jì)中，我們選取浙江某木材加工廠的紅樣刨花(平均尺寸 3cm)的有關(guān)參數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。表表 3.13.1 各種生物質(zhì)原料的元素分析和工業(yè)分析表格各種生物質(zhì)原料的元素分析和工業(yè)分析表格/%/%樣品工業(yè)分析元素 分析單位名稱水分灰分 揮發(fā)分 固定碳CHNSOkJkg紅櫸13.90 5.6264.2016.25 43.69 4.35 0.32-31.09 16181稻殼10

54、.05 11.40 63.9814.59 36.44 2.78 0.52 0.11 38.70 158073.3.33.3.3 氣化爐主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算氣化爐主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算（1）原料消耗量和氣化強(qiáng)度的初步確定根據(jù)生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的市場(chǎng)調(diào)研和相關(guān)文獻(xiàn)與經(jīng)驗(yàn)，農(nóng)戶一個(gè)四口之家每天用氣量大約在 68，用氣時(shí)間 3h 左右，消耗生物質(zhì)原料 58kg，因此，該戶3m用型上吸式氣化爐每小時(shí)消耗的原料量可以初步設(shè)計(jì)為 2.2kg，即=2.2kg/h。0C氣化強(qiáng)度初步確定為2060/()kgmh （2）氣化空氣量的確定原料完全燃燒所需的空氣量 V (/kg)3m生物質(zhì)原料一般含有碳、氫、氧、氮、硫等元素，由

55、于氮和硫的含量非常低，所以本文研究中不考慮氮、硫與氧的燃燒反應(yīng)，只考慮碳、氫與氧的燃燒反應(yīng)。碳完全燃燒的反應(yīng): (31)22COCO 棉花12.91 2.6972.2112.18 41.99 4.34 0.57 0.19 37.29 16468桑樹12.60 2.9275.3811.10 38.71 5.48 1.11 0.11 41.07 17059油菜12.98 5.1772.459.4140.16 4.26 0.70 0.47 36.27 15687顆粒原料5.27 10.72 72.0211.99 37.33 1.73 3.05 0.21 41.67 162641kg 碳完全燃燒需要

56、1.866氧氣.3m氫燃燒的反應(yīng): (32)2242HOH O1kg 氫燃燒需要 5.55氧氣3m1kg 原料中已經(jīng)含有氧，相當(dāng)于已經(jīng)供給22.4/32=0.7氧氣，氧氣 O O3m占里氣的 21%，所以生物質(zhì)原料完全燃燒所需的空氣量: (33) 1(1.8665.550.7)0.21VCHO式中:V原料完全燃燒所需的理論空氣量，/kg3m原料中碳元素含量; C原料中氫元素含量; H原料中氧元素含量。 O如表 3.1 中紅樣所含主要元素含量為:=43.69%，=4.35%，=31.09%，=0.32%。 C H O N紅櫸完全燃燒所需的空氣量為: (34) 31(1.8665.550.7)0.

57、211(1.86643.69%5.554.35%0.731.09%)0.213.9955(/)VCHOmkg原料氣化所需的空氣量 (/kg)0V3m生物質(zhì)物料與空氣在氣化爐中發(fā)生復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)，從熱動(dòng)力學(xué)角度分析，空氣量對(duì)于產(chǎn)出氣成分的影響可以從圖 3.2 中看出。圖中的曲線為生物質(zhì)氣化時(shí)空氣的當(dāng)量比與產(chǎn)出氣成分之間的關(guān)系曲線，圖中橫坐標(biāo)值為所提供的空氣中的氧與物料完全燃燒所需氧的當(dāng)量比。從圖中曲線可以看出，當(dāng)量比為 0 時(shí)，沒(méi)有氧氣輸入，直接加熱物料的反應(yīng)屬于熱解反應(yīng)，雖然也可以產(chǎn)生，CO，2H等可燃成分，但產(chǎn)出氣中焦油含量很高，并且約占物料質(zhì)量 30%的焦炭不能4CH同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇細(xì)怏w;

58、當(dāng)量比為 1 時(shí)，物料與氧氣發(fā)生完全燃燒反應(yīng)，不能產(chǎn)生可燃?xì)?只有在當(dāng)量比為 0.25-0.3 時(shí)，即氣化反應(yīng)所需的氧僅為完全燃燒耗氧量的 25%一 30%，產(chǎn)出氣成分較理想。當(dāng)生物質(zhì)物料中水分較大或揮發(fā)分較小時(shí)應(yīng)取上限，反之取下限。圖 3.2 燃?xì)獬煞峙c空氣量的關(guān)系曲線圖計(jì)算氣化爐反應(yīng)所需空氣量時(shí)，首先根據(jù)生物質(zhì)物料的元素分析結(jié)果，計(jì)算出其完全燃燒所需理論空氣量 v，然后按當(dāng)量比 0.25 一 0.3 計(jì)算實(shí)際氣化所需空氣量V。： (35)0VV式中: 實(shí)際氣化所需空氣量，/kg;0V3m完全燃燒的理論空氣量，/kg;V3m氣化當(dāng)量比。紅樣的揮發(fā)分較高，含水量中等，當(dāng)量比。取 0.3，則氣化

59、所需要空氣量為: 0V (36)030.33.99551.1986(/)VVmkg（3）氣化爐主要性能指標(biāo)的擬定氣化燃?xì)饬髁縬根據(jù)任務(wù)書已知要求 q=8 (37)3mh氣化燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量gQ氣化燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量擬定236.2 10/gQkJ m能量轉(zhuǎn)換效率(氣化效率) 擬定氣化效率=65%氣化爐持續(xù)工作時(shí)間T滿爐加料，擬定氣化爐連續(xù)運(yùn)行時(shí)間2.8Th（4）氣化爐的主要?dú)饣瘏?shù)的計(jì)算原料單位時(shí)間消耗量C (38)/()8 6.2/(0.65 16.181)4.71(/ )gmCq QQkg h 氣化強(qiáng)度 (39)200(/)128.45(/)C Ckg mh 產(chǎn)氣率 G （310)3/1.69

60、85(/)Gq Cmkg設(shè)計(jì)熱功率 P （311)/360013.78()gpQqKW（5）氣化爐的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 內(nèi)筒下截面直徑D （312)4/()0.22( )DCm 內(nèi)筒的原料高度 L （313)()0.8462( )LC T Sm式中:生物質(zhì)原料在爐膛中的堆積密度，取 117kg/。3mS氣化爐內(nèi)膽截面積由于本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的爐型為徑口漸縮型的錐形爐體，所以平均橫截面積 S(內(nèi)筒的平均直徑取 0.28m)為 （314)223110.280.06154()44SDm氣化爐內(nèi)筒的高度系數(shù)n生物質(zhì)原料氣化耗盡，剩下的殘灰體積小于燃料體積，設(shè) q 為原料氣化體積收縮率，H 為氣化爐內(nèi)筒實(shí)際高度，則在