基于TRIZ理論的戶用型生物質氣化爐的設計

1、學士學位畢業(yè)論文基于 TRIZ 理論的戶用型生物質氣化爐的設計學生姓名：學生姓名：學學 號：號：指導教師：指導教師：所在學院：所在學院：工程學院專專 業(yè)：業(yè)：機械設計制造及其自動化中國大慶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程中對環(huán)境造成的巨大破壞，生物質能的資源化利用正受到越來越多的重視。熱解氣化技術作為一種非常重要的生物質熱化學轉換技術，受到越來越多的關注。其中，戶用型生物質氣化技術由于具有結構簡單，管路短，操作維護簡單方便，耗資少等優(yōu)點，適應于我國農(nóng)村目前普遍的經(jīng)濟水平和組織體制。因此，本文選取戶用型生物質氣化爐作為開發(fā)和研究對象，對其未來的推廣應用具有指

2、導價值。本文自行設計了戶用型氣化爐氣化系統(tǒng)的，在對現(xiàn)役氣化爐的氣化性能初步研究的基礎上，獲取戶用氣化爐運行的基本性能參數(shù)，并參考相關文獻和經(jīng)驗，運用 TRIZ 理論，設計和改進了戶用型氣化爐及其凈化裝置，并通過試驗與理論分析相結合的方式，開展氣化爐主要技術性能和燃氣灶具的性能試驗研究。關鍵詞關鍵詞: :生物質 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 國外生物質氣化技術現(xiàn)狀 .11.2 國內(nèi)生物質氣化技術現(xiàn)狀.11.3 課題意義.21.4 課題研究內(nèi)容.42 生物質熱解氣化技術研究綜述 .62.1 生物質熱解氣化的原理與分類.62.2 生物質氣化爐.102.3 生物質燃氣的凈化.142.4 戶用型生物質氣化技術的研究意義.182.5TRIZ 理論的相關介紹及主要內(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 的應用及未來的發(fā)展.21本章小結 .223 戶用生物質氣化爐的設計 .233.1 引言.233.2 氣化爐總體方案的確定.233.3 戶用型氣化爐的設計.243.4 燃氣凈化裝置的設計.32本章小結 .364 結論 .37參考文獻.39致 謝.41前言在世界能源消耗中，生物質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總量的第四位的能源，在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位。生物質能的利用占世界總能耗的 14 % ，相當于 12.57 億噸石油。在

8、發(fā)展中國家則更為突出，生物質能占總能耗的 35 %。目前全世界仍有 25 億人口用生物質煮飯、取暖和照明，但生物質利用總量還不到其產(chǎn)量的 1。大量使用大自然饋贈的生物質能源，幾乎不產(chǎn)生污染，資源可再生而不會枯竭，同時起著保護和改善生態(tài)環(huán)境的重要作用。生物質能源是理想的可再生能源之一，生物質能的應用技術開發(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、麥草等原料通過物理或化學化工的加工方法，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，保護環(huán)境，走可持續(xù)發(fā)展的道路。從加世紀 70 年代起，生物質資源的開發(fā)和利用受到了廣泛關注。1 1 研究背景研究背景1.11.1

9、國外生物質氣化技術現(xiàn)狀國外生物質氣化技術現(xiàn)狀國外生物質氣化領域處于領先水平的國家有瑞典、美國、意大利、德國等。目前，國外生物質氣化裝置一般規(guī)模較大，自動化程度高，工藝較復雜，以發(fā)電和供熱為主，如加拿大摩爾公司 fMoore CanadaLtd1 設計和發(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)設計制造的流化床氣化裝置、美國標準固體燃料公司(Standard SolidFuels Inc)設計制造的炭化氣化木煤氣發(fā)生系統(tǒng)、德國茵貝爾特能源公司 f Imbert Energietechnik GMBH

10、)設計制造的下行式氣化爐一內(nèi)燃機發(fā)電機組系統(tǒng)等等，氣化效率可達 6090，可燃氣熱值為 f1725)1o4kJm。美國近年來在生物質熱解氣化技術方面有所突破，研制出了生物質綜合氣化裝置一燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)成套設備，為大規(guī)模發(fā)電提供了樣板。國外生物質氣化應用情況主要為：生物質氣化發(fā)電；生物質燃氣區(qū)域供熱；水泥廠供燃與發(fā)電并用的生物質氣化站；生物質氣化合成甲醇；生物質氣化合成氨。與此同時，為滿足發(fā)展中國家農(nóng)村用能的需要，一些國家也研究了小型戶用型氣化設備。日本的 Jun Sakai等人于 70 年代設計了一臺小體積戶用型木炭煤氣裝置用于開動 44 kw 的汽油機并取得了成功。類似的裝置在菲律賓的 C

