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《生物质能工程课程设计》

《生物质能工程课程设计》

说明书

姓名：

张文钰

班级：

农业建筑环境与能源工程

学号：

13634007

指导教师：

张春梅

2011年11月30日

目录：

1.设计任务

1.1设计题目

1.2工作原理及工艺

1.3原始数据及要求

1.4设计任务

2.生物质气化炉的设计

2.1气化炉类型的选择

2.2气化炉产气量的确定

2.3气化炉尺寸的计算

3.生物质气化炉应用方案

3.1气化炉应用方案比较

3.2方案确定

4.设计心得体会

参考文献

1.设计任务

1.1设计题目

户用固定床上吸式生物质气化炉

1.2工作原理及工艺

生物质气化是指固体物质在高温条件下，与气化剂（空气、氧气和水蒸汽）应得到小分子可燃气体的过程。

通常所说的气化，还包括生物质的热解。

上吸式气化炉为上方漏斗型储气室下方为一直立的圆筒，由钢板制成，里面砌上耐火或者以耐火水泥。

物料由顶部加入，先储存在储料室里，当需要加料时打开进料开关，依靠重力逐步向下移动，燃料支撑在炉栅燃烧后的灰分和渣通过炉栅落入灰室。

气化剂由底部进过炉栅进入气化器的氧化燃烧层并逐渐上升，而气化产出的可燃气体通过气化器内的各个反应区后从上部出气口排出。

在上吸式气化炉内大体上分为四个区域（层）：

氧化层，还原层，热分层和干燥层。

炉内温度自氧化层向上递减。

原料从炉顶落入炉内，大型气化原料是连续加入;而小小型气化炉原料是间歇性投入的。

空气由下方供给，出的燃气经上方输走，其气化过程如下

1.2.1氧化区（燃烧层）

氧气在这里烧完，生成大量二氧化碳，同时放出大热量，温度最高达1000℃左右。

其反应式为:

C+02=C02+408860J

同时，有一部分由于氧气（空气）的供应量不足，便生成一氧化碳，放出一部

热量：

2C+02=2CO+246477J

此层内已基本没有水份。

1.2.2还原层

还原层已没有氧气存在，二氧化碳及水在这里还原成一氧化碳和氢气，行吸热反应，温度开始降低，一般在500~800℃。

CO2+C=2C0—2297J

H2O+C=CO+H2—118742J

2H2O+C=CO2+2H2—75186J

H2O+CO=CO2+H2—43555J

C+2H2=CH4

1.2.3热分解层

热分解层（干馏层）燃料中挥发物进行蒸馏，温度保持在450℃左右。

蒸馏出的挥发物混入燃气中。

1.2.4干燥层

干燥层燃料中的水份蒸发，吸收热量，燃气温度降到100一300℃。

氧化层及还原层总称为气化层（或称有效层），因为气化过程主要反应在这里进行。

热解层和干燥层总称为燃料准备层。

必须指出，燃料层这样清楚地划分在实际上是观察不到的。

因为层与层之间是参差不齐的，这个层中的反应也可能在那个层中进行。

上述燃料层的划分只是气化过程的几个大致区段。

我们通过试验过程中灰分的不同颜色判断出各层所在的大致区域。

1.2.4生物质气化工艺

生物质气化技术的一般工艺过程主要有四大部分组成，分别是进料系统、气化反应器（气化炉）、气化气净化系统。

进料系统包括生物质进料、空气进料、水蒸气进料及其控制系统。

气化气体净化系统主要是除去产出气体中的固体颗粒，可冷凝物及焦油、常用设备有旋风分离器，水浴清洗及生物质过滤器。

后处理系统主要是气体进一步转化利用的装置。

1.3原始数据及要求

1.3.1原料及发热量要求

（1）果树、棉杆、豆秸等枝条状原料。

切断，长度为5cm-10cm

（2）麦秸、稻秸、野草、玉米秸。

切断，长度2cm左右，单独使用效果较差。

（3）木屑、刨花。

80%木屑+20%刨花混合使用，效果较好。

（4）菌渣废弃物。

自然晾干或晒干后即可使用。

（5）玉米芯。

粉碎后使用效果更好。

（6）稻壳。

可直接使用，是一种较好的燃料。

（7）牧畜粪便。

晒干后即可使用。

（8）成型烧料。

致密成型燃料是一种较为理想的燃料

（9）野草。

晒干后可使用

表一：

生物质燃气的主要成分及热值（按体积百分比计）

秸秆分类

稻草

麦秸

玉米秸

棉秆

含水量

6.0

13.5

15.0

10.3

CO2

13.5

14.0

13.0

11.6

O2

1.7

1.7

1.6

1.5

CO

15.0

17.6

21.4

22.7

H2

12.0

8.5

12.2

11.5

CH4

2.1

1.36

1.87

1.92

CmHn

0.1

0.1

0.2

0.2

N2

55.60

56.74

49.68

50.58

热值（KJ/m3）

4001.8

3663.6

4808.8

4915.6

表二：

生物质燃气的主要成分及热值

假设燃气平均发热量为Qg=5000kJ/m3

原料品种

成分%

低位热值kJ/m3

H2

CO

CH4

CO2

N2

O2

木屑

13.98

20.2

3.95

9.15

52.02

1.2

5894

果树剪枝

12.5

19.89

3.96

9.56

53.33

1.78

5676

木秸混料

12.76

20.31

2.94

10.08

53.13

1.45

5371

玉米芯

12.3

2.5

2.32

12.5

48.98

1.4

5032.8

棉秸

11.5

22.7

1.92

11.6

50.78

1.5

5585.2

玉米秸

12.2

21.4

1.87

13.0

49.88

1.65

5327.7

麦秸

8.5

17.6

1.36

14.0

56.84

1.7

3663.5

木屑Qg=（13.98+20.2+3.95+9.15+52.02+1.2）×5894÷100

=100.5×5894÷100=5923.47kJ/m3

同理果树剪枝Qg=5733.90kJ/m3

木秸混料Qg=5406.99kJ/m3

棉秸Qg=5585.2kJ/m3

玉米秸Qg=5327.7kJ/m3

麦秸Qg=3663.5kJ/m3

1.3.2燃气热值要求:

取燃气热值等于燃气平均发热量Q≈5000kJ/m3

1.3.3气体产率要求：

每千克秸秆可产2.0∽2.2立方米燃气

1.3.4气化效率要求：

根据国家行业标准规定η≥70%，国内固化床气化炉通常为70%∽75%;

1.3.5气体的爆炸浓度范围要求:

秸秆气体中的某些成份，当与空气达到一定的混合比例时，就有可能引发爆炸

表三：

气体与空气混合后的爆炸浓度范围

气体

爆炸浓度范围（%）

甲烷

2.5～15

乙烷

2.5～15

氢气

4～80

一氧化碳

12.5～80

乙烯

2.75～35

硫化氢

4.2～45.5

玉米秸气化燃气

16.9～80.4

1.3.6材质选择要求:

气化炉外材料：

由钢板焊接而成，强度刚度高

内部材料：

耐火材料硅砖，耐火温度1580～1770℃，防止烧损炉体

保温材料：

粘土保温砖

1.3.7各部分尺寸要求:

1、气化炉筒体内经:

540mm

2、储料室高度：

330mm

3、储料室直径：

803mm

4、气化炉筒体外径:

600mm

5、气化炉筒体高度:

840mm

6、气化炉灰室高度:

173mm

参考公式：

（1）炉膛截面容积的计算

根据上述的气化效率雏可知炉膛容积为：

VLT=MWL/ρ=VQT/ρVm=VQTHm/ηHρ

式中：

MWL—所需物料的质量kg；

VQT—气体产量m3；

Vm—每千克原料产出的燃气量（标准状态下）m3／kg；

Hm—燃气低位热值（标准状态下）kg／m3；

H—原料的低位热值（标准状态下）kJ／m3；

ρ—生物质物料在炉膛内的压实密度kg／m3。

（2）气化炉直径和高度的确定

生物质气化是一个相对复杂的过程（这些过程包括化学动力学过程和热力学过程），其中一个重要的特点就是气化产物复杂化，可变性大，它主要受气化炉类型及其内部结构的影响。

固定床上吸式气化炉内部有明显的分层存在，所以为了得到最佳气化产物及提高燃气的热值，气化炉高度的设计必须保证气化过程充分进行，即保证炉内物料有足够的停留时间，以达到和气化剂充分接触发生反应。

