小型家用生物质气化炉设计

-.z.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：1学生：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：≥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.设计容1绪论1.1秸秆气化炉的开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。因次许多农民辞别了烟熏火燎的日子，利用电饭煲、电饭锅等进展做饭烧水。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。气化炉的生产本钱不高，而是用本钱更低。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。燃气自动导入别离系统执行脱硫、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各种炉型构造及特点2.1固定床气化炉的构造及特点2.1.1上吸式气化炉气化炉部是气化各层的反响区，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，这样在保证反响区温度的同时，又可以降低气化炉外壁的温度，保证使用平安，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枯燥层时，将热量传递给物料，用于物料的热分解和枯燥，同时降低其自身的温度，使炉子热效率大大提高；〔2〕热分解层和枯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；构造简单，加工制造容易，炉阻力小。缺点：〔1〕、原料中水分不能参加反响，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，温度沿着反响层高度下降，物料被枯燥与低温度的气流相遇，原料在低温(250～400oC)下进展热分解，导致焦油含量高。图1：上吸式气化炉构造图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复原区之间，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：〔1〕、由于炉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消耗较大的功率；〔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，须用水进展冷却。图2：下吸式气化炉构造图2.1.3横〔平〕吸式气化炉生物质原料由炉顶参加，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、复原区进展的热化学反响与下吸式气化炉一样，只不过反响温度较高，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流化床气化炉的构造及特点流化床气化炉的反响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，在炉呈“沸腾〞燃烧状态，气化反响速度快，生产能力大，气化效率高。气化反响在床进展，焦油也在床裂解，气固别离以后的炭不断循环回反响炉。使炭有足够的时间在床停留，以适应复原反响速度慢的需要。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：流化床气化炉构造图2.3气化当量比只有在当量比为0.25～0.3时,即气化反响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。图4：燃气成分与空气量的关系曲线3气化炉总体方案确实定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，有对用户生命平安构成危邪。必须合理的设计气化炉，使燃气成分指标符合国家标准。〔2〕物料适应性好由于农村生物质种类比拟多，设计出的气化炉机组应具有广泛的适应性。〔3〕巩固耐用，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〕构造简单，操作方便，价格低廉由于生物质气化炉主要用于农村，因此构造不能太复杂。要设计合理便于维修及工作人员的日常运行。同时还应该降低本钱，以利于推广。3.2拟到达的技术指标(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；炉体构造简单，本钱低，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：枯燥区、热分解区、复原区和氧化区。(1)枯燥区在气化炉的最上层为枯燥层，从上面参加的燃料直接进入到枯燥区，湿物料在这里同下面三个反响区生成的热气体产物进展换热。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。枯燥层的温度大约是100~250°C。枯燥区的产物为干物料和水蒸气，而水蒸气随着其他三个反响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复原区产生的热气体，在上述反响中经过裂解层，将生物质加热。生物质经过加热后发生裂解反响，在反响中生物质局部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300~800°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、焦油和少局部烃类，气体进入枯燥区，而炭则进入复原区。(3)复原区在复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复原反响，生成一氧化碳和氢气。由于复原反响是吸热反响，所以复原区的温度降到900~1000°C。产生的热气体进入枯燥区，而没反响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响，生成二氧化碳，同时放出大量热量。由于是缺氧燃烧，所以不完全燃烧反响同时发生，生成一氧化碳，同时也放出热量。在氧化区，温度到达1000~1200°C.在氧化区的反响均为放热反响，为复原反响、裂解和枯燥提供能量。3.5上吸式气化炉的总体构造〔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，在炉膛中供氧燃烧，进入炉膛参与气化反响，可以大大提高气化炉的反响温度和气化效率。〔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，局部可燃气成分可能会由于混入空气缺乏而逸出灶头后与周边的氧气再发生燃烧反响，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，这样可以到达较好的燃烧效果。因此，我们在气化炉氧化区域的外筒和筒之间设有风道，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，空气一局部通过喷嘴进入气化炉进展气化反响，另一局部通过配风口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局部组成，水槽缘高于外缘，以防止在加水时溅入炉，或者在使用过程中高温水沿缘流入炉，不能到达较好的密封效果。另外，这种水密封构造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加水。气化炉部是气化各层的反响区，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，这样在保证反响区温度的同时，又可以降低气化炉外壁的温度，保证使用平安，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设计计算4.1.1初步拟定原料消耗量和气化强度比方，一个四口之家每天用气量大约在8～10m3，用气时间4h左右，消耗生物质原料10～12kg，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=(1.866[C]+5.55[H]-O.7[O])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[C]+5.55[H]-O.7[0])=(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量一般在50％左右，考虑到在该气化反响中几乎很少发生反响，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=4.2h3.8%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CC=q×Qg/(η×Qm)=4.4181×6.5/(0.85×16.33)=2.0689(kg/h)C=q×Qg/(η×Qm) =4.4181×6.5/(0.75×16.33)=2.3448(kg/h)(2)气化强度φ=(C/)×=(2.0689/2.4)×70=60.3429(kg/(h))=(C/C0)×φ0=(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气化炉主要构造参数的设计计算(1)炉膛的构造尺寸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气化炉筒的高度系数物料在炉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为为气化炉筒的高度系数。参考有关文献和经历，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：1，1.2，1.24，1.248d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，可再次参加原料继续运行。这个过程理论上可进展无限屡次，实际上只有开场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〕送风口构造尺寸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，