生物质气化机组主机的设计

1、摘要根据生物质气化原理,针对目前气化炉产气热值低和自动排灰的问题,设计了一种内燃加热式气化炉。内燃加热式气化炉优于已有的固定床气化炉、流化床气化炉;类似于下吸式固定床气化炉,热解气中焦油含量低；设置以热解气为燃料的内加热系统，减少了空气入炉量,提高了热解气热值。内燃加热式气化炉是将生物质气化与焦油的催化裂解集于一体,不需要再为催化裂解提供热源。关键词:生物质；气化；气化主机AbstractAccording to the principle of biomass gasification, aiming at the production of low calorific value gasi

2、fier and existing problem of tar, design a kind of internal-combustion heating gasifier. Diesel heating has fixed bed gasifier superior gasifier, fluidized bed gasifier, Under the similar fixed bed gasifier, type of low tar by, By setting to the fuel for heating system in air, reduce the quantity of

3、 heat, improve charging by the calorific value. Diesel heating gasifier is the biomass gasification and tar in catalytic cracking, do not need to provide for the catalytic cracking of heat.Keywords: Biomass；Gasification；Gasification host目 录摘要IAbstractII目 录III前言IV1生物质的简介1生物质的基本概念11.2 生物质资源2生物质气化技术简介4

4、生物质气化技术现状7课题意义82生物质气化技术的简介10生物质热解气化的原理与分类10生物质气化炉123.生物质气化机组主机的设计15气化机组主机总体方案的确定15生物质气化机组主机的设计154风机的选择225电动机的选择236结论24参考文献25致谢27前言在世界能源消耗中，生物质能源一直是人类赖以生存的重要能源，是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量的第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。生物质能的利用占世界总能耗的14 % ，相当于12.57亿吨石油。在发展中国家则更为突出，生物质能占总能耗的35 %。目前全世界仍有25 亿人口用生物质煮饭、取暖和照明，但生物质利用总量还

5、不到其产量的1。大量使用大自然馈赠的生物质能源，几乎不产生污染，资源可再生而不会枯竭，同时起着保护和改善生态环境的重要作用。生物质能源是理想的可再生能源之一，生物质能的应用技术开发，旨在把森林砍伐和木材加工剩余物以及农林剩余物、工业废弃物如秸秆、麦草等原料通过物理或化学化工的加工方法，使之成为高品位的能源，提高使用热效率，减少化石能源使用量，保护环境，走可持续发展的道路。从加世纪70 年代起，生物质资源的开发和利用受到了广泛关注。1生物质的简介一切有生命的可以生长的有有机物质统称为生物质。他包括植物、动物、和微生物。各种生物质之间存在着相互依赖和相互作用的关系。生物质对人类有着广泛而重要的用途

6、：（1）用作食物；（2）用作工业原料；（3）用作能源；（4）改善环境、调节气候、保持生态平衡。生物质能是指蕴藏在生物质中的能量，生物质能是可再生能源，通常包括以下几个方面:（1）木材及森林工业废弃物;（2）农业废弃物；（3）水生植物；（4）油料植物；（5）城市生活垃圾及工业废弃物；（6）排泄物。从广义上讲，生物质是植物用过光合作用生成的有机物，绿色植物的光合作用是地球上的重要、规模最大的太阳能利用和转换过程，正是依靠这种转换过程，地球上的60亿人类、约200多万种生物（其中动物150多万种、植物30多万种）的生命活动所需的食物和能量才能不断得到供应。这部分能量是太阳能的多种自然转换形式中惟一可

7、被储存起来的，所以生物质能是太阳能的一种。绿色植物吸收地下水、无机盐和二氧化碳，通过叶绿体把这些简单的无机物转化成以主的复杂化合物，而这些有机物正式一切生物和人类生存所必须的食物（物质转化过程）。通过光合作用，把太阳能转化为储存在有机物质中的化学能。这些转化储藏的化学能正式一切生物和人类和人类生存所必须的能量（能量转化过程）。由此可见，正式在太阳辐射能的推动下，通过光合作用，生物界中能量的生产者（绿色植物）、消费者(包括食草动物、食肉动物和人类)和分解者（微生物）的功能被有机地联系起来，完成了自然界物质和能量的代谢和循环，使生物不断生长发育、自我更新、遗传变异、繁衍发展。地球上的绿色植物包括森

8、林、农作物、野生菜类等陆生植物和水草、藻类等水生植物，它们以0.25%到5%的能量转换率，每年把太阳辐射到地球表面能量的1%左右，以碳的形式固定下来。碳是构成有机体的主要元素，占生命物质总量的25%。绿色植物是碳的生产者，通过光合作用使非生物界的碳进入了生物界，在生物界中又通过食物链互相转移。植物的根、茎、叶、花、果的90%以上都是由光合作用产生的有机物质组成的。它们中间有的可以直接供人类使用，如粮食、蔬菜、水果等；有的则转化为动物质后再被人类食用，如肉类、蛋类、鱼虾等。地球上30多万种绿色植物是有机物的生产者，所有的食物链都是以绿色植物为基础的，其余的150多万种的动物均是消费者。所谓生物质

