小型家用生物質(zhì)氣化爐設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告（2014-2015年度第二學(xué)期）名 稱：新能源熱利用與熱發(fā)電原理與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題 目：小型家用生物質(zhì)氣化爐設(shè)計(jì) 院 系： 生化學(xué)院 班 級(jí)： 新能源1121 學(xué) 號(hào)： 111111111111 學(xué)生姓名： 11111 指導(dǎo)教師： 1111 設(shè)計(jì)周數(shù)： 第18周 成 績(jī)： 提交日期：2015年7月3日一課程設(shè)計(jì)目的與要求1.設(shè)計(jì)目的通過小型生物質(zhì)氣化爐設(shè)計(jì)練習(xí)，掌握氣化爐的選型、參數(shù)設(shè)計(jì)的原理和方法。2.設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)小型家用生物質(zhì)氣化爐，如右圖。主要技術(shù)指標(biāo)如下：(1) 點(diǎn)火起動(dòng)時(shí)間：6000kJ/N ；(6) 產(chǎn)氣量：1.5 /kg，可供農(nóng)戶一天的炊事使用；(7) 封火時(shí)間:

2、12h。3.設(shè)計(jì)要求獨(dú)立撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告，正文不少于5000字。二. 設(shè)計(jì)內(nèi)容1 緒論1. 1 秸稈氣化爐的發(fā)展前景隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提高，中國(guó)農(nóng)民的收入也大步增高。因次許多農(nóng)民告別了煙熏火燎的日子，利用電飯煲、電飯鍋等進(jìn)行做飯燒水。這種能源利用方式的改變使他們過上了更加方便、文明和衛(wèi)生的生活。然而，要完全依靠電力來保證8億農(nóng)民的生活需求，則是國(guó)力和環(huán)境的承重負(fù)擔(dān)。我國(guó)生物質(zhì)資源的大量浪費(fèi)和農(nóng)村商品能源的大量需求逐年增大的局面，引起政府和社會(huì)的關(guān)注。我國(guó)絕大多數(shù)農(nóng)村和小城鎮(zhèn)居民，能源消耗量的80%以上是直接燃燒生物質(zhì)能而得到的。這種產(chǎn)能方式不僅利用率低下，而且對(duì)環(huán)境有很大的危害。所以迫切需要一種將

3、生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為清潔能源的裝置。秸稈氣化爐就是這樣一種裝置。它以農(nóng)作物秸稈、農(nóng)林廢棄物為主要?dú)饣稀饣癄t的生產(chǎn)成本不高，而是用成本更低。該技術(shù)在農(nóng)村的應(yīng)用前景極其廣闊，在改變農(nóng)村傳統(tǒng)飲炊習(xí)慣，減少農(nóng)民開支，提高農(nóng)民生活質(zhì)量等方面具有較大的推廣價(jià)值。1. 2 秸稈氣化爐的工作原理 氣化爐是根據(jù)有機(jī)物的熱解原理，是爐內(nèi)的生物質(zhì)在一定溫度和氧氣條件下充分裂解為可燃性氣體。只需要點(diǎn)燃爐內(nèi)生物質(zhì)即可產(chǎn)生高溫，在缺氧的環(huán)境下，生物質(zhì)裂解為甲烷、氫氣、一氧化碳等可燃?xì)怏w。燃?xì)庾詣?dòng)導(dǎo)入分離系統(tǒng)執(zhí)行脫硫、脫塵、脫水蒸氣等凈化程序，產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)燃?xì)狻Ｈ細(xì)馔ㄟ^管道出送到燃?xì)庠?，點(diǎn)燃（亦可電子打火）即可使用。2 各種爐

4、型結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)2.1 固定床氣化爐的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)2.1.1 上吸式氣化爐 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，爐底設(shè)有除灰口。保溫層由珍珠巖加耐火水泥等保溫材料填充，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。 優(yōu)點(diǎn)： （1）、燃?xì)庠诮?jīng)過熱分解層和干燥層時(shí)，將熱量傳遞給物料，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；（2）熱分解層和干燥層對(duì)燃?xì)庥幸欢ǖ倪^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。缺點(diǎn)： （1）、原料中水分不能參加反應(yīng)，減少了燃?xì)庵蠬和碳?xì)浠衔?/p>

