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：日期： 2011.6.19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。

我国生物质能比较丰富，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，不仅使用安全，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 发展背景能源是人类生存和发展的物质基础。

建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料的基础上的能源体系极大地推进了人类社会的进步和发展。

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。

从能源的发展前景来看，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，具有广泛的发展前景。

21世纪中国的可持续发展面临着能源的严峻挑战:国内优质能源资源不足，环境问题于能源安全日益迫切，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，对建立可持续发展的能源系统，促进我国经济发展和环境保护具有十分重大的现实和战略意义。

1. 2 秸秆气化炉的发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。

因次许多农民告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，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。

气化炉的生产成本不高，而是用成本更低。

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。

燃气自动导入分离系统执行脱硫、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 气化炉总体方案的确定2.1.1 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，有对用户生命安全构成危邪。

必须合理的设计气化炉，使燃气成分指标合乎国家标准。

（2）物料适应性好由于农村生物质种类比较多，设计出的气化炉机组应具有广泛的适应性。

（3）坚固耐用，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。

同时还应该降低成本，以利于推广。

2. 1. 2 拟达到的技术指标(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％；m(5)燃气热值：>4600kJ/N3m/kg，可供农户一天的炊事使用；(6)产气量：≥2.03(7)封火时间: ≥12hm（8）焦油含量<30mg/32. 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，成本低，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：干燥区、热分解区、还原区和氧化区。

(1) 干燥区在气化炉的最上层为干燥层，从上面加入的燃料直接进入到干燥区，湿物料在这里同下面三个反应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。

干燥层的温度大约是100~250°C。

干燥区的产物为干物料和水蒸气，而水蒸气随着其他三个反应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还原区产生的热气体，在上述反应中经过裂解层，将生物质加热。

生物质经过加热后发生裂解反应，在反应中生物质中大部分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、焦油和少部分烃类，气体进入干燥区，而炭则进入还原区。

（3）还原区在还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还原反应，生成一氧化碳和氢气。

由于还原反应是吸热反应，所以还原区的温度降到900~1000°C。

产生的热气体进入干燥区，而没反应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应，生成二氧化碳，同时放出大量热量。

由于是缺氧燃烧，所以不完全燃烧反应同时发生，生成一氧化碳，同时也放出热量。

在氧化区，温度达到1000~1200°C.在氧化区的反应均为放热反应，为还原反应、裂解和干燥提供能量。

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应，可以大大提高气化炉内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，空气一部分通过喷嘴进入气化炉内进行气化反应，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，水槽内缘高于外缘，以避免在加水时溅入炉内，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。

2.2 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（2-1）12kg 22.43mlkg碳完全燃烧需要1．866N3m氧气。

氢燃烧的反应：4H + O2＝2H20 （2-2）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：V=10.21(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，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。

如棉杆所含主要元素含量为：[C]=64.43％ [H]=5.15％ [O]=27.66％ [N]=2.78％棉秆完全燃烧所需的空气量为：V=10.21(1.866[C]+5.55[H]-O.7[0])=10.21(1.866×64.43％ +5.55×5.15％-O.7×27.66％) =6.16(3m/kg)②实际需要通入的空气量V'(3m/kg)V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。