生物质能课程设计

1、目 录第一章 设计原始资料.11.1 设计题目 .11.2 原始数据及设计要求 .11.3 设计方案 .2第二章 供暖热负荷的计算.32.1 管道布置及设计热负荷 .32.2 散热器的选择及计算 .42.3 管道的水力计算 .5第三章 气化炉的设计.73.1 气化炉产气量估算 .73.2 气化炉的设计计算 .7第四章 附属设备的选择.94.1 燃气灶 .94.2 集气罐和排气阀 .94.3 补偿器及除污器 .94.4 水质过滤器.94.5 换热器.9第五章 设计总结.10附 录.11参考文献.12 1 / 12第一章 设计原始资料1.1 设计题目 某农户生物质气化气应用的规划设计1.2 原始数

2、据及设计要求 近年来随着生物质能技术的成熟发展，农村生物质能源的利用率有所提高，但在生物质气化技术推广应用方面仍存在许多问题。现需要设计简单实用，运行稳定，造价低廉，社会效益，环境效益良好的生物质气化应用系统，满足普通农户日常生活需求。进而改善农村生活环境，改进农民生活方式，提高生活水平，更大限度实现低质能源的高档次利用。相关原始数据参数如下表：表 1-1 沈阳市历年月平均温度月平均温度/123410111219512000- 11. 7- 7. 60. 69. 79. 50. 0- 8. 019061950- 12. 9- 9. 1- 0. 98. 89. 4- 1. 0- 9. 9一般四口

3、之家每天炊事用天然气约 0.8m3，根据沈阳市供暖指标得冬季供暖不低于每天 8 小时，供暖温度为 20。房屋结构见图见下图。图 1-1 房屋结构简图 2 / 121.3 设计方案首先根据用户住房结构平面图，计算热负荷，设计供暖管路，匹配相关供暖设施及管道附件；其次查阅资料，设计或改进生物质气化炉，确定生物质气化炉的相关尺寸和材质，并计算气化热量。然后综合考虑燃气管路的布置，计算燃气用量；最后将整个设计进行修正，形成一个有机的生物质气化气应用系统。 3 / 12第二章 供暖热负荷的计算2.1 管道布置及设计热负荷供热管道附件是保证供暖系统正常运行的重要组成部分，主要包括管道上的阀门、补偿器、支座

4、、器具及管件。主要考虑在最低点或局部最低点应设泄水阀，最高点或局部最高点应设放空气阀。管路布置见附录。房屋热负荷计算运用农业生物环境工程热负荷计算公式：Qw=KjAj(ti-to) （2.1）式中 ti _室内计算气温 ； to _室外计算气温 ； Aj_维护结构面积 m2； Kj _各维护结构传热系数 W/( m2)。以房间 1 为例，查资料得：外墙传热系数为 1.57 W/( m2) ，内墙传热系数为 1.72 W/(m2) ，钢筋混凝土传热系数为 1.63 W/( m2)。储藏室所需温度为 0，室外计算温度取-19。Qw = 1.57*(11.4+10.5)*19+1.63*13.3*1

5、9=1065.2 W由于冷风渗透热负荷较小，本设计不予考虑，在计算室内外温差时适当增大温差。计算时依据各房间实际围护结构组成计算。其余房间热负荷计算与房间 1 相似。计算得下表：（注：房间 1 为储藏室，室内计算温度为 0，其余房间为 20，室外计算温度取-19，房屋层高为 3m）表 2-1 房屋热负荷分布房间号屋顶 /m2东外墙 /m2西外墙 /m2南外墙 /m2北外墙 /m2热负荷 /W113.311.4_10.51065.2213.3_10.51488.4313.3_10.51488.4426.6_11.4_213674.851412_10.5_2267.6628_21_3065.372

6、8_1221_3800.5 4 / 122.2 散热器的选择及计算 常见散热器由翼型散热器和柱形散热器。本设计采用柱形散热器四柱 813 型散热器，与翼型散热器不同，其金属热强度及传热系数高，容易组成所需的面积，价格低廉。散热器安装外窗台下面，减少冷风渗透的影响，使流经工作地区的空气比较暖和。散热器布置时可按房屋结构及实际需要进行调整。采用农业生物环境工程第二章散热面积 F 计算公式： m2 （2.2）123()pjnQFK tt 式中 Q_散热器的散热量， W； tpj_散热器内热媒平均温度，； tn_供暖室内计算温度，；，K_散热器的传热系数，W/( m2)； 1_散热器组装片数修正系数；

