小型锅炉设计

1、课程设计报告（2014-2015年度第二学期） 名 称： 新能源热利用与热发电原理与系统课程设计 题 目： 小型家用生物质气化炉设计 院 系： 生化学院 班 级： 新能源1121 学 号： 1121617119 学生姓名： 许亚程 指导教师： 洪坤、朱秀芳、何磊、高晓燕 设计周数： 第18周 成 绩： 提交日期：2015年7月3日一课程设计目的与要求1.设计目的通过小型生物质气化炉设计练习，掌握气化炉的选型、参数设计的原理和方法。2.设计任务设计一个小型家用生物质气化炉，如右图。主要技术指标如下：(1) 点火起动时间：<3min；(2) 气化炉运行稳定，一次加料后持续稳定燃烧时间：3.5

2、h；(3) 气化效率：75；(4) 热效率：90；(5) 燃气热值：>6000kJ/N ；(6) 产气量：1.5 /kg，可供农户一天的炊事使用；(7) 封火时间:12h。3.设计要求独立撰写设计报告，正文不少于5000字。2. 设计内容1.各种炉型结构及特点选型（1）固定床 上吸式气化炉优点是：燃气在经过热分解层和干燥层时，将热量传递给物料，用于物料的热分解和干燥，同时降低其自身的温度，使炉子热效率大大提高；热分解层和干燥层对燃气有一定的过滤作用，所以出炉的燃气中只含有少量灰分；结构简单，加工制造容易，炉内阻力小。缺点是：1.原料中水分不能参加反应，减少了燃气中H和碳氢化合物的含量，气

3、体与固体逆向流动时，物料中的水分随产品气体带出炉外，降低了气体的实际热值，增加了排烟热损失；2.热气体从底部上升时，温度沿着反应层高度下降，物料被干燥与低温度的气流相遇，原料在低温(250400)下进行热分解，导致焦油含量高。优点是：气化强度较上吸式高；工作稳定性好；可随时开盖添料；由于氧化区在热解区与还原区之间，因而干馏和热解的产物都要经过氧化区，在高温下裂解成H2和CO等永久性小分子气体，使气化气中焦油含量大大减少。缺点是：由于炉内的气体流向是自上而下的，而热气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；出炉的可燃气中含有的灰分较多；出炉的可燃气的温度较高，须用水进

4、行冷却。 横（平）吸式气化炉 生物质原料由炉顶加入，灰分落入炉栅下部的灰室。气化剂由侧面进入，产出的气体也由侧面流出，气流横向通过气化区，在氧化区、还原区进行的热化学反应与下吸式气化炉相同，只不过反应温度较高，燃烧区温度甚至会超过灰熔点，容易造成结渣。因此，该炉适用于含灰分少的原料，一般用作焦炭和木炭气化。 （2）流化床气化炉流化床气化炉的反应物料中常掺有精选过的惰性材料沙子，在吹入气化剂作用下，物料颗粒、沙子、气化剂接触充分，受热充分，在炉内呈“沸腾”燃烧状态，气化反应速度快，生产能力大，气化效率高。气化反应在床内进行，焦油也在床内裂解，气固分离以后的炭不断循环回反应炉内。使炭有足够的时间在

5、床内停留，以适应还原反应速度慢的需要。适合水分含量大、热值低、着火困难的生物质物料。主要缺点产气中灰分需要很好地净化处理和部件磨损严重。气化当量比所提供的空气中的氧与物料完全燃烧所需氧的当量比只有在当量比为0.250.3时,即气化反应所需氧仅为完全燃烧耗氧量的25-30，产出气成分较理想。当生物质物料中水分较大或挥发分较小时应取上限，反之取下限。小型家用气化炉设计计算案例(1)点火起动时间：<4min；(2)气化炉运行稳定，一次加料后持续稳定燃烧时间：4.5h；(3)气化效率：80；(4)热效率：95；(5)燃气热值：>6500kJ/N (6)产气量：2.5 /kg，可供农户一天的

6、炊事使用；(7)封火时间: 14h 2.设计计算1.配风设计2.风道3.保温层4.顶部加料口的密封3.气化原料的考虑原料品种燃气成分 %低位热值 （标准状态下）kJ/m3COH2CH4CO2O2N2玉米秸21.412.21.8713.01.6549.885328玉米芯22.512.32.3212.51.448.985033麦秸17.68.51.3614.01.756.843663棉秸22.711.51.9211.61.550.785585稻壳19.15.54.37.53.060.54594薪柴20.012.02.011.00.254.54728同一炉膛结构使用不同的物料所产

7、生的生物质燃气也会有较大的变化。使用中的生物质燃气平均值进行设计计算。4.气化炉主要气化参数的设计计算(1) 初步拟定原料消耗量和气化强度比如，一个四口之家每天用气量大约在911m3 ，用气时间4h左右，消耗生物质原料1113kg，因此，初步设计该户用型上吸式气化炉消耗的原料量C0=3.4kg/h；初步确定气化强度为 =80kg/(h)(2) 确定气化气体的量生物质原料完全燃烧所需的空气量 ：V= (1.866C+5.55H-O.7O) 式中：V原料完全燃烧所需的理论空气量， m3/kg；C原料中碳元素含量；H原料中氢元素含量；0原料中氧元素含量。玉米秸所含主要元素含量为：C=45.43 H=