11、entral Luzon 大學(1977)，美國密執(zhí)安州立大學(1978)和泰國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)工程局(1980)相繼研制成功并逐步走向實用化。1.21.2 國內(nèi)生物質氣化技術現(xiàn)狀國內(nèi)生物質氣化技術現(xiàn)狀從 20 世紀 80 年代初開始，我國生物質氣化技術一直受到政府和科技人員的重視，“七五”和“八五”期間取得了較大進展。我國自行研制的集中供氣系統(tǒng)已進入實用化試驗及示范階段，山東能源研究所研制的 XFF 系列秸稈氣化爐在農(nóng)村集中供氣應用中獲得了一定的社會、經(jīng)濟效益；大連市環(huán)境科學設計研究院用研制的 Lz 系列生物質干餾熱解氣化裝置建成了可供 l000 戶農(nóng)民生活用燃氣的生物質熱解加工廠。 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”問題，即許多氣化工程欠戶現(xiàn)象嚴重，達不到設計要求的戶數(shù)，使生物質氣化設備的利用率降低，并且焦油問題難以根絕，致使大型輸氣管網(wǎng)易堵塞，拆卸和清洗不便，氣化站運營和維護成本及難度都很高 ，燃氣的熱值和氣化強度依然偏低，不能充分滿足用戶使用要求。我國小型戶用型生物質氣化爐的研究開發(fā)也在逐步發(fā)展，基于黨和政府對生物質能開發(fā)利用的高度重視，因此給戶用型生物質氣化爐的發(fā)展帶來了機遇。戶用型生物質氣化爐相對于傳統(tǒng)的粗燃燒爐具在生產(chǎn)數(shù)量、產(chǎn)品質量、加工能力等方面都占據(jù)著很大的優(yōu)勢，戶用型生物質氣化爐是目前農(nóng)戶使用比較理想的生活設施，對于解決農(nóng)村的節(jié)能減排、改善室內(nèi)空氣質

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

14、物的量；3 ）無害化，直接燃燒生物質不會造成環(huán)境問題，真正達到了能源利用的無害化本課題將原生物質氣化技術并應用于家用爐具，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對 03 年中國能源結構和世界能源結構對比可知，我國能源仍是以煤為主，但資源利用率低。小煤礦資源回收率不足 20 % ，煤泥、劣質煤及伴生資源沒有有效利用。而 90 以上的城市供熱和工業(yè)用熱由普通燃煤鍋爐供應。圖 1.1 世界和中國能源對比時近幾年能源生產(chǎn)安全形勢依然十分嚴峻，其中 2003 年全國煤礦事故死亡6702 人，每生產(chǎn) 100 萬噸煤炭平均死亡 4 同人，其中原國有重點煤炭企業(yè)為 1

15、人、國有地方煤礦 3 人、鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦 10 人。是僅次于交通的第二大事故災害。生物質成型燃料的大規(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問題。1.3.21.3.2 降低農(nóng)村用能費用，改善居室環(huán)境，調(diào)整農(nóng)村用能結構降低農(nóng)村用能費用，改善居室環(huán)境，調(diào)整農(nóng)村用能結構從近兒年農(nóng)村能源建設來看，成績顯著，但部分地區(qū)生活用能尚未解決主要問題，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，導致植被嚴重破壞。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一步改善。下表中列舉了生物質成型燃料在我省糾莊村的使用情況。全

16、國各地農(nóng)村實際情況會有很大不同，但對低污染、低費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)村用能結構。1.3.31.3.3 零排放零排放2CO生物質生長過程中吸收的 CO 與其燃燒利用中排放的 CO 是相等的，在 CO總量上實現(xiàn)了零排放或零增長，消除了產(chǎn)生溫室效應的根源。如果能在中國廣大農(nóng)村將該燃料應用本試驗中的高效爐具，將會進一步增加中國實施清潔發(fā)展機制的潛力。我國 2006 年 1 月 1 日開始實施的 可再生能源法 指出：“促進可再生能源的開發(fā)利用，增加能源供應，改善能源結構，保障能源安全，保護環(huán)境，實現(xiàn)經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。 ” “國家鼓勵清潔、高效地開發(fā)利用生物質燃料

17、。 ”專家認為，到 2015 年，全球總能耗將有 40來自生物質能源。根據(jù)中國工程院 中國可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略研究 預測，2050 年我國生物質能開發(fā)利用量將占一次能源供應量的 8 %。將生物質成型燃料應用于農(nóng)用爐具不僅可以滿足快速發(fā)展的國民經(jīng)濟對能源利用的需要，而且對于改善農(nóng)村用能結構，緩解能源生產(chǎn)和使用造成的環(huán)境污染，彌補化石能源的不足，保障能源供應安全，建立可持續(xù)的生物能源系統(tǒng)，保障我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的意義。1.41.4 課題研究內(nèi)容課題研究內(nèi)容針對我國農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀和生物質資源特點，根據(jù)農(nóng)戶生活用能的實際需要和經(jīng)濟狀況，選取戶用型生物質氣化爐作為本課題的設計和研究對象，

