基于TRIZ理论的户用型生物质气化炉的设计

1、学士学位毕业论文基于 TRIZ 理论的户用型生物质气化炉的设计学生姓名：学生姓名：学学 号：号：指导教师：指导教师：所在学院：所在学院：工程学院专专 业：业：机械设计制造及其自动化中国大庆2010 年 6 月摘摘 要要随着化石燃料资源的日益减少以及在利用过程中对环境造成的巨大破坏，生物质能的资源化利用正受到越来越多的重视。热解气化技术作为一种非常重要的生物质热化学转换技术，受到越来越多的关注。其中，户用型生物质气化技术由于具有结构简单，管路短，操作维护简单方便，耗资少等优点，适应于我国农村目前普遍的经济水平和组织体制。因此，本文选取户用型生物质气化炉作为开发和研究对象，对其未来的推广应用具有指

2、导价值。本文自行设计了户用型气化炉气化系统的，在对现役气化炉的气化性能初步研究的基础上，获取户用气化炉运行的基本性能参数，并参考相关文献和经验，运用 TRIZ 理论，设计和改进了户用型气化炉及其净化装置，并通过试验与理论分析相结合的方式，开展气化炉主要技术性能和燃气灶具的性能试验研究。关键词关键词: :生物质 上吸式 气化炉 TRIZ 焦油 ABSTRACTWith the fossil resource decreasing and the serious pollution caused by fossil fuel combustion,the biomass energy attrcs

3、 more and more attelltion. As a key thermoehemieal eonversion technology of biomass energy,thermal gasifieation technology is an inereasing eoncem. As the household-tyPe biomass gasifieation teehnology has advantages of simple strueture, short pipeline,simPle operation and inexpensive maintenanee,it

4、 is Prevailing to economic level and organizational strueture in Chinas rural areas.Therefore,the paper chooses household-tyPe biomass gasifier to research and develop which has the value for guiding its applieation.The test bench of household- type gasifieation system is built by ourself.In the bas

5、e of the Preliminary study of gasifier on aetive duty,the updraft-type gasifier and purifieation devices are designed by references and experience. Put to use TRIZ theory,Through a eombination of trial and theoretical analysis，investigations of major teehnieal Performance of the gasifier and domesti

6、c gas cooking applianees are earried out.Keywords:biomass updraft-type gasifier Triz tar.gas 目录目录摘 要.IABSTRACT.II目录.III前言.V1 研究背景 .11.1 国外生物质气化技术现状 .11.2 国内生物质气化技术现状.11.3 课题意义.21.4 课题研究内容.42 生物质热解气化技术研究综述 .62.1 生物质热解气化的原理与分类.62.2 生物质气化炉.102.3 生物质燃气的净化.142.4 户用型生物质气化技术的研究意义.182.5TRIZ 理论的相关介绍及主要内容.192

7、.5.1TRIZ 的产生.192.5.4TRIZ 的主要内容.202.5.5TRIZ 的重要发现.212.5.6TRIZ 的应用及未来的发展.21本章小结 .223 户用生物质气化炉的设计 .233.1 引言.233.2 气化炉总体方案的确定.233.3 户用型气化炉的设计.243.4 燃气净化装置的设计.32本章小结 .364 结论 .37参考文献.39致 谢.41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

8、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 1 研究背景研究背景1.11.1

9、国外生物质气化技术现状国外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 Gasification System 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

10、)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 f1725)1o4kJm。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，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户用型气化设备。日本的 Jun Sakai等人于 70 年代设计了一台小体积户用型木炭煤气装置用于开动 44 kw 的汽油机并取得了成功。类似的装置在菲律宾的 C

11、entral 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。1.21.2 国内生物质气化技术现状国内生物质气化技术现状从 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

12、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。我国小型户用型生物质气化炉的研究开发也在逐步发展，基于党和政府对生物质能开发利用的高度重视，因此给户用型生物质气化炉的发展带来了机遇。户用型生物质气化炉相对于传统的粗燃烧炉具在生产数量、产品质量、加工能力等方面都占据着很大的优势，户用型生物质气化炉是目前农户使用比较理想的生活设施，对于解决农村的节能减排、改善室内空气质

13、量等问题有着重要的现实意义。随着研究的深入，形成了多个系列的户用炉型，可满足多种物料的气化要求，在生产、生活用能、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 系列户用型生物质气化炉，用气化产出气烘干农林产品，设备简单，投资少，热效率高，对于个体户用及小型企业有很高的使用价值。虽然，生物质气化炉的生产目前已初具规模，但要真正实现普遍化，还有一些技术障碍亟待解决。1.31.3 课题意义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

