小型家用生物質氣化爐設計(共13頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上課程設計報告（2014-2015年度第二學期）名 稱：新能源熱利用與熱發(fā)電原理與系統(tǒng)課程設計題 目：小型家用生物質氣化爐設計 院 系： 生化學院 班 級： 新能源1121 學 號： 1 學生姓名： 11111 指導教師： 1111 設計周數(shù)： 第18周 成 績： 提交日期：2015年7月3日一課程設計目的與要求1.設計目的通過小型生物質氣化爐設計練習，掌握氣化爐的選型、參數(shù)設計的原理和方法。2.設計任務設計一個小型家用生物質氣化爐，如右圖。主要技術指標如下：(1) 點火起動時間：<3min；(2) 氣化爐運行穩(wěn)定，一次加料后持續(xù)穩(wěn)定燃燒時間：3.5h；(3) 氣

2、化效率：75；(4) 熱效率：90；(5) 燃氣熱值：>6000kJ/N ；(6) 產氣量：1.5 /kg，可供農戶一天的炊事使用；(7) 封火時間:12h。3.設計要求獨立撰寫設計報告，正文不少于5000字。二. 設計內容1 緒論1. 1 秸稈氣化爐的發(fā)展前景隨著我國經濟水平的提高，中國農民的收入也大步增高。因次許多農民告別了煙熏火燎的日子，利用電飯煲、電飯鍋等進行做飯燒水。這種能源利用方式的改變使他們過上了更加方便、文明和衛(wèi)生的生活。然而，要完全依靠電力來保證8億農民的生活需求，則是國力和環(huán)境的承重負擔。我國生物質資源的大量浪費和農村商品能源的大量需求逐年增大的局面，引起政府和社會的

3、關注。我國絕大多數(shù)農村和小城鎮(zhèn)居民，能源消耗量的80%以上是直接燃燒生物質能而得到的。這種產能方式不僅利用率低下，而且對環(huán)境有很大的危害。所以迫切需要一種將生物質能轉化為清潔能源的裝置。秸稈氣化爐就是這樣一種裝置。它以農作物秸稈、農林廢棄物為主要氣化原料。氣化爐的生產成本不高，而是用成本更低。該技術在農村的應用前景極其廣闊，在改變農村傳統(tǒng)飲炊習慣，減少農民開支，提高農民生活質量等方面具有較大的推廣價值。1. 2 秸稈氣化爐的工作原理 氣化爐是根據(jù)有機物的熱解原理，是爐內的生物質在一定溫度和氧氣條件下充分裂解為可燃性氣體。只需要點燃爐內生物質即可產生高溫，在缺氧的環(huán)境下，生物質裂解為甲烷、氫氣、

4、一氧化碳等可燃氣體。燃氣自動導入分離系統(tǒng)執(zhí)行脫硫、脫塵、脫水蒸氣等凈化程序，產生優(yōu)質燃氣。燃氣通過管道出送到燃氣灶，點燃（亦可電子打火）即可使用。2 各種爐型結構及特點2.1 固定床氣化爐的結構及特點2.1.1 上吸式氣化爐 氣化爐內部是氣化各層的反應區(qū)，外層是保溫層，爐頂為進料口，爐底設有除灰口。保溫層由珍珠巖加耐火水泥等保溫材料填充，這樣在保證反應區(qū)溫度的同時，又可以降低氣化爐外壁的溫度，保證使用安全，減少熱量的散失，并延長封火時間。 優(yōu)點： （1）、燃氣在經過熱分解層和干燥層時，將熱量傳遞給物料，用于物料的熱分解和干燥，同時降低其自身的溫度，使爐子熱效率大大提高；（2）熱分解層和干燥層對

5、燃氣有一定的過濾作用，所以出爐的燃氣中只含有少量灰分；結構簡單，加工制造容易，爐內阻力小。缺點： （1）、原料中水分不能參加反應，減少了燃氣中H和碳氫化合物的含量，氣體與固體逆向流動時，物料中的水分隨產品氣體帶出爐外，降低了氣體的實際熱值，增加了排煙熱損失；（1）、熱氣體從底部上升時，溫度沿著反應層高度下降，物料被干燥與低溫度的氣流相遇，原料在低溫(250400oC)下進行熱分解，導致焦油含量高。圖1：上吸式氣化爐結構圖2.1.2 下吸式氣化爐優(yōu)點： （1）、氣化強度較上吸式高； （2）、工作穩(wěn)定性好；可隨時開蓋添料；（3）、由于氧化區(qū)在熱解區(qū)與還原區(qū)之間，因而干餾和熱解的產物都要經過氧化區(qū)，