18、在對現(xiàn)役氣化爐的氣化性能初步研究的基礎上，獲取戶用氣化爐運行的基本性能參數(shù)，并參考相關文獻和經(jīng)驗，運用 TRIZ 理論，設計了戶用型生物質氣化爐及其凈化裝置，并通過試驗與理論分析相結合的方式，開展氣化爐主要結構和性能的試驗研究。主要研究內(nèi)容如下: :第二章介紹了生物質熱解氣化技術的原理與分類，各種生物質氣化爐的特點和燃氣凈化技術，綜述了國內(nèi)外生物質氣化技術的研究成果和發(fā)展應用情況。結合我國農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的現(xiàn)狀，分析了生物質氣化技術尤其是集中供氣技術在商業(yè)化推廣和應用中存在的問題，指明了戶用型生物質氣化技術的研究意義。第三章根據(jù)相關文獻和經(jīng)驗，運用 TRIZ 理論，對戶用型生物質氣化爐進行了改進設

19、計。改進型氣化爐應用了爐膛集中燃燒和尾部配風的技術和爐膛口徑漸縮的獨特爐型，凈化裝置采用氣水分離器與干式顆粒層過濾器相串聯(lián)的形式。 第四章全文總結，歸納本文的主要工作和研究成果，并對生物質氣化技術的進一步研究提出一些建議。2 2 生物質熱解氣化技術研究綜述生物質熱解氣化技術研究綜述2.12.1 生物質熱解氣化的原理與分類生物質熱解氣化的原理與分類2.1.12.1.1 生物質熱解氣化的原理生物質熱解氣化的原理生物質熱解氣化(簡稱氣化)是一種熱化學反應技術，它是指利用空氣中的氧氣、含氧的物質或水蒸汽作為氣化劑，將生物質中的碳氧化成 CO、等2H4CH可燃氣體的過程。氣化反應過程隨著氣化裝置的類型、

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

21、應、物料的裂解和干燥提供了熱源。（2）還原反應在還原層已沒有氧氣存在，在氧化反應生成的和碳、水蒸氣發(fā)生還原反2CO應，還原區(qū)的溫度約為 700900，主要產(chǎn)物為 CO、和，其反應式為：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)，是氣化反應的主反應區(qū)。（3）裂解反應氧化區(qū)及還原區(qū)生成的熱氣體，在上行過程中經(jīng)過裂解區(qū)，將生物質加熱，使在裂解區(qū)的生物質進行裂解反應。在裂解反應中，生物質中大部分的揮發(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)通過加熱生物質原料，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 100300。裂解區(qū)和干燥區(qū)，總稱為燃料準備區(qū)。2.1.22.1.2 生物質氣化技術的分類生物質氣化技術的分類目前，生物質氣化技術大體上可按兩種方式進行分類:一是按氣化劑類型進行分類，二是按設備運行方式進行分類。（1）按氣化劑類型分類生物質氣化技術按氣化劑類型分類如圖 2.那么其中干餾氣化其實是熱解氣化的一種特例，幾而且由于干餾是吸熱反應，必須在工藝中提供外部熱源才可以使反應進行氧氣氣化則不需要提供外

23、部熱源，氧氣與原料之間進行的氧化反應所放出的熱量可以為熱解反應提供充足的熱源，所產(chǎn)生的一般是 15000kJ/ 遙的中熱值3m氣化氣。空氣氣化由于乏的加入，使其可燃氣成分含量降低，熱值也隨之降低2N到 5000kJ 如 3 左右，為低熱值燃氣。氫氣作為氣化劑氣化反應條件較為苛刻，需要在高溫高壓且具有氫源的條件下進行，其氣化氣為熱值高達 2226026040kJ/，的高熱值氣化氣3m圖 2.1 生物質氣化技術分類（2）按設備運行方式分類生物質氣化技術按氣化裝置的運行方式分類如下圖 2.2 生物質氣化技術分類2.22.2 生物質氣化爐生物質氣化爐把農(nóng)作物秸稈、薪柴等經(jīng)過氣化轉變成生物質燃氣，需要用

24、生物質氣化爐來完成，因此，氣化爐便是生物質氣化設備的核心技術。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行氣化反應，反應產(chǎn)生的氣體在爐內(nèi)的流動要靠風機來實現(xiàn)。固定床氣化爐的爐內(nèi)反應速度較慢，按氣體在爐內(nèi)的流動方向，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，運行過程中，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)下降時與上升的以及水蒸氣反應，和等還原2CO2CO2H O為 CO 及等，余下的炭被底部進入的空氣氧化，放出的燃燒熱量為整個氣化過2H程提供熱源。上吸式氣化爐的優(yōu)點是:燃氣在經(jīng)過熱分解層和干燥層時，將其攜帶的熱量傳遞給物料，用于物料的熱分解和干燥，同時降低其自身的溫度，使爐子熱效率大大提高;熱分解層和干燥層對燃氣有一定的過濾作用，所以出爐的燃氣中只含有少量灰分;結構簡單，加工制造容易，爐內(nèi)阻力小。上吸式氣化爐的缺點是:原料中水分不能參加反應，減少了燃氣中和碳氫2H化合物的含量，氣體與固體逆向流動時，物料中的水分隨產(chǎn)品氣體帶出爐外，降低了氣體的實際熱值，增加了排煙熱損失;