9、能，主要是把某些生物质作为一种能源(而不是食物)，设法将蕴藏在其中的化学能尽量全部地、集中地释放出来，以满足人类对能源(而不是食物)的需求。基于这一独特的形成过程，生物质能既不同于常规的矿物能源，又有别于其他新能源，它兼有两者的特点和优势，是人类最主要的可再生能源之一。其特点如下。（1）生物质能源的大量性和普遍性。生物质是一种到处都有的，普遍而廉价的能源，取材容易，生产过程简单。（2）生物质能是一种理想的可再生能源。只要太阳辐射能存在，绿色植物的光合作用就不会停止，生物质能就永远不会枯竭。（3）生物质能的清洁性。在科学合理的使用下，生物质能不但不会污染环境，而且还有益于环境。生物质能在作为能源

10、被利用的同时可实现二氧化碳的“零排放”。1.2 生物质资源生物质不但数量巨大，而且具体的种类也很多，植物类中最主要也是我们经常见到的有木材、农作物废弃物（秸秆、稻草、麦秸、豆秸、棉花秸、谷壳等）、杂草、藻类等。非植物类中主要有动物粪便、动物尸体、废水中的有机成分、垃圾中的有机成分等。中国的生物质资源情况分述如下。1.农作物废弃物 中国是一个农业大国，在农业生产中产生大量的农作物废弃物，这些废弃物在中国能源史上，在农村能源领域扮演了十分重要的角色。据统计，2001年全国粮食产量为4.5264亿吨，而农作物秸秆产量为7.074亿吨，相当于2.476亿toe（系指油当量单位）。稻壳、玉米秸和麦秸的产

11、量大约1.749亿toe，占农作物废弃物总量的70.6%。其中，稻壳为0.658亿toe，约占26.6%；玉米秸为0.742亿toe，约占30.0%；麦秸为0.349亿toe，约占14.1%；其他生物质废弃物为0.727亿toe，约占29.4%。近几年的农作物产量见表1-3。然而，这些农作物废弃物的利用亦不相同，1998年，大约仅有800万吨农作物废弃物（约占10%）用作牲畜饲料；1.5亿吨（约占20%）用作工业原料；4亿吨（约占52%）用作燃料，作为农村地区的主要能源；1.4亿吨（约占18%）在田里直接烧掉或废弃。2.林业废弃物 根据2000年完成的第5次国家森林资源调查（1994-1998

12、年），至1998年有森林土地2.63亿公顷，森林面积1.59亿公顷，其中，木材存量为124.9亿立方米，森林存在量超过112.7亿立方米。这比第4次国家森林资源调查时增长了10%。在中国，木材的消耗主要分为三部分：第一部分是用于制造木制品，约占总量的44.2%；第二部分由木材厂和农场自身消耗，约占总量的32.1%；第三部分用于生活燃料，大部分是直接燃烧形式，约占总量的28.8%。3.畜禽粪便 随着近几年城市人口的增长和饲养家畜数量的增多，人类的粪便成了一个大的污染源；同时，也便成了一种重要的生物质资源。这已经引起了国家及有关专家的关注。2000年，畜禽粪便的产量为3.2亿吨干物质，相当于1.1

13、亿toe。4工业固体生物质废弃物 工业生物质资源是指来自工业生产过程的固体废弃物，如酿酒厂、造纸厂、木材厂、粮食加工厂、糖厂和食品加工厂的固体废弃物。据估算，我国的工业固体生物质废弃物总量可达到48Mt。（1）农作物谷壳。如上所述，中国是一个农业大国，谷壳资源是工业生产中产生的一个巨大的生物资源。这个资源同粮食生产的相关，如大米和小麦。谷壳的产量大约是粮食产量的30%。据统计，在大米和小麦加工中大约可生产0.8128亿吨谷壳。但是事实上，约有30%谷壳被用作生活燃料、乙醇发酵和动物饲料。可作为能源利用的大约为0.55亿吨，相当于18Mt油当量。(2) 造纸厂废弃物。造纸术也是工业固体生物质废弃

14、物的一个较大的来源。2000年我国纸产量为2487万吨，而废弃物的产量，总量为320万吨，相当于110万吨油当量。其中，大约102万吨产生于木纸浆的生产过程，而且，这部分资源几乎没有作为能源利用。(3) 木材厂废弃物。中国是世界上最大的木材和木制品生产国和消耗国之一。但是同其他发达国家相比，人均占有森林量却很低。据专家估算，全国木材年需求量超过3亿立方米，但是，目前国内供给量仅为1.5亿立方米，这就意味着短缺50%。而且，预计今后木材的需求量还要增加。1999年木材厂的废弃物产量，总量为3703万立方米，即1850万吨，相当于600万吨油当量。按此计算，到2005年，木材废弃物产量可达1亿立方

