生物質(zhì)氣化機(jī)組主機(jī)的設(shè)計(jì)

1、摘要根據(jù)生物質(zhì)氣化原理,針對(duì)目前氣化爐產(chǎn)氣熱值低和自動(dòng)排灰的問題,設(shè)計(jì)了一種內(nèi)燃加熱式氣化爐。內(nèi)燃加熱式氣化爐優(yōu)于已有的固定床氣化爐、流化床氣化爐;類似于下吸式固定床氣化爐,熱解氣中焦油含量低；設(shè)置以熱解氣為燃料的內(nèi)加熱系統(tǒng)，減少了空氣入爐量,提高了熱解氣熱值。內(nèi)燃加熱式氣化爐是將生物質(zhì)氣化與焦油的催化裂解集于一體,不需要再為催化裂解提供熱源。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)；氣化；氣化主機(jī)AbstractAccording to the principle of biomass gasification, aiming at the production of low calorific value gasi

2、fier and existing problem of tar, design a kind of internal-combustion heating gasifier. Diesel heating has fixed bed gasifier superior gasifier, fluidized bed gasifier, Under the similar fixed bed gasifier, type of low tar by, By setting to the fuel for heating system in air, reduce the quantity of

3、 heat, improve charging by the calorific value. Diesel heating gasifier is the biomass gasification and tar in catalytic cracking, do not need to provide for the catalytic cracking of heat.Keywords: Biomass；Gasification；Gasification host目 錄摘要IAbstractII目 錄III前言IV1生物質(zhì)的簡(jiǎn)介11.1生物質(zhì)的基本概念11.2 生物質(zhì)資源21.3生物質(zhì)氣

4、化技術(shù)簡(jiǎn)介41.4生物質(zhì)氣化技術(shù)現(xiàn)狀71.5課題意義82生物質(zhì)氣化技術(shù)的簡(jiǎn)介102.1生物質(zhì)熱解氣化的原理與分類102.2生物質(zhì)氣化爐123.生物質(zhì)氣化機(jī)組主機(jī)的設(shè)計(jì)153.1氣化機(jī)組主機(jī)總體方案的確定153.2生物質(zhì)氣化機(jī)組主機(jī)的設(shè)計(jì)154風(fēng)機(jī)的選擇225電動(dòng)機(jī)的選擇236結(jié)論24參考文獻(xiàn)25致謝27前言在世界能源消耗中，生物質(zhì)能源一直是人類賴以生存的重要能源，是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費(fèi)總量的第四位的能源，在整個(gè)能源系統(tǒng)中占有重要地位。生物質(zhì)能的利用占世界總能耗的14 % ，相當(dāng)于12.57億噸石油。在發(fā)展中國家則更為突出，生物質(zhì)能占總能耗的35 %。目前全世界仍有25 億

5、人口用生物質(zhì)煮飯、取暖和照明，但生物質(zhì)利用總量還不到其產(chǎn)量的1。大量使用大自然饋贈(zèng)的生物質(zhì)能源，幾乎不產(chǎn)生污染，資源可再生而不會(huì)枯竭，同時(shí)起著保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境的重要作用。生物質(zhì)能源是理想的可再生能源之一，生物質(zhì)能的應(yīng)用技術(shù)開發(fā)，旨在把森林砍伐和木材加工剩余物以及農(nóng)林剩余物、工業(yè)廢棄物如秸稈、麥草等原料通過物理或化學(xué)化工的加工方法，使之成為高品位的能源，提高使用熱效率，減少化石能源使用量，保護(hù)環(huán)境，走可持續(xù)發(fā)展的道路。從加世紀(jì)70 年代起，生物質(zhì)資源的開發(fā)和利用受到了廣泛關(guān)注。1生物質(zhì)的簡(jiǎn)介1.1生物質(zhì)的基本概念一切有生命的可以生長的有有機(jī)物質(zhì)統(tǒng)稱為生物質(zhì)。他包括植物、動(dòng)物、和微生物。各種生物

6、質(zhì)之間存在著相互依賴和相互作用的關(guān)系。生物質(zhì)對(duì)人類有著廣泛而重要的用途：（1）用作食物；（2）用作工業(yè)原料；（3）用作能源；（4）改善環(huán)境、調(diào)節(jié)氣候、保持生態(tài)平衡。生物質(zhì)能是指蘊(yùn)藏在生物質(zhì)中的能量，生物質(zhì)能是可再生能源，通常包括以下幾個(gè)方面:（1）木材及森林工業(yè)廢棄物;（2）農(nóng)業(yè)廢棄物；（3）水生植物；（4）油料植物；（5）城市生活垃圾及工業(yè)廢棄物；（6）排泄物。從廣義上講，生物質(zhì)是植物用過光合作用生成的有機(jī)物，綠色植物的光合作用是地球上的重要、規(guī)模最大的太陽能利用和轉(zhuǎn)換過程，正是依靠這種轉(zhuǎn)換過程，地球上的60億人類、約200多萬種生物（其中動(dòng)物150多萬種、植物30多萬種）的生命活動(dòng)所需的食