26、熱氣體從底部上升時，溫度沿著反應層高度下降，物料被干燥后與低溫度的氣流相遇，原料在低溫(250400)下進行熱分解，導致焦油含量高。(2）下吸式氣化爐下吸式氣化爐的生物質原料由爐頂?shù)募恿峡谕度?，氣化?空氣、氧氣)可以由頂部進入，也可在喉管區(qū)加入，氣化劑與物料混合向下流動，在高溫喉管區(qū)發(fā)生氣化反應。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。下吸式反應器的優(yōu)點是:氣化強度高(相對于上吸式);工作穩(wěn)定性好;可隨時開蓋添料;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,致使引風機從爐柵下抽出可燃氣要耗費較大的功率；出爐的可燃氣中含有的灰分較多；出爐的可燃氣的溫度較多，須用水進行冷卻。（3）橫吸式氣化爐橫吸式氣化爐的生物質原料由氣化爐頂端加入，灰分落入爐柵下部的灰室。氣化劑側面進入，產(chǎn)出的氣體也由側面流出，氣流橫向通過氣化區(qū)，在氧化區(qū)、還原區(qū)進行的化學反應與下吸式氣化爐相同，只不過反應溫度較高，燃燒區(qū)溫度甚至會超過灰熔點，易造成結渣。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構和反應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、，以轉動爐柵代替高溫喉管區(qū)，主要反應在爐柵上的氣化區(qū)進行。該爐結構簡單，氧化還原區(qū)小，反應溫度較低。 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物料中常摻有精選過的惰性材料沙子，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，但出爐的燃氣中含有較多的灰分。流化床氣化爐結構比較復雜，設備投資較大。按氣化爐結構和氣化過程，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)別是在燃氣出口處設有旋風分離器或袋式分離器，將燃氣攜帶的炭粒和沙子分離出來，返回氣化爐再次參加氣化反應。循環(huán)流化床氣化爐是唯一在恒溫床上反應的氣化爐，氣化反應在床內(nèi)進行，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，并使炭有足夠的時間在床內(nèi)停留，以適應還原反應速度慢的需要，適合水分含量大、熱值低、著火困難的生物質物料。循環(huán)流化床氣化爐的主要缺點是入料需要預處理，產(chǎn)氣中灰分需要很好地凈化處理和部件磨損嚴重。(2)雙流化床氣化爐雙流化床氣化爐分為兩個組成部分:一部

30、分是氣化爐;另一部分是燃燒爐。氣化爐中產(chǎn)生的燃氣經(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，氣化劑直接吹動爐中生物質原料，且流動較大，為紊流床。原料入爐前需粉碎成細小顆粒，氣化溫度高達 1100，炭的轉化率可達 100%，燃氣中焦油含量很低，但由于反應溫度高而易燒結。2.32.3 生物質燃氣的凈化生物質燃氣的凈化從生物質氣化爐中出來的可燃氣稱為“粗燃氣” ，其中含有一定的雜質，不能直接使用，如果不經(jīng)過處理直接使用的話，就會影響用氣設備的正常運

31、轉，所以需對“粗燃氣”作進一步的凈化處理，使之符合有關煤氣質量的標準。2.3.12.3.1 生物質燃氣的主要雜質成份生物質燃氣的主要雜質成份在固定床的熱分解層，溫度在 200以上，生物質的纖維素、半纖維素和木質素開始熱分解，生成焦炭、焦油、木醋液及其他氣體。因此，從生物質氣化爐出來的氣化燃氣中雜質含量較大，約占 10200g/N，其成份比較復雜，主要是焦3m油和灰塵。創(chuàng)門的存在對氣化有諸多方面的不利影響:首先，降低了氣化效率;其次，焦油在低溫時會凝結成液態(tài)，容易堵塞輸氣管道及灶具、氣表等，使氣化設備的運行發(fā)生故障。另外，凝結成細小液滴的焦油化氣體難以燃盡，燃燒時易產(chǎn)生炭黑等顆粒，對灶具損害相當

32、嚴重，大大降低了生物質燃氣的品質和利用價值。雜質成份主要有:(1)焦油和灰份 焦油的成份十分復雜，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)有機酸 在生物質熱加工過程中產(chǎn)生有機酸，如乙酸、丙酸等，這是與煤熱加工的最大不同點。雖然大部分有機酸會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酸。這些有機酸蒸汽對輸氣管道和灶具有很強的腐蝕作用。(3)氧 生物質燃氣中的氧主要來自未被完全消耗的氧化劑，從安全角度來考慮，應當盡量降低氣化氣中的氧

