户用型上吸式生物质气化炉的结构设计

户用型上吸式生物质气化炉的结构设计拟达到的主要技术指标(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/N3m(6)产气量：≥1.53m/kg，可供农户一天的炊事使用；(7)封火时间: ≥12h1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应，可以大大提高气化炉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进行气化反应，另一部分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部分组成，水槽缘高于外缘，以避免在加水时溅入炉，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。

2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根据生物质气化系统的市场调研和相关文献与经验，农户一个四口之家每天用气量大约在8～103m，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/(2m g h)(2) 气化空气量的确定①原料完全燃烧所需的空气量V(3m/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、硫与氧的燃烧反应，只考虑碳、氢与氧的燃烧反应。

碳完全燃烧的反应：C + O2 ＝CO2 (4-1)12kg 22.43mlkg碳完全燃烧需要1．866N3m氧气。

氢燃烧的反应：4H + O2 ＝ 2H20 (4-2)4.032kg 22.43mlkg氢燃烧需要5.55N3m氧气。

原料中已经含有氧[O]，相当于1kg原料已经供给[O]×22.4/32=0.7[O]N3m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V：(1.866[C]+5.55[H]-O.7[O])V=10.21(4-3)式中：V—原料完全燃烧所需的理论空气量，3m/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：(1.866[C]+5.55[H]-O.7[0])V=10.21= 1(1.866×45.43％ +5.55×6.15％-O.7×47.14％)0.21= 4.0908(3m/kg)②实际需要通入的空气量V'(3m/kg)V为理论上的玉米秸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给不足等因素，加入过量空气系数α，取α=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V'：V'=αV（4-4）=1.2×4.0908=4.909(3m/kg)③原料气化所需的空气量V(3m/kg)生物质物料与空气在气化炉中发生复杂的热化学反应，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4-2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ε。

从图中曲线可以看出，当量比ε为0时，没有氧气输入，直接加热物料的反应属于热解反应，虽然也可以图4-2 燃气成分与空气量的关系曲线产生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ε为1时，物料与氧气发生完全燃烧反应，不能产生可燃气；只有在当量比为0.25～0.3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取上限，反之取下限。

计算气化炉反应所需空气量时，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：V=εV 0(4-5)式中:V一实际气化所需空气量，3m/kg；V—完全燃烧的理论空气量，3m/kg；ε—气化当量比。

玉米秸秆压块的挥发分较高，含水量很低，当量比ε取O.3，则每千克燃料气化所需要的空气量V为：V=εV（4-6)=0.3×4.0908=1.2272 (3m/kg)(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N含量79％左右，气化生物质产生的燃气中2N2含量一般在50％左右，考虑到N在该气化反应中几乎很少发生反应，2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：q=0C×0V×1.5 (4-7)=2.4×1.2272×1.5=4.4181(3m/h)②燃气的低位发热量Qg气化燃气的低位发热量拟定Qg=6.5×310 kJ/3m③气化效率η拟定气化效率η=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=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CC=q×Q/(η×m Q)g(4-8)=4.4181×6.5/(0.75×16.33)=2.3448 (kg/h)②气化强度ΦΦ=(C/0C)×0Φ(4-9)=(2.3448/2.4) ×70=68.3888(kg/(2m h g))③产气率GG=q/C(4-10) =4.4181/2.3448=1.8842(3m/kg)④设计热功率PP=Q×q/3600 g(4-11)=6500×4.4181/3600=7.98(KW)4 气化炉主要结构参数的设计计算(1)炉膛的结构尺寸①炉膛截面积S=ΦS C/(4-12)=2.3448/68.3888=0.03()2m②炉膛截面直径DD(4-13)=0.21(m)③炉膛的原料高度L()L C T S=⨯⨯ρ/(4-14)=2.3448×3.8/(0.03×600)=0.43()m式中：ρ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，参照表4-1中，取ρ=600kg/3m。

④ 气化炉筒的高度系数n β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121n L H Hp Hp Hp -=+++⋅⋅⋅+()()1/1n H p p =--n H =β(4-15) 记n β=()()1/1n p p --为气化炉筒的高度系数。

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：1β=1，2β=1.2，3β=1.24，4β=1.248，5β=1.2496,⋅⋅⋅⋅⋅⋅⑤ 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。

取2β=1.2，当需要气化燃料高度为L=0.43m 时，相应的气化炉筒实际高度h 为：/n h L =β(4-16)=0.43/1.2=0.36（m ）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，所以设计中炉子筒实际高度取h=0.5m；灰渣室取0.2m 高，所以炉子的总高度H约为H= h+0.2=0.7m（2）送风口结构尺寸①一次风口的尺寸d1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V确定风口的尺寸，风口的几何尺寸径d按下式计算：1d=1（4-17）式中:C一生物质原料的消耗量，kg/h；ν一风口中空气流速，m/s；V一气化所需空气量，3m/kg；d一风口直径，m；1n一风口个数，因此风口采用6个径为6mm的孔，沿圆周方向均匀分布，计算得到风口中空气流速ν为4.72m／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d2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，则燃烧所需空气量1V=（1-ε）V=0.7V （4-18）所以二次进风量与一次进风量比为217 3VV=由此可知，进风口面积比217 3SS=由上文可知，设计的一次进风口个数为6个，直径1d为6mm。

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222173dd= 10π6π其中：1d——一次进风口孔的直径；2d——二次进风口孔的直径。

所以算得进风口直径为7.09mm，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α，因此设计时取2d=8mm。