户用型上吸式生物质气化炉的设计

新能源课程设计任务书题目：户用型上吸式生物质气化炉的设计姓名：班级：08热能一班学号：摘要：能源问题是全球重大问题，生物质能是一种有效的替代能源，可以缓解能源的紧张问题。我国生物质能比拟丰富，应加强生物质能的研究。原理概述：生物质气炉制造的秸秆燃气，属于绿色新能源，具有强大的生命力。由于植物燃气产生的原料为农作物秸秆、林木废弃物、食用菌渣、牛羊畜粪及一切可燃性物质，是一种取之不尽，用之不竭的再生资源。然而，在我国目前农村能源结构〔秸秆燃气、天然气、液化气、沼气、太阳能、电、原煤、蜂窝煤，原植物燃料〕当中，唯独有秸秆燃气最经济、最方便、最节能、最适用，不仅使用平安，而且清洁卫生。每个农户每天只需植物原料3-5公斤，方可解决全天生活用能〔炊事、取暖、淋浴〕，并且像液化气一样燃烧，完全可以改变我国农村烟熏火燎的生活方式，完全可以取缔传统柴灶，替代液化气。关键词：生物质、上吸式、气化、户用型。第一章绪论1.1开展背景能源是人类生存和开展的物质根底。建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料的根底上的能源体系极大地推进了人类社会的进步和开展。然而现代经济过渡依赖化石能源。这种过渡依赖带来了环境问题、经济危机、现代战争、领土和领海争端等一系列问题。从能源的开展前景来看，化石能源的前景不容乐观。《BP世界能源统计2009》现实，按照当前开采速度全球原油剩余量仅供人类开采42年。以同样的方式计算，天然气可供60年，煤可供122年。尽管地质学家对化石能源匮乏时间仍有争论，但无论如何，化石燃料终将耗尽确是无可争辩的事实。寻找一种可再生的替代能源已成为社会普遍关注的焦点。可再生能源包括太阳能、风力、水力、潮汐和生物质能等。生物质能是仅次于煤、石油和天然气居于世界能源消费总量第四位的能源。作为唯一的可储存和输运的能源，具有广泛的开展前景。21世纪中国的可持续开展面临着能源的严峻挑战:国内优质能源资源缺乏，环境问题于能源平安日益迫切，温室气体的排放的压力日益加大。改变我国传统的能源生产模式、消费模式，利用生物质能等清洁可再生能源，对建立可持续开展的能源系统，促进我国经济开展和环境保护具有十分重大的现实和战略意义。1.2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，那么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。1.3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。第二章户用型上吸式生物质气化炉的结构设计2.1气化炉总体方案确实定2.1.1研究设计原那么〔1〕气化效率高，燃气质量好³，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〕结构简单，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。同时还应该降低本钱，以利于推广。2.1.2拟到达的技术指标(1)点火起动时间：<8min；(2)气化炉运行稳定，一次加料后持续稳定燃烧时间≥39min(3)气化效率：≥70％；(4)热效率：≥90％；(5)燃气热值：>4600kJ/N(6)产气量：≥/kg，可供农户一天的炊事使用；(7)封火时间:≥12h〔8〕焦油含量<30mg/2.1.3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；炉体结构简单，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。2.1.4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。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，而干物料那么掉落到裂解区。〔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，在反响中生物质中大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，而炭那么进入复原区。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，而没反响完得炭那么进入到氧化区。(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。2.1.5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，在炉膛中供氧燃烧，进入炉膛参与气化反响，可以大大提高气化炉内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，空气一局部通过喷嘴进入气化炉内进行气化反响，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，水槽内缘高于外缘，以防止在加水时溅入炉内，或者在使用过程中高温水沿内缘流入炉内，不能到达较好的密封效果。