33、含量，國家規(guī)定人工煤氣中的氧的含量應小于 1%。(4)水 生物質原料中或多或少含有一定量的水分，氣化過程中，水被加熱成為蒸汽，過多的水分蒸發(fā)會帶走較多的熱量，降低系統(tǒng)的熱效率，同時會影響生物質氣化燃氣的品質，嚴重者將不能點燃;在管道中凝結下來的水分，混合焦油將會堵塞管道，外漏的話將會污染環(huán)境。2.3.22.3.2 燃氣凈化技術燃氣凈化技術有效地降低生物質燃氣中的雜質含量，將氣化過程中產(chǎn)生的焦油脫除或使其轉化為可燃氣，盡量減少二次污染，對推廣和應用生物質氣化技術具有重要意義。目前生物質燃氣凈化技術主要有以下幾種:（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)一般是把多個水洗噴淋系統(tǒng)連接在一起對生物質燃氣進行凈化。此外，冷卻洗滌、旋風分離一過濾器的過濾組合凈化裝置應用也比較廣泛。濕式凈化系統(tǒng)具有結構簡單、操作方便、成本較低等諸多優(yōu)點，但是由于它是直接用水洗滌凈化燃氣，洗過焦油后的污水直接排入農(nóng)田或河流會造成嚴重的二次污染問題;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造成能量的艱費。因此，這種凈化方式在生物質氣化技術初期經(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濾法，將吸附性很強的材料(如活性碳、棉花或粉碎的玉米芯等裝在容器中，讓可燃氣穿過吸附材料，從而把

35、可燃氣中的焦油、飛灰等雜質過濾出來。其機理是依靠慣性碰撞、攔截、擴散以及靜電力、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。過濾分離可將0.1 一 1um 的微粒有效捕集下來，是種分離效果高而穩(wěn)定的方法，但燃氣流速不能很高。工業(yè)上應用的主要是顆粒層過濾器，其主要特點是適應性廣、除焦油效率高、濾料來源廣、價格便宜，用過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，又回收了過濾雜質中的能量。目前應用最廣泛的是山東省科學院能源研究所開發(fā)研制的 XFF 型固定床下吸式生物質氣化系統(tǒng)中采用的技術方法:旋風除塵弓管式冷卻一過濾器凈化。干式過濾器采取干燥介質過濾的

36、辦法除去燃氣中的水分和焦油，燃氣直接通過干燥介質的料層，部分水分和冷凝的焦油被吸附，從而凈化了燃氣。此種凈化方式克服了濕式凈化因水洗噴淋而導致燃氣攜帶更多水分的缺陷，具有能量利用率高，無二次污染等優(yōu)點。（3）電捕焦油法電捕焦油器是一種高效的除焦油灰塵設備，尤其對 0.01lum 焦油灰塵微粒有很好的分離效率，具有阻力損失小、燃氣處理量大的優(yōu)點，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。該方法設備410102 10cm3m造價和運行費用高，對操作管理的要求也較其它方法高，當前還不適于面向農(nóng)村的燃氣凈化技術使用。（4）裂解凈化法裂解凈化技術是將在生物質氣化中所產(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以達到焦油的去除和回收利用的雙重目的。這種凈化技術較好地回收利用了焦油中所含的能量，凈化效率也比較高，但其工藝復雜，成本太高，難以在我國農(nóng)村應用和推廣，如催化裂解需要單獨的裝置，要求高溫，且要求連續(xù)運行(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農(nóng)村的適用性。（5）微生物法處理焦油國外對微生物降解酚已有報道，楊秀山等開展了用微生物降解生物質氣化洗焦廢水和焦油的研究，他們利用微生物實驗室保存的菌種處理廢水和焦油。目前，該法還處在實驗室研究階段，不具備產(chǎn)業(yè)化條件.2.42.4 戶用

38、型生物質氣化技術的研究意義戶用型生物質氣化技術的研究意義2.4.12.4.1 我國生物質氣化技術應用存在的問題我國生物質氣化技術應用存在的問題生物質燃氣是一種高品質的能源，可以暫時存儲起來，需要使用時再通過輸氣管網(wǎng)送至最終用戶。生物質氣化集中供氣系統(tǒng)技術自 1994 年在山東省建立第一個集中供氣試點以來，陸續(xù)在山東、河北、遼寧、吉林、黑龍江、天津、北京等省、市都有所推廣應用，目前山東、遼寧、吉林、安徽等省都有生物質氣化設備的生產(chǎn)廠家，該技術已經(jīng)逐漸成熟，但其技術本身及推廣應用過程中尚存在諸多障礙，具體問題分述如下:（1）生物質氣化過程中的副產(chǎn)物焦油是制約生物質氣化技術應用和推廣的關鍵因素焦油在