5、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；（1）、熱氣體從底部上升時(shí)，溫度沿著反應(yīng)層高度下降，物料被干燥與低溫度的氣流相遇，原料在低溫(250400oC)下進(jìn)行熱分解，導(dǎo)致焦油含量高。圖1：上吸式氣化爐結(jié)構(gòu)圖2.1.2 下吸式氣化爐優(yōu)點(diǎn)： （1）、氣化強(qiáng)度較上吸式高； （2）、工作穩(wěn)定性好；可隨時(shí)開蓋添料；（3）、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H2和CO等永久性小分子氣體，使氣化氣中焦油含量大大減少。缺點(diǎn)：（1）、由于爐內(nèi)的氣體流向是自上而下的，而熱氣流的方向是自下而上的，致使引風(fēng)機(jī)

6、從爐柵下抽出可燃?xì)庖馁M(fèi)較大的功率；（2）、出爐的可燃?xì)庵泻械幕曳州^多；（3）、出爐的可燃?xì)獾臏囟容^高，須用水進(jìn)行冷卻。圖2：下吸式氣化爐結(jié)構(gòu)圖2.1.3 橫（平）吸式氣化爐 生物質(zhì)原料由爐頂加入，灰分落入爐柵下部的灰室。氣化劑由側(cè)面進(jìn)入，產(chǎn)出的氣體也由側(cè)面流出，氣流橫向通過氣化區(qū)，在氧化區(qū)、還原區(qū)進(jìn)行的熱化學(xué)反應(yīng)與下吸式氣化爐相同，只不過反應(yīng)溫度較高，燃燒區(qū)溫度甚至?xí)^灰熔點(diǎn)，容易造成結(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。2.2 流化床氣化爐的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)流化床氣化爐的反應(yīng)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

7、，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。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)。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。缺點(diǎn)：產(chǎn)氣中灰分需要很好地凈化處理和部件磨損嚴(yán)重。圖3：流化床氣化爐結(jié)構(gòu)圖 2.3 氣化當(dāng)量比只有在當(dāng)量比為0.250.3時(shí),即氣化反應(yīng)所需氧僅為完全燃燒耗氧量的25-30，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4：燃?xì)獬煞峙c空氣量的關(guān)系曲線3 氣化爐總體方案的確定3.1 研究設(shè)計(jì)原則 （1）氣化效率高，燃?xì)赓|(zhì)量好

8、 目前市場(chǎng)上許多氣化爐的效率70%，燃?xì)獾臀话l(fā)熱量20%，不滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，既造成了能源的浪費(fèi)，有對(duì)用戶生命安全構(gòu)成危邪。必須合理的設(shè)計(jì)氣化爐，使燃?xì)獬煞种笜?biāo)合乎國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。 （2）物料適應(yīng)性好 由于農(nóng)村生物質(zhì)種類比較多，設(shè)計(jì)出的氣化爐機(jī)組應(yīng)具有廣泛的適應(yīng)性。 （3）堅(jiān)固耐用，運(yùn)行穩(wěn)定選用合理的耐火材料和爐排材料大大延長(zhǎng)維修周期，增加設(shè)備的穩(wěn)定性。 （4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格低廉 由于生物質(zhì)氣化爐主要用于農(nóng)村，因此結(jié)構(gòu)不能太復(fù)雜。要設(shè)計(jì)合理便于維修及工作人員的日常運(yùn)行。同時(shí)還應(yīng)該降低成本，以利于推廣。3.2 擬達(dá)到的技術(shù)指標(biāo) (1) 點(diǎn)火起動(dòng)時(shí)間：6000kJ/N ； (6) 產(chǎn)氣量：1.5

9、/kg，可供農(nóng)戶一天的炊事使用； (7) 封火時(shí)間: 12h。3. 3 生物質(zhì)氣化爐的選型現(xiàn)在常用的生物質(zhì)氣化爐根據(jù)鼓風(fēng)方法不同和燃?xì)庀鄬?duì)于燃料的流動(dòng)方式不同可以分為上吸式、下吸式和平吸式。由于生物質(zhì)氣化爐主要時(shí)用在農(nóng)村，它要求燃?xì)赓|(zhì)量好，發(fā)熱量高，適合炊事；雜質(zhì)含量（特別是焦油）低。使煤氣表和燃?xì)庠畈蝗菀锥氯瑥亩娱L(zhǎng)使用壽命；爐體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，操作和維修方便；通用性好，適合于揮發(fā)分含量較高的農(nóng)林廢棄物氣化。衡量上吸式、下吸式和平吸式三種型號(hào)氣化爐，上吸式氣化爐綜合性能能滿足上述要求。故本設(shè)計(jì)采用上吸式氣化爐。3. 4 上吸式氣化爐的工作原理一般常壓下固定床上吸式氣化爐按工作狀態(tài)分為四個(gè)