6、在高溫下裂解成H2和CO等永久性小分子氣體，使氣化氣中焦油含量大大減少。缺點：（1）、由于爐內的氣體流向是自上而下的，而熱氣流的方向是自下而上的，致使引風機從爐柵下抽出可燃氣要耗費較大的功率；（2）、出爐的可燃氣中含有的灰分較多；（3）、出爐的可燃氣的溫度較高，須用水進行冷卻。圖2：下吸式氣化爐結構圖2.1.3 橫（平）吸式氣化爐 生物質原料由爐頂加入，灰分落入爐柵下部的灰室。氣化劑由側面進入，產出的氣體也由側面流出，氣流橫向通過氣化區(qū)，在氧化區(qū)、還原區(qū)進行的熱化學反應與下吸式氣化爐相同，只不過反應溫度較高，燃燒區(qū)溫度甚至會超過灰熔點，容易造成結渣。因此，該爐適用于含灰分少的原料，一般用作焦炭

7、和木炭氣化。2.2 流化床氣化爐的結構及特點流化床氣化爐的反應物料中常摻有精選過的惰性材料沙子，在吹入氣化劑作用下，物料顆粒、沙子、氣化劑接觸充分，受熱充分，在爐內呈“沸騰”燃燒狀態(tài)，氣化反應速度快，生產能力大，氣化效率高。氣化反應在床內進行，焦油也在床內裂解，氣固分離以后的炭不斷循環(huán)回反應爐內。使炭有足夠的時間在床內停留，以適應還原反應速度慢的需要。適合水分含量大、熱值低、著火困難的生物質物料。缺點：產氣中灰分需要很好地凈化處理和部件磨損嚴重。圖3：流化床氣化爐結構圖 2.3 氣化當量比只有在當量比為0.250.3時,即氣化反應所需氧僅為完全燃燒耗氧量的25-30，產出氣成分較理想。當生物質

8、物料中水分較大或揮發(fā)分較小時應取上限，反之取下限。圖4：燃氣成分與空氣量的關系曲線3 氣化爐總體方案的確定3.1 研究設計原則 （1）氣化效率高，燃氣質量好 目前市場上許多氣化爐的效率<70%，燃氣低位發(fā)熱量<4.6MJ/Nm³，燃氣中一氧化碳含量>20%，不滿足國家標準，既造成了能源的浪費，有對用戶生命安全構成危邪。必須合理的設計氣化爐，使燃氣成分指標合乎國家標準。 （2）物料適應性好 由于農村生物質種類比較多，設計出的氣化爐機組應具有廣泛的適應性。 （3）堅固耐用，運行穩(wěn)定選用合理的耐火材料和爐排材料大大延長維修周期，增加設備的穩(wěn)定性。 （4）結構簡單，操作方便

9、，價格低廉 由于生物質氣化爐主要用于農村，因此結構不能太復雜。要設計合理便于維修及工作人員的日常運行。同時還應該降低成本，以利于推廣。3.2 擬達到的技術指標 (1) 點火起動時間：<3min； (2) 氣化爐運行穩(wěn)定，一次加料后持續(xù)穩(wěn)定燃燒時間：3.5h； (3) 氣化效率：75； (4) 熱效率：90； (5) 燃氣熱值：>6000kJ/N ； (6) 產氣量：1.5 /kg，可供農戶一天的炊事使用； (7) 封火時間: 12h。3. 3 生物質氣化爐的選型現(xiàn)在常用的生物質氣化爐根據(jù)鼓風方法不同和燃氣相對于燃料的流動方式不同可以分為上吸式、下吸式和平吸式。由于生物質氣化爐主要時

10、用在農村，它要求燃氣質量好，發(fā)熱量高，適合炊事；雜質含量（特別是焦油）低。使煤氣表和燃氣灶不容易堵塞，從而延長使用壽命；爐體結構簡單，成本低，操作和維修方便；通用性好，適合于揮發(fā)分含量較高的農林廢棄物氣化。衡量上吸式、下吸式和平吸式三種型號氣化爐，上吸式氣化爐綜合性能能滿足上述要求。故本設計采用上吸式氣化爐。3. 4 上吸式氣化爐的工作原理一般常壓下固定床上吸式氣化爐按工作狀態(tài)分為四個區(qū)域：干燥區(qū)、熱分解區(qū)、還原區(qū)和氧化區(qū)。 (1) 干燥區(qū) 在氣化爐的最上層為干燥層，從上面加入的燃料直接進入到干燥區(qū)，濕物料在這里同下面三個反應區(qū)生成的熱氣體產物進行換熱。使原料的水分蒸發(fā)出去，生物質原料由含一定

