机械毕业设计78下吸式秸秆气化炉的设计研究

西南农业大学本科毕业设计（论文） 1 下吸式秸秆气化炉的设计研究 西南农业大学工程技术学院 专业名称：机械设计制造及其自动化 班级： 2001 级机制 3 班 学生姓名； 指导教师： 摘要 ：本设计是笔者在通过大量的阅读和收集有关气化方面资料和对气化炉实物进行了参观的基础之上，对秸秆气化的原理、工艺过程、参数 选择、 影响因素 及气化气有害杂质去除方法等 作了较详细的论述。同时，笔者从实际出发 结合我国农村 的现实情况设计了下吸式秸秆气化炉，并提出了自己的相应观点。 关键字 ：生物质，秸秆气化，下吸式，气化炉。 Abstract : It designs to be author in through to read and collect about gasification respect materials and go on foundation that visit to gasification stove material object a large amount of originally, To principle, straw of gasification, craft course , parameter choose, influence factor and gasification angry harmful impurity get rid of method ,etc. make more detailed argumentation. Meanwhile, I is it combine of our country reality of countryside design the sucking type straw gasification stove of downing to proceed from the reality, have put forward ones own corresponding view. Key word: Bionass; Gasification of the straw; Leave the sucking type; Gasification stove. 西南农业大学本科毕业设计（论文） 2 文献综述 1 发展生物质气化技术的意义 能源是国民经济建设和人民生活的重要物质基础，在某种意义上，人类社会生产的发展史，就是人类能源开发利用史。随着世界人口的日益增长和社会经济的快速发展，人类在经历了以 煤为主的第二代能源之后，以石油为主的第三代能源正面临着枯竭的危险。人类必须寻找到一种可经济开发、丰富、清洁的能源。因此，开发与利用新能源和可再生能源，已经成为世界性的能源建设发展的战略方向。 目前，世界能源格局是以石油、天然气、煤炭等常规能源为主，包括水能风能、太阳能、潮汐能、地热能、核能、氢气能、生物能等能源在内的多种能源并存的状况。就煤、石油、天然气、地热能、核能等能源来说，不仅储量、开发量有限，而且是不可再生能源。水能、风能、潮汐能等可再生能源，虽然理论上是取之不尽，用之不竭的，但可经济开发的量并不大 。单单依靠这些能源远远不能满足国民经济的发展需要。因此人们预言能量巨大、分布广泛、可以再生、污染小的生物质能将成为第四代能源的主流能源。 生物质气化技术主要是以低质生物质为原料的气化技术，使低质生物质完成从固态到可燃气体的转化。低质生物质是以农作物秸秆为主，还可以使用玉米芯、木屑、柴草等。由于低质生物质的可再生性，因此，这项资源所产生的能源，称之为可再生能源。生物质气化技术的用途与城市管道煤气相同，燃烧稳定、热效率高、适用于炊事、取暖、锅炉等。该技术在农村的应用前途极其广阔，实现了“一人烧火，全村用气”的要 求。我国是一个农业大国，每年生产的农作物秸秆约 7亿吨，如此之大的资源除了一小部分用于畜牧外，其余的大部分以直接燃烧的方式将其浪费，既浪费了资源，又污染了环境。所以，合理有效的利用这项资源，是一件利国利民的大事。我国每年产生的农作物秸秆约折合 3.5亿吨标准煤 ,充分利用这项资源会产生很大的社会效益和经济效益 ,主要表现在可以节约资源 ,保护环境 ,从而改变了农村传统的炊事方式，带动了相关产业的发展。 2 生物质气化技术利用现状及发展前景 生物质气化技术是一种热化学处理技术，通过气化炉将固态生物质转化为使用方便而且清 洁的可燃气体，用作燃料或生产动力。生物质气化技术，就是生物原料在缺氧状西南农业大学本科毕业设计（论文） 3 态下加热反应的能量转换过程。生物质是由碳、氢等元素和灰分组成，当它们被点燃时，只供应少量空气，并且采取措施控制其反应过程，使碳、氢元素变成一氧化碳、氢气、甲烷等可烯气体，秸秆中大部分能量都转移到气体中，这就是气化过程。去除可燃气体中的灰分、焦油等杂质，通过供气系统将其送入农户家中，使用时打开阀门，点燃燃气灶具，就可以烧水做饭了。 生物质秸秆气化技术是 90年代初期在我国发展起来的，但由于其具有较好的经济效益、社会效益和环境效益。在短短的十年 内得到了相当大的发展，目前我国已经成功开发了一些将生物质转化成可燃气体的技术。