10、區(qū)域：干燥區(qū)、熱分解區(qū)、還原區(qū)和氧化區(qū)。 (1) 干燥區(qū) 在氣化爐的最上層為干燥層，從上面加入的燃料直接進(jìn)入到干燥區(qū)，濕物料在這里同下面三個(gè)反應(yīng)區(qū)生成的熱氣體產(chǎn)物進(jìn)行換熱。使原料的水分蒸發(fā)出去，生物質(zhì)原料由含一定水分到不含水分的干物質(zhì)燃料。干燥層的溫度大約是100250C。干燥區(qū)的產(chǎn)物為干物料和水蒸氣，而水蒸氣隨著其他三個(gè)反應(yīng)區(qū)的產(chǎn)熱而排除氣化爐，而干物料則掉落到裂解區(qū)。 （2）熱分解區(qū) 在氧化區(qū)和還原區(qū)產(chǎn)生的熱氣體，在上述反應(yīng)中經(jīng)過裂解層，將生物質(zhì)加熱。生物質(zhì)經(jīng)過加熱后發(fā)生裂解反應(yīng)，在反應(yīng)中生物質(zhì)中大部分揮發(fā)分從固體中揮發(fā)出來。由于裂解需要大量的熱，所以裂解區(qū)的溫度降到300800C.裂解的

11、主要產(chǎn)物是炭、氫氣、水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油和少部分烴類，氣體進(jìn)入干燥區(qū)，而炭則進(jìn)入還原區(qū)。 (3)還原區(qū) 在還原區(qū)已經(jīng)沒有氧氣存在，二氧化碳同炭在水蒸氣的作用下發(fā)生還原反應(yīng)，生成一氧化碳和氫氣。由于還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，所以還原區(qū)的溫度降到9001000C。產(chǎn)生的熱氣體進(jìn)入干燥區(qū)，而沒反應(yīng)完得炭則進(jìn)入到氧化區(qū)。 ( 4 ) 氧化區(qū)氣化劑有氣化爐底部進(jìn)入，經(jīng)過灰渣層與灰渣層換熱，被加熱的熱氣體進(jìn)入氧化層底部的氧化區(qū)，在這里同炭發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，生成二氧化碳，同時(shí)放出大量熱量。由于是缺氧燃燒，所以不完全燃燒反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，生成一氧化碳，同時(shí)也放出熱量。在氧化區(qū)，溫度達(dá)到1000120

12、0C.在氧化區(qū)的反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，為還原反應(yīng)、裂解和干燥提供能量。3.5 上吸式氣化爐的總體結(jié)構(gòu)（1）氣化劑在氣化爐的下部(氧化層附近)夾層中預(yù)熱，通過數(shù)個(gè)開在爐芯上的小孔送入爐膛，在爐膛中供氧燃燒，進(jìn)入爐膛參與氣化反應(yīng)，可以大大提高氣化爐內(nèi)的反應(yīng)溫度和氣化效率。 （2）爐底配風(fēng)設(shè)計(jì)經(jīng)過氣化爐氣化出來的是燃?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)到較好的燃燒效果。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)道的一端是進(jìn)風(fēng)口，與換風(fēng)扇相連，送入空氣

13、；另一端是配風(fēng)口，用后面接有的閥門控制配風(fēng)量；風(fēng)道的周圍均勻分布送風(fēng)口。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，空氣一部分通過噴嘴進(jìn)入氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)，另一部分通過配風(fēng)口與出口的燃?xì)忸A(yù)混送入灶頭燃燒。（3）加料口密封裝置設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的燃燒室上方開有密封水槽，用于保證封火時(shí)爐子的密封性能良好。采用的水封爐蓋有水槽和爐蓋兩部分組成，水槽內(nèi)緣高于外緣，以避免在加水時(shí)濺入爐內(nèi)，或者在使用過程中高溫水沿內(nèi)緣流入爐內(nèi)，不能達(dá)到較好的密封效果。另外，這種水密封結(jié)構(gòu)有利于保證氣化爐工作的連續(xù)性，不用揭開爐蓋即可往密封水槽內(nèi)加水。（4） 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

14、進(jìn)料口，爐底設(shè)有除灰口。保溫層由珍珠巖加耐火水泥等保溫材料填充，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。4.1 氣化爐主要?dú)饣瘏?shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算4.1.1 初步擬定原料消耗量和氣化強(qiáng)度比如，一個(gè)四口之家每天用氣量大約在810m3 ，用氣時(shí)間4h左右，消耗生物質(zhì)原料1012kg，因此，初步設(shè)計(jì)該戶用型上吸式氣化爐消耗的原料量C0=2.4kg/h；初步確定氣化強(qiáng)度為 =70kg/( h)4.1.2 確定氣化氣體的量生物質(zhì)原料完全燃燒所需的空氣量 ：V= (1.866C+5.55H-O.7O)式中：V原料完全燃燒所需的理論空氣量， m3/kg

