小型家用生物质气化炉设计

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： 学生姓名： 11111 指导教师： 1111 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：3.5h；(3) 气化效率：75；(4) 热效率：

2、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。二. 设计内容1 绪论1. 1 秸秆气化炉的发展前景随着我国经济水平的提高，中国农民的收入也大步增高。因次许多农民告别了烟熏火燎的日子，利用电饭煲、电饭锅等进行做饭烧水。这种能源利用方式的改变使他们过上了更加方便、文明和卫生的生活。然而，要完全依靠电力来保证8亿农民的生活需求，则是国力和环境的承重负担。我国生物质资源的大量浪费和农村商品能源的大量需求逐年增大的局面，引起政府和社会的关注。我国绝大多数农村和小城镇

3、居民，能源消耗量的80%以上是直接燃烧生物质能而得到的。这种产能方式不仅利用率低下，而且对环境有很大的危害。所以迫切需要一种将生物质能转化为清洁能源的装置。秸秆气化炉就是这样一种装置。它以农作物秸秆、农林废弃物为主要气化原料。气化炉的生产成本不高，而是用成本更低。该技术在农村的应用前景极其广阔，在改变农村传统饮炊习惯，减少农民开支，提高农民生活质量等方面具有较大的推广价值。1. 2 秸秆气化炉的工作原理 气化炉是根据有机物的热解原理，是炉内的生物质在一定温度和氧气条件下充分裂解为可燃性气体。只需要点燃炉内生物质即可产生高温，在缺氧的环境下，生物质裂解为甲烷、氢气、一氧化碳等可燃气体。燃气自动导

4、入分离系统执行脱硫、脱尘、脱水蒸气等净化程序，产生优质燃气。燃气通过管道出送到燃气灶，点燃（亦可电子打火）即可使用。2 各种炉型结构及特点2.1 固定床气化炉的结构及特点2.1.1 上吸式气化炉 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，炉底设有除灰口。保温层由珍珠岩加耐火水泥等保温材料填充，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。 优点： （1）、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；（2）热分解层和干燥层对燃气有一定的过滤作用，所以出炉

5、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： （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；（1）、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(250400oC)下进行热分解，导致焦油含量高。图1：上吸式气化炉结构图2.1.2 下吸式气化炉优点： （1）、气化强度较上吸式高； （2）、工作稳定性好；可随时开盖添料；（3）、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

6、性小分子气体，使气化气中焦油含量大大减少。缺点：（1）、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；（2）、出炉的可燃气中含有的灰分较多；（3）、出炉的可燃气的温度较高，须用水进行冷却。图2：下吸式气化炉结构图2.1.3 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。2.2 流化床气化

7、炉的结构及特点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。缺点：产气中灰分需要很好地净化处理和部件磨损严重。图3：流化床气化炉结构图 2.3 气化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

8、取上限，反之取下限。图4：燃气成分与空气量的关系曲线3 气化炉总体方案的确定3.1 研究设计原则 （1）气化效率高，燃气质量好 目前市场上许多气化炉的效率<70%，燃气低位发热量<4.6MJ/Nm³，燃气中一氧化碳含量>20%，不满足国家标准，既造成了能源的浪费，有对用户生命安全构成危邪。必须合理的设计气化炉，使燃气成分指标合乎国家标准。 （2）物料适应性好 由于农村生物质种类比较多，设计出的气化炉机组应具有广泛的适应性。 （3）坚固耐用，运行稳定选用合理的耐火材料和炉排材料大大延长维修周期，增加设备的稳定性。 （4）结构简单，操作方便，价格低廉 由于生物质气化炉主

9、要用于农村，因此结构不能太复杂。要设计合理便于维修及工作人员的日常运行。同时还应该降低成本，以利于推广。3.2 拟达到的技术指标 (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：3.5h； (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. 3 生物质气化炉的选型现在常用的生物质气化炉根据鼓风方法不同和燃气相对于燃料的流动方式不同可以分为上吸式、下吸式和平吸式。由于生物质气化炉主要时用在农村，它要求燃气质量好，发

10、热量高，适合炊事；杂质含量（特别是焦油）低。使煤气表和燃气灶不容易堵塞，从而延长使用寿命；炉体结构简单，成本低，操作和维修方便；通用性好，适合于挥发分含量较高的农林废弃物气化。衡量上吸式、下吸式和平吸式三种型号气化炉，上吸式气化炉综合性能能满足上述要求。故本设计采用上吸式气化炉。3. 4 上吸式气化炉的工作原理一般常压下固定床上吸式气化炉按工作状态分为四个区域：干燥区、热分解区、还原区和氧化区。 (1) 干燥区 在气化炉的最上层为干燥层，从上面加入的燃料直接进入到干燥区，湿物料在这里同下面三个反应区生成的热气体产物进行换热。使原料的水分蒸发出去，生物质原料由含一定水分到不含水分的干物质燃料。干