建立了 380余处秸秆气化集中供气示范点，主要集中在山东、河南、江苏、河北、山西、北京、陕西。 1 近年来由于各级政府的大力支持，以固定下吸式气化炉为代表的秸秆气化技术已在农村地区得到推广应用，取得了良好的社会效益。我国是个农业大国，有丰富的农业废弃资源，但是其利用率却很低，且因不正当处置如焚烧而污染环境，随着我国生物质能气化技术的发展，其应用前景越来越广阔，特别是在气化发电和集中供气方面。 目前国内已经成功开发了一些将生物质转化 成可燃气的技术，采用固定床气化的，其所产气体的热值则可获得 4 5MJ/m3，采用循环流化床气化的，其所产生的气体的热值则可获得 7MJ/m3左右，而且中热值气化技术的实验研究在国内也已取得了较好效果，如广州能源研究所采用的氧气气化技术，其气体热值在 10MJ 12MJ/m3之间。 4在我国，由于火力发电污染大，农村地区缺电严重，特别是偏远地区，生物质气化发电正是解决这一难题的最好方法。利用生物质气化发电既可以生产电能，同时也使农村废弃物得到了有效处理，因而不但有良好的社会效益，也减少了处理这些废弃物时造成的环 境污染。 3 生物质秸秆气化系统及设备 3.1 秸秆气化集中供气系统介绍 秸秆气化集中供气系统基本模式为：以自然村为单元，系统规模为数十户至上千户，系统由三部分组成：秸秆的气化机组，燃气输配系统和用户燃气系统。（工艺系统 图 如下 页 所示） 铡成小段的秸秆送入气化器中经过热解气化反应转换成为可燃气体，在净化器中除去燃气中含有的灰尘和焦油等杂质，由风机送至气柜中。气化器、燃气净化器和风机组成了秸秆气化机组。气柜的作用是储存一定量的燃气以平衡系统燃气负荷的波动，并提供一个始终恒定的压力保证用户燃气灶具的稳定燃烧。 离开气柜的燃气通过敷设在地下 西南农业大学本科毕业设计（论文） 4 图 1 系统工艺流程图 1- 螺旋输送机； 2- 气化炉 3- 旋风分离器 4- 喷淋净化器 5- 气水分离器 6-过滤器 7-鼓风机 8- 水封 9- 灶具 10- 储气柜 的塑料管网分配到系统中的每一用户。用户打开燃气用具的阀门，就可以方便地使用燃气。系统中包括原料处理（铡草机）、上料装置、气化机组、风机、气柜、安全装置、管网和灶具等设备。生物质燃气的燃烧需用专用的灶具。经过气化，每公斤秸秆能产约2m3可燃气，一户 4 口之家每天需燃气约 5 6立方米，燃气成本约 0.11/m3元。 3.2 秸秆气化的主要设备 -气化炉 气化炉是秸秆气化的主要设备，气化炉 除由于原料不同而气化产物有差异外，气化时所吹入的气体（空气、氧气或水蒸气）的不同，所以产生的可燃气体的成分也不同。以空气和水蒸气同时鼓风而得到的混合气体应用最广，故一般所谓气化炉煤气即指混合煤气而言。气化炉气化过程的水蒸气由燃料中所含的水分产生。在大型固定式气化炉中，蒸汽还靠预热的空气带入；在小型气化炉，为了使结构简单，水蒸气的加入则是用滴水器来完成。目前 所用的气化炉有上吸式气化炉，下吸式气化炉和流化床式气化炉 3.2.1上吸式气化炉 物料自炉顶加料口投入炉内，气化剂由炉底部进气口进入炉内参加反应，反应产生的气化气至下而上流动，由可燃气出口排出。 上吸式气化炉工作过程及优缺点 这种气化炉有三种优点 :一是热解层和干燥剂用了还原反应后气体的余热，出口燃气的温度低，气化炉最下层是氧化层，这里有充足的空气供燃气所用 ,底部的木炭可以得到充分燃烧，故气化率较高；二是可燃气中含热值较高的热解产物，因此燃气热值较高；三是炉排受进风的冷却，工作性能比较可靠。其缺点是： 由于炉内的气体流向是自上而下的，而热流的方向是自下而上的，致使引风机从炉栅下抽出可燃气要耗费较大的西南农业大学本科毕业设计（论文） 5 功率，出炉的燃气中含有较多的灰分，出炉的可燃气的温度较高，须用水对其进行冷却。（其工作原理如下图所示） 图 2 上吸式气化炉工作 原理图 3.2.2下吸式气化炉 生物质原料由炉顶加料口投入料炉内，作为气化剂的空气也由进料口进入炉内。炉内的物料自上而下分为干燥层、热分解层、氧化层、还原层。煤气从还原层排出。 下吸式气化炉优缺点 下吸式气化炉的热解产物通过炽热的氧化层，还原层而得到充分的裂解，因此焦油含量比上吸式低得多，这是下吸式气化炉最大优点，所以下吸式气化炉在需要使用洁净燃气的场合得到了广泛的应用；它的另一优点是它的加料端与空气接触 ,当炉膛内为负压工況时，加料端不需要严格的密封，使得运行中连续进料成为可能，也可以进行拨火操作 。 其缺点是：由于炉内的气体流向是自上而下的，而热流的方向是自下而上的，致使引风机从炉栅下抽出可燃气要耗费较大的功率，出炉的燃气中含有较多的灰分，出炉的可燃气的温度较高，须用水对其进行冷却。（其工作原理如下图所） 西南农业大学本科毕业设计（论文） 6 图 3 下 吸式气化炉工作 原理图 （见上页） 3.2.3 流化床气化炉 流化床气化炉结构比较复杂，设备投资较多。流化床气化炉的物料是具有一定粒度的固体燃料，当通过燃料颗粒之间的气流速度达到某一值时，微细颗粒之间会产生分离现象，少量颗粒在小的范围内振动或游动，燃料层由静止向流动转化。