小型家用生物质气化炉设计

课程设计报告

（2014-2015年度第二学期）

名称：新能源热利用与热发电原理与系统课程设计题目：小型家用生物质气化炉设计院系：生化学院

班级：新能源1121

学号：111111111111

学生姓名：11111

指导教师：1111

设计周数：第18周

成绩：

提交日期：2015年7月3日

一．课程设计目的与要求

1.设计目的

通过小型生物质气化炉设计练习，掌握气化炉的选型、参数设计的原理和方法。

2.设计任务

设计一个小型家用生物质气化炉，

如右图。主要技术指标如下：(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/N ；(6) 产

气量：≥1.5 /kg，可供农户一天的炊事使用；(7) 封火时间:≥12h。

3.设计要求

独立撰写设计报告，正文不少于5000字。

二. 设计内容

1 绪论

1. 1 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. 2 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。

2 各种炉型结构及特点

2.1 固定床气化炉的结构及特点

2.1.1 上吸式气化炉

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。

优点：

（1）、燃气在经过热分解层和干燥层时，将热量传递给物料，用于物料的热分解和干燥，同时降低其自身的温度，使炉子热效率大大提高；

（2）热分解层和干燥层对燃气有一定的过滤作用，所以出炉的燃气中只含有少量灰分；结构简单，加工制造容易，炉内阻力小。

缺点：

（1）、原料中水分不能参加反应，减少了燃气中H和碳氢化合物的含量，气体与固体逆向流动时，物料中的水分随产品气体带出炉外，降低了气体的实际热值，增加了排烟热损失；

（1）、热气体从底部上升时，温度沿着反应层高度下降，物料被干燥与低温度的气流相遇，原料在低温(250～400oC)下进行热分解，导致焦油含量高。

图1：上吸式气化炉结构图

2.1.2 下吸式气化炉

优点：

（1）、气化强度较上吸式高；

（2）、工作稳定性好；可随时开盖添料；

（3）、由于氧化区在热解区与还原区之间，因而干馏和热解的

产物都要经过氧化区，在高温下裂解成H2和CO等永久性小分子气体，使气化气中焦油含量大大减少。

缺点：

（1）、由于炉内的气体流向是自上而下的，而热气流的方向是自下而上的，致使引风机从炉栅下抽出可燃气要耗费较大的功率；

（2）、出炉的可燃气中含有的灰分较多；

（3）、出炉的可燃气的温度较高，须用水进行冷却。

图2：下吸式气化炉结构图

2.1.3 横（平）吸式气化炉

生物质原料由炉顶加入，灰分落入炉栅下部的灰室。气化剂由侧面进入，产出的气体也由侧面流出，气流横向通过气化区，在氧化区、还原区进行的热化学反应与下吸式气化炉相同，只不过反应温度较高，燃烧区温度甚至会超过灰熔点，容易造成结渣。因此，该炉适用于含灰分少的原料，一般用作焦炭和木炭气化。

2.2 流化床气化炉的结构及特点

流化床气化炉的反应物料中常掺有精选过的惰性材料沙子，在吹入气化剂作用下，物料颗粒、沙子、气化剂接触充分，受热充分，在炉内呈“沸腾”燃烧状态，气化反应速度快，生产能力大，气化效率高。

气化反应在床内进行，焦油也在床内裂解，气固分离以后的炭不断循环回反应炉内。使炭有足够的时间在床内停留，以适应还原反应速度慢的需要。

适合水分含量大、热值低、着火困难的生物质物料。

缺点：

产气中灰分需要很好地净化处理和部件磨损严重。

图3：流化床气化炉结构图

2.3 气化当量比

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。

图4：燃气成分与空气量的关系曲线

3 气化炉总体方案的确定

3.1 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。

3.2 拟达到的技术指标

(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/N ；

(6) 产气量：≥1.5 /kg，可供农户一天的炊事使用；

(7) 封火时间: ≥12h。

3. 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。