小型家用生物質(zhì)氣化爐設(shè)計

-.z.課程設(shè)計報告〔2014-2015年度第二學(xué)期〕名稱：新能源熱利用與熱發(fā)電原理與系統(tǒng)課程設(shè)計題目：小型家用生物質(zhì)氣化爐設(shè)計院系：生化學(xué)院班級：新能源1121學(xué)號：1學(xué)生：11111指導(dǎo)教師：1111設(shè)計周數(shù)：第18周成績：提交日期：2015年7月3日一．課程設(shè)計目的與要求1.設(shè)計目的通過小型生物質(zhì)氣化爐設(shè)計練習(xí)，掌握氣化爐的選型、參數(shù)設(shè)計的原理和方法。2.設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個小型家用生物質(zhì)氣化爐，如右圖。主要技術(shù)指標(biāo)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)氣化效率：≥75％；(4)熱效率：≥90％；(5)燃氣熱值：>6000kJ/N；(6)產(chǎn)氣量：≥1.5/kg，可供農(nóng)戶一天的炊事使用；(7)封火時間:≥12h。3.設(shè)計要求獨立撰寫設(shè)計報告，正文不少于5000字。二.設(shè)計容1緒論1.1秸稈氣化爐的開展前景隨著我國經(jīng)濟水平的提高，中國農(nóng)民的收入也大步增高。因次許多農(nóng)民辭別了煙熏火燎的日子，利用電飯煲、電飯鍋等進展做飯燒水。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(nóng)民的生活需求，則是國力和環(huán)境的承重負擔(dān)。我國生物質(zhì)資源的大量浪費和農(nóng)村商品能源的大量需求逐年增大的局面，引起政府和社會的關(guān)注。我國絕大多數(shù)農(nóng)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(zhì)能而得到的。這種產(chǎn)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(zhì)能轉(zhuǎn)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(nóng)作物秸稈、農(nóng)林廢棄物為主要氣化原料。氣化爐的生產(chǎn)本錢不高，而是用本錢更低。該技術(shù)在農(nóng)村的應(yīng)用前景極其廣闊，在改變農(nóng)村傳統(tǒng)飲炊習(xí)慣，減少農(nóng)民開支，提高農(nóng)民生活質(zhì)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，是爐的生物質(zhì)在一定溫度和氧氣條件下充分裂解為可燃性氣體。只需要點燃爐生物質(zhì)即可產(chǎn)生高溫，在缺氧的環(huán)境下，生物質(zhì)裂解為甲烷、氫氣、一氧化碳等可燃氣體。燃氣自動導(dǎo)入別離系統(tǒng)執(zhí)行脫硫、脫塵、脫水蒸氣等凈化程序，產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)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各種爐型構(gòu)造及特點2.1固定床氣化爐的構(gòu)造及特點2.1.1上吸式氣化爐氣化爐部是氣化各層的反響區(qū)，外層是保溫層，爐頂為進料口，爐底設(shè)有除灰口。保溫層由珍珠巖加耐火水泥等保溫材料填充，這樣在保證反響區(qū)溫度的同時，又可以降低氣化爐外壁的溫度，保證使用平安，減少熱量的散失，并延長封火時間。優(yōu)點：〔1〕、燃氣在經(jīng)過熱分解層和枯燥層時，將熱量傳遞給物料，用于物料的熱分解和枯燥，同時降低其自身的溫度，使?fàn)t子熱效率大大提高；〔2〕熱分解層和枯燥層對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；構(gòu)造簡單，加工制造容易，爐阻力小。缺點：〔1〕、原料中水分不能參加反響，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(chǎn)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，溫度沿著反響層高度下降，物料被枯燥與低溫度的氣流相遇，原料在低溫(250～400oC)下進展熱分解，導(dǎo)致焦油含量高。圖1：上吸式氣化爐構(gòu)造圖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)與復(fù)原區(qū)之間，因而干餾和熱解的產(chǎn)物都要經(jīng)過氧化區(qū)，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(fēng)機從爐柵下抽出可燃氣要消耗較大的功率；〔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，須用水進展冷卻。圖2：下吸式氣化爐構(gòu)造圖2.1.3橫〔平〕吸式氣化爐生物質(zhì)原料由爐頂參加，灰分落入爐柵下部的灰室。