15、米（5000万吨）。到2015年，则可达到1.4亿立方米。（4）其他相关的工业生物质废弃物。这部分废弃物包括了产自酿酒厂、糖厂和食品加工厂生产的污水大约60亿吨，这些污水中含有高浓度的COD，总量约为250万吨。另外，同一年，在这些城市中还有5300万吨的日常生活污水排放。（5）城市固体废物物。城市固体废弃物（MSW）主要来自于城市居民的日常生活，还有一些来自于如学校、医院、公园等公所场所。城市固体废弃物的产量取决于城市居民的生活水平。最近几年，城市固体废弃物的产量在不断地增长，从1995年的1.075亿吨增加到2000年的1.182亿吨。从1985-2000年城市固体废弃物的总量情况，其增长

16、率为每年10%。城市固体废弃物是一种复杂的、含有多种不同固体垃圾的混合物，因此，它的成分也根据不同城市的生活条件、能用结构、城市建设以及气候的不同而变化。 生物质气化技术简介随着国内外经济的可持续快速发展，石油、天然气、煤气等一次性资源供需缺口逐年增大，人们迫切需要一种低价、节能、安全、洁净的新型燃料进入市场。全球能源紧缺、石油煤炭等不可再生资源不断涨价那是必然的。开发新能源是市场的要求是必然趋势！特别西欧国家生物质能资源在国家基本能源消耗所占比重比较大，在美国、奥地利和瑞典等各国的基本能源消耗中已分别占4%、10%、16%。为此，在发达国家及发展中国家都积极研制开展了诸多途径的生物质利用技术

17、研究及应用，目前生物质能开发与利用主要技术手段有：生物质微生物发酵，它包括生物质沼气发酵、生物质酒精发酵；生物质热化学转换技术，它包括生物质热解技术、生物质气化技术、植物质压缩成型和制碳技术；生物质能源生态工程。而生物质气化技术是近年来发展比较迅速且可靠的一种生物质能利用技术，即热化学处理技术，将固体生物质原料转化为高品位的可燃性气体燃料。由于气体燃料高效、清洁、方便。因此生物质气化技术的研究和开发等到了国内外的广发重视，并取得了可喜进展。生物质气化技术类型可分为两类：固定床气化炉和流化气化炉。固定床气化炉按气体在炉内流动方向，可分为下吸式、上吸式和横吸式三种类型。流化床气化炉按供给气化剂的压

18、力大小，流化床气化炉可分为常压气化炉和加压气化炉。流化床按照炉子结构和携带式流化床气化炉四种类型。生物质气化技术按照供应途径的目的主要分为生物质气化发电技术和生物质气化集中供气技术。生物质气化技术，就是生物质原料在缺氧状态下加热反应的能量转换过程。生物质原料由碳、氢、氧等元素和灰分组成，当他们被点燃时，供应少量空气，并且采取措施控制其反映过程。使碳、氢元素变成一氧化碳、甲烷、氢气等可燃气体，原料中大部分能量都转移到气体中，这就是气化过程。新能源和再生清洁能源技术是本世纪经济发展中最具有决定性影响的六大技术领域之一，包括水能、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等，具有普遍存在用之不尽、无环境

19、污染等优越性，在世界和我国能源可持续发展中发挥作用越来越大。开发新能源和再生清洁能源的新技术、新材料和新工艺是提高其能源转换效率，降低生产成本和增大在能源结构中所占比例的关键。目前，生物质技术的研究与开发已成为世界热门课题之一，受到世界各国政府与科学家的关注。许多国家都制定了研究开发计划，如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、 美国的能源农场等，其中生物质能源的开发利用占有相当大的份额。国外很多生物质能源技术和装置已经达到商业化应用程度，同其他生物质能源技术相比较，生物质颗粒燃料技术更容易实现大规模生产和使用。使用生物质颗 粒燃料的方便程度可与燃气 、燃油等能源相媲美。以美国、瑞典和奥地利等国

20、为例，生物质能源的应用 规模分别占该同一次性能源消耗量的、和；在美国，生物质能源发电的总装机容量已超过 万， 单机容高达； 在欧美，针对一般居民家用的生物质颗粒燃料及配套的高效清洁燃烧已经非常的普及。我国十分重视生物质的开发和利用。世纪年代以来，我国政府一直将生物质能源利用技术的研究与应用列为重点技术攻关项目。开展了生物质能利用新技术的研究和开发，使生物质能技术有了进一步提高。但我国生物质能的利用研究主要集中在大中型畜禽场沼气工程技术、秸秆气化集中供气技术和垃圾填埋发电技术等项目，还是刚刚起步。为减少化石能源的消耗,有效地减轻秸秆随地焚烧带来的日益严重的环境污染并提高农民的收入,实现农业的可持

21、续发展,在国家科技部、农业部以及各级政府的大力支持下,秸秆气化集中供气工程在我国农村居民集中的许多地区得到了较好的推广应用,已形成产业化规模。到年底,全国已建成秸秆气化集中供气站 处。但是,由于集中供气系统的工程造价高,燃气中焦油和灰分含量高,产生的污水难以处理,管网易堵塞,系统维修量大等原因,在一定程度上又限制了其普及应用。从目前实际运行情况来看,据有关部门统计,有许多气化站处于亏本营运或停运状态。气化炉的研究与开发将为农村推广普及秸秆气化技术注入新的活力,其经济效益、生态效益和社会效益显著,具有广阔的市场前景。秸秆气化炉不仅在农业上能够给予帮助，在实际生活中，也能给人们带来一定的方便。生物