8、6.15 O=47.14 N=0.78玉米秸完全燃烧所需的空气量为：V= (1.866C+5.55H-O.70) = (1.866×45.43 +5.55×6.15-O.7×47.14) = 4.0908(m3/kg)实际需要通入的空气量 取过量空气系数 =1.2，保证分配的二次通风使气化气得到完全燃烧。因此，实际需要通入的空气量 ： =1.2×4.0908 =4.909(m3/kg)玉米秸秆压块的挥发分较高，含水量很低，当量比取0.3，则每千克燃料气化所需要的空气量 为：=0.3×4.0908 =1.2272 ( m3/kg)5.气化炉主要性

9、能指标的拟定 气化燃气流量q空气(气化剂)中 含量79左右，气化生物质产生的燃气中 含量一般在50左右，考虑到 在该气化反应中几乎很少发生反应，据此，拟燃气流量是气化剂(空气)流量的1.5倍，则可燃气流量q为：= C0×V0×1.5 =3.4×1.2272×1.5=6.2587(m3/h) 燃气的低位发热量 气化燃气的低位发热量拟定Qg=6.5×103kJ/kg 气化效率 拟定气化效率 =80 气化炉持续工作时间T满炉加料，拟定气化炉连续运行时间T=3.8h6.气化炉的主要气化参数的计算原料单位时间消耗量CC= q×Qg /( 

10、15;Qm )=6.2587×6.5/(0.75×16.33)=3.3216 (kg/h) 气化强度 =(C /C0 )×0 =(3.3216/3.4) ×80=78.1553(kg/(m2h) 产气率 G= q/C =6.2587/3.3216=1.8842( /kg) 7.气化炉主要结构参数的设计计算(1)炉膛的结构尺寸 炉膛截面积 S=C/ =3.3216/78.1553 =0.04 m2 炉膛的原料高度L=C×T/(S×) =3.3216×3.8/(0.04×600)=0.53 m由于使用的原料是压缩成型玉

11、米秸秆，成型料的堆积密度一般为原料堆积密度的10倍左右，取密度 =600kg/m3 。 气化炉内筒的高度系数 物料在炉内应有足够的滞留时间，这与燃烧层的高度及物料与气流运动有关，要保证生物质原料气化耗尽。剩下的残灰体积小于燃料体积，设p为原料气化体积收缩率，H为气化炉内筒实际高度，则在加料次数为n次时，实际可加进的燃料高度L为 L=H + Hp1 + Hp2 + + Hpn-1 =H(1-pn)/(1-)H(1-pn)/(1-)为气化炉内筒的高度系数。参考有关文献和经验，生物质原料气化的收缩率p取0.2，由此可得n=1，2，3，4时，高度系数分别为：1， 1.2，1.24，1.248 内筒高度

12、h气化炉加满原料后，经过一段时间运行，原料耗尽，在不排灰的情况下，可再次加入原料继续运行。这个过程理论上可进行无限多次，实际上只有开始几次加料有实用价值。h = L / n = 0.53/1.2 =0.44考虑到气化炉点火时灰烬需要占用一定的空间H= h+0.2=0.8m（2）送风口结构尺寸 一次风口的尺寸上吸式气化炉一次风口，采用在炉膛壁上开小孔的设计方式。通过气化原料气化所需的空气量 确定风口的尺寸，风口的几何尺寸内径 按下式计算：C-生物质原料的消耗量，kg/h；V-风口中空气流速，m/s；V0-气化所需空气量，m3/kg；d1-风口直径，m；N-风口个数8.生物质气化发电技术 1、 生

13、物质气化技术发展2、 生物质气化分类3、 生物质气化指标及影响因素4、 气化发电工艺5、 主要的气化反应器6、 生物质燃气净化（1）生物质气化技术发展a. 始于1883年，已有100多年的历史，以木炭为原料，气化后的燃气驱动内燃机，为早期的汽车或农业排灌机械提供动力。b. 鼎盛时期，第二次世界大战期间，当时战争耗费了几乎所有的燃油，民用燃料缺乏，德国大力发展用于民用汽车的车裁气化器，并形成了与汽车发动机配套的完整技术。c. 第二次世界大战后，长时期内陷于停顿状态。中东地区油田的大规模开发使世界经济的发展获得了廉价优质的能源。石油成为几乎所有发达国家的主要能源d. 20世纪70年代石油危机使生物