39、低溫時容易凝結為粘稠的液體，與灰粒一起堵塞輸氣管道，影響氣化系統(tǒng)的正常運行，對生物質氣化系統(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，進化后的污水排放會造成嚴重的環(huán)境污染（2）系統(tǒng)較為龐大，造價較高，一般經(jīng)濟條件的村鎮(zhèn)難于接受。據(jù)反映一些地方在運行中已經(jīng)出現(xiàn)進料難，原料易堆積難疏松，燃氣數(shù)量不易控制，原料粉碎機與機組不匹配等等問題。這些情況一經(jīng)發(fā)生，輕者停機，重者停產(chǎn)，機組造價較高，大都認為難以承受。（3）系統(tǒng)在推廣應用中普遍存在“大馬拉小車”的問題。許多氣化站“欠戶”現(xiàn)象非常嚴重，機組不能按設計戶數(shù)供氣，使設備利用率降低，燃氣成本增加。（4）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，機組的配套設施無定型產(chǎn)品，加之燃燒不完全，CO 嚴重超標，生產(chǎn)和使用中存在安全隱患。2.4.22.4.2 戶用型氣化技術的優(yōu)點和研究意義戶用型氣化技術的優(yōu)點和研究意義以上問題在一定程度上影響了集中供氣技術的商業(yè)化推廣和應用，從我國能源可持續(xù)發(fā)展的觀點看，生物質氣化技術特別是戶用型生物質氣化技術對于廣大農(nóng)村地區(qū)來講是一項先進實用的新能源應用技術。它具有結構簡單，管路短，操作維護簡單方便，耗資少等優(yōu)點，弱化了制約生物質氣化技術應用和推廣的關鍵因素焦油的影響，且能適應我國農(nóng)村目前普遍的經(jīng)濟水平和組織體制。2.5TRIZ2.5TRIZ 理論的相關介紹及主要內(nèi)容理論的相關介紹及主要內(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、實際技術創(chuàng)新問題的理論。由前蘇聯(lián) G.S.Altshuller為首的專家首先提出。他們對數(shù)以百萬計的專利文獻加以研究，經(jīng)過 50 多年的搜集整理、歸納提煉，發(fā)現(xiàn)技術系統(tǒng)的開發(fā)創(chuàng)新是有規(guī)律可循的，并在此基礎上建立了一整套體系化的、實用的解決發(fā)明創(chuàng)造問題的方法。2.5.2TRIZ2.5.2TRIZ 的定義的定義（1）TRIZ 是基于知識的方法從世界范圍內(nèi)的專利中抽象出來，大量利用已得知識，是發(fā)明問題解決問題獲得啟發(fā)式方法的知識。（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踐，計算機軟件僅起支持作用。（

42、3）TRIZ 是系統(tǒng)化的方法采用通用及詳細的模型，方便運用已有知識。（4）TRIZ 是解決發(fā)明問題的理論首先找到設計中的沖突，然后據(jù)已知系統(tǒng)進化趨勢推斷，最后取得創(chuàng)新解。2.5.3TRIZ2.5.3TRIZ 的基本觀點的基本觀點 （1）是理想技術系統(tǒng)，采用優(yōu)化簡化原則。（2）采用縮小問題與擴大問題的思路，具有韌性。（3）運用系統(tǒng)沖突對問題進行描述，TRIZ 的發(fā)明過程是系統(tǒng)沖突的解決過程。2.5.4TRIZ2.5.4TRIZ 的主要內(nèi)容的主要內(nèi)容（1）產(chǎn)品進化理論TRIZ 將產(chǎn)品生產(chǎn)趨勢分為前期加大投入，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）物質場分析TRIZ 重要工具之一，TRIZ 認為可以把所有的功能分解為兩種物質和一種場。（5）效應主要利用數(shù)學、電子等領域的相關數(shù)據(jù)和有關定律解決問題。（6）ARIZTRIZ 重要工具之一，TRIZ 認為一個問題解決的難易程度取決于對該問題的描述或程式化過程。ARIZ 是解決發(fā)明問題的完整算法，該算法采用一整套邏輯過程逐漸將初始問題程式化。2.5.5TRIZ2.5.5TRIZ 的重要發(fā)現(xiàn)的重要發(fā)現(xiàn)（1）在以往不同領域的發(fā)明中所用到的原理并不多，不同時代的發(fā)明，不同領域的發(fā)明，應用的原理被反復復制。（2）每條發(fā)明原理并不限定

44、應用于某一特殊領域，而是融合了物理的、化學的和各個工程領域的原理，這些原理是用于不同領域的發(fā)明創(chuàng)造和創(chuàng)新。（3）類似的沖突或問題與該問題的解決原理在不同的工業(yè)及科學領域交替出現(xiàn)。（4）技術系統(tǒng)進化的模式在不同的工程及科學領域交替出現(xiàn)。（5）創(chuàng)新設計所依據(jù)的科學原理往往屬于其他領域。（6）提出產(chǎn)品技術成熟的分段 S 曲線。（7）提出發(fā)明創(chuàng)造等級制度。（8）提出沖突矩陣，該矩陣將描述技術沖突的 39 個通用工程參數(shù)與 40 條發(fā)明創(chuàng)造原理建立了對應關系，很好的解決了設計過程中選擇發(fā)明創(chuàng)造原理的難題。2.5.6TRIZ2.5.6TRIZ 的應用及未來的發(fā)展的應用及未來的發(fā)展TRIZ 理論廣泛應用于工