11、水分到不含水分的干物質燃料。干燥層的溫度大約是100250°C。干燥區(qū)的產物為干物料和水蒸氣，而水蒸氣隨著其他三個反應區(qū)的產熱而排除氣化爐，而干物料則掉落到裂解區(qū)。 （2）熱分解區(qū) 在氧化區(qū)和還原區(qū)產生的熱氣體，在上述反應中經過裂解層，將生物質加熱。生物質經過加熱后發(fā)生裂解反應，在反應中生物質中大部分揮發(fā)分從固體中揮發(fā)出來。由于裂解需要大量的熱，所以裂解區(qū)的溫度降到300800°C.裂解的主要產物是炭、氫氣、水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油和少部分烴類，氣體進入干燥區(qū)，而炭則進入還原區(qū)。 (3)還原區(qū) 在還原區(qū)已經沒有氧氣存在，二氧化碳同炭在水蒸氣的作用下發(fā)生還原反應

12、，生成一氧化碳和氫氣。由于還原反應是吸熱反應，所以還原區(qū)的溫度降到9001000°C。產生的熱氣體進入干燥區(qū)，而沒反應完得炭則進入到氧化區(qū)。 ( 4 ) 氧化區(qū)氣化劑有氣化爐底部進入，經過灰渣層與灰渣層換熱，被加熱的熱氣體進入氧化層底部的氧化區(qū)，在這里同炭發(fā)生劇烈的氧化反應，生成二氧化碳，同時放出大量熱量。由于是缺氧燃燒，所以不完全燃燒反應同時發(fā)生，生成一氧化碳，同時也放出熱量。在氧化區(qū)，溫度達到10001200°C.在氧化區(qū)的反應均為放熱反應，為還原反應、裂解和干燥提供能量。3.5 上吸式氣化爐的總體結構（1）氣化劑在氣化爐的下部(氧化層附近)夾層中預熱，通過數(shù)個開在爐芯

13、上的小孔送入爐膛，在爐膛中供氧燃燒，進入爐膛參與氣化反應，可以大大提高氣化爐內的反應溫度和氣化效率。 （2）爐底配風設計經過氣化爐氣化出來的是燃氣，直接送入灶頭燃燒的話屬于擴散火焰，部分可燃氣成分可能會由于混入空氣不足而逸出灶頭后與周邊的氧氣再發(fā)生燃燒反應，火苗將會大而不穩(wěn)，因此需要配入空氣成為預混火焰后再燃燒，這樣可以達到較好的燃燒效果。因此，我們在氣化爐氧化區(qū)域的外筒和內筒之間設有風道，風道的一端是進風口，與換風扇相連，送入空氣；另一端是配風口，用后面接有的閥門控制配風量；風道的周圍均勻分布送風口。送入的空氣在風道中流動，可以利用氧化區(qū)的熱量預熱自身的溫度，空氣一部分通過噴嘴進入氣化爐內進

14、行氣化反應，另一部分通過配風口與出口的燃氣預混送入灶頭燃燒。（3）加料口密封裝置設計本文設計的燃燒室上方開有密封水槽，用于保證封火時爐子的密封性能良好。采用的水封爐蓋有水槽和爐蓋兩部分組成，水槽內緣高于外緣，以避免在加水時濺入爐內，或者在使用過程中高溫水沿內緣流入爐內，不能達到較好的密封效果。另外，這種水密封結構有利于保證氣化爐工作的連續(xù)性，不用揭開爐蓋即可往密封水槽內加水。（4） 氣化爐內部是氣化各層的反應區(qū)，外層是保溫層，爐頂為進料口，爐底設有除灰口。保溫層由珍珠巖加耐火水泥等保溫材料填充，這樣在保證反應區(qū)溫度的同時，又可以降低氣化爐外壁的溫度，保證使用安全，減少熱量的散失，并延長封火時間

