气化炉设计及数值计算论文Word格式文档下载.doc
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摘要：
随着化石燃料资源的日益减少以及在利用过程中对环境造成的巨大破坏，生物质能的资源化利用正受到越来越多的重视。
而小型家用生物质气化技术由于具有结构简单，管路短，操作维护简单方便，耗资少等优点，适应于我国农村目前普遍的经济水平和组织体制。
本文结合我国农村的实际情况，设计出小型家用生物质上吸式气化炉。
该小型家用气化炉解决了现役气化炉中气化性能不理想，焦油含量高的问题。
相信此类气化炉将在未来占据一定规模的市场份额，逐步推广到我国农村偏远地区，为解决民生问题作出巨大贡献。
关键词：
气化炉；
生物质；
数值设计；
秸秆；
净化装置
SmallHouseholdGasifierDesignAndNumericalCalculation
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southNongJiXia&
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Abstract:
Withthedwindlingoffossilfuelresourcesandcausedenormousdamagetotheenvironmentintheprocessofutilization,biomassutilizationisbeingmoreandmoreattention.Andbecausesmallhouseholdbiomassgasificationtechnologyhastheadvantagesofsimplestructure,shortline,simpleandconvenientoperationandmaintenance,lesscost,adaptedtothecurrentgeneraleconomiclevelandorganizationsystemintheruralareas.Combinedwiththeactualsituationofourcountryruralarea,thispaperdesignedasmallhouseholdsuctiononthebiomassgasifier.Thesmallhouseholdgasifierhassolvedtheactiveserviceinthegasifiergasificationperformanceisnotideal,theproblemofhightarcontent.Believethiskindofgasifierwilloccupythemarketshareofacertainsizeinthefuture,graduallytoremoteruralareasinChina,thehugecontributiontosolvetheproblemofthepeople'
slivelihood.
Keywords:
gasifier;
biomass;
numericaldesign;
straw;
purificationplant
0引言
在世界能源消耗中，生物质能源一直是人类赖以生存的重要能源，是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量的第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。
大量使用大自然馈赠的生物质能源，几乎不产生污染，资源可再生而不会枯竭，同时起着保护和改善生态环境的重要作用。
由此，我国小型家用生物质气化炉逐步进入人们的视野。
基于党和政府对生物质能开发利用的高度重视，给小型家用生物质气化炉的发展带来了机遇。
小型家用生物质气化炉相对于传统的粗燃烧炉具在生产数量、产品质量、加工能力等方面都占据着很大的优势，小型家用生物质气化炉是目前农户使用比较理想的生活设施，对于解决农村的节能减排、改善室内空气质量等问题有着重要的现实意义。
1气化炉分类及原理概述
1.1气化炉分类
气化炉是生物质气化设备的核心技术，大体上可分为两大类，即固定床气化炉和流化床气化炉。
1.1.1固定床气化炉
固定床气化炉是将切碎的生物质原料由炉子顶部加料口投入固定床气化炉中，物料在炉内基本上是按层次地进行气化反应，反应产生的气体在炉内的流动要靠风机来实现。
固定床气化炉的炉内反应速度较慢，按气体在炉内的流动方向，可将固定床气化炉分为下吸式、上吸式、横吸式和开心式四种类型。
其中，以上吸式气化炉为例。
上吸式气化炉的气一固呈逆向流动，运行过程中，物料从顶部加入后，被上升的热气流干燥而将水蒸气排除，干燥了的物料下降时被气流加热分解，而释放挥发分，剩余的炭继续下降时与上升的CO2以及水蒸气反应，CO2和H2O等还原为CO及H2等，余下的炭被底部进入的空气氧化，放出的燃烧热量为整个气化过程提供热源。
燃气在经过热分解层和干燥层时，将其携带的热量传递给物料，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。
上吸式气化炉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，且相较其他类型结构简单，加工制造容易，炉内阻力小。
1.1.2流化床气化炉
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。