14、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生物质气化技术并应用于家用炉具，有以下重大意义：1.3.11.3.1 部分缓解能源紧张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。图 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

15、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。1.3.21.3.2 降低农村用能费用，改善居室环境，调整农村用能结构降低农村用能费用，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

16、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。1.3.31.3.3 零排放零排放2CO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

17、。 ”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。1.41.4 课题研究内容课题研究内容针对我国农村经济发展现状和生物质资源特点，根据农户生活用能的实际需要和经济状况，选取户用型生物质气化炉作为本课题的设计和研究对象，

18、在对现役气化炉的气化性能初步研究的基础上，获取户用气化炉运行的基本性能参数，并参考相关文献和经验，运用 TRIZ 理论，设计了户用型生物质气化炉及其净化装置，并通过试验与理论分析相结合的方式，开展气化炉主要结构和性能的试验研究。主要研究内容如下: :第二章介绍了生物质热解气化技术的原理与分类，各种生物质气化炉的特点和燃气净化技术，综述了国内外生物质气化技术的研究成果和发展应用情况。结合我国农村经济发展的现状，分析了生物质气化技术尤其是集中供气技术在商业化推广和应用中存在的问题，指明了户用型生物质气化技术的研究意义。第三章根据相关文献和经验，运用 TRIZ 理论，对户用型生物质气化炉进行了改进设

19、计。改进型气化炉应用了炉膛集中燃烧和尾部配风的技术和炉膛口径渐缩的独特炉型，净化装置采用气水分离器与干式颗粒层过滤器相串联的形式。 第四章全文总结，归纳本文的主要工作和研究成果，并对生物质气化技术的进一步研究提出一些建议。2 2 生物质热解气化技术研究综述生物质热解气化技术研究综述2.12.1 生物质热解气化的原理与分类生物质热解气化的原理与分类2.1.12.1.1 生物质热解气化的原理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2H4CH可燃气体的过程。气化反应过程随着气化装置的类型、

20、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。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，同时放出热量，温度可达 1000 1300，反应2CO式为: (2-1)22408.8COCOkJ由于是限氧燃烧，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： (2-2)222246.44COCOkJ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

21、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2CO应，还原区的温度约为 700900，主要产物为 CO、和，其反应式为：2CO2H (23)22162.41CCOCOkJ (24)22118.82H OCCOHkJ (25)2222275.24H OCCOHkJ (26)22243.58H OCOCOHkJ (27)242CHCH氧化区及还原区总称为气化区，是气化反应的主反应区。（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

22、中分离出去，该区的温度大约在 400600。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。2.1.22.1.2 生物质气化技术的分类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如图 2.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

23、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3m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2N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3m图 2.1 生物质气化技术分类（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类如下图 2.2 生物质气化技术分类2.22.2 生物质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

24、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)。2.2.12.2.1 固定床气化炉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

25、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2CO2CO2H O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2H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2H化合物的含量，气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;

26、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 等水久性小分子气体，使得气化气中焦油含量大大2H减少。它的缺点是:由于炉

27、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，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

28、，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。 2.2.22.2.2 流化床气化炉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小，流化床气化炉又可分

29、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分为两个组成部分:一部

30、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。2.32.3 生物质燃气的净化生物质燃气的净化从生物质气化炉中出来的可燃气称为“粗燃气” ，其中含有一定的杂质，不能直接使用，如果不经过处理直接使用的话，就会影响用气设备的正常运

31、转，所以需对“粗燃气”作进一步的净化处理，使之符合有关煤气质量的标准。2.3.12.3.1 生物质燃气的主要杂质成份生物质燃气的主要杂质成份在固定床的热分解层，温度在 200以上，生物质的纤维素、半纤维素和木质素开始热分解，生成焦炭、焦油、木醋液及其他气体。因此，从生物质气化炉出来的气化燃气中杂质含量较大，约占 10200g/N，其成份比较复杂，主要是焦3m油和灰尘。创门的存在对气化有诸多方面的不利影响:首先，降低了气化效率;其次，焦油在低温时会凝结成液态，容易堵塞输气管道及灶具、气表等，使气化设备的运行发生故障。另外，凝结成细小液滴的焦油化气体难以燃尽，燃烧时易产生炭黑等颗粒，对灶具损害相当