22、质能在我国农村是最重要的生物质资源。但长期以来，大多数生物质能都被以直接燃烧为主，不仅效率低而且伴随着大量的灰尘和余灰的排出，成为阻碍农村经济发展和社会进步的重要因素。随着社会的和科学的不断发展，生物质与煤一样，可以通过热化学过程裂解气化为燃料，是一种常用的生物质能转化途径。我国生物质资源大量的浪费和农村商品能源需求逐年增大的局面，已经引起了政府和社会的关注。在我国绝大多数居住在广大乡村和小城镇农民，能源消耗在以上主要是直接燃烧生物质能源产生的，而且越往西部地区生物质能源所消耗的比例越占越大。在经济落后的偏远地区生物质能更是农村居民的主要能源。对提高偏远地区农村居民的生活水平，寻求生物质资源利

23、用的新模式，改变农村燃料结构，改进农民炊事方式，对消除污染，减少有害气体的排放有重要的意义。吸式秸秆气化炉的气化原理秸秆气化技术是一种热化学处理技术,通过气化炉将农作物秸秆转换为使用方便且清洁的可燃气体。其基本原理是将简单粉碎的农作物秸秆投入气化炉后加热干燥,伴随着温度的升高,析出挥发物,并在高温下热解。热解后的气体和碳在氧化区与供入的气化剂如空气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、的混合气体,去除焦油、杂质后即可燃用。这种技术可将低品位的固体生物质转换成高品位的可燃气。生物质能转换与利用技术是我国今后一个时期可持续发展十大科技示范工程，是当

24、前农村能源应用领域的一个新突破，是改善和提高农民生活条件的一场革命，是农村能源利用开发史上的一个重要的里程碑。生物质燃气新科技，开创了农村利用低品位生物质资源供应现代生活用气的新事业，成为农场一个新的经济增长点，符合我国国情。本技术的的开发和推广应用，对优化农村资源利用，消化大量农业废弃物，改善农村生态环境，提高农民生活质量，促进农场经济发展，加快农村小城镇建设步伐，缩小城乡差别，推进农村现代文明进程，具有重要的社会经济意义。生物质气化技术现状国外生物质气化领域处于领先水平的国家有瑞典、美国、意大利、德国等。目前，国外生物质气化装置一般规模较大，自动化程度高，工艺较复杂，以发电和供热为主，如加

25、拿大摩尔公司fMoore CanadaLtd1设计和发展的固定床湿式上行式气化装置、加拿大通用燃料气化装置有限公司(Omnifuel GasificationSystem Limitred)设计制造的流化床气化装置、美国标准固体燃料公司(Standard SolidFuels Inc)设计制造的炭化气化木煤气发生系统、德国茵贝尔特能源公司f Imbert Energietechnik GMBH)设计制造的下行式气化炉一内燃机发电机组系统等等，气化效率可达6090，可燃气热值为2.510.4kJm。美国近年来在生物质热解气化技术方面有所突破，研制出了生物质综合气化装置一燃气轮机发电系统成套设备，

26、为大规模发电提供了样板。国外生物质气化应用情况主要为：生物质气化发电；生物质燃气区域供热；水泥厂供燃与发电并用的生物质气化站；生物质气化合成甲醇；生物质气化合成氨。与此同时，为满足发展中国家农村用能的需要，一些国家也研究了小型气化设备。日本的Jun Sakai等人于70 kw 的汽油机并取得了成功。类似的装置在菲律宾的Central Luzon大学(1977)，美国密执安州立大学(1978)和泰国农业部农业工程局(1980)相继研制成功并逐步走向实用化。目前，由ThomasReed和Ron Larson设计的木材增压家用炊事气化炉，适用于小木块为原料，CO排放量低，安全方便，宜于家用炊事。印度

27、科学研究所研制的IISc小型气化炉，用木块和团状垃圾作为燃料，输出热功率34kW，一次加料在炉内可以连续反应2 h，进一步降低了烟尘排放量。UTin Win设计的稻壳户用气化炉对稻壳进行高效无烟燃烧，并且，诸如土豆皮、菜叶、新鲜生物质等厨房垃圾切碎均可以和稻壳一起参与气化反应。从20世纪80年代初开始，我国生物质气化技术一直受到政府和科技人员的重视，“七五”和“八五”期间取得了较大进展。我国自行研制的集中供气系统已进入实用化试验及示范阶段，山东能源研究所研制的XFF系列秸秆气化炉在农村集中供气应用中获得了一定的社会、经济效益；大连市环境科学设计研究院用研制的Lz系列生物质干馏热解气化装置建成了