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〕本文设计的气化炉所用的是生物质压缩成型原料，其密度、强度和低位热值能都有了本质的改善，大大提高了生物质的燃料品位。高密度节省了原料所占用的空间，使气化炉的结构尺寸得到很大程度的缩减，节省了空间，高热值提高了生物质原料的利用率。〔5〕气化炉内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。2.2气化炉的参数设计2.2.1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农户一个五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/(m3·h)(2)气化空气量确实定①原料完全燃烧所需的空气量V(/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，所以本研究中不考虑氮、硫与氧的燃烧反响，只考虑碳、氢与氧的燃烧反响。碳完全燃烧的反响：C+O2=CO2〔2-1〕12kg22.4lkg碳完全燃烧需要1．866N氧气。氢燃烧的反响：4H+O2＝2H20〔2-2〕4.032kg22.4lkg氢燃烧需要5.55N氧气。原料中已经含有氧[O]，相当于1kg原料已经供应[O]×22.4/32=0.7[O]N氧气，氧气占空气的2l％，所以生物质原料完全燃烧所需的空气量：=(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，/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。如棉杆所含主要元素含量为：[C]=64.43％[H]=5.15％[O]=％[N]=2.78％棉秆完全燃烧所需的空气量为：=(1.866[C]+5.55[H]-O.7[0])=(1.866×64.43％+5.55×5.15％-O.7×27.66％)(/kg)②实际需要通入的空气量(/kg)为理论上的棉秆完全燃烧所需的空气量，考虑到实际过程中的空气泄漏或供应缺乏等因素，参加过量空气系数，取=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：=〔2-3〕×=(/kg)③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响，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2-1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，直接加热物料的反响属于热解反响，虽然也可以产生H2，CO，CH4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响，不能产生可燃气；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。计算气化炉反响所需空气量时，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0.3，计算实际气化所需空气量： =V〔2-4〕×(/kg)式中:一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。〔3)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，那么可燃气流量q为：=××1.5〔2-5〕=××=(/h)②燃气的低位发热量气化燃气的低位发热量拟定Qg=1.5×104kJ/③气化效率拟定气化效率=70％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=3.8h(4)气化炉的主要气化参数的计算①原料单位时间消耗量C=×/(×) 〔2-6〕=×1.5/(0.7×)=(kg/h)②气化强度=(/)×B〔2-7〕=(/2.4)×70=(kg/())③产气率=/〔2-8〕=/=(/kg)④设计热功率=×/3600〔2-9〕=15000×/3600=(KW)2.2.2炉体尺寸的设计及计算〔1〕炉体结构尺寸设计在上吸式气化炉中，反响温度随反响层的高度增加而减小，在运行中，其他条件确定，反响层高度反映了反响温度，它可以通过调节料层高度来实现。为了方便使用，便于控制，每次加料都需要加满，因此控制炉膛高度就可以控制料层高度。另外炉膛内壁涂耐火土层，空隙中填珍珠岩，将少内部热量损失。①炉膛截面积(2-10)②炉膛截面直径=(2-11)③炉膛的原料高度(2-12)=4×500)=0.23式中：一生物质原料在炉膛中的堆积密度，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=500kg/。