32、严重，大大降低了生物质燃气的品质和利用价值。杂质成份主要有:(1)焦油和灰份 焦油的成份十分复杂，主要是多核芳香族成份。目前能分析出的成份有 200 多种，主要成份不少于 20 种，大部分是苯的衍生物，其中含量大于 5%的有以下几种:苯、 萘、甲苯、二甲苯、苯乙烯、酚和茚。(2)有机酸 在生物质热加工过程中产生有机酸，如乙酸、丙酸等，这是与煤热加工的最大不同点。虽然大部分有机酸会冷凝到木蜡液中被排出，但气化气中仍然含有一定量的以蒸汽形式存在的有机酸。这些有机酸蒸汽对输气管道和灶具有很强的腐蚀作用。(3)氧 生物质燃气中的氧主要来自未被完全消耗的氧化剂，从安全角度来考虑，应当尽量降低气化气中的氧

33、含量，国家规定人工煤气中的氧的含量应小于 1%。(4)水 生物质原料中或多或少含有一定量的水分，气化过程中，水被加热成为蒸汽，过多的水分蒸发会带走较多的热量，降低系统的热效率，同时会影响生物质气化燃气的品质，严重者将不能点燃;在管道中凝结下来的水分，混合焦油将会堵塞管道，外漏的话将会污染环境。2.3.22.3.2 燃气净化技术燃气净化技术有效地降低生物质燃气中的杂质含量，将气化过程中产生的焦油脱除或使其转化为可燃气，尽量减少二次污染，对推广和应用生物质气化技术具有重要意义。目前生物质燃气净化技术主要有以下几种:（1）湿式净化法湿式净化是采用水洗的方法脱除焦油和灰尘的一种净化方式。由于冷却洗涤塔

34、的除尘效率为 30%左右，所以湿式净化系统一般是把多个水洗喷淋系统连接在一起对生物质燃气进行净化。此外，冷却洗涤、旋风分离一过滤器的过滤组合净化装置应用也比较广泛。湿式净化系统具有结构简单、操作方便、成本较低等诸多优点，但是由于它是直接用水洗涤净化燃气，洗过焦油后的污水直接排入农田或河流会造成严重的二次污染问题;此外，气化中焦油产物含有的能量一般占总能量的 515%，大量焦油随水流失也会造成能量的艰费。因此，这种净化方式在生物质气化技术初期经常采用，现在逐渐被淘汰。（2）干式净化法干式净化方法又称过滤法，将吸附性很强的材料(如活性碳、棉花或粉碎的玉米芯等装在容器中，让可燃气穿过吸附材料，从而把

35、可燃气中的焦油、飞灰等杂质过滤出来。其机理是依靠惯性碰撞、拦截、扩散以及静电力、重力等作用，使悬浮于流体中的固体颗粒沉积于多孔体表面或容纳于多孔体中。过滤分离可将0.1 一 1um 的微粒有效捕集下来，是种分离效果高而稳定的方法，但燃气流速不能很高。工业上应用的主要是颗粒层过滤器，其主要特点是适应性广、除焦油效率高、滤料来源广、价格便宜，用过的滤料可以作为气化原料投入气化炉中烧掉，这样既可以减少环境污染，又回收了过滤杂质中的能量。目前应用最广泛的是山东省科学院能源研究所开发研制的 XFF 型固定床下吸式生物质气化系统中采用的技术方法:旋风除尘弓管式冷却一过滤器净化。干式过滤器采取干燥介质过滤的

36、办法除去燃气中的水分和焦油，燃气直接通过干燥介质的料层，部分水分和冷凝的焦油被吸附，从而净化了燃气。此种净化方式克服了湿式净化因水洗喷淋而导致燃气携带更多水分的缺陷，具有能量利用率高，无二次污染等优点。（3）电捕焦油法电捕焦油器是一种高效的除焦油灰尘设备，尤其对 0.01lum 焦油灰尘微粒有很好的分离效率，具有阻力损失小、燃气处理量大的优点，但要求颗粒的比电阻值在，所含颗粒浓度一般在 309g/N以下为宜。该方法设备410102 10cm3m造价和运行费用高，对操作管理的要求也较其它方法高，当前还不适于面向农村的燃气净化技术使用。（4）裂解净化法裂解净化技术是将在生物质气化中所产生的焦油利用