15、；C原料中碳元素含量；H原料中氫元素含量；0原料中氧元素含量。玉米秸所含主要元素含量為：C=45.43 H=6.15 O=47.14 N=0.78玉米秸完全燃燒所需的空氣量為：V= (1.866C+5.55H-O.70) = (1.86645.43 +5.556.15-O.747.14) = 4.0908(m3/kg)實(shí)際需要通入的空氣量 取過量空氣系數(shù) =1.2，保證分配的二次通風(fēng)使氣化氣得到完全燃燒。因此，實(shí)際需要通入的空氣量 ： 1.24.0908=4.909(m3/kg)玉米秸稈壓塊的揮發(fā)分較高，含水量很低，當(dāng)量比取0.3，則每千克燃料氣化所需要的空氣量為：0.34.0908=1.22

16、72 ( m3/kg)4.2 氣化爐主要性能指標(biāo)的擬定(1) 氣化燃?xì)饬髁縬空氣(氣化劑)中 含量79左右，氣化生物質(zhì)產(chǎn)生的燃?xì)庵?含量一般在50左右，考慮到 在該氣化反應(yīng)中幾乎很少發(fā)生反應(yīng)，據(jù)此，擬燃?xì)饬髁渴菤饣瘎?空氣)流量的1.5倍，則可燃?xì)饬髁縬為： 1.5=2.41.22721.5=4.4181( /h) (2)燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量 氣化燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量擬定Qg=kJ/kg (3)氣化效率 擬定氣化效率 =85 75%(4)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T=4.2h 3.8%4.3 氣化爐的主要?dú)饣瘏?shù)的計(jì)算(1)原料單位時(shí)間消耗量C C= qQg /( Qm )

17、=4.41816.5/(0.8516.33)=2.0689 (kg/h)C= qQg /( Qm )=4.41816.5/(0.7516.33)=2.3448 (kg/h)(2) 氣化強(qiáng)度 =(C /)=(2.0689/2.4) 70=60.3429(kg/( h) =(C /C0 )0 =(2.3448/2.4) 70=68.3888(kg/( m2h) (3) 產(chǎn)氣率 G= q/C=4.4181/2.0689=2.1355( /kg) = q/C =4.4181/2.3448=1.8842( /kg) 4.4氣化爐主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算(1)爐膛的結(jié)構(gòu)尺寸 a 爐膛截面積 b 爐膛的原料高

18、度 由于使用的原料是壓縮成型玉米秸稈，成型料的堆積密度一般為原料堆積密度的10倍左右，取密度 =600kg/m3 。 c氣化爐內(nèi)筒的高度系數(shù) 物料在爐內(nèi)應(yīng)有足夠的滯留時(shí)間，這與燃燒層的高度及物料與氣流運(yùn)動(dòng)有關(guān)，要保證生物質(zhì)原料氣化耗盡。剩下的殘灰體積小于燃料體積，設(shè)p為原料氣化體積收縮率，H為氣化爐內(nèi)筒實(shí)際高度，則在加料次數(shù)為n次時(shí)，實(shí)際可加進(jìn)的燃料高度L為 為氣化爐內(nèi)筒的高度系數(shù)。參考有關(guān)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)，生物質(zhì)原料氣化的收縮率p取0.2，由此可得n=1，2，3，4時(shí)，高度系數(shù)分別為：1， 1.2，1.24，1.248 d內(nèi)筒高度h 氣化爐加滿原料后，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，原料耗盡，在不排灰的情況下，可再次加入原料繼續(xù)運(yùn)行。這個(gè)過程理論上可進(jìn)行無限多次，實(shí)際上只有開始幾次加料有實(shí)用價(jià)值。 =0.48/1.2=0.4m考慮到氣化爐點(diǎn)火時(shí)灰燼需要占用一定的空間= h+0.2=0.6m（2）送風(fēng)口結(jié)構(gòu)尺寸 a一次風(fēng)口的尺寸 上吸式氣化爐一次風(fēng)口，采用在爐膛壁上開小孔的設(shè)計(jì)方式。通過氣化原料氣化所需的空氣量 確定風(fēng)口的尺寸，風(fēng)口的幾何尺寸內(nèi)徑 按下式計(jì)算： C-生物質(zhì)原料的消耗量，kg/h；V-風(fēng)口中空氣流速，m/s； V0-氣化所需空氣量，m3/kg；d1-風(fēng)口直