④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，设为原料气化体积收缩率，H为气化炉内筒实际高度，那么在加料次数为n次时，实际可加进的燃料高度L为(2-13)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取0.2，由此可得：=1，=1.2，=1.24，=1.248，=1.2496,````````⑤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，可再次参加原料继续运行。这个过程理论上可进行无限屡次，实际上只有开始几次加料有实用价值。取=1.2，当需要气化燃料高度为L=0.23m时，相应的气化炉内筒实际高度h为：(2-14)考虑到气化炉点火时灰烬需要占用一定的空间，且要保证炉内的原料能够在一定的压力作用下稳定地下移，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实际高度取h=0.4mm高，所以炉子的总高度约为=h+=0.6m〔2〕送风口结构尺寸①一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：(2-15)式中:一生物质原料的消耗量，kg/h；一风口中空气流速，m/s；一气化所需空气量，/kg；一风口直径，m；一风口个数，因此风口采用6个内径为5mm的孔，沿圆周方向均匀分布，计算得到风口中空气流速为5.72m／s。在结构允许的条件下，较多的风口有利于空气和物料的良好混合，但也增大了阻力，增加了风机的负荷。②二次进风口孔的尺寸燃烧室下方开有二次风口，通入适量空气使产生的气化气充分燃烧，所以需要合理地确定二次风口的尺寸。空气是由风扇经同一送风口送入炉膛，由配风阀分配一二次风的量，流速相同，因此二次进风口尺寸可根据一次进风口尺寸确定。由气化当量比ε=0.3可知，那么燃烧所需空气量=〔1-ε〕V(2-16)=0.7V所以二次进风量与一次进风量比为由此可知，进风口面积比由上文可知，设计的一次进风口个数为6个，直径为5mm。燃烧室下方的一排二次进风口，沿燃烧室壁均匀分布，总个数为10个即其中：——一次进风口孔的直径；——二次进风口孔的直径。所以算得进风口直径为5.09mm，二次进风量需要保证气化气完全燃烧，前文中也考虑了过量空气系数，因此设计时取=8mm。〔3〕炉膛的容积计算根据标准状态下单位质量的生物质所产生的生物质气体的气化效率η=〔QQTGV〕/QWL,知炉膛容积为：VLT=MWL/=VQT/GV=VQTQQT/ηQWL式中：VQT—气体产量QQT—冷气体热值GV—冷气体产率QWL—燃料热值33生物质气化气的用量。本气化炉设计要求满足5口之家农户一次加料满足三天炊事使用，既保证产气量VQT大于3×3，各种生物质的低位热值如下表所示：表2-1几种生物质的热值〔KJ/Kg〕玉米杆高粱杆稻草豆秸麦秸棉杆稻壳15547150471397716154153731599914557本炉以棉杆为主要原料，故取QWL=15999KJ/Kg，根据JB/T9014.4-1999关于物料压实的密度测定方法，测得秸秆的密度=124Kg/m3，由此计算炉膛容积VLTVLT=MWL/=VQT/GV=VQTQQT/ηQWL×4600×15999×124〕3(4)气化炉的各层材料及厚度为保证炉膛容积VLT≥3，选择钢板作为气化炉外壳，根据临界VLT3，设计圆筒内涂敷耐火层，空隙中充满珍珠岩。气化炉的外壁的作用是固定炉体结构，考虑到价格和强度，选用普通钢板即可，本设计中炉壁厚度取6mm。生物质的气化过程和气化气的燃烧过程都是在炉膛中进行的，属于高温反响，所选材料必须耐高温，本文中选取8mm厚的锅炉钢。确定保温层内壁〔即风道外壁〕的温度t炉膛的内壁和炉体外壁分别选用的材料是锅炉钢和普通钢，导热性能极好，此两层的温降不计，由炉膛内温度曲线图知：炉膛内壁温度300°C，因此风道内壁〔即炉膛外壁〕的温度=300°C。假定风道外壁温度=250°C,那么风道的平均温度=；气化炉的炉体为圆筒状，通过圆筒壁的热流量Φ为定值，因此风道内有以下公式：式中：-温度为时干空气的导热系数；h–设计出的炉膛内筒实际高度；-风道的外径；=-炉膛截面直径；-风道的宽度；气化炉的结构设计需保证一定的热量要求，防止热损失过大，降低气化炉的热量利用率，因此需规定气化炉常年运行工况所允许的散热损失。表2-2为气化炉常年运行工况允许最大散热损失。表2-2常年运行工况允许最大散热损失设备、管道及附件外外表温度t50100150200250300350允许最大散热损失Φ5893116140163186209由表2-2知，当保持保温层外的温度为50°C左右时，炉子所允许的最大散热损失为58W，因此，通过风道和保温层的热流量Φ=58Wd1d1×②确定保温层厚度δ1保温层材料为水泥膨胀珍珠岩制品，以水泥为粘结剂，珍珠岩粉为骨料，按1：10的比