37、某种方法使其裂解为可利用的永久性气体(如、CO、等)，其方法有热裂解、催化裂解、电裂解等，2H2CO以达到焦油的去除和回收利用的双重目的。这种净化技术较好地回收利用了焦油中所含的能量，净化效率也比较高，但其工艺复杂，成本太高，难以在我国农村应用和推广，如催化裂解需要单独的装置，要求高温，且要求连续运行(否则效率太低)，控制难度较大，这些都限制了该种净化方法在我国农村的适用性。（5）微生物法处理焦油国外对微生物降解酚已有报道，杨秀山等开展了用微生物降解生物质气化洗焦废水和焦油的研究，他们利用微生物实验室保存的菌种处理废水和焦油。目前，该法还处在实验室研究阶段，不具备产业化条件.2.42.4 户用

38、型生物质气化技术的研究意义户用型生物质气化技术的研究意义2.4.12.4.1 我国生物质气化技术应用存在的问题我国生物质气化技术应用存在的问题生物质燃气是一种高品质的能源，可以暂时存储起来，需要使用时再通过输气管网送至最终用户。生物质气化集中供气系统技术自 1994 年在山东省建立第一个集中供气试点以来，陆续在山东、河北、辽宁、吉林、黑龙江、天津、北京等省、市都有所推广应用，目前山东、辽宁、吉林、安徽等省都有生物质气化设备的生产厂家，该技术已经逐渐成熟，但其技术本身及推广应用过程中尚存在诸多障碍，具体问题分述如下:（1）生物质气化过程中的副产物焦油是制约生物质气化技术应用和推广的关键因素焦油在

39、低温时容易凝结为粘稠的液体，与灰粒一起堵塞输气管道，影响气化系统的正常运行，对生物质气化系统的使用造成许多危害;此外，焦油的处理方法和效果尚不理想，进化后的污水排放会造成严重的环境污染（2）系统较为庞大，造价较高，一般经济条件的村镇难于接受。据反映一些地方在运行中已经出现进料难，原料易堆积难疏松，燃气数量不易控制，原料粉碎机与机组不匹配等等问题。这些情况一经发生，轻者停机，重者停产，机组造价较高，大都认为难以承受。（3）系统在推广应用中普遍存在“大马拉小车”的问题。许多气化站“欠户”现象非常严重，机组不能按设计户数供气，使设备利用率降低，燃气成本增加。（4）一些灶具燃烧稳定性不好，回火、熄火现

40、象频频发生，机组的配套设施无定型产品，加之燃烧不完全，CO 严重超标，生产和使用中存在安全隐患。2.4.22.4.2 户用型气化技术的优点和研究意义户用型气化技术的优点和研究意义以上问题在一定程度上影响了集中供气技术的商业化推广和应用，从我国能源可持续发展的观点看，生物质气化技术特别是户用型生物质气化技术对于广大农村地区来讲是一项先进实用的新能源应用技术。它具有结构简单，管路短，操作维护简单方便，耗资少等优点，弱化了制约生物质气化技术应用和推广的关键因素焦油的影响，且能适应我国农村目前普遍的经济水平和组织体制。2.5TRIZ2.5TRIZ 理论的相关介绍及主要内容理论的相关介绍及主要内容2.5

41、.1TRIZ2.5.1TRIZ 的产生的产生TRIZ 是解决发明创造、实际技术创新问题的理论。由前苏联 G.S.Altshuller为首的专家首先提出。他们对数以百万计的专利文献加以研究，经过 50 多年的搜集整理、归纳提炼，发现技术系统的开发创新是有规律可循的，并在此基础上建立了一整套体系化的、实用的解决发明创造问题的方法。2.5.2TRIZ2.5.2TRIZ 的定义的定义（1）TRIZ 是基于知识的方法从世界范围内的专利中抽象出来，大量利用已得知识，是发明问题解决问题获得启发式方法的知识。（2）TRIZ 是面向人的方法将系统分解为子系统，区分有益及有害功能的实践，计算机软件仅起支持作用。（

42、3）TRIZ 是系统化的方法采用通用及详细的模型，方便运用已有知识。（4）TRIZ 是解决发明问题的理论首先找到设计中的冲突，然后据已知系统进化趋势推断，最后取得创新解。2.5.3TRIZ2.5.3TRIZ 的基本观点的基本观点 （1）是理想技术系统，采用优化简化原则。（2）采用缩小问题与扩大问题的思路，具有韧性。（3）运用系统冲突对问题进行描述，TRIZ 的发明过程是系统冲突的解决过程。2.5.4TRIZ2.5.4TRIZ 的主要内容的主要内容（1）产品进化理论TRIZ 将产品生产趋势分为前期加大投入，中期加大研发力度，退潮期尽快出手三个阶段。（2）分析TRIZ 重要工具之一，包括产品功能分