45、程技術領域，目前已逐步向其他領域滲透和擴展。應用范圍越來越廣，由原來擅長的工程技術領域分別向科學、社會科學、管理科學、生物科學等領域發(fā)展。 TRIZ 理論目前及今后的發(fā)展趨勢主要集中在 TRIZ 本身的完善和進一步擴展研究方面，熟練的學習和掌握 TRIZ 理論，并與工程設計的實際相結合，可以幫助我們解決在生產(chǎn)世界中遇到的各種問題。本章小結本章小結生物質熱解氣化技術的研究已經(jīng)成為近年來能源研究的熱點問題，作為一種非常重要的生物質熱化學轉換技術，生物質熱解氣化技術是一項十分有前途的工藝，受到業(yè)內(nèi)人士越來越多的關注。本章主要介紹了生物質熱解氣化技術的原理與分類，各種生物質氣化爐的特點和燃氣凈化技術，

46、綜述了國內(nèi)外生物質氣化技術的研究成果和發(fā)展應用情況。從反應器角度來看，流化床反應器結構復雜、造價高，比較適合于大型的制氣系統(tǒng);而固定床反應器結構簡單、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備;從燃氣凈化角度來說，干式凈化法技術簡單，脫除效果好，無二次污染問題，應用最為廣泛。此外，結合我國農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的現(xiàn)狀，分析了生物質氣化技術尤其是集中供氣技術在商業(yè)化推廣和應用中存在的問題，從我國農(nóng)村經(jīng)濟的特點和實際國情出發(fā)，戶用型生物質氣化技術對于廣大農(nóng)村地區(qū)來講是一項先進實用的新能源應用技術。它具有結構簡單，管路短，操作維護簡單方便，耗資少等優(yōu)點，弱化了制約生物質氣化

47、技術應用和推廣的關鍵因素焦油的影響，且能適應我國農(nóng)村目前普遍的經(jīng)濟水平和組織體制.最后，引出了 TRIZ 理論的相關介紹及主要內(nèi)容。3 3 戶用生物質氣化爐的設計戶用生物質氣化爐的設計3.13.1 引言引言戶用型氣化爐初步試驗研究表明現(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題，因此必須采取相應的設計方案解決這些問題。本章在參考相關文獻和經(jīng)驗的基礎上，針對生物質氣化爐不足，設計了改進型戶用生物質氣化爐，希望本章能為戶用型氣化爐的設計提供一定的參考價值。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 研究設計的原則研究設計的原則(1）氣化效率高，燃

48、氣質量好。目前市場上許多生物質氣化爐氣化效率較低或是不穩(wěn)定，燃氣品質較差，因此，必須合理設計氣化爐爐膛結構，提高氣化品質。(2)物料適應性好。由于農(nóng)村生物質種類較多，設計出的生物質氣化爐對原料應具有廣泛的適應性;同時，由于面向各家用戶，對于原料無需經(jīng)過復雜的預處理，一般鍘成小段即可。(3)堅固耐用、安全穩(wěn)定。選擇合理的耐火材料與保溫材料，設計合理的檢修口，增加設備運行的可靠性，安全性和維修的簡便性。(4)結構簡單，操作方便，價格便宜。由于生物質氣化爐主要用于農(nóng)村，面向農(nóng)戶，因此結構不能過于復雜，需要設計合理，便于日常操作;同時還要盡可能地降低成本，以利推廣。3.2.23.2.2 擬達到的主要技

49、術指標擬達到的主要技術指標（1）氣化效率穩(wěn)定達到 65%，生物質燃氣低位發(fā)熱量大于 6.0，氧含量3/MJNm小于 1.0%。（2）氣化爐運行穩(wěn)定，能夠連續(xù)運行 3 小時左右，產(chǎn)氣量 68以上，可供農(nóng)3m戶一天的炊事使用;封火時間 12h 以上。3.2.33.2.3 生物質氣化爐的選型生物質氣化爐的選型本文開發(fā)和研究的是適應我國農(nóng)村家庭使用的戶用型生物質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，因此對可燃氣中焦油含量要求并不嚴格，無需使用繁雜的設備脫除焦油。所以，本文選擇上吸式氣化系統(tǒng)作為戶用型生物質氣化爐的基本爐型。上

50、吸式氣化爐的主要特點是:通用性好，原料無需經(jīng)過較為復雜的預處理過程，對原料的種類、尺寸、含水量等沒有嚴格的要求;爐體結構簡單，成本低，操作及維修方便;可燃氣經(jīng)過熱分解層和干燥層時將熱量傳遞給物料，自身溫度降低，熱效率較高;熱分解層和干燥層對可燃氣有過濾作用，出爐的可燃氣灰分少;且爐排受進風冷卻，工作比較可靠。3.33.3 戶用型氣化爐的設計戶用型氣化爐的設計3.3.13.3.1 氣化爐的總體結構氣化爐的總體結構在市場調(diào)研和參考相關文獻與經(jīng)驗的基礎上，確定如圖 3.1 所示的戶用型上吸式氣化爐的設計方案，該氣化爐具有如下的結構特點:（1）氣化爐內(nèi)筒采用徑口漸縮的錐形設計，合理的斜度和錐角設計可以