15、。4.1 氣化爐主要氣化參數(shù)的設計計算4.1.1 初步擬定原料消耗量和氣化強度比如，一個四口之家每天用氣量大約在810m3 ，用氣時間4h左右，消耗生物質原料1012kg，因此，初步設計該戶用型上吸式氣化爐消耗的原料量C0=2.4kg/h；初步確定氣化強度為 =70kg/( h)4.1.2 確定氣化氣體的量生物質原料完全燃燒所需的空氣量 ：V= (1.866C+5.55H-O.7O)式中：V原料完全燃燒所需的理論空氣量， m3/kg；C原料中碳元素含量；H原料中氫元素含量；0原料中氧元素含量。玉米秸所含主要元素含量為：C=45.43 H=6.15 O=47.14 N=0.78玉米秸完全燃燒所需

16、的空氣量為：V= (1.866C+5.55H-O.70) = (1.866×45.43 +5.55×6.15-O.7×47.14) = 4.0908(m3/kg)實際需要通入的空氣量 取過量空氣系數(shù) =1.2，保證分配的二次通風使氣化氣得到完全燃燒。因此，實際需要通入的空氣量 ： 1.2×4.0908=4.909(m3/kg)玉米秸稈壓塊的揮發(fā)分較高，含水量很低，當量比取0.3，則每千克燃料氣化所需要的空氣量為：0.3×4.0908=1.2272 ( m3/kg)4.2 氣化爐主要性能指標的擬定(1) 氣化燃氣流量q空氣(氣化劑)中 含量79左

17、右，氣化生物質產生的燃氣中 含量一般在50左右，考慮到 在該氣化反應中幾乎很少發(fā)生反應，據(jù)此，擬燃氣流量是氣化劑(空氣)流量的1.5倍，則可燃氣流量q為： ××1.5=2.4×1.2272×1.5=4.4181( /h) (2)燃氣的低位發(fā)熱量 氣化燃氣的低位發(fā)熱量擬定Qg=kJ/kg (3)氣化效率 擬定氣化效率 =85 75%(4)氣化爐持續(xù)工作時間T 滿爐加料，擬定氣化爐連續(xù)運行時間T=4.2h 3.8%4.3 氣化爐的主要氣化參數(shù)的計算(1)原料單位時間消耗量C C= q×Qg /( ×Qm )=4.4181×6.5

18、/(0.85×16.33)=2.0689 (kg/h)C= q×Qg /( ×Qm )=4.4181×6.5/(0.75×16.33)=2.3448 (kg/h)(2) 氣化強度 =(C /)×=(2.0689/2.4) ×70=60.3429(kg/( h) =(C /C0 )×0 =(2.3448/2.4) ×70=68.3888(kg/( m2h) (3) 產氣率 G= q/C=4.4181/2.0689=2.1355( /kg) = q/C =4.4181/2.3448=1.8842( /kg)

19、4.4氣化爐主要結構參數(shù)的設計計算(1)爐膛的結構尺寸 a 爐膛截面積 b 爐膛的原料高度 由于使用的原料是壓縮成型玉米秸稈，成型料的堆積密度一般為原料堆積密度的10倍左右，取密度 =600kg/m3 。 c氣化爐內筒的高度系數(shù) 物料在爐內應有足夠的滯留時間，這與燃燒層的高度及物料與氣流運動有關，要保證生物質原料氣化耗盡。剩下的殘灰體積小于燃料體積，設p為原料氣化體積收縮率，H為氣化爐內筒實際高度，則在加料次數(shù)為n次時，實際可加進的燃料高度L為 為氣化爐內筒的高度系數(shù)。參考有關文獻和經驗，生物質原料氣化的收縮率p取0.2，由此可得n=1，2，3，4時，高度系數(shù)分別為：1， 1.2，1.24，1.248 d內筒高度h 氣化爐加滿原料后，經過一段時間運行，原料耗盡，在不排灰的情況下，可再次加入原料繼續(xù)運行。這個過程理論上可進行無限多次，實際上只有開始幾次加料有實用價值。 =0.48/1.2=0.4m考慮到氣化爐點火時灰燼需要占用一定的空間= h+0.2=0.6m（2）送風口結構尺寸 a一次風口的尺寸 上吸式氣化爐一次風口，采用在爐膛壁上開小孔的設計方式。通過氣化原料氣化所需的空氣量 確定風口的尺寸，風口的幾何尺寸內徑 按下式計算： C-生物質原料的消耗量，kg/h；V-風口中空氣流速，