（参考文献在心得体会部分）

1.3.8预计达到的技术指标要求：

炉体：

圆筒式

储料箱：

上部长方体下部斜坡

气化效率：

65%—70%

炉膛装料量：

4—5kg左右

储料室装料量：

3—4kg左右

气化能力:

1.2—1.6kg/h

产气开始时间：

3—5min

产气速率：

2.5—3kg/h

单位物料产气量：

2.0—2.2kg

燃气热值：

5000Kj/m3

表四：

秸秆气化炉环保和技术具体参数标准

项   目 

检测值 

国家标准值 

烟尘排放浓度 

28-39mg/Nm3 

120mg/Nm3 

烟尘平均排放速度 

0.009kg/N 

0.096kg/N 

二氧化硫排放浓度 

10-14mg/ Nm3 

550mg/ Nm3 

二氧化硫平均排放速度 

0.003kg/N 

0.739kg/N 

氮氧化物排放浓度 

30-38mg/ Nm3 

240mg/ Nm3 

氮氧化物平均排放速度 

0.008kg/N 

0.219kg/N 

+林格曼浓度 

0.5级 

1级 

1.3.9配套设施要求：

冷却装置：

鼓风机功率：

60W

1.3.10成本估计及使用寿命要求：

一般150斤秸秆相当于一瓶液化燃烧，在农村几乎不花钱，在城镇也不过10元左右，相当于花10几元钱买一瓶液化气。

气化炉及其专用设施500元，灶具、风机等设施大约200元

气化炉使用寿命为12∽15年

1.4设计任务

1.4.1存在问题：

目前，国内小型上吸式气化炉研发尚处于研究初级阶段。

存在的问题如下

（1）没有合适的供风系统，易发生烧穿、烧不透等现象；

（2）烟气热值利用率低

（3）添料不方便,燃气出口和加料口位置很接近，必须采用密闭措施，进料采用间断式加料方式，即一炉料燃尽以后打开盖再加下一炉料，费时费力。

（4）没有较好的排灰系统

（5）干燥后的生物质固体+热量→焦炭+CO+CO2+H2O+CH4+C2H4+木醋酸+焦油

在热解过程中，当温度为500度时，焦油的产量最高，通过对不同加热温度和停留时间下气体中焦油的含量的研究表明，随温度升高和停留时间的增加，焦油的含量会明显的减少。

焦油的特点和危害

生物质气化制气的目标是获得尽可能多的可燃气，在气化过程中，焦油是不可避免的流体产物，成分非常复杂，可以分析出200多种，主要成分不少于20中，其中含量大于5%的有7中，它们是：

苯、萘、甲苯、甲苯、苯乙烯、酚、茚。

焦油有在高温下可发生裂解，在低温下则以液体状态存在的特性。

焦油的存在对气化过程有许多危害：

⑴气化气中含量一般占总量的5%—6%的焦油降低了气化效率⑵焦油在低温时容易凝结为粘稠的液体，与灰粒一起堵塞输气管道，影响系统正常运行⑶焦油难以完全燃烧，并产生黑炭等颗粒，对燃气利用设备损害严重⑷焦油极其燃烧后产生的气体对人体是有害的，

1.4.2改进问题：

针对上如问题，研究优化了上吸式气化炉，气化炉有以下先进性和创新性

（1）设计有独特的供风系统,氧化区反应充分，气化强度高，克服了烧穿、烧不透等问题，进气孔设置在搅拌器中间的空心搅拌片上，该进气孔在搅拌片上均匀分布，以保证气化剂与物料能够均匀接触气化反应充分，气化炉氧化区气化剂流速不会减弱，维持氧化区的反应能够稳定运行。