43、析、理想解的确定、可用资源分析和冲突区域的确定。（3）冲突解决原理（4）物质场分析TRIZ 重要工具之一，TRIZ 认为可以把所有的功能分解为两种物质和一种场。（5）效应主要利用数学、电子等领域的相关数据和有关定律解决问题。（6）ARIZTRIZ 重要工具之一，TRIZ 认为一个问题解决的难易程度取决于对该问题的描述或程式化过程。ARIZ 是解决发明问题的完整算法，该算法采用一整套逻辑过程逐渐将初始问题程式化。2.5.5TRIZ2.5.5TRIZ 的重要发现的重要发现（1）在以往不同领域的发明中所用到的原理并不多，不同时代的发明，不同领域的发明，应用的原理被反复复制。（2）每条发明原理并不限定

44、应用于某一特殊领域，而是融合了物理的、化学的和各个工程领域的原理，这些原理是用于不同领域的发明创造和创新。（3）类似的冲突或问题与该问题的解决原理在不同的工业及科学领域交替出现。（4）技术系统进化的模式在不同的工程及科学领域交替出现。（5）创新设计所依据的科学原理往往属于其他领域。（6）提出产品技术成熟的分段 S 曲线。（7）提出发明创造等级制度。（8）提出冲突矩阵，该矩阵将描述技术冲突的 39 个通用工程参数与 40 条发明创造原理建立了对应关系，很好的解决了设计过程中选择发明创造原理的难题。2.5.6TRIZ2.5.6TRIZ 的应用及未来的发展的应用及未来的发展TRIZ 理论广泛应用于工

45、程技术领域，目前已逐步向其他领域渗透和扩展。应用范围越来越广，由原来擅长的工程技术领域分别向科学、社会科学、管理科学、生物科学等领域发展。 TRIZ 理论目前及今后的发展趋势主要集中在 TRIZ 本身的完善和进一步扩展研究方面，熟练的学习和掌握 TRIZ 理论，并与工程设计的实际相结合，可以帮助我们解决在生产世界中遇到的各种问题。本章小结本章小结生物质热解气化技术的研究已经成为近年来能源研究的热点问题，作为一种非常重要的生物质热化学转换技术，生物质热解气化技术是一项十分有前途的工艺，受到业内人士越来越多的关注。本章主要介绍了生物质热解气化技术的原理与分类，各种生物质气化炉的特点和燃气净化技术，

46、综述了国内外生物质气化技术的研究成果和发展应用情况。从反应器角度来看，流化床反应器结构复杂、造价高，比较适合于大型的制气系统;而固定床反应器结构简单、成本少，适合于中小型的集中供气、供热、干燥系统，以上吸式气化炉适用于户用型设备;从燃气净化角度来说，干式净化法技术简单，脱除效果好，无二次污染问题，应用最为广泛。此外，结合我国农村经济发展的现状，分析了生物质气化技术尤其是集中供气技术在商业化推广和应用中存在的问题，从我国农村经济的特点和实际国情出发，户用型生物质气化技术对于广大农村地区来讲是一项先进实用的新能源应用技术。它具有结构简单，管路短，操作维护简单方便，耗资少等优点，弱化了制约生物质气化

47、技术应用和推广的关键因素焦油的影响，且能适应我国农村目前普遍的经济水平和组织体制.最后，引出了 TRIZ 理论的相关介绍及主要内容。3 3 户用生物质气化炉的设计户用生物质气化炉的设计3.13.1 引言引言户用型气化炉初步试验研究表明现役的气化炉存在气化效率较低，热值不高，焦油和灰尘含量较高等问题，因此必须采取相应的设计方案解决这些问题。本章在参考相关文献和经验的基础上，针对生物质气化炉不足，设计了改进型户用生物质气化炉，希望本章能为户用型气化炉的设计提供一定的参考价值。3.23.2 气化炉总体方案的确定气化炉总体方案的确定3.2.13.2.1 研究设计的原则研究设计的原则(1）气化效率高，燃

48、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，面向农户，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。3.2.23.2.2 拟达到的主要技