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)夾層中預熱，通過進風口深入膛心送入爐膛，在膛心集中供氧燃燒，進入爐膛參與氣化反應，這種膛心集中燃燒的技術可以大大提高氣化爐內(nèi)的反應溫度和氣化效率。（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）尾部配風設計經(jīng)過氣化爐氣化出來的是燃氣，直接送入灶頭燃燒的話屬于擴散火焰，部分可燃氣成分可能會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，火苗將會大而不穩(wěn)，因此需要配入空氣成為預混火焰后再燃燒，這樣可以達到較的燃燒效果。因此，我們在氣化爐氧化區(qū)域的外筒和內(nèi)筒之間設有風道，風道的一

52、端是進風口，與風機相連，送入空氣;另一端是配風口，用后面接有的閥門控制配風量;風道的周圍均勻分布噴嘴。送入的空氣在風道中流動，可以利用氧化區(qū)的熱量預熱自身的溫度，空氣一部分通過噴嘴進入氣化爐內(nèi)進行氣化反應，另一部分通過配風口與出口的燃氣預混送入灶頭燃燒。圖 3.1 戶用型上吸式氣化爐總體結構示意圖（5）氣化爐內(nèi)部是氣化各層的反應區(qū)，外層是保溫層，爐頂為進料口，采用法蘭密封，爐底設有除灰口。保溫層由耐火泥石棉等保溫材料填充，這樣在保證反應區(qū)溫度的同時，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，并延長封火時間。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、國農(nóng)村和木材加工廠等最常見的生物質廢棄物，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，以備分析和試驗使用。設計中，我們選取浙江某木材加工廠的紅樣刨花(平均尺寸 3cm)的有關參數(shù)作為設計依據(jù)。表表 3.13.1 各種生物質原料的元素分析和工業(yè)分析表格各種生物質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)的設計計算氣化爐主要參數(shù)的設計計算（1）原料消耗量和氣化強度的初步確定根據(jù)生物質氣化系統(tǒng)的市場調(diào)研和相關文獻與經(jīng)驗，農(nóng)戶一個四口之家每天用氣量大約在 68，用氣時間 3h 左右，消耗生物質原料 58kg，因此，該戶3m用型上吸式氣化爐每小時消耗的原料量可以初步設計為 2.2kg，即=2.2kg/h。0C氣化強度初步確定為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，只考慮碳、氫與氧的燃燒反應。碳完全燃燒的反應: (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: (32)2242HOH O1kg 氫燃燒需要 5.55氧氣3m1kg 原料中已經(jīng)含有氧，相當于已經(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生物質物料與空氣在氣化爐中發(fā)生復雜的熱化學反應，從熱動力學角度分析，空氣量對于產(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氣化時空氣的當量比與產(chǎn)出氣成分之間的關系曲線，圖中橫坐標值為所提供的空氣中的氧與物料完全燃燒所需氧的當量比。從圖中曲線可以看出，當量比為 0 時，沒有氧氣輸入，直接加熱物料的反應屬于熱解反應，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，并且約占物料質量 30%的焦炭不能4CH同時轉變?yōu)榭扇細怏w;

58、當量比為 1 時，物料與氧氣發(fā)生完全燃燒反應，不能產(chǎn)生可燃氣;只有在當量比為 0.25-0.3 時，即氣化反應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。當生物質物料中水分較大或揮發(fā)分較小時應取上限，反之取下限。圖 3.2 燃氣成分與空氣量的關系曲線圖計算氣化爐反應所需空氣量時，首先根據(jù)生物質物料的元素分析結果，計算出其完全燃燒所需理論空氣量 v，然后按當量比 0.25 一 0.3 計算實際氣化所需空氣量V。： (35)0VV式中: 實際氣化所需空氣量，/kg;0V3m完全燃燒的理論空氣量，/kg;V3m氣化當量比。紅樣的揮發(fā)分較高，含水量中等，當量比。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的擬定氣化燃氣流量q根據(jù)任務書已知要求 q=8 (37)3mh氣化燃氣的低位發(fā)熱量gQ氣化燃氣的低位發(fā)熱量擬定236.2 10/gQkJ m能量轉換效率(氣化效率) 擬定氣化效率=65%氣化爐持續(xù)工作時間T滿爐加料，擬定氣化爐連續(xù)運行時間2.8Th（4）氣化爐的主要氣化參數(shù)的計算原料單位時間消耗量C (38)/()8 6.2/(0.65 16.181)4.71(/ )gmCq QQkg h 氣化強度 (39)200(/)128.45(/)C Ckg mh 產(chǎn)氣率 G （310)3/1.69

60、85(/)Gq Cmkg設計熱功率 P （311)/360013.78()gpQqKW（5）氣化爐的主要結構參數(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)膽截面積由于本實驗設計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生物質原料氣化耗盡，剩下的殘灰體積小于燃料體積，設 q 為原料氣化體積收縮率，H 為氣化爐內(nèi)筒實際高度，則在