继续提高气流速度，全部微细颗粒被吹起而悬浮于气流之中，但不被吹出。此时即为 “流化床 ”状态，气化介质和颗粒料充分混合，具有流体的性质 。 （其工作原理如下图所示） 图 4 流化床工作原理图 4 生物质可燃气的净化 4.1 气化 气中杂质的组成、危害及去除方法 生物质气化燃气中含有各种各样的杂质，主要成分及危害如下表所示 表 1 气化燃气中杂质的组成及危害 杂质成分 典型成分 可能引起的问题 净化办法 颗粒 灰、焦炭、热质颗粒 磨损、堵塞 气固分离、过滤、水洗 碱金属 钠、钾等化合物 高温腐蚀 冷凝、吸附、过滤 氮化物 主要是氨和 HCN 形成二氧化氮 水洗 SCR 等 焦油 各种芳香烃等 堵塞、难以燃烧 裂解、除焦、水洗 硫、氯 HCL硫化氢 腐蚀污染 水洗化学反应 西南农业大学本科毕业设计（论文） 7 灰分：在反应进程中，大部分灰分由炉栅落入灰室，可燃气中的灰 尘经旋风分离器被除掉，将收集的灰分进一步处理，可以加工成耐热保温材料，或是提取高纯度的 SiO2，当然也可以用作肥料。 水蒸气：可燃气中还含有一定量的水蒸气，水蒸气遇冷后将凝结成水。因此，在可燃气输送管网中，每隔一定距离要设一个集水井以便将冷凝水排出。 H2S：秸秆气化气中硫化氢的含量一般为 300mg/m3以上， H2S和水反应生成弱酸，易对钢材设备产生腐蚀，因此必须脱除秸秆气中的硫化氢，目前，脱除硫化氢的最简单方法是采用石灰水喷淋洗涤（须定期补充石灰水）或采用活性碳吸附（须定期对活性碳进行脱附）；如用氧化铁法 脱除硫化氢，脱硫时还可消耗秸秆气中的氧气；另外，硫化铁可用来脱除秸秆气中的 NO，减少煤气胶的生成量，减少了管道的堵塞，有利于供气和顺利进行。 生物质气化燃气中水分和灰分的处理是比较容易的，而焦油则是生物质气化应用中危害最大的，需通过下面几种方法清除：（ 1）水洗法；（ 2）过滤法；（ 3）催化裂解法；（ 4）静电捕捉法；（ 5） 旋风分离器脱焦法。 由此可见，生物质气化技术有着非常广阔的前景，而该技术也正在被大力的研究与推广。但是，如如何进一步提高气化气热值等问题也有待于解决。同时，将气化气罐装，以便于远距离运 输，也是一个非常值得研究的课题。 西南农业大学本科毕业设计（论文） 8 1 引言 能源是国民经济建设和人民生活的重要物质基础，在某种意义上，人类社会生产的发展史，就是人类能源开发利用史。随着世界人口的日益增长和社会经济的快速发展，人类在经历了以煤为主的第二代能源之后，以石油为主的第三代能源正面临着枯竭的危险。人类必须寻找到一种可经济开发、丰富、清洁的能源。因此，开发与利用新能源和可再生能源，已经成为世界性的能源建设发展的战略方向。 目前，世界能源格局是以石油、天然气、煤炭等常规能源为主，包括水能风能 、太阳能、潮汐能、地热能、核能、氢气能、生物能等能源在内的多种能源并存的状况。就煤、石油、天然气、地热能、核能等能源来说，不仅储量、开发量有限，而且是不可再生能源。水能、风能、潮汐能等可再生能源，虽然理论上是取之不尽，用之不竭的，但可经济开发的量并不大。单单依靠这些能源远远不能满足国民经济的发展需要。因此人们预言能量巨大、分布广泛、可以再生、污染小的生物质能将成为第四代能源的主流能源。 生物质能是指直接或间接的通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量。自然状态下的生物质如秸秆 ，枝条散碎、细软、含水率高、能量密度低、燃烧强度小，传统的秸秆利用方式，不仅造成了生物质资源的过度使用和浪费，还会造成环境污染。生物质秸秆气化和集中供气技术不仅实现了农村用能燃气化，而且还实现了生物资源的可持续发展，具有十分重要的意义。 本文通过对生物秸秆气化工程的参观、研究、结合国内外已发表的有关资料比较系统的讲解了生物质气化原理、工艺流程、气化装置及气化气的净化等问题，并设计了下吸式气化炉。 2 生物质秸秆气化技术 2.1 生物质能 概述 生物质能是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能。据估计，植物每年 贮存的能量约相当于世界主要燃料消耗的 10倍；而作为能源的利用量还不到其总量的 l%。这些未加以利用的生物质，为完成自然界的碳循环，其绝大部分由自然腐蚀将能量和碳素释放回到自然界中。事实上，生物质能源是人类利用最早、最多、最直接的能源，也是人西南农业大学本科毕业设计（论文） 9 类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。至今，世界上仍有 15 亿以上的人口以生物质作为生活能源。生物质燃烧是传统的利用方式，不仅热效率低下，而且劳动强度大，污染严重。通过生物质能转换技术可以高效地利用 生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭，石油和天然气等燃料和生产电力。减少对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染。