该供风系统不仅可以实现多道纵向供风和横向送风，最终使物料与空气接触面积大大提高，使气化反应区供风均匀，反应更充分，明显提高了气化强度和气化效率。

（2）设计时使烟气管自上而下通过水箱，给水箱里的水加热。

（3）针对添料不方便，燃气出口和加料口位置很接近，必须采用密闭措施，一炉料燃尽以后打开盖再加下一炉料，设计了储料室，以达到不必一炉燃尽以后再开盖加下一炉。

可以随时加料而不漏气。

（4）在装料箱下面设置落灰通气的小孔，在外层底部设置可抽动的钢板，下设接灰盆。

（5）因此在使用可燃气之前，必须将其清除干净。

铡成小段的秸秆送入汽化器中经过热解气化反应转换成为可燃气体，在净化器中除去燃气中含有的灰尘和焦油等杂质，由风机送入气柜中。

汽化器，燃气净化器和风机组成了秸秆气化机组。

气柜的作用是储存一定量的燃气以平衡系统燃气负荷的波动，并提供一个始终恒定的压力保证用户燃气灶具的稳定燃烧。

离开气柜的燃气通过敷设在地下的塑料管网分频到系统中的每一用户。

用户打开燃气用具的阀门，就可以方便地使用燃气。

系统中包括原料处理、上料装置、气化机组、风机、气柜、安全装置、管网和灶具等设备。

生物质燃气的燃烧需用专用的灶具。

经过气化，每公斤秸秆能产生约2立方米可燃气，一户4口之家每天需燃气约5—6立方米，燃气成本约0.11/立方米元。

（6）秸秆气化工程从煤气发生炉机组到用户，全部工程主要有以下两大部分：

第一部分燃气发生炉机组，机组主要有以下三部分组成：

⑴上料部分经过粉碎达到一定要求的秸秆，经上料机送入汽化炉，上料机通常采用密封绞笼，对上料机的开启和关闭，可以根据发生炉的用料要求，实现自动落料

⑵气化炉即气化的反应室，被粉碎的秸秆在这里进行受控燃烧和还原反应发生炉产生的燃气含有大量的焦油和灰分，应对其进行净化处理。

1.4.3焦油去除方案：

（1）水洗法

又称湿法除焦油，分喷淋法和吹泡法，它们都是用水将可燃气中的部一些分焦油带走。

目前，国内的一些气化站在喷淋水中加入一定量的碱，这不仅提高了焦油的去除率，还减少了焦油酸和硫化氢等酸性物质对后续设备的腐蚀，延长了设备的使用寿命。

水洗法的优点是同时有除焦、除尘和降温三个方面的效果。

焦油水洗设备的原理和设计与中化工过程中的湍流塔一样，它的技术关键是选用合适的气流速度、合适的填充材料和合理的喷水量和喷水方式，其主要缺点是有污水产生，必须要有相应的废水处理装置。

（2）过滤法

又称干法除焦油，它是将吸附性强的材料装在容器中，让可燃气穿过吸附材料，或者让可燃气穿过装有滤纸或陶瓷芯的过滤

水蒸气：

可燃其中还含有一定量的水蒸气，水蒸气遇冷后将凝结成水，因此，在可燃气输送管网中，每隔一定距离要设一个水井以便将冷凝水排出。

mg

H2S:

秸秆气化中硫化氢的含量一般为300mg/立方米以上，硫化氢与水反应生成弱酸，易对钢材设备产生腐蚀，因此必须脱除秸秆气中的硫化氢，目脱除硫化氢的最简单方法是采用石灰水喷淋洗涤或采用活性炭吸附；如用氧化铁法脱除硫化氢，脱硫时还可消耗秸秆中的氧气；另外，硫化铁可用来脱除秸秆气中的NO，减少煤气胶的生成量，减少了管道的堵塞，有利于供气和顺利进行。

（3）旋风分离器脱焦法

旋风分离器脱焦油的原理是气化气沿切线方向进入旋风分离器而产生旋转运动，气化气中液体颗粒在离心力作下用被抛向器壁，并与器壁碰撞和摩擦而失去动能，在重力作用下沉降下来，被净化的气化气沿分离器轴向引出。