28、可供l000户农民生活用燃气的生物质热解加工厂。然而，目前的集中供气系统普遍存在着所的“大马拉小车”问题，即许多气化工程欠户现象严重，达不到设计要求的户数，使生物质气化设备的利用率降低，并且焦油问题难以根绝，致使大型输气管网易堵塞，拆卸和清洗不便，气化站运营和维护成本及难度都很高 ，燃气的热值和气化强度依然偏低，不能充分满足用户使用要求。导致大部分气化站开工率低，基本处于停产和半停产状况。我国小型气化炉的研究开发也在逐步发展，形成了多个系列的炉型，可满足多种物料的气化要求，在生产、生活用能、发电、干燥、供暖等领域得到利用。如中国农业机械化科学研究院研制的ND系列生物质气化炉，用气化产出气烘干农

29、林产品，设备简单，投资少，热效率高，对于小型企业及个体户有使用价值，其中ND一600型气化炉已进行较长时间的生产运行，取得了一定效益；中科院广州能源所，对上吸式生物质气化炉的气化原理、物料反应性能作了大量试验，研制出GSQ型气化炉；云南省研制的QL一50、60型户用生物质气化炉已通过技术鉴定并在农村进行试验示范。课题意义生物质直接燃烧是生物质能最早被利用的传统方法，生物质直接作为燃料燃烧具有许多优点：（l）资源化，使生物质真正成为能源，而不是产生能源产品替代物的原料；（2）减量化，减少了生物质利用后剩余物的量；（3）无害化，直接燃烧生物质不会造成环境问题，真正达到了能源利用的无害化。本课题将原

30、生物质气化技术并应用于家用炉具，有以下重大意义：部分缓解能源紧张状况通过对03 年中国能源结构和世界能源结构对比可知，我国能源仍是以煤为主，但资源利用率低。小煤矿资源回收率不足20 % ，煤泥、劣质煤及伴生资源没有有效利用。而90 以上的城市供热和工业用热由普通燃煤锅炉供应。1-1 世界和中国能源对比时近几年能源生产安全形势依然十分严峻，其中2003 年全国煤矿事故死亡6702 人，每生产100 万吨煤炭平均死亡4 同人，其中原国有重点煤炭企业为1 人、国有地方煤矿3 人、乡镇煤矿10 人。是仅次于交通的第二大事故灾害。生物质成型燃料的大规模利用将有利于缓解能源紧张引起及其引起的一系列社会问题

31、。1. 降低农村用能费用，改善居室环境，调整农村用能结构从近儿年农村能源建设来看，成绩显著，但部分地区生活用能尚未解决主要问题，一是生活用能商品化程度偏低，许多农民以薪柴和秸秆为主要生活燃料，影响生活条件改善，导致植被严重破坏。二是地区发展不平衡，西部农村普遍存在生活能源短缺问题，东中部山区和贫困地区农村生活用能状况需要进一步改善。下表中列举了生物质成型燃料在我省纠庄村的使用情况。全国各地农村实际情况会有很大不同，但对低污染、低费用燃料的需求是一致的，较大规模使用该种燃料可从整体上调整农村用能结构。1. 二氧化碳“零排放”生物质生长过程中吸收的CO 与其燃烧利用中排放的CO 是相等的，在CO总

32、量上实现了零排放或零增长，消除了产生温室效应的根源。如果能在中国广大农村将该燃料应用本试验中的高效炉具，将会进一步增加中国实施清洁发展机制的潜力。我国2006年1月1日开始实施的 可再生能源法 指出：“促进可再生能源的开发利用，增加能源供应，改善能源结构，保障能源安全，保护环境，实现经济社会的可持续发展。”“国家鼓励清洁、高效地开发利用生物质燃料。”专家认为，到2015年，全球总能耗将有40来自生物质能源。根据中国工程院 中国可持续发展能源战略研究 预测，2050年我国生物质能开发利用量将占一次能源供应量的8 %。将生物质成型燃料应用于农用炉具不仅可以满足快速发展的国民经济对能源利用的需要，而

33、且对于改善农村用能结构，缓解能源生产和使用造成的环境污染，弥补化石能源的不足，保障能源供应安全，建立可持续的生物能源系统，保障我国经济的可持续发展都具有十分重要的意义。2生物质气化技术的简介2.1生物质热解气化的原理与分类2生物质热解气化的原理生物质热解气化(简称气化)是一种热化学反应技术，它是指利用空气中的氧气、含氧的物质或水蒸汽作为气化剂，将生物质中的碳氧化成CO、等可燃气体的过程。气化反应过程随着气化装置的类型、工艺流程、反应条件、气化剂种类、原料性质等条件的不同，其反应过程也不相同;但不同条件下的生物质气化过程基本包括下列反应: 上述反应中，碳和氧的氧化反应是基础，即属于一级反应的碳和