7、 2_散热器组连接形式修正系数； 3_散热器组安装形式修正系数。 （2.3）fFN式中 f_每片散热器散热面积 ，m2。以房间 1 为例：热媒在管道中流动时有热量损失，故 tpj取供回水温度平均值82.5。2取 1.0，3取 1.02，f 取 0.28 m2，K 取 7.79。散热面积 F=1*1*1.02*1065.2/7.79/82.5=2.06 m2； 散热器片数 N=2.06/0.28=7.35 修正之后取值 8。其余房间计算同上。计算结果见下表： 5 / 12表 2-2 房间散热器散热面积及片数房间编号热负荷/ W散热面积/ m2散热器片数连接修正系数11026.52.0681.00

8、21488.42.99111.0531488.42.99111.0543674.87.40281.1052267.64.56161.0563065.36.17221.1073800.57.65281.102.3 管道的水力计算 热媒在管道中流通时流速会受到连接形式以及管道长度的影响。这就必须考虑流体的水力损失。管道的水力损失主要考虑局部损失和沿程损失，参考流体输配管网水力计算公式。 （2.4）)(6.3hgttCQG 19.0381.00476.0)(387.0RGKd（2.5） （2.6）.1.9l25.025.1Kdd (2.7)2.42vRlpsm式中：G_热水网路设计流量（kg /h）

9、 ； Q_热负荷(kW)； tg_热水网路的设计供水温度（） ； 6 / 12 th_各种热负荷相应回水温度（） ； C_水比热容 C=4.187kJ/(kg)； K_管网的当量绝对粗糙度（m） ； d_管道的内径（m） ；_水的密度 ( kg/m3)；Ld_当量长度 （m） ；_管段的局部阻力系数。查流体力学相关资料，本设计取比摩阻 R 为 80Pa/m，当量绝对粗糙度为 0.2*103，局部阻力系数见附录。运用 MATLAB 软件对数据数据处理。水力计算结果如下表:表 2-3 水力计算详表房间计算流量（kg /h）当量长度（m）公称直径（mm）流速(m/s)管段压力损失（pa）1181.1

10、17710.3221.9140.04379292825.62365.176619.328.62450.0517504315443549.235619.333.43980.0570318815444846.960764.239.43880.0632272851365187.52314.0222.20610.044156801121.66497.75943532.20940.0557110928007872.805441.939.8930.063681403352计算得最大扬程为 2m，自然循环热水供暖系统满足设计要求，供水方式为上供下回，给回水温度分别为 95/70。采用威孚热能 LW0.1-0

11、.7-Y.Q 型锅炉，供暖面积为 180 m2大于房屋建筑面积 162 m2。此锅炉用立式无管、四回程结构，有效地增加了烟气向炉水大热量传输，热效率提高，节能效果好，其详细参数见下表。表 2-4 锅炉详细参数锅炉参数数值 7 / 12第三章 气化炉的设计3.1 气化炉产气量估算可采用作为气化的原料比较多样，各成分投入比例不固定，热值也不同。查阅生物质能工程得常见生物质原料气化气热值见下表： 表 3-1 生物质气化后燃气成分组分含量（）CO2O2COH2CH4N2低位热值 (kJ/m3)木材8.81.523.17.23.355.15448玉米芯10.30.421.910.04.352.45724

12、玉米秸11.61.522.712.31.950.64915麦秸14.01.717.68.51.456.74002稻壳7.53.019.15.54.360.54594计算时取其平均值计算得出生物质气化气综合热值为 4937 kJ/m3。设计热负荷为17971.5W，每天供暖约 8h，总热量为 517MJ。四口之家一天所使用的天然气量为 0.8 m3，相对生物质气量：V=天然气用量天然气燃烧热值生物质气热值，由于天 然 气 热 值 为 3336035445 kJ/m3，生物质燃气热值46MJm3，大约可得相 当于 565 m3生物质气化气的用量,热量为 27.68 MJ。则普通农户满足生活所需的总

13、热量为 484.68 MJ。约需要生物质燃气量为 104.6 m3,参考北京某公司气化炉设计参数，每天运行 10h，每小时所需燃气量为 10.5 m3。工作压力（Mpa）0.7出水温度（）9598给水温度（）1618供暖面积（m2）180热效率（%）87%尺寸（mm）102010801750 8 / 123.2 气化炉的设计计算国内大多采用固定床下吸式气化炉，由于其结构简单、工作稳定性好、可随时开盖添料并且出炉焦油较少。本气化炉在设计上以国家农业部秸秆气化验收规范和技术条件(NY/T4432001)的指标为设计依据，其具体指标为：气化效率 70；燃气热值46MJ/m3。因此，取气化炉的气化效率