专家认为，生物质能源将成为未来可持续能源的重要部分，到 2015年，全球总能耗将有 40%来自生物质能源。 生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。 生物质的利用对我国的发展有重大的意义：我国是一个人口大国，又是一个经济迅速发展的国家， 21世纪将面临着经济增长和环境保护的双重压力。因 此改变能源生产和消费方式，开发利用生物质能等可再生的清洁能源资源对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。开发利用生物质能对中国农村更具特殊意义。中国 80%人口生活在农村，秸秆和薪柴等生物质能是农村的主要生活燃料。尽管煤炭等商品能源在农村的使用迅速增加，但生物质能仍占有重要地位。 1998 年农村生活用能总量 3.65亿吨标煤，其中秸秆和薪柴为 2.07 亿吨标煤，占 56.7%。因此发展生物质能技术，为农村地区提供生活和生产用能，是帮助这些地区脱贫致富，实现小康目标的一项重要任务。 2.2 秸秆资 源 秸秆是农作物的剩余物，它是小麦、玉米、水稻等绿色植物在太阳辐射能的作用下吸收空气中的二氧化碳和土壤的水分进行光合作用转化为化学能，而固定下来的一种生物质能源。据不完全估计，全世界每年可产生近 20亿吨秸秆，作为农业大国的中国，每年秸秆产量也有近 7亿吨，其中产量最大的是稻秸，占总量的 29.93%，主要分布在中南（如湖南、湖北、广东、广西）和华东地区（如江苏、江西、浙江和安徽）及西南的部分省份（如四川等），其次是玉米秸，占总量的 27.39%，主要分布在东北和华北（如河北、内蒙古等）地区的各省及华东（如山东）和 中南（如河南）的部分省份，小麦占总量的 18.31%，主要分布在华东（如山东、江苏、安徽）和中南（如河南）及华北（如河北）等地区，豆类秸秆占总量的 5.06%，薯秧类占总量的 3 .47%，油料占总量的 7.99%1。在中国农村，秸秆被用作重要的生活资源，是一种重要的生物质资源。植物学上把不能西南农业大学本科毕业设计（论文） 10 食用的农作物根、叶、茎统称为秸秆，如玉米秸、高粱秸、棉花秸、豆秸、麦秸、稻秸等。其元素组成如表 1所示 ； 通常情况下含碳越高的秸秆发热量越大，秸秆现阶段的用途大致有以下几个方面： （ 1）作为工业原料，主要用于工业造纸 （ 2） 作为畜牧饲料 （ 3）造肥还田 （ 4）农村生活能源 表 1 秸秆中元素组成及各自含量 表 2 1999年中国农作物资源量 碳 氢 氧 氮 硫 磷 40 60% 5 6% 43 50% 0.6 1.1% 0.1 0.2% 1.5 2.5% 作物种类 产量 秸秆：粮食 秸秆数量 占秸秆总量比例 % 水稻 198.48 0.97 191.73 29.93 小麦 113.87 1.03 117.29 18.31 玉米 128.09 1.34 175.48 27.39 高粱 3.24 1.44 4.67 0.73 谷子 2.32 1.51 3.50 0.55 其它杂粮 7.02 1.60 11.23 1.75 大豆 18.94 1.71 32.39 5.06 薯类 36.41 0.61 22.21 3.47 花生 12.64 1.52 19.21 3.00 油菜 10.14 3.0 30.04 4.75 芝麻 0.74 0.64 0.48 0.07 向日葵 1.77 0.60 1.06 0.17 棉花 3.83 3.00 11.49 1.79 麻类 0.47 1.70 0.8 0.12 甘蔗 74.70 0.25 18.68 2.92 总计 640.63 100 西南农业大学本科毕业设计（论文） 11 其中牲畜饲料和农村生活用能仍是秸秆利用的主要方面。分别占到秸秆总产出量的40%和 45%，秸秆还田及其它损失也占到总产出量的 21.2%1 。现将 1999年中国秸秆农作物资源量表（如表 2）。 秸秆资源分布及其特征如下：（ 1）总储量大而人均占有量小。（ 2）地区分布不平衡，一半以上的秸秆资源集中在四川、河南、山东、安徽、江苏、湖南、浙江、湖北等 9个省，广大的西北地区和其它省区秸秆量较 少。（ 3）种类集中，水稻、小麦、玉米秸秆产量占总量的 74.76%。 农作物秸秆是生物质的主要组成部分，随着科技的发展，秸秆气化集中供气为用农作物秸秆解决农村生产用能开辟了道路。我国生物质气化技术在 10 多年的发展中已取得了可喜的成果。中国农业机械化科学研究院研制的 ND系列生物质气化炉，气化效率达 74.92%，煤气热值达 6192.67kJ/m3，被用于烘干加热、温室供暖、动力发电等取得了较好的经济效益。山东省能源研究所研制的 XFL 600型秸秆气化炉和农村集中供气装置，很好的解决了把农作物秸秆转化成使用方便、干 净卫生的可燃气，并集中向农户供气，既利用了过剩的秸秆，又改善了农民的生活条件。 2.3 气化原理 生物质气化的基本原理是将生物质原料加热，生物质原料进入气化炉后被干燥，伴随着温度的升高，析出挥发物，并在高温下热解，热解后的气体和炭，在气化炉的氧化区与供入的气化介质（空气、氧气、水蒸气等）发生氧化反应并燃烧，燃烧放出的热量用于维持干燥、热解和还原反应，最终生成了含有一定量 CO、 H2、 CH4、 CmHn的混合气体，去除焦油等杂质后即可燃用。