34、氧生成二氧化碳(反应21)和一氧化碳(反应22)的放热反应。碳和水蒸气的反应(反应23、24)则是典型的气化目的的反应，也属于一级反应，生成氢气、一氧化碳和二氧化碳。这些反应生产物与碳之间，以及反应生产物之间，在相近的温度和压力下将发生二级反应(反应25212)，这些反应中既有吸热反应，也有放热反应。以上吸式气化炉为例，气化反应大致分为氧化层、还原层、裂解层和干燥层。其它类型的气化炉内部气化反应与上吸式气化炉有很大相似（1）氧化反应气化剂由炉栅下部导入，经灰渣层吸热后进入氧化层，在这里同炽热的碳发生燃烧反应，生成大量的COZ，同时放出热量，温度可达 1000 1300，反应式为: （213）由

35、于是限氧燃烧，没有充分的氧进行完全燃烧。因此，不完全燃烧反应同时发生，反应式为： (214)在氧化层进行的均为燃烧，是放热反应，也正是这部分反应放出的热量为还原层的还原反应、物料的裂解和干燥提供了热源。（2）还原反应在还原层已没有氧气存在，在氧化反应生成的和碳、水蒸气发生还原反应，还原区的温度约为700900，主要产物为CO、和，其反应式为： (215) (216) (217) (218) (219)（3）裂解反应氧化区及还原区生成的热气体，在上行过程中经过裂解区，将生物质加热，使在裂解区的生物质进行裂解反应。在裂解反应中，生物质中大部分的挥发份从固体中分离出去，该区的温度大约在400600。

36、裂解区的主要产物是炭、挥发份气体、焦油和水蒸气。（4）干燥区在该区通过加热生物质原料，使原料中的水分蒸发，吸收热量，并降低产气温度，气化炉出口温度可达100300。裂解区和干燥区，总称为燃料准备区。2生物质气化技术的分类目前，生物质气化技术大体上可按两种方式进行分类:一是按气化剂类型进行分类，二是按设备运行方式进行分类。（1）按气化剂类型分类生物质气化技术按气化剂类型分类分为：不使用气化介质和使用气化介质两大类。不使用气化介质的有干馏气化。使用气化介质的有（1）氧气气化；（2）空气气化；（3）水蒸气气化；（4）氢气气化。那么其中干馏气化其实是热解气化的一种特例，几而且由于干馏是吸热反应，必须在

37、工艺中提供外部热源才可以使反应进行氧气气化则不需要提供外部热源，氧气与原料之间进行的氧化反应所放出的热量可以为热解反应提供充足的热源，所产生的一般是15000kJ/ 遥的中热值气化气。空气气化由于乏的加入，使其可燃气成分含量降低，热值也随之降低到5000kJ如3左右，为低热值燃气。氢气作为气化剂气化反应条件较为苛刻，需要在高温高压且具有氢源的条件下进行，其气化气为热值高达2226026040kJ/的高热值气化气（2）按设备运行方式分类生物质气化技术按气化装置的运行方式分为两大类，固定气化炉和流化气化炉。其中固定气化炉包括：上吸式气化炉、下吸式气化炉、横吸式气化炉、开心式气化炉。流化床气化炉包括

38、；单流化床气化炉、双流化床气化炉、循环流化床气化炉、携带床气化炉。生物质气化炉把农作物秸秆、薪柴等经过气化转变成生物质燃气，需要用生物质气化炉来完成，因此，气化炉便是生物质气化设备的核心技术。气化炉大体上可分为两大类:固定床气化炉和流化床气化炉(具体分类见图2.3)。2固定床气化炉固定床气化炉是将切碎的生物质原料由炉子顶部加料口投入固定床气化炉中，物料在炉内基本上是按层次地进行气化反应，反应产生的气体在炉内的流动要靠风机来实现。固定床气化炉的炉内反应速度较慢，按气体在炉内的流动方向，可将固定床气化炉分为下吸式、上吸式、横吸式和开心式四种类型(1)上吸式气化炉上吸式气化炉的气一固呈逆向流动，运行

39、过程中，物料从顶部加入后，被上升的热气流干燥而将水蒸气排除，干燥了的物料下降时被气流加热分解，而释放挥发分，剩余的炭继续下降时与上升的以及水蒸气反应，和等还原为CO及等，余下的炭被底部进入的空气氧化，放出的燃烧热量为整个气化过程提供热源。上吸式气化炉的优点是:燃气在经过热分解层和干燥层时，将其携带的热量传递给物料，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。上吸式气化炉的缺点是:原料中水分不能参加反应，减少了燃气中和碳氢化合物的含量，气体与固体逆向流动时，物料中的

40、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;热气体从底部上升时，温度沿着反应层高度下降，物料被干燥后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。(2）下吸式气化炉下吸式气化炉的生物质原料由炉顶的加料口投入，气化剂(空气、氧气)可以由顶部进入，也可在喉管区加入，气化剂与物料混合向下流动，在高温喉管区发生气化反应。炉内的物料自上而下分为干燥层、热分解层、氧化层、还原层。下吸式反应器的优点是:气化强度高(相对于上吸式);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，在高温下裂解成和CO等水久性小分

41、子气体，使得气化气中焦油含量大大减少。它的缺点是: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；出炉的可燃气中含有的灰分较多；出炉的可燃气的温度较多，须用水进行冷却。（3）横吸式气化炉横吸式气化炉的生物质原料由气化炉顶端加入，灰分落入炉栅下部的灰室。气化剂侧面进入，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，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。（4）开心式气化炉开心式气化炉结构和反应原理同下吸式气化炉相类似，

