户用型上吸式生物质气化炉的结构设计 16页

'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/N(6)产气量：≥1.5/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内的反应温度和气化效率。（2）炉底配风设计16 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。16 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8～10，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/(h)(2)气化空气量的确定①原料完全燃烧所需的空气量V(/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)12kg22.4lkg碳完全燃烧需要1．866N氧气。氢燃烧的反应：4H+O2＝2H20(4-2)4.032kg22.4lkg氢燃烧需要5.55N氧气。原料中已经含有氧[O]，相当于1kg原料已经供给[O]×16 22.4/32=0.7[O]N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：=(1.866[C]+5.55[H]-O.7[O])(4-3)式中：V—原料完全燃烧所需的理论空气量，/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])=(1.866×45.43％+5.55×6.15％-O.7×47.14％)=4.0908(/kg)②实际需要通入的空气量(/kg)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，取=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：=（4-4）=1.2×4.090816 =4.909(/kg)③原料气化所需的空气量(/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。从图中曲线可以看出，当量比为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(4-5)16 式中:一实际气化所需空气量，/kg；—完全燃烧的理论空气量，/kg；—气化当量比。玉米秸秆压块的挥发分较高，含水量很低，当量比取O.3，则每千克燃料气化所需要的空气量为：=（4-6)=0.3×4.0908=1.2272(/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)中含量79％左右，气化生物质产生的燃气中含量一般在50％左右，考虑到在该气化反应中几乎很少发生反应，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：=××1.5(4-7)=2.4×1.2272×1.5=4.4181(/h)②燃气的低位发热量气化燃气的低位发热量拟定Qg=6.5×kJ/③气化效率拟定气化效率=75％④气化炉持续工作时间T16 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C=×/(×)(4-8)=4.4181×6.5/(0.75×16.33)=2.3448(kg/h)②气化强度=(/)×(4-9)=(2.3448/2.4)×70=68.3888(kg/())③产气率=/(4-10)=4.4181/2.3448=1.8842(/kg)④设计热功率=×/3600(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16 ①炉膛截面积(4-12)②炉膛截面直径=(4-13)==0.21(m)③炉膛的原料高度(4-14)=2.3448×3.8/(0.03×600)=0.43式中：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=600kg/。④气化炉内筒的高度系数物料在炉内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，设为原料气化体积收缩率，H16 为气化炉内筒实际高度，则在加料次数为n次时，实际可加进的燃料高度L为(4-15)记=为气化炉内筒的高度系数。参考有关文献和经验，生物质原料气化的收缩率取0.2，由此可得：=1，=1.2，=1.24，=1.248，=1.2496,⑤内筒高度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=1.2，当需要气化燃料高度为L=0.43m时，相应的气化炉内筒实际高度h为：(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，且要保证炉内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，所以设计中炉子内筒实际高度取h=0.5m；灰渣室取0.2m高，所以炉子的总高度约为16 =h+0.2=0.7m（2）送风口结构尺寸①一次风口的尺寸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确定风口的尺寸，风口的几何尺寸内径按下式计算：（4-17）式中:一生物质原料的消耗量，kg/h；一风口中空气流速，m/s；一气化所需空气量，/kg；一风口直径，m；一风口个数，因此风口采用6个内径为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，16 则燃烧所需空气量=（1-ε）V=0.7V（4-18）所以二次进风量与一次进风量比为由此可知，进风口面积比由上文可知，设计的一次进风口个数为6个，直径为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个即其中：——一次进风口孔的直径；——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，因此设计时取=8mm。(3)气化炉的各层材料及厚度气化炉的外壁的作用是固定炉体结构，考虑到价格和强度，选用普通钢板即可，本设计中炉壁厚度取6mm。生物质的气化过程和气化气的燃烧过程都是在炉膛中进行的，属于高温反应，所选材料必须耐高温，本文中选取8mm厚的锅炉钢。外壁和炉膛中间是保温层和风道，其结构示意图如图4-3所示，其厚度需根据内外温度及热流量来确定。16 图4-3气化炉的各层结构示意图①确定保温层内壁（即风道外壁）的温度t炉膛的内壁和炉体外壁分别选用的材料是锅炉钢和普通钢，导热性能极好，此两层的温降不计，由炉膛内温度曲线图知：炉膛内壁温度300°C，因此风道内壁（即炉膛外壁）的温度=300°C。假定风道外壁温度=250°C,则风道的平均温度=；气化炉的炉体为圆筒状，通过圆筒壁的热流量Φ为定值，因此风道内有以下公式：（4-19）式中：-温度为时干空气的导热系数；h–设计出的炉膛内筒实际高度；-风道的外径；=-炉膛截面直径；-风道的宽度；16 气化炉的结构设计需保证一定的热量要求，防止热损失过大，降低气化炉的热量利用率，因此需规定气化炉常年运行工况所允许的散热损失。表4-3为气化炉常年运行工况允许最大散热损失。表4-3常年运行工况允许最大散热损失设备、管道及附件外表面温度t50100150200250300350允许最大散热损失Φ5893116140163186209由表4-3知，当保持保温层外的温度为50°C左右时，炉子所允许的最大散热损失为58W，因此，通过风道和保温层的热流量Φ=58W设风道的宽度为δ=15mm，由式（4-13）知炉膛截面直径=0.21m则风道外径=0.256m风道的平均温度=275°C温度时干空气的导热系数=4.435×W/(m·K)将以上数据代入式（4-18），得=58计算得风道外壁的温度t=249°C，与的误差为1°C，假设成立。②确定保温层厚度δ116 保温层材料为水泥膨胀珍珠岩制品，以水泥为粘结剂，珍珠岩粉为骨料，按1：10的比例配合、搅拌、成型、养护而成。其承压能力较强、施工方便、生产成本低、经济耐用，广泛应用于较低温度的热管道，用于炉壁内防止因炉内热量散失而使外炉壁温度过高，保证安全。水泥膨胀珍珠岩制品容重一般为250～350kg/，导热方程λ1=0.047+0.00016t。水泥膨胀珍珠岩制品的高温导热率及与其他保温材料的比较分别见表4-4和表4-5。表4-4水泥膨胀珍珠岩制品的高温导热率膨胀珍珠岩粉的容重kg/用料体积比烘干抗压强度MPa烘干容重kg/热面温度°C冷面温度°C平均温度°C导热率W/(m·K)水泥珍珠岩粉801100.593171453345435011318797.5223.5367.50.0670.1050.1341001100.7233418532854064167176124.5217.53580.0730.1090.1381201100.8737317034255865121199117.5231.5378.50.0780.1040.14316 1401100.88401174339.756864124.32101192323890.0800.1140.152表4-5水泥膨胀珍珠岩制品与其他保温材料的比较制品名称容重/(kg/)使用温度/°C导热率/[W/(m·K)]水泥珍珠岩制品水泥蛭石制品硅藻土制品粉煤灰泡沫混凝土320420450～5004506006009003500.0650.1040.0990.100炉体外壁分别选用的材料是普通钢，导热性能极好，此层温降不计，则保温层外壁的温度可等同于气化炉外壳温度，即要求保温层外壁温度为=60°C，又保温层内壁（即风道外壁）温度t=250°C则保温层的平均温度==155°C，温度时水泥膨胀珍珠岩制品的导热系数0.047+0.00016×155=0.0718[W/(m·°C)]设保温层外围空气温度=28°C，管外风速约为=3m/s16 保温层表面到周围空气的放热系数，依经验公式=（4-20）=23.6678设保温层外径为，依经验公式（4-21）=0.1407令==0.1407查附表得==1.13则保温层厚度δ1==（4-22）=16.6mm16'