旋风分离器的运行条件也是分离效果的重要影响因素，一般来说，燃气进入分离器的流速越大，分离效果越好，但是阻力会增大。

，从而增加风机电耗。

这类分离器按结构可分为圆筒式、旁通式和扩散式。

圆筒式结构简单，阻力小，但焦油去除率低。

实践证明，采用圆筒式和扩散式分离器联合除焦油，效果较为理想，但仅仅采用旋风分离器来除气气化去中的焦油是达不到城市规范对焦油含量的要求的目的，必须进行进一步净化。

1.4.3生物质发展前景及设计：

随处可见的生物质原料成本几乎为零。

秸秆是农作物的剩余物，它是小麦、水稻等绿色植物在太阳能辐射的作用下吸收空气中的二氧化碳和土壤中的水分进行光合作用转化为化学能，而固定下来的一种生物质能源。

作为农业大国的中国，每年秸秆产量也近7亿吨，其中产量最大的是水稻秸秆，占总产量的29.93%，其次是玉米秸秆，占总量的27.39%，小麦占总量的18.31%，在中国秸秆被用作重要的生活能源，是一种重要的生物质资源。

植物学上把不能食用的农作物根、叶、茎统称为秸秆，如：

玉米秸、高梁秸、棉花秸、豆秸、麦秸、稻秸等。

秸秆资源分布及其特征如下：

（1）总量大而人均占有量小。

（2）地区分布不平衡，一半以上的秸秆资源集中在四川、河南、山东、安徽、江苏、湖南、浙江、湖北等9个省，广大的西北地区和其他省区秸秆量较少，（3）种类集中，水稻、小麦、玉米秸秆产量占总量的74.76%。

农作物秸秆是生物质的主要组成成分，随着科技的发展，秸秆气化集中供气为农作物秸秆解决农村生产能用开辟了道路。

秸秆气化集中供气系统基本模式为：

以自然村为单元，系统模式为数十户至上千户，系统由三部分组成：

秸秆的气化组，燃气输配系统和用户燃气系统。

（工艺系统如图所示）

气化后，作为工作燃料，一方面可替代部分商品能源。

另一方面可省掉搬运垃圾的人工及运输费用，从而降低企业的生产成本，增加企业利润，为企业带来客观的经济效益。

由于生物质气化项目有着良好的社会环境和经济效益，因而有着良好的市场前景。

2.生物质气化炉的设计

2.1气化炉类型的选择

根据农村的当地具体情况，选择的气化炉类型为固定床上吸式气化炉

表五：

生物质燃烧材料热值

原料品种

成分%

低位热值kJ/m3

H2

CO

CH4

CO2

N2

O2

木屑

13.98

20.2

3.95

9.15

52.02

1.2

5894

果树剪枝

12.5

19.89

3.96

9.56

53.33

1.78

5676

木秸混料

12.76

20.31

2.94

10.08

53.13

1.45

5371

玉米芯

12.3

2.5

2.32

12.5

48.98

1.4

5032.8

棉秸

11.5

22.7

1.92

11.6

50.78

1.5

5585.2

玉米秸

12.2

21.4

1.87

13.0

49.88

1.65

5327.7

麦秸

8.5

17.6

1.36

14.0

56.84

1.7

3663.5

木屑Qg=（13.98+20.2+3.95+9.15+52.02+1.2）×5894÷100

=100.5×5894÷100=5923.47kJ/m3

同理果树剪枝Qg=5733.90kJ/m3

木秸混料Qg=5406.99kJ/m3

棉秸Qg=5585.2kJ/m3

玉米秸Qg=5327.7kJ/m3

麦秸Qg=3663.5kJ/m3

燃气热值4000千焦／立方米～5000千焦／立方米

2.2气化炉产气量的确定

2.2.1气体产率：

每千克秸秆可产2.0∽2.2立方米燃气。

2.2.2燃气热值：

4000千焦／立方米～5000千焦／立方米。

2.2.3气化效率：

国家行业标准规定η≥70%，国内固化床气化炉通常为70%∽75%。

2.2.4气化能力：

1.1∽1.5kg/h。

2.2.5产气量的计算：

本设计要求满足四口之家1次加料可供3天炊事使用各种生物质的低位热值如图2.2所示，取其平均值QWL=l6000kJ／kg；考察得，四口之家一天所使用的天然气量为0.5m3，相对生物质气量：

V=天然气用量×天然气燃烧热值／生物质气热值，由于天然气热值为33360—35445kJ／m3，生物质燃气热值≥4．6MJ／m3，大约可得相当于3．85m3生物质气化气的用量，即产气量VQT≥3×3．85m3=11．55m3。

2.3气化炉尺寸的计算

1、气化炉的喉口底部直径:

400m

2、储料室高度：

500mm

3、气化炉筒体内经:

600mm

4、气化炉筒体高度:

800mm

5、气化炉灰室高度:

175mm

6、气化炉进气口高度:

425mm

7、气化炉喉口高度:

125mm

8、用户数量130户，每月基本用气量60立方米，总用气量7800设计产气为8000立方米。

1㎏产气2立方米，所以需要4000kg秸秆

根据网上数据生物质气化炉内堆积的生物质密度ρ大约为90kg／m3。

根据标准状态下单位质量生物质可产生的生物质气的气化效率

η=QQT·Gv／QWL，知炉膛容积为

VLT=MWL／ρ=VQT／（ρGv）=VQT×QQT／（ηQWLρ）

（1）

式中VQT一气体产量（m3）

QQT一冷气体热值（kJ／m3）

GV一冷气体产率（m3／kg）

由此计算炉膛容积为VLT=VQT×QQT／（ηQWLρ）≈0.053m3

（2）

根据炉膛计算容积，设计气化炉直径D=400mm,高度H=800mm，在圆筒内壁涂敷50~70mm的保温层，以保证炉膛容积≥0．053m3。

（参考文献在心得体会部分）

3.生物质气化炉应用方案

3.1气化炉应用方案比较

与传统的下吸式气化炉相比，所设计的上吸式气化炉具有气化效率较高、燃气热值较高和炉排不易损坏等优点。

但是由于气化生成气直接混入了挥发分中的焦油使气体中的焦油含量较高。

为了更好的解决焦油问题，我们可以开发研焦油制低生物质气化机组。

研制它的具体情况如下：

①研究生物质气化过程中焦油产生的机理，及炉内温度、加热速度、原料品种、形状等对焦油产生的影响。

通过优化炉型结构

⑵气化炉即气化的反应室，被粉碎的秸秆在这里进行受控燃烧和还原反应，发生炉产生的燃气含有大量的焦油和灰分，应对其进行净化处理

⑶燃气的净化主要是清除气体中的焦油好和灰分，使之达到国家标准＜10mg/立方米。

净化系统由三个环节组成：

气体降温、水净化处理、焦油分离。

　第二部分贮气柜。

它是贮存气体的设备，主要用于燃气气源产量与供应量之间的调节。

贮气柜的结构有外导架直升式、无外导架直升式、螺旋导轨式。

贮气柜容积是根据用户每天的总用气量来考虑，一般地，贮气柜的容量应占日供气总量的４０％—５０％

3.2方案确定

户用固定床上吸式生物质气化炉

各部分尺寸：

1、气化炉的喉口底部直径:

400m

2、储料室高度：

350mm

3、气化炉筒体内经:

600mm

4、气化炉筒体高度:

800mm

5、气化炉灰室高度:

175mm

6、气化炉进气口高度:

425mm

3.3总设计图

图一：

图二：

4.设计心得体会

课程设计让我们更深入了解了气化炉的设计用途、目的、意义，可以将老师在上课讲的知识应用到具体实践当中，使得对知识有了更深入的理解。

同时在课程设计的过程中我们也锻炼了自己的动手和动脑的能力，开发了大家的思维和创新能力，学会了利用身边的资源，查找需要的参考材料。

遇到问题，我们会靠自己通过各种途径解决，当然也会遇到一些困难，但是我们都会克服掉。

课程设计让同学更加爱学习、爱创新，增强了团队的合作意识，更促进了对专业知识的热爱。

参考文献

1、程备久.生物质能学.北京：

化学工业出版社，2008.1

2、马隆龙、吴创之、孙立编著.生物质气化技术及其应用.北京：

化学工业出版社，2003.4

3、姚向军、田宜水.生物质能资源清洁转换利用技术..北京：

化学工业出版社，2005.1

4、张建安、刘德华.生物质能源利用技术.北京：

化学工业出版社，2009.01

5、王革华、艾德生.新能源概论.北京：

化学工业出版社，2006

6、马隆龙、吴创之、袁振宏编著.生物质能利用原理与技术.北京：

化学工业出版社，2005

7、马隆龙、吴创之.生物质能现代化利用技术.北京：

化学工业出版社，2003

8、刘荣厚、牛卫生、张大雷.