42、可以看成是其一种特例。它有缩口，炉算不平，而是中间隆起的，以转动炉栅代替高温喉管区，主要反应在炉栅上的气化区进行。该炉结构简单，氧化还原区小，反应温度较低。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。炉内温度高而且恒定，焦油在高温下裂解生成气体，因而焦油含量较小，但出炉的燃气中含有较多的灰分。流化床气化炉结构比较复杂，设备投资较大。按气化炉结构和气化过程，可将流化床气化炉分为单流化床、循环流化床、双流化床和携带流化床四种类型，按吹入气化剂的压力大

43、小，流化床气化炉又可分为常压流化床和加压流化床。(1)循环流化床气化炉循环流化床气化炉和单流化床的主要区别是在燃气出口处设有旋风分离器或袋式分离器，将燃气携带的炭粒和沙子分离出来，返回气化炉再次参加气化反应。循环流化床气化炉是唯一在恒温床上反应的气化炉，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，因而保持大的床密度，床截面上颗粒密度分布均匀，并使炭有足够的时间在床内停留，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。循环流化床气化炉的主要缺点是入料需要预处理，产气中灰分需要很好地净化处理和部件磨损严重。(2)双流化床气化炉双流化床气化炉

44、分为两个组成部分:一部分是气化炉;另一部分是燃烧炉。气化炉中产生的燃气经分离后，沙子和炭粒流入燃烧炉中，在这里炭粒燃烧将沙子加热，灼热的沙子再返回到气化炉中，以补充气化炉所需的热量。(3)携带床气化炉携带床气化炉是流化床气化炉的一种特例，它不使用惰性材料作为流化介质，气化剂直接吹动炉中生物质原料，且流动较大，为紊流床。原料入炉前需粉碎成细小颗粒，气化温度高达1100，炭的转化率可达100%，燃气中焦油含量很低，但由于反应温度高而易烧结。3.生物质气化机组主机的设计3.1气化机组主机总体方案的确定3设计的基本原则（1）气化效率高，燃气质量好。目前市场上许多生物质气化炉气化效率较低或是不稳定，燃气

45、品质较差，因此，必须合理设计气化炉炉膛结构，提高气化品质。（2）物料适应性好。由于农村生物质种类较多，设计出的生物质气化炉对原料应具有广泛的适应性;同时，由于面向各家用户，对于原料无需经过复杂的预处理，一般铡成小段即可。（3）坚固耐用、安全稳定。选择合理的耐火材料与保温材料，设计合理的检修口，增加设备运行的可靠性，安全性和维修的简便性。（4）结构简单，操作方便，价格便宜。由于生物质气化炉主要用于农村，因此结构不能过于复杂，需要设计合理，便于日常操作;同时还要尽可能地降低成本，以利推广。3主要技术指标（1）气化效率稳定达到65%，生物质燃气低位发热量大于，氧含量小于1.0%。（2）气化炉运行稳定

46、，能够连续运行1小时左右，产气量100以上。3生物质气化机组主机的结构选型本文选择上吸式气化系统作为生物质气化炉的基本炉型。上吸式气化炉的主要特点是:通用性好，原料无需经过较为复杂的预处理过程，对原料的种类、尺寸、含水量等没有严格的要求;炉体结构简单，成本低，操作及维修方便;可燃气经过热分解层和干燥层时将热量传递给物料，自身温度降低，热效率较高;热分解层和干燥层对可燃气有过滤作用，出炉的可燃气灰分少;且炉排受进风冷却，工作比较可靠。3.2生物质气化机组主机的设计3气化机组主机的总体结构在市场调研和参考相关文献与经验的基础上，确定如图3.1所示的户用型上吸式气化炉的设计方案，该气化炉具有如下的结

47、构特点:（1）气化炉内筒采用径口渐缩的锥形设计，合理的斜度和锥角设计可以提高原料和炉内容积的利用率，提高气化炉的气化效率。（2）气化剂在气化炉的下部(氧化层附近)夹层中预热，通过进风口深入膛心送入炉膛，在膛心集中供氧燃烧，进入炉膛参与气化反应，这种膛心集中燃烧的技术可以大大提高气化炉内的反应温度和气化效率。（3）炉体具有炉膛及与炉膛相通的炉渣室，炉膛与炉渣室之间有炉箅子。（4）尾部配风设计经过气化炉气化出来的是燃气，直接送入灶头燃烧的话属于扩散火焰，部分可燃气成分可能会由于混入空气不足而逸出灶头后与周边的氧气再发生燃烧反应，火苗将会大而不稳，因此需要配入空气成为预混火焰后再燃烧，这样可以达到较