氣化劑由側(cè)面進入，產(chǎn)出的氣體也由側(cè)面流出，氣流橫向通過氣化區(qū)，在氧化區(qū)、復(fù)原區(qū)進展的熱化學(xué)反響與下吸式氣化爐一樣，只不過反響溫度較高，燃燒區(qū)溫度甚至?xí)^灰熔點，容易造成結(jié)渣。因此，該爐適用于含灰分少的原料，一般用作焦炭和木炭氣化。2.2流化床氣化爐的構(gòu)造及特點流化床氣化爐的反響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，在爐呈“沸騰〞燃燒狀態(tài)，氣化反響速度快，生產(chǎn)能力大，氣化效率高。氣化反響在床進展，焦油也在床裂解，氣固別離以后的炭不斷循環(huán)回反響爐。使炭有足夠的時間在床停留，以適應(yīng)復(fù)原反響速度慢的需要。適合水分含量大、熱值低、著火困難的生物質(zhì)物料。缺點：產(chǎn)氣中灰分需要很好地凈化處理和部件磨損嚴(yán)重。圖3：流化床氣化爐構(gòu)造圖2.3氣化當(dāng)量比只有在當(dāng)量比為0.25～0.3時,即氣化反響所需氧僅為完全燃燒耗氧量的25％-30％，產(chǎn)出氣成分較理想。當(dāng)生物質(zhì)物料中水分較大或揮發(fā)分較小時應(yīng)取上限，反之取下限。圖4：燃氣成分與空氣量的關(guān)系曲線3氣化爐總體方案確實定3.1研究設(shè)計原則〔1〕氣化效率高，燃氣質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)，既造成了能源的浪費，有對用戶生命平安構(gòu)成危邪。必須合理的設(shè)計氣化爐，使燃氣成分指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。〔2〕物料適應(yīng)性好由于農(nóng)村生物質(zhì)種類比擬多，設(shè)計出的氣化爐機組應(yīng)具有廣泛的適應(yīng)性?！?〕鞏固耐用，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(shè)備的穩(wěn)定性?！?〕構(gòu)造簡單，操作方便，價格低廉由于生物質(zhì)氣化爐主要用于農(nóng)村，因此構(gòu)造不能太復(fù)雜。要設(shè)計合理便于維修及工作人員的日常運行。同時還應(yīng)該降低本錢，以利于推廣。3.2擬到達的技術(shù)指標(biāo)(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(chǎn)氣量：≥1.5/kg，可供農(nóng)戶一天的炊事使用；(7)封火時間:≥12h。3.3生物質(zhì)氣化爐的選型現(xiàn)在常用的生物質(zhì)氣化爐根據(jù)鼓風(fēng)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(zhì)氣化爐主要時用在農(nóng)村，它要求燃氣質(zhì)量好，發(fā)熱量高，適合炊事；雜質(zhì)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；爐體構(gòu)造簡單，本錢低，操作和維修方便；通用性好，適合于揮發(fā)分含量較高的農(nóng)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(shè)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：枯燥區(qū)、熱分解區(qū)、復(fù)原區(qū)和氧化區(qū)。(1)枯燥區(qū)在氣化爐的最上層為枯燥層，從上面參加的燃料直接進入到枯燥區(qū)，濕物料在這里同下面三個反響區(qū)生成的熱氣體產(chǎn)物進展換熱。使原料的水分蒸發(fā)出去，生物質(zhì)原料由含一定水分到不含水分的干物質(zhì)燃料?？菰飳拥臏囟却蠹s是100~250°C?？菰飬^(qū)的產(chǎn)物為干物料和水蒸氣，而水蒸氣隨著其他三個反響區(qū)的產(chǎn)熱而排除氣化爐，而干物料則掉落到裂解區(qū)?！?〕熱分解區(qū)在氧化區(qū)和復(fù)原區(qū)產(chǎn)生的熱氣體，在上述反響中經(jīng)過裂解層，將生物質(zhì)加熱。生物質(zhì)經(jīng)過加熱后發(fā)生裂解反響，在反響中生物質(zhì)局部揮發(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300~800°C.裂解的主要產(chǎn)物是炭、氫氣、水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油和少局部烴類，氣體進入枯燥區(qū)，而炭則進入復(fù)原區(qū)。(3)復(fù)原區(qū)在復(fù)原區(qū)已經(jīng)沒有氧氣存在，二氧化碳同炭在水蒸氣的作用下發(fā)生復(fù)原反響，生成一氧化碳和氫氣。由于復(fù)原反響是吸熱反響，所以復(fù)原區(qū)的溫度降到900~1000°C。產(chǎn)生的熱氣體進入枯燥區(qū)，而沒反響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(jīng)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)生劇烈的氧化反響，生成二氧化碳，同時放出大量熱量。由于是缺氧燃燒，所以不完全燃燒反響同時發(fā)生，生成一氧化碳，同時也放出熱量。