49、术指标拟达到的主要技术指标（1）气化效率稳定达到 65%，生物质燃气低位发热量大于 6.0，氧含量3/MJNm小于 1.0%。（2）气化炉运行稳定，能够连续运行 3 小时左右，产气量 68以上，可供农3m户一天的炊事使用;封火时间 12h 以上。3.2.33.2.3 生物质气化炉的选型生物质气化炉的选型本文开发和研究的是适应我国农村家庭使用的户用型生物质气化炉及其净化装置，由于农村单户使用并不需要不断地添料，可以采取间歇式加料，而且输送管道短，产出的气体可以立马用掉，因此对可燃气中焦油含量要求并不严格，无需使用繁杂的设备脱除焦油。所以，本文选择上吸式气化系统作为户用型生物质气化炉的基本炉型。上

50、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。3.33.3 户用型气化炉的设计户用型气化炉的设计3.3.13.3.1 气化炉的总体结构气化炉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

51、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

52、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。图 3.1 户用型上吸式气化炉总体结构示意图（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。3.3.23.3.2 气化原料的选定气化原料的选定农作物秸秆、刨花等是我

53、国农村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。表表 3.13.1 各种生物质原料的元素分析和工业分析表格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 分析单位名称水分灰分 挥发分 固定碳CHNSOkJkg红榉13.90 5.6264.2016.25 43.69 4.35 0.32-31.09 16181稻壳10

54、.05 11.40 63.9814.59 36.44 2.78 0.52 0.11 38.70 158073.3.33.3.3 气化炉主要参数的设计计算气化炉主要参数的设计计算（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大约在 68，用气时间 3h 左右，消耗生物质原料 58kg，因此，该户3m用型上吸式气化炉每小时消耗的原料量可以初步设计为 2.2kg，即=2.2kg/h。0C气化强度初步确定为2060/()kgmh （2）气化空气量的确定原料完全燃烧所需的空气量 V (/kg)3m生物质原料一般含有碳、氢、氧、氮、硫等元素，由

55、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)22COCO 棉花12.91 2.6972.2112.18 41.99 4.34 0.57 0.19 37.29 16468桑树12.60 2.9275.3811.10 38.71 5.48 1.11 0.11 41.07 17059油菜12.98 5.1772.459.4140.16 4.26 0.70 0.47 36.27 15687颗粒原料5.27 10.72 72.0211.99 37.33 1.73 3.05 0.21 41.67 162641kg 碳完全燃烧需要

56、1.866氧气.3m氢燃烧的反应: (32)2242HOH O1kg 氢燃烧需要 5.55氧气3m1kg 原料中已经含有氧，相当于已经供给22.4/32=0.7氧气，氧气 O O3m占里气的 21%，所以生物质原料完全燃烧所需的空气量: (33) 1(1.8665.550.7)0.21VCHO式中:V原料完全燃烧所需的理论空气量，/kg3m原料中碳元素含量; C原料中氢元素含量; H原料中氧元素含量。 O如表 3.1 中红样所含主要元素含量为:=43.69%，=4.35%，=31.09%，=0.32%。 C H O N红榉完全燃烧所需的空气量为: (34) 31(1.8665.550.7)0.

57、211(1.86643.69%5.554.35%0.731.09%)0.213.9955(/)VCHOmkg原料气化所需的空气量 (/kg)0V3m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 3.2 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，2H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4CH同时转变为可燃气体;

58、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，然后按当量比 0.25 一 0.3 计算实际气化所需空气量V。： (35)0VV式中: 实际气化所需空气量，/kg;0V3m完全燃烧的理论空气量，/kg;V3m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

59、所需要空气量为: 0V (36)030.33.99551.1986(/)VVmkg（3）气化炉主要性能指标的拟定气化燃气流量q根据任务书已知要求 q=8 (37)3mh气化燃气的低位发热量gQ气化燃气的低位发热量拟定236.2 10/gQkJ m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T满炉加料，拟定气化炉连续运行时间2.8Th（4）气化炉的主要气化参数的计算原料单位时间消耗量C (38)/()8 6.2/(0.65 16.181)4.71(/ )gmCq QQkg h 气化强度 (39)200(/)128.45(/)C Ckg mh 产气率 G （310)3/1.69

60、85(/)Gq Cmkg设计热功率 P （311)/360013.78()gpQqKW（5）气化炉的主要结构参数 内筒下截面直径D （312)4/()0.22( )DCm 内筒的原料高度 L （313)()0.8462( )LC T Sm式中:生物质原料在炉膛中的堆积密度，取 117kg/。3mS气化炉内胆截面积由于本实验设计的炉型为径口渐缩型的锥形炉体，所以平均横截面积 S(内筒的平均直径取 0.28m)为 （314)223110.280.06154()44SDm气化炉内筒的高度系数n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