炉内温度高而且恒定，焦油在高温下裂解生成气体，因而焦油含量较小，但出炉的燃气中含有较多的灰分。
流化床气化炉结构比较复杂，设备投资较大。
按气化炉结构和气化过程，可将流化床气化炉分为单流化床、循环流化床、双流化床和携带流化床四种类型，按吹入气化剂的压力大小，流化床气化炉又可分为常压流化床和加压流化床。
一般家用气化炉选择固定床气化炉。
1.2气化炉原理
生物质热解气化（简称气化）是一种热化学反应技术，它是指利用空气中的氧气、含氧的物质或水蒸汽作为气化剂，将生物质中的碳氧化成CO、H2、CH4等可燃气体的过程。
气化反应过程随着气化装置的类型、工艺流程、反应条件、气化剂种类、原料性质等条件的不同，其反应过程也不相同。
以上吸式气化炉为例，大致分为氧化反应、还原反应、裂解反应和秸秆的干燥。
1.2.1氧化反应
空气由气化炉的底部进入，在经过灰渣层时被加热，加热后的气体进入气化炉底部的氧化区，在这里同炽热的炭发生燃烧反应，生成二氧化碳同时放出热量，由于是限氧燃烧，氧气的供给是不充分的，因而不完全燃烧反应同时发生，生成一氧化碳，同时也放热量。
在氧化区，温度可达1000~1200℃，反应方程式为：
C+O2=CO2+△H，△H=408.8千焦
在氧化区进行的均为燃烧反应，并放出热量，也正是这部分反应热为还原区的还原反应、物料的裂解和干燥，提供了热源。
在氧化区中生成的热气体（一氧化碳和二氧化碳）进入气化炉的还原区，灰则落入下部的灰室中。
1.2.2还原反应
在还原区已没有氧气存在，在氧化反应中生成的二氧化碳在这里同炭及水蒸气发生还原反应，生成一氧化碳（CO）和氢气（H2）。
由于还原反应是吸热反应，还原区的温度也相应降低，约为700~900℃。
还原区的主要产物为一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）和氢气（H2），这些热气体同在氧化区生成的部分热气体进入上部的裂解区，而没有反应完的炭则落入氧化区。
1.2.3裂解反应
在氧化区和还原区生成的热气体，在上行过程中经过裂解层，同时将秸秆加热，当秸秆受热后发生裂解反应。
在反应中，秸秆中大部分的挥发分从固体中分离出去。
由于秸秆的裂解需要大量的热量，在裂解区温度已降到400~600℃。
在裂解反应中还有少量烃类物质的产生。
裂解区的主要产物为炭、氢气、水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油及其他烃类物质等，这些热气体继续上升，进入到干燥区，而炭则进入下面的还原区。
1.2.4秸秆的干燥
气化炉最上层为干燥区，从上面加入的物料直接进入到干燥区，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，使原料中的水分蒸发出去，该层温度为100~300℃。
干燥层的产物为干物料和水蒸气，水蒸气随着下面的三个反应区的产热排出气化炉，而干物料则落入裂解区。
气化实际上总是兼有燃料的干燥裂解过程。
气体产物中总是掺杂有燃料的干馏裂解产物，如焦油、醋酸、低温干馏气体。
所以在气化炉出口，产出气体成分主要为一氧化碳（CO），二氧化碳（CO2）、氢气（H2）、甲烷（CH4）、焦油及少量共他烃类，还有水蒸气及少量灰分。
2气化炉总体方案的确定
2.1设计原则
气化效率高，燃气质量好。
目前市场上许多生物质气化炉气化效率较低或是不稳定，燃气品质较差，因此，必须合理设计气化炉炉膛结构，提高气化品质。
物料适应性好。
由于农村生物质种类较多，设计出的生物质气化炉对原料应具有广泛的适应性;
同时，由于面向各家用户，对于原料无需经过复杂的预处理，一般铡成小段即可。
坚固耐用、安全稳定。
选择合理的耐火材料与保温材料，设计合理的检修口，增加设备运行的可靠性，安全性和维修的简便性。
结构简单，操作方便，价格便宜。
由于生物质气化炉主要用于农村，面向农户，因此结构不能过于复杂，需要设计合理，便于日常操作;
同时还要尽可能地降低成本，以利推广。
2.2拟达到的主要技术指标
气化效率稳定达到65%，生物质燃气低位发热量大于6.0MJ/Nm3，氧含量小于1.0%。
气化炉运行稳定，能够连续运行3小时左右，产气量6～8以上，可供农户一天的炊事使用;
封火时间12h以上。
2.3气化炉的选型
由于农村单户使用并不需要不断地添料，可以采取间歇式加料，而且输送管道短，产出的气体可以立马用掉，因此对可燃气中焦油含量要求并不严格，无需使用繁杂的设备脱除焦油。
所以，可选择上吸式气化系统作为小型家用生物质气化炉的基本炉型。
上吸式气化炉的主要特点是:
通用性好，原料无需经过较为复杂的预处理过程，对原料的种类、尺寸、含水量等没有严格的要求；
炉体结构简单，成本低，操作及维修方便；
可燃气经过热分解层和干燥层时将热量传递给物料，自身温度降低，热效率较高；
热分解层和干燥层对可燃气有过滤作用，出炉的可燃气灰分少；
且炉排受进风冷却，工作比较可靠。
2.4生物质气化原料的选定
农作物秸秆、刨花等是我国农村和木材加工厂等最常见的生物质废弃物，资源广泛，成本低廉。
现收集和选取了若干种典型的农林废弃物（如表2.1），通过比较，决定选取秸秆的有关参数作为设计依据。
样品
工业
分析
元素
单位
名称
水分
灰分
挥发分
固定碳
C
H
N
S
O
kJ·
kg
秸秆
13.90
5.62
64.20
16.25
43.69
4.35
0.32
-
31.09
16181
稻壳
10.05
11.40
63.98
14.59
36.44
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