48、的燃烧效果。因此，我们在气化炉氧化区域的外筒和内筒之间设有风道，风道的一端是进风口，与风机相连，送入空气;另一端是配风口，用后面接有的阀门控制配风量;风道的周围均匀分布喷嘴。送入的空气在风道中流动，可以利用氧化区的热量预热自身的温度，空气一部分通过喷嘴进入气化炉内进行气化反应，另一部分通过配风口与出口的燃气预混送入灶头燃烧。（5）气化炉内部是气化各层的反应区，外层是保温层，炉顶为进料口，采用法兰密封，炉底设有除灰口。保温层由耐火泥石棉等保温材料填充，这样在保证反应区温度的同时，又可以降低气化炉外壁的温度，保证使用安全，减少热量的散失，并延长封火时间。3气化材料的选择农作物秸秆、刨花等是我国农村

49、和木材加工厂等最常见的生物质废弃物，资源广泛，成本低廉，我们收集和选取了若干种典型的农林废弃物(如表3.1)，将其放置在房屋中若干天，使原料的性质均匀、稳定，然后用铡刀将秸秆等物料切成23cm的碎料，以备分析和试验使用。设计中，我们选取浙江某木材加工厂的红样刨花(平均尺寸3cm)的有关参数作为设计依据。表3-1各种生物质原料的元素分析和工业分析表格样品工业分析元素分析名称Mad%Mad%Vad%Fcad%Cad%Had%Nad%Stad%Oad%kJ·kg红榉-16181稻秆11438豆秸11962稻壳15807棉花16468桑树17059油菜15687颗粒原料162643气化机组主

50、机的主要参数的计算（1）原料消耗量和气化强度的初步确定根据生物质气化系统的市场调研和相关文献与经验，农户一个四口之家每天用气量在6-8，用气时间3h左右，消耗生物质原料5-8kg，而我们的气化炉需要同时供给40农户。因此，该上吸式气化炉每小时消耗的原料量可以初步设计为90kg，即=90kg/h。气化强度初步确定为 480Kg/m2.h（2）气化空气量的确定原料完全燃烧所需的空气量V (m3/kg)生物质原料一般含有碳、氢、氧、氮、硫等元素，由于氮和硫的含量非常低，所以本文研究中不考虑氮、硫与氧的燃烧反应，只考虑碳、氢与氧的燃烧反应。碳完全燃烧的反应: (31) 12kg 1kg氧气.氢燃烧的反

51、应: (32)kg1kg氧气1kg原料中已经含有氧，相当于已经供给N氧气，氧气占里气的21%，所以生物质原料完全燃烧所需的空气量: (33)式中:V原料完全燃烧所需的理论空气量，/kg原料中碳元素含量;原料中氢元素含量;原料中氧元素含量。如表3.1中红样所含主要元素含量为:=43.69%，=4.35%，=31.09%，=0.32%。红榉完全燃烧所需的空气量为: (34)原料气化所需的空气量 (/kg)生物质物料与空气在气化炉中发生复杂的热化学反应，从热动力学角度分析，空气量对于产出气成分的影响可以从图4.2中看出。图中的曲线为生物质气化时空气的当量比与产出气成分之间的关系曲线，图中横坐标值为所

52、提供的空气中的氧与物料完全燃烧所需氧的当量比。从图中曲线可以看出，当量比为0时，没有氧气输入，直接加热物料的反应属于热解反应，虽然也可以产生，CO，等可燃成分，但产出气中焦油含量很高，并且约占物料质量30%的焦炭不能同时转变为可燃气体;当量比为1时，物料与氧气发生完全燃烧反应，不能产生可燃气;只有在当量比为0.25-0.3时，即气化反应所需的氧仅为完全燃烧耗氧量的25%一30%，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。图3-2燃气成分与空气量的关系曲线图计算气化炉反应所需空气量时，首先根据生物质物料的元素分析结果，计算出其完全燃烧所需理论空气量v，然后按当量

53、比0.25一0.3计算实际气化所需空气量V。： (35)式中: 实际气化所需空气量，/kg;完全燃烧的理论空气量，/kg;气化当量比。红样的挥发分较高，含水量中等，当量比。取0.3，则气化所需要空气量为: (36)（3）气化炉主要性能指标的拟定气化燃气流量空气(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1.4倍，则可燃气流量q为: (37)气化燃气的低位发热量气化燃气的低位发热量拟定能量转换效率(气化效率) 拟定气化效率=65%气化炉持续工作时间满炉加料，拟定气化炉连续运行时间（4）气化炉的

54、主要气化参数的计算原料单位时间消耗量 （38)气化强度 （39)产气率G （310)设计热功率P （311)（5）气化炉的主要结构参数 内筒下截面直径 （312)内筒的原料高度L （313)式中:生物质原料在炉膛中的堆积密度，取117kg/。气化炉内筒的高度系数生物质原料气化耗尽，剩下的残灰体积小于燃料体积，设q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 （314)记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q取0.4，由此可得:= l，=1.4，=1.56， =1.624， =1.6496，内筒高度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。取=1.4，当需要气化燃料高度为Lm时，相应的气化炉内筒实际高度H为: （315)考虑到气化炉点火时灰烬需要占用一定的空间，物料的顶部也需要一定的气流和加料空间，所以设计中炉子内筒买际高度取Hm