14、 =70，燃气热值 Qg=49MJ/m3. 根据网上数据生物质气化炉内堆积的生物质密度 大约为 90kg/m3，生物质的低位热值平均值 Qb=l6MJ/kg。依据生物质能工程气化效率相关计算公式： bPQGQ.g（3.1）式 中 _生物质气的气化效率；Qb_生物质原料热值 (kJ/m3)； Qg_气化气体热值(kJ/m3)；Gp_气体产率 (m3/kg)； 将上述数据带入式（3.1）计算得 Gp值为 2.29 m3/kg。 （3.2）bgpMVG式中 Mb_气化生物质质量(kg)；Vg_气化气体标准状态体积(m3) ；计算时 Vg取值 10.5 m3，代入上式计算得 Mb值为 4.59 kg。

15、 bMV1（3.3）式中 Vl_炉膛体积(m3)；_炉内堆积的生物质密度（kg/m3） 。生物质气化炉内堆积的生物质密度 大约为 90kg/m3，计算得炉膛容积 Vl为 0.051 m3 9 / 12。 根据容积计算喉口处直径为 400 mm，筒体内径为 600 mm，高度为 1000 mm，灰室高度为 250 mm,进气口高度 750 mm,气化炉喉口高度 150 mm，保温层厚度 50 mm。查阅资料得在当量比为 0. 25 至 0. 3 时, 产出气成分较理想，取当量比为 0.25。单位质量生物质完全燃烧需要空气 3.85m3,故实际空气量 0.96 m3/kg。如果单位时间处理原料量为

16、 137kg/h，则单位时间气化剂耗用量为 132 m3/h。所以选用 CZR 离心式鼓风机，功率为 40W，入口风径为 40 mm。单位时间产气量为 11 m3/h，出气口直径为 50 mm。表 3-2 气化炉详细尺寸气化炉部位喉口炉筒炉筒灰室保温层进气口高度喉口高度进气口出气口尺寸/mm4006001000250507501504050第四章 附属设备的选择4.1 燃气灶本设计采用海尔 JZ12T2-Q87DG 双孔燃气灶，操作简单，点火方便，额定热流量大等优点，满足本设计要求。4.2 集气罐和排气阀 本设计采用 YSP-2 型国家标准集气罐；排气阀选用 SCARDN30 复合排气阀。4.

17、3 补偿器及除污器 为减弱在管路上因热胀冷缩引起的应力，必须安装补偿器。本设计采用简单的自然补偿器，利用管路的自身弯曲来补偿管段的热伸长。因此不用特设补偿器。本设计选用瑞辉机械设备有限公司生产的 RH 型除污器。满足了设计压力及设计温度。设计压力：1.6Mpa 设计温度：120 法兰标准：JB/T819表 4-1 除污器详细参数 10 / 12型号分离粒径/mm效率/%杂质容量/g/cm3公称直径/mm工作压力/Mpa连接方式RH0.070.380971.83001.0法兰连接4.4 水质过滤器要求水质过滤器应是能够直接去除水体悬浮物、颗粒物，降低浊度，净化水质，减少系统污垢、菌藻、锈蚀等产生

18、,以净化水质所以采用不锈钢自清洗过滤器。 表 4-2 水质过滤器详细参数规格（mm）滤芯数接管口径2505505Dg254.5 换热器 本次设计是利用供暖管道热量，根据设计需求应选择间壁式换热器中的套管式换热器，选用沈阳永业实业有限公司套管换热器。第五章 设计总结课程设计让我们更深入了解了生物质气化气应用，更系统更全面的认识了生物质能利用技术。在课程设计中将老师在上课讲的知识应用到具体实践当中，使得对知识有了更深入的理解，在老师的帮助以及小组成员通力协作下顺利完成。1）设计了合理的普通农户生物质气化气应用系统，满足日常生活炊事用气；2）较为理想的供暖系统所能达到的供热效果高于沈阳市最低供热指标；3）改善了农户生产生活方式，广泛地利用废弃生物质能源，提高了能源利用效率；4）在生物质能应用技术推广方面做了一定的探索。完成设计任务的同时也锻炼了自己的动手和动脑的能力以及计算机绘图技术，开发了大家的思维创新能力。学