（其原理如图 1 所示）。 图 1 气化反应过程原理 西南农业大学本科毕业设计（论文） 12 气化过程包括三个阶段：干燥、干馏、氧化和还原。实质上是 燃料 的燃烧过程，下面就重点阐述 燃料 的燃烧过程。 燃料的燃烧过程可以分作预热、水分蒸发 、析出挥发物和焦炭燃烧等几个阶段。C + O2 = CO2 + 408860 2C + O2 = 2CO + 246447 实际上在高温下，当氧与炽热焦炭表面接触时，一氧化碳与二氧化碳同时产生，基4C + 3O2 = 2CO2 + 2CO 3C + 2O2 = 2CO + CO2 这二种气体产生量的多少由温度的高低和空气供给量的多少而定， 900-1200时主要按前式进行反应，在 1450 当温度较高 (超过 700时 )，生成的一氧化碳向外扩散时，遇到空气中氧气会继续燃烧2CO + O2 = 2CO2 + 570865千焦 若温度更高，则生成的二氧化碳在扩散过程中遇到炽热的碳就会产生碳的气化反应，这是一 CO2 + C = 2CO -162297 由于灶膛中尚有水蒸汽存在，它也会向焦碳表面扩散，当它与炽热焦炭相遇时，也C + 2H2O = CO2 + 2H2 C + H2O = CO + H2 C + 2H2 = CH4 水蒸汽对碳的气化比二氧化碳的作用快，所以灶膛中有适量的水蒸汽，可促进固定西南农业大学本科毕业设计（论文） 13 碳的燃烧 这种方法改变了生物质原料的形态，使用更加方便，而且能量转化效率比固态生物质的直接燃烧有较大的提高。 气化技术是目前生物质 能利用技术研究的热门方向。典型的气化工艺有以下 3种：干馏工艺、快速热解工艺、气化工艺。其中前两种适用于木材或木屑的热解；后一种适用于作物（如玉米、棉花等）秸秆的气化。 2.4 生物质气化工艺 生物质气化技术的一般工艺过程主要有四大组成系统，分别进料系统、气化反应器（气化炉）、气化气净化系统、气化气处理系统。进料系统包括生物质进料、空气进料、水蒸气进料及其控制系统。气化气体净化系统主要是除去产出气体中的固体颗粒，可冷凝物及焦油，常用设备有旋风分离器，水浴清洗及生物质过滤器。后处理系统主要是气化气进一步转化利 用的装置。 3 秸秆气化的参数及影响产气质量的因素分析 3.1 秸秆气化参数及影响因素 秸秆气化气的主要成分是 CO、 H2、 CH4等的可燃气体。它们各自含量如下表： 表 3 气化气的主要成分及其含量 秸秆气化的参数主要有粉尘灰分、热值、焦油含量、 H2 、 CH4的含量等。现就它们的影响因素做如下归纳： 粉尘、灰分：在气化过程中，产生的大部分灰分由栅落入灰室，由旋风分离 器将其分离，它的含量与物料密度、气流速度有很大关系；当物料密度大时，粉尘少。气化炉的不同种类也对它的产生量有重要影响。一般灰分含量在 5%以内，气化炉就能可靠地运行；对于固定床气化炉来说，降低秸秆燃气的气流速度，从灰渣层上方侧壁负压吸出燃气都可以减少灰分。表 5说明了生物质燃料种类不同，其气化所产灰分的变化。 燃气成分 H2 CH4 O2 CO CO2 % 15 20 1.5 20 12 西南农业大学本科毕业设计（论文） 14 表 4 不同原料气化气中灰分的含量 生物质物料 木材 玉米秸秆 玉米芯 麦秸 棉柴 稻秸 灰分 % 0.1 3 1.5 7.4 17.2 16-23 热值：它是用来衡量每单位立方米气体燃烧所放出 热量的多少。它受很多因素影响，如秸秆种类、物料含水量、物料密度、气化炉种类等都能影响气化气的热值。 表 5 各种生物质原料气化后气体的热值 焦油： 焦油是生物质气化中不可避免的产物，它的生成量与温度有很大关系，在 500。C时焦油产量是最高的。其次物料的含水量也是影响焦油的产量的重要因素，当含水量大于 30%时，焦油的含量时显增加。另外气化炉的种类不同，同种物料参与气 化反应所产生的焦油量也不相同， H2： H2是气化气中可燃成分之一，在气化气中的含量占 15%左右，它含量的多少直接影响到气化气热值。它与气化炉种类，气化原料的种类，以及物料含水量等的直接的关系，当物料含水量低于 10%时， H2 的含量将下降。 CH4： CH4在气化气中是含量最大的可燃气组成成分，同 H2一样，它也受到气化炉种类，气化原料，物料含水量的影响。对于下吸式气化炉而言，进风量的大小和喉口直径大小及有无均对 CH4含量有很大关系。 气化炉各部位结构尺寸将极大地影响气化炉的热效率、产气效率及产气质量。下 吸式气化炉由于具有结构简单，易于操作，产出气的焦油含量低等优点得到了广泛应用。 4 秸秆气化的设备 4.1 秸秆气化集中供气系统 燃 料 品 种 气体低位热值 kJ/m3 玉 米 秸 5405 棉 秸 5790 玉 米 芯 5351 麦 秸 3967 西南农业大学本科毕业设计（论文） 15 秸秆气化集中供气系统基本模式为：以自然村为单元，系统规模为数十户至上千户，系统由三部分组成：秸秆的气化机组，燃气输配系统和用户燃气系统。