在氧化區(qū)，溫度到達1000~1200°C.在氧化區(qū)的反響均為放熱反響，為復(fù)原反響、裂解和枯燥提供能量。3.5上吸式氣化爐的總體構(gòu)造〔1〕氣化劑在氣化爐的下部(氧化層附近)夾層中預(yù)熱，通過數(shù)個開在爐芯上的小孔送入爐膛，在爐膛中供氧燃燒，進入爐膛參與氣化反響，可以大大提高氣化爐的反響溫度和氣化效率?！?〕爐底配風(fēng)設(shè)計 經(jīng)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，局部可燃氣成分可能會由于混入空氣缺乏而逸出灶頭后與周邊的氧氣再發(fā)生燃燒反響，火苗將會大而不穩(wěn)，因此需要配入空氣成為預(yù)混火焰后再燃燒，這樣可以到達較好的燃燒效果。因此，我們在氣化爐氧化區(qū)域的外筒和筒之間設(shè)有風(fēng)道，風(fēng)道的一端是進風(fēng)口，與換風(fēng)扇相連，送入空氣；另一端是配風(fēng)口，用后面接有的閥門控制配風(fēng)量；風(fēng)道的周圍均勻分布送風(fēng)口。送入的空氣在風(fēng)道中流動，可以利用氧化區(qū)的熱量預(yù)熱自身的溫度，空氣一局部通過噴嘴進入氣化爐進展氣化反響，另一局部通過配風(fēng)口與出口的燃氣預(yù)混送入灶頭燃燒。〔3〕加料口密封裝置設(shè)計本文設(shè)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局部組成，水槽緣高于外緣，以防止在加水時濺入爐，或者在使用過程中高溫水沿緣流入爐，不能到達較好的密封效果。另外，這種水密封構(gòu)造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加水。氣化爐部是氣化各層的反響區(qū)，外層是保溫層，爐頂為進料口，爐底設(shè)有除灰口。保溫層由珍珠巖加耐火水泥等保溫材料填充，這樣在保證反響區(qū)溫度的同時，又可以降低氣化爐外壁的溫度，保證使用平安，減少熱量的散失，并延長封火時間。4.1氣化爐主要氣化參數(shù)的設(shè)計計算4.1.1初步擬定原料消耗量和氣化強度比方，一個四口之家每天用氣量大約在8～10m3，用氣時間4h左右，消耗生物質(zhì)原料10～12kg，因此，初步設(shè)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(zhì)原料完全燃燒所需的空氣量：V=(1.866[C]+5.55[H]-O.7[O])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的空氣量為：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)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(fēng)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(dāng)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(biāo)的擬定(1)氣化燃氣流量q空氣(氣化劑)中含量79％左右，氣化生物質(zhì)產(chǎn)生的燃氣中含量一般在50％左右，考慮到在該氣化反響中幾乎很少發(fā)生反響，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=4.2h3.8%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)氣化強度φ=(C/)×=(2.0689/2.4)×70=60.3429(kg/(h))=(C/C0)×φ0=(2.3448/2.4)×70=68.3888(kg/(m2h))(3)產(chǎn)氣率G=q/C=4.4181/2.0689=2.1355(/kg)=q/C=4.4181/2.3448=1.8842(/kg)4.4氣化爐主要構(gòu)造參數(shù)的設(shè)計計算(1)爐膛的構(gòu)造尺寸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氣化爐筒的高度系數(shù)物料在爐應(yīng)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(guān)，要保證生物質(zhì)原料氣化耗盡。剩下的殘灰體積小于燃料體積，設(shè)p為原料氣化體積收縮率，H為氣化爐筒實際高度，則在加料次數(shù)為n次時，實際可加進的燃料高度L為為氣化爐筒的高度系數(shù)。參考有關(guān)文獻和經(jīng)歷，生物質(zhì)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：1，1.2，1.24，1.248d筒高度h氣化爐加滿原料后，經(jīng)過一段時間運行，原料耗盡，在不排灰的情況下，可再次參加原料繼續(xù)運行。這個過程理論上可進展無限屢次，實際上只有開場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(fēng)口構(gòu)造尺寸a一次風(fēng)口的尺寸上吸式氣化爐一次風(fēng)口，采用在爐膛壁上開小孔的設(shè)計方式。通過氣化原料氣化所需的空氣量確定風(fēng)口的尺寸，