11、燥层的温度大约是100250°C。干燥区的产物为干物料和水蒸气，而水蒸气随着其他三个反应区的产热而排除气化炉，而干物料则掉落到裂解区。 （2）热分解区 在氧化区和还原区产生的热气体，在上述反应中经过裂解层，将生物质加热。生物质经过加热后发生裂解反应，在反应中生物质中大部分挥发分从固体中挥发出来。由于裂解需要大量的热，所以裂解区的温度降到300800°C.裂解的主要产物是炭、氢气、水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油和少部分烃类，气体进入干燥区，而炭则进入还原区。 (3)还原区 在还原区已经没有氧气存在，二氧化碳同炭在水蒸气的作用下发生还原反应，生成一氧化碳和氢气。由于还原

12、反应是吸热反应，所以还原区的温度降到9001000°C。产生的热气体进入干燥区，而没反应完得炭则进入到氧化区。 ( 4 ) 氧化区气化剂有气化炉底部进入，经过灰渣层与灰渣层换热，被加热的热气体进入氧化层底部的氧化区，在这里同炭发生剧烈的氧化反应，生成二氧化碳，同时放出大量热量。由于是缺氧燃烧，所以不完全燃烧反应同时发生，生成一氧化碳，同时也放出热量。在氧化区，温度达到10001200°C.在氧化区的反应均为放热反应，为还原反应、裂解和干燥提供能量。3.5 上吸式气化炉的总体结构（1）气化剂在气化炉的下部(氧化层附近)夹层中预热，通过数个开在炉芯上的小孔送入炉膛，在炉膛中供氧

13、燃烧，进入炉膛参与气化反应，可以大大提高气化炉内的反应温度和气化效率。 （2）炉底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，这样可以达到较好的燃烧效果。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，与换风扇相连，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送风口。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

14、与出口的燃气预混送入灶头燃烧。（3）加料口密封装置设计本文设计的燃烧室上方开有密封水槽，用于保证封火时炉子的密封性能良好。采用的水封炉盖有水槽和炉盖两部分组成，水槽内缘高于外缘，以避免在加水时溅入炉内，或者在使用过程中高温水沿内缘流入炉内，不能达到较好的密封效果。另外，这种水密封结构有利于保证气化炉工作的连续性，不用揭开炉盖即可往密封水槽内加水。（4） 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，炉底设有除灰口。保温层由珍珠岩加耐火水泥等保温材料填充，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。4.1 气化炉主要气化参数的

15、设计计算4.1.1 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810m3 ，用气时间4h左右，消耗生物质原料1012kg，因此，初步设计该户用型上吸式气化炉消耗的原料量C0=2.4kg/h；初步确定气化强度为 =70kg/( h)4.1.2 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=6.15 O=47.14 N=0.78玉米秸完全燃烧所需的空气量为：V= (1.866

16、C+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)4.2 气化炉主要性能指标的拟定(1) 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

17、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： ××1.5=2.4×1.2272×1.5=4.4181( /h) (2)燃气的低位发热量 气化燃气的低位发热量拟定Qg=kJ/kg (3)气化效率 拟定气化效率 =85 75%(4)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=4.2h 3.8%4.3 气化炉的主要气化参数的计算(1)原料单位时间消耗量C C= q×Qg /( ×Qm )=4.4181×6.5/(0.85×16.

18、33)=2.0689 (kg/h)C= q×Qg /( ×Qm )=4.4181×6.5/(0.75×16.33)=2.3448 (kg/h)(2) 气化强度 =(C /)×=(2.0689/2.4) ×70=60.3429(kg/( h) =(C /C0 )×0 =(2.3448/2.4) ×70=68.3888(kg/( m2h) (3) 产气率 G= q/C=4.4181/2.0689=2.1355( /kg) = q/C =4.4181/2.3448=1.8842( /kg) 4.4气化炉主要结构参数的设计

19、计算(1)炉膛的结构尺寸 a 炉膛截面积 b 炉膛的原料高度 由于使用的原料是压缩成型玉米秸秆，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 。 c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 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 d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。 =0.48/1.2=0.4m考虑到气化炉点火时灰烬需要占用一定的空间= h+0.2=0.6m（2）送风口结构尺寸 a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