（工艺系统如图2所示） 图 2 系统工艺流程图 1- 螺旋输送机； 2- 气化炉 3- 旋风分离器 4- 喷淋净化器 5- 气水分离器 6-过滤器 7-鼓风机 8- 水封 9- 灶具 10- 储气柜 铡成小段的秸秆送入气化器中经过热解气化反应转换成为可燃气体，在净化器中除去燃气中含有的灰尘和焦油等杂质，由风机送至气柜中。气化器、燃气净化器和风机组成了秸秆气化机组。气柜的作用是储存一定量的燃气以平衡系统燃气负荷的波动，并提供一个始终恒定的压力保证用户燃气灶具的稳定燃烧。离开气柜的燃气通过敷设在地下的塑料管网分配到系统中的每一用户。用户打开燃气用具的阀门，就可以方便地使用燃气。系统中包括原料处理（铡草机）、上料装置、气化机组、风机、气柜、安全装置、管网和灶具等设备。生物质燃气的 燃烧需用专用的灶具。经过气化，每公斤秸秆能产约2m3可燃气，一户 4 口之家每天需燃气约 5 6立方米，燃气成本约 0.11/m3元。 秸秆气化工程从煤气发生炉机组到用户，全部工程主要有以下两大部分：第一部分燃气发生炉机组，机组主要由以下三部分组成： (1) 上料部分 经过粉碎达到一定要求的秸秆，经上料机送入气化炉，上料机通常采用密封绞笼，对上料机的开启和关闭，可以根据发生炉的用料要求，实现自动落料。 (2) 气化炉 即气化的反应室，被粉碎的秸秆在这里进行受控燃烧和还原反应，发生炉产生的燃气，含有大量 的焦油和灰分，应对其进行净化处理。 (3) 燃气的净化 主要是清除气体中的焦油和灰份，使之达到国家标准： 10mg/m3。净化系统由三个环节组成：气体降温、水净化处理、焦油分离。 第二部分贮气柜。它是储存气体的设备，主要用于燃气气源产量与供应量之间的调节。贮气柜的结构有外导架直升式、无外导架直升式、螺旋导轨式。贮气柜容积是根据用户每天的总用气量来考虑，一般地，贮气柜的容量应占日供气总量的 40% 50%。 西南农业大学本科毕业设计（论文） 16 4.2 气化炉 气化炉是秸秆气化的主要设备，气化炉 除由于原料不同而气化产物有差异外，气化 时所吹入的气体（空气、氧气或水蒸气）的不同，所以产生的可燃气体的成分也不同。以空气和水蒸气同时鼓风而得到的混合气体应用最广，故一般所谓气化炉煤气即指混合煤气而言。气化炉气化过程的水蒸气由燃料中所含的水分产生。在大型固定式气化炉中，蒸汽还靠预热的空气带入；在小型气化炉，为了使结构简单，水蒸气的加入则是用滴水器来完成。目前所用的气化炉有上吸式气化炉，下吸式气化炉和流化床式气化炉 4.2.1 上吸式气化炉 物料自炉顶加料口投入炉内，气化剂由炉底部进气口进入炉内参加反应，反应产生的气化气至下而上流动，由可燃气出口 排出。 上吸式气化炉工作过程及优缺点 这种气化炉有三种优点 :一是热解层和干燥剂用了还原反应后气体的余热，出口燃气的温度低，气化炉最下层是氧化层，这里有充足的空气供燃气所用 ,底部的木炭可以得到充分燃烧，故气化率较高；二是可燃气中含热值较高的热解产物，因此燃气热值较高；三是炉排受进风的冷却，工作性能比较可靠。其缺点是：由于炉内的气体流向是自上而下的，而热流的方向是自下而上的，致使引风机从炉栅下抽出可燃气要耗费较大的功率，出炉的燃气中含有较多的灰分，出炉的 可燃气的温度较高，须用水对其进行冷却。 图 3 系统工艺流程图 西南农业大学本科毕业设计（论文） 17 4.2.2 下吸式气化炉 下吸式气化炉工作过程及优缺点 生物质原料由炉顶加料口投入料炉内，作为气化剂的空气也由进料口进入炉内。炉内的物料自上而下分为干燥层、热分解层、氧化层、还原层。煤气从还原层排出。下吸式气化炉的热解产物通过炽热的氧化层，还原层而得到充分的裂解，因此焦油含量比上吸式低得多，这是下吸式气化炉最大优点，所以下吸式气化炉在需要使用洁净燃气的场合得到了广泛的应用；它的另一优点是它的加料端与空气接触 ,当炉膛内为负压工況时，加料端不需要严格的密封，使得运行 中 连续进料成为可能，也可以进行拨火操作 。 其缺点是：由于炉内的气体流向是自上而下的，而热流的方向是自下而上的，致使引风机从炉栅下抽出可燃气要耗费较大的功率，出炉的燃气中含有较多的灰分，出炉的可燃气的温度较高，须用水对其进行冷却。 4.2.3 影响下吸式气化炉产气质量的因素 下吸式气化炉产气系统是由下吸式气化炉、粉尘焦油处理系统、罗茨风机、贮气柜等几部分组成。在设计、操作过程中，哪一个环节都可能对产气质量、燃气成分产生很大影响： （ 1）喉口结构即喉口直径大小、喉口深度、进风位置是影响产气效果、燃气焦油含量的关键 。如果喉口直径过大或没有喉口，就会使氧化层反应不均匀，易使一部分未参与氧化反应，空气不进入还原层，形成所谓的烧穿现象，导致产出气中可燃成分少、热值低。因此使空气从喉口部位，即设计好的氧化层位置进入，则可以较容易也控制氧化层、还原层反应层次，从而保证氧化还原反应在喉口部位进行，也就从结构上保证了可以连续稳定地得到高质量的可燃气体。 （ 2）进风量直接影响气化炉产气质量 如果进风量大，则反应快、产气多，但易造成过氧燃烧，反应温度高，燃气中可燃成分少、燃气热值低，甚至不能燃烧，还会将大量未经反应的炭粉颗粒带到后续设 备中，不仅造成浪费，也使后续处理设备负担增加，影响处理效果。