14、质气化技术重新得到了关注现状： 大型生物质气化发电示范工程美国Battelle(63MW)、夏威夷(6MW)项目，英国(8MW)和芬兰(6Mw)示范工程等。问题：1.焦油处理技术2.燃气轮机改造技术难度很高 （2）生物质气化分类按气化介质分类（3）生物质气化指标及影响因素1.比消耗量。定义：气化1kg生物质所消耗气化剂(如空气、水蒸气、氧气)的量。如：空气一般0.2-0.32.产品气产率。气化1kg原料所得到的气体燃料在标准状态下的体积称为产品气产率。3.碳转化率。碳转化率是指生物质燃料中的碳转化为气体燃料中碳的份额，即气体中含碳量与原料中含碳量之比。 CO2:燃气中的体积百分比;C:原料中碳

15、的含量，%;Gv:气体产率，m3/kg4. 气化效率。生物质气化后生成的产品气总热量与气化原料总热量之比，称为气化效率，它是衡量气化过程的主要指标。5. 气化强度。单位时间内，气化反应器单位横截面上所能气化的原料量称为气化强度，单位通常为kg(m2h)。气化指标的影响因素：复杂的热化学过程，受很多因宗的影响。影响气化指标的因素取决于3个方面，即原料特性、气化过程的操作条件和气化反应器的构造。a. 生物质特性原料特性不但影响气化指标而日也决定气化方法的选择。生物质作为气化原料比煤作为气化原料有突出的优点。 1)挥发分高、固定族低。生物质特别是秸秆类生物质，固定碳在20左右，而挥发分则高达70左右

16、。在较低温度下，约400度就可全部挥发出来。 2)生物质碳反应性高。生物质碳在较低温度下，以较快的速度与CO2及水蒸气进行气化反应。如：在815、2MPa下，木炭在He(45)、H2(5)及水蒸气(5)的气体中，只要7分钟，80能被气化，泥煤炭只能有约20被气化，而褐煤显几乎没有反应。 3)生物质灰分少。生物质灰分一般少于3(稻壳等除外)。 4)含硫量低。生物质台硫量一般少于02，不需要气体脱硫装置，降低了成本，又有利于环境保护。b. 原料的结渣性。反应性好的原料，可以在较低温度下操作气化过程不易结渣，有利于操作，也有利于甲烷生成。矿物成分往往可使燃料在燃烧反应中起催化作用。例如：将木灰(1.

17、5)喷在加热中的木材表面上就可使反应性加强，反应时间减少1/2。 c. 气化条件。反应温度、反应压力、物料特性、气化设备结构等也是影响气化过程中的主要因素，不同的气化条件，气化产物成分的变化很大。（4）气化发电工艺气化发电系统分类（5）主要的气化反应器固定床气化炉下吸式：焦油含量少，热值高上吸式：焦油含量多，热值低流化床气化炉 优点：（1） 流化床气化炉断面小，气化效率和气化强度较高。（2） 流化床气化对灰分要求不高，可以使用粒度很小的原料。（3） 流化床气化的产气能力可在较大范围内波动，且气化效率不会明显降低。（4） 流化床使用的燃料颗粒很细，传热面积大，传热效率高，气化反应温度不是很高且均

18、衡，结渣的可能性减弱。缺点：(1) 产出气体的显热损失大。(2) 由于燃料颗粒细，流化速度较高，故产出气体中的带出物较多。双流化床气化炉 6.生物质燃气净化生物质燃气含有各种各样的杂质，保证后部气化发电设备不会因杂质的存在而导致磨损腐蚀和污染等问题。焦油问题焦油是一种可冷凝烃类物质的复杂混合物美国NREL的Milne等在其对焦油的研究中曾给出了以下定义：任何有机材料在热或部分氧化(气化)作用下所产生的有机物，且通常认为其主要是较大的芳香类物质，称为焦油。焦油在低于200时凝结成液体，随温度的升高而呈气态，在高温下能分解成小分子永久性气体再降温时不凝结成液体)。可燃气中焦油含量随温度升向而减少。

19、气化装置的影响：上吸式气化器产生的焦油量是最大的，燃气中焦油含量一般在100g/m3的数量级；下吸式所产燃气是最洁净的，焦油含量一般在1gm3的数量级，流化床类型的气化器介于二者之间，燃气中焦油含量一般在10gm3的数量级。焦油危害：(1)当气化燃气的温度降低时焦油会形成焦油雾，被气化燃气携带进入下级设备会影响内燃机、燃气轮机、压缩机等的安全运行(2)焦油占可燃气能量的5一10，在低温下难以与可燃气一道被燃烧利用，民用时大部分焦油被浪费掉。(3)焦油还会与颗粒物等其他污染物发生相互作用造成管道的堵塞。焦油的去除:常用的方法可归纳为两大类：物理净化方法，包括湿法和干法；化学净化方法，包括焦油的热

20、裂化和催化裂化。湿法冷却洗涤、旋风分离、过滤器过滤组合净化装置，经该工艺流程后所剩的焦油含量均在o5gm3以下。湿法存在的问题干式：电捕方法可去除0.01-1mm灰尘，焦油去除98%以上缺点：生物质含氧量高，燃气净化过程必须防爆。焦油黏附在设备上，难以去除，除焦问题。化学方法：1. 高温热解2. 催化剂 白云石镍基催化剂 三课程设计感想与体会通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关小型锅炉设计方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是

21、纸上谈兵。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论