如进风量小，则造成缺氧燃烧，反应温度低，氧化还原反应均不充分。燃气中可燃成分少，焦油含量多，还易产生明火、喷火等不利于安全的现象。因此，要求所选罗茨风机与气化炉后续处理设备相匹配，合理分配它们各点的压力降，并根据气化炉运行的不同阶段，通过回流调节阀灵西南农业大学本科毕业设计（论文） 18 活调节进风量。 （ 3）物料的干湿度、颗粒大小和密度对产气效果影响很大 下吸式气化炉对物料含水量要求一般在 20%左右，低于 10%时，燃气中 H2、 CH4含量减少，热值下降；高于 30%时，则产气不够，甚至不产 气，而焦油含量却时显升高。颗粒过大，透气性差，建立不起时显的反应层，不产生可燃气体，过大，原料易搭桥，导致进风量过大，产气效果不好，物料密度大，燃烧时间长，稳定燃气成分好、热值高、粉尘少、焦油少。反之亦反，不仅造成了能源浪费，而且为后处理设备增加负担。 （ 4）司炉工的操作方法和对设备维护保养的好坏对燃气质量起着至关重要的作用。 物料添加均匀，根据不同运行阶段控制进风量，严格按要求定时清灰、排污、换水，以产生较好质量的燃气。 图 4 下吸式气化炉 4.2.4 流化床气化炉 流化床气 化炉结构比较复杂，设备投资较多。流化床气化炉的物料是具有一定粒度的固体燃料，当通过燃料颗粒之间的气流速度达到某一值时，微细颗粒之间会产生分离现象，少量颗粒在小的范围内振动或游动，燃料层由静止向流动转化。继续提高气流速度，全部微细颗粒被吹起而悬浮于气流之中，但不被吹出。此时即为 “流化床 ”状态，气化介质和颗粒料充分混合，具有流体的性质 。 流化床气化炉有；单流化床、双流化床、 循西南农业大学本科毕业设计（论文） 19 环流化床、 携带流化床四种类型。 图 5 流化床 5 下吸式秸秆气化炉的设计说明 该气化炉为层式下吸式气化炉，与一般常规下吸式气化炉相比，它具有独特的优点：炉顶不需密封，既是加料口，有是空气（气化剂）口；炉身仅由两个直筒体组成的双层炉体，方便加工、搬运、安装。下层炉体内加水套，内砌耐火材料。为保证物料的充分燃烧和二氧化碳的充分还原，特设计喷嘴等部件（如图 6），空气可以从喷嘴均匀地流经反应区的整个截面，使反应区截面上的温度均匀一致，不致出现低温死区和架桥现象。 在层式下吸式汽化炉内，氧化反应与热分解反应在同一区域内同时进行，这个区域是整个反应过程的最高温度区域，由于热反应是在比任何一种固 定气化炉都高的温度下进行，所以对操作者的要求较高，操作者要时刻注意炉况，保证炉内不出现烧穿现象，这样产生的燃气热值也才能相对较高。如果在炉内加少许干树根，与秸秆一起气化则效果更佳，因为气化时加入干树根等硬质性原料，可以形成一定厚度的红热焦碳层，从而提高气化温度，使气体中的焦油得到更多的分解，所以能得到良好的气化效果。 西南农业大学本科毕业设计（论文） 20 图 6 层式下吸式秸秆气化炉外形 5.1 上层炉筒的材料选择、加工工艺及各结构的功用（图见附件 1） 该零件的外壳均用球墨铸铁材料浇铸，因为这种铸铁可铸性佳且价格较低廉。内部耐火泥选用 可塑性 耐火泥 （见表 6）。 表 6 耐火泥理化指标 耐火泥 功能特 点 1.各 种锅炉 內 .炉 床 炉 內 复杂 位置填平填充。 产 品規格表 产 品型 号 type 单 品 单价 备注 KG 可塑性耐火泥 PA16S 可塑性耐火泥 36 40kg/箱 (1700C) 轻质 耐火泥 LW10S 44 顶部 390mmX390mm 的方形孔是气化炉的进料口，是和进料输送管道相连接的 进料口的加工： （ 1） 用长 450mm 宽 60mm 厚 5mm 的球墨铸铁板根据图上结构首尾相连进行焊接； （ 2）在其上钻直径为 11 的 12mm 个均布的连接通 孔； （ 3）用高为 70mm 宽 410mm 厚 5mm 的四块球墨铸铁板进行相互垂直焊接以形成 筒。 （ 4）两者进行垂直焊接既构成了直接与上层炉筒相连的进料口。 上层炉筒的加工： 西南农业大学本科毕业设计（论文） 21 （ 1）用球墨铸铁在浇注模上直接浇注成高 750mm 外径 1350mm 内径 1210mm 的圆筒，同时要将底部宽 20mm 高 10mm 的连接边连同炉筒一次浇注出来。 （ 2）将直径为 1210mm 厚度为 70mm 中部带有 390mmX390mm 的方孔的球墨铸铁圆板焊接于炉筒上部，其距离顶部尺寸为 20mm。 （ 3）将连接边的连接表面进行 铣 削加工，其表面精度为 12.5，以保证连接的紧密性；连接边的顶面进行 铣 削到表面精度为 12.5 以保证连接螺钉的安装。连接边的两外露棱边需进行 45 度的倒角，以避免在安装和使用过程中划伤工人。 （ 4）在连接外边上钻 16 个直径为 11mm 的均布连接通孔。 （ 5）用 4 根长为 480mm 直径 40mm 壁厚 10mm 的球墨铸铁管浇铸成图示形状和尺寸，再将两端切割成倾斜 20-30 度角的斜截面。 （ 6）将 4 根弯管分别两两对称焊接于铸钢筒外表面，与底面相距 210mm。其作用是安装和维修时拆卸时方便提升和移动。 （ 7）在炉筒内部搪以 80mm 厚的 可塑性耐火泥 。这种耐 火泥不仅能达到炉内工作温度的要求，还不会因为炉子热长冷缩的体积变形而脱落。作用是将炉内温度降到 30-50度，方便工人操作时靠近。 （ 8）在炉筒表面涂以钢结构耐热防锈漆。 5.2 下层炉筒的材料选择、加工工艺及各结构的功用（图见附件 2） 该零件的外壳均用球墨铸铁材料，内部耐火泥选用 可塑性耐火泥 （见表 6）。 下层炉筒的加工： （ 1） 用球墨铸铁 在浇注模上直接浇注成高 1650mm 外径 1350mm 内径 1210mm 的圆筒，同时要将上部宽 20mm 高 10mm 的连接边连同炉筒一次浇注出来。并在上面浇铸出循环水的进出孔、出 灰孔及进气孔。 （ 2） 将连接边的连接表面进行 铣 削加工，其表面精度为 12.5，以保证连接的紧密性；连接边的顶面进行 铣 削到表面精度为 12.5 以保证连接螺钉的安装。连接边的两外露棱边需进行 45 度的倒角， （ 3）将外径 1210mm 内径 1050mm 宽 30mm 水箱下底板用球墨铸铁浇铸出来，并在其上表面涂以 0.8mm-1.2mm 的钢结构耐高温防水漆。最后焊接于距炉子上连接表面540mm 处。 （ 4）将外径 1210mm 内径 1050mm 宽 10mm 水箱上底板用铸钢浇铸出来，并在其下西南农业大学本科毕业设计（论文） 22 表面涂以 0.8mm-1.2mm 的钢结构耐高温防水 漆。最后焊接于与炉子上面平齐处。 （ 5） 在连接外边上钻 16 个直径为 11mm 的均布连接通孔。 （ 6） 浇注水箱内壁。 用 球墨铸铁在浇注模上直接浇注成 540mm 高 30mm 厚外径1110mm 的圆筒，并在上面浇铸出循环水的进出孔及进气孔。其上带有向内的 110mm 的直钩是用做支撑炉桥的。并在其内表面涂以 0.8mm-1.2mm 的钢结构耐高温防水漆。最后通过焊接方式安装于上下底板之间。 （ 7）在水箱内 壁 搪以 80mm 厚的耐火泥，其作用已经叙述。 （ 8） 将直径 1210mm 厚 30mm 的圆形球墨铸铁底板焊接于距上联结平面 1650mm 处。（ 9） 将两根孔径分别为 15mm 和 20mm 壁厚 10mm 的长 500mm 的进出水管用焊接 的方式如图安装于炉筒上。之所以这样将进水管管径设计得比出水管径小 5mm，是为 了保证水箱里一直有足够的冷却水；而将水管以和水箱相切及二者方向相反的形式安装 是为了让冷却水在水箱里因进水冲力的作用形成螺旋状流动，使冷却趋于均匀。 （ 10） 铸造 煤气出口。用球墨铸铁按图示尺寸及形状铸造管状煤气出口，并将其上联结法兰的正反两面用车削加工到精度 3.2，再在上面钻以 8mm 个直径为 11mm 的联结孔。最后将其以图上尺寸焊接于炉筒上。 （ 11） 按图上形状和尺寸铸造出灰孔和用以安 装出会孔盖的基座。并焊接于其上。 （ 12） 在炉筒表面涂以钢结构耐热防锈漆。 5.3 炉桥的材料选择、加工工艺及各结构的功用（图见附件 3） 该零件全用球墨铸铁铸造。 炉桥的加工： （ 1）用球墨铸铁浇注外径 905mm壁厚为 5mm孔径为 40mm的环形圈并在图示位置铸出直径 50mm壁厚为的 5mm的凸台孔直径 40mm 的通孔。 （ 2）将 9根外径 50mm内径 40mm的铸铁管以图示位置焊接于环形圈上。 （ 3）在中间管子上的长度中点位置上钻直径 40mm的孔。 （ 4）在浇铸模上铸出图示喷 嘴安装基座，并焊接于中管孔上。以供安装喷嘴之用。 5.4 喷嘴的材料选择、加工工艺及各结构的功用（图见附件 4） 该零件全用球墨铸铁铸造。 喷嘴的加工： （ 1）在铸模上用铸铁浇铸出高 330mm大端孔径 50mm小端孔径 40mm 壁厚为 5mm的带西南农业大学本科毕业设计（论文） 23 部分装配锥度的半通管。 （ 2）在同径部分以图示尺寸钻 28个与水平面成 12度夹角的喷气孔。之所以这样设计是为了达到喷嘴在反应层里所喷出的空气可以更加分散，促进秸秆的充分燃烧，且不会增加煤气中的灰尘。其下端 70mm高的锥孔是用着和炉桥上的喷嘴安装底座配合安装之用。 5.5 出灰孔孔 盖的材料选择、加工工艺及各结构的功用（图见附件 5） 该零件全用球墨铸铁铸造。 出灰孔孔盖的加工： （ 1）用球墨铸铁浇铸成直径 230mm且带 1.5mm高直径为 204mm的凸台的圆形盖。 （ 2）用四根铁条以图示尺寸进行焊接。之所以设计凸台是为了增加盖合的密封性。 5.6 气化炉的装配（图见附件 6） （ 1）将喷嘴安装于炉桥的喷嘴基座之上，安装的时候需在重合部分的内外表面间填 以陶瓷织维棉（见表 7），增加安装的密封性。 （ 2）在喷嘴及炉桥表面涂以 2-3的可塑耐火泥。 （ 3）将带喷嘴的炉桥安装于下炉筒的炉桥架上， 并将炉桥上的进气孔和炉筒上的进气孔对接，再在其接头处堆上可塑耐火泥将之固定。 （ 4）用 M10的连接螺钉连接安装上下炉筒。在安装时需在连接表面填以陶瓷织维棉，增加安装的密封性。 （ 5）将出灰孔盖安装于出会孔盖基座上。 表 7 陶瓷织