7、物和能量才能不斷得到供應(yīng)。這部分能量是太陽能的多種自然轉(zhuǎn)換形式中惟一可被儲(chǔ)存起來的，所以生物質(zhì)能是太陽能的一種。綠色植物吸收地下水、無機(jī)鹽和二氧化碳，通過葉綠體把這些簡(jiǎn)單的無機(jī)物轉(zhuǎn)化成以主的復(fù)雜化合物，而這些有機(jī)物正式一切生物和人類生存所必須的食物（物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程）。通過光合作用，把太陽能轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存在有機(jī)物質(zhì)中的化學(xué)能。這些轉(zhuǎn)化儲(chǔ)藏的化學(xué)能正式一切生物和人類和人類生存所必須的能量（能量轉(zhuǎn)化過程）。由此可見，正式在太陽輻射能的推動(dòng)下，通過光合作用，生物界中能量的生產(chǎn)者（綠色植物）、消費(fèi)者(包括食草動(dòng)物、食肉動(dòng)物和人類)和分解者（微生物）的功能被有機(jī)地聯(lián)系起來，完成了自然界物質(zhì)和能量的代謝和循環(huán)，使

8、生物不斷生長發(fā)育、自我更新、遺傳變異、繁衍發(fā)展。地球上的綠色植物包括森林、農(nóng)作物、野生菜類等陸生植物和水草、藻類等水生植物，它們以0.25%到5%的能量轉(zhuǎn)換率，每年把太陽輻射到地球表面能量的1%左右，以碳的形式固定下來。碳是構(gòu)成有機(jī)體的主要元素，占生命物質(zhì)總量的25%。綠色植物是碳的生產(chǎn)者，通過光合作用使非生物界的碳進(jìn)入了生物界，在生物界中又通過食物鏈互相轉(zhuǎn)移。植物的根、莖、葉、花、果的90%以上都是由光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)組成的。它們中間有的可以直接供人類使用，如糧食、蔬菜、水果等；有的則轉(zhuǎn)化為動(dòng)物質(zhì)后再被人類食用，如肉類、蛋類、魚蝦等。地球上30多萬種綠色植物是有機(jī)物的生產(chǎn)者，所有的食物鏈

9、都是以綠色植物為基礎(chǔ)的，其余的150多萬種的動(dòng)物均是消費(fèi)者。所謂生物質(zhì)能，主要是把某些生物質(zhì)作為一種能源(而不是食物)，設(shè)法將蘊(yùn)藏在其中的化學(xué)能盡量全部地、集中地釋放出來，以滿足人類對(duì)能源(而不是食物)的需求?；谶@一獨(dú)特的形成過程，生物質(zhì)能既不同于常規(guī)的礦物能源，又有別于其他新能源，它兼有兩者的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，是人類最主要的可再生能源之一。其特點(diǎn)如下。（1）生物質(zhì)能源的大量性和普遍性。生物質(zhì)是一種到處都有的，普遍而廉價(jià)的能源，取材容易，生產(chǎn)過程簡(jiǎn)單。（2）生物質(zhì)能是一種理想的可再生能源。只要太陽輻射能存在，綠色植物的光合作用就不會(huì)停止，生物質(zhì)能就永遠(yuǎn)不會(huì)枯竭。（3）生物質(zhì)能的清潔性。在科學(xué)合理的

10、使用下，生物質(zhì)能不但不會(huì)污染環(huán)境，而且還有益于環(huán)境。生物質(zhì)能在作為能源被利用的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)二氧化碳的“零排放”。1.2 生物質(zhì)資源生物質(zhì)不但數(shù)量巨大，而且具體的種類也很多，植物類中最主要也是我們經(jīng)常見到的有木材、農(nóng)作物廢棄物（秸稈、稻草、麥秸、豆秸、棉花秸、谷殼等）、雜草、藻類等。非植物類中主要有動(dòng)物糞便、動(dòng)物尸體、廢水中的有機(jī)成分、垃圾中的有機(jī)成分等。中國的生物質(zhì)資源情況分述如下。1.農(nóng)作物廢棄物 中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生大量的農(nóng)作物廢棄物，這些廢棄物在中國能源史上，在農(nóng)村能源領(lǐng)域扮演了十分重要的角色。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001年全國糧食產(chǎn)量為4.5264億噸，而農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量為7.074億

11、噸，相當(dāng)于2.476億toe（系指油當(dāng)量單位）。稻殼、玉米秸和麥秸的產(chǎn)量大約1.749億toe，占農(nóng)作物廢棄物總量的70.6%。其中，稻殼為0.658億toe，約占26.6%；玉米秸為0.742億toe，約占30.0%；麥秸為0.349億toe，約占14.1%；其他生物質(zhì)廢棄物為0.727億toe，約占29.4%。近幾年的農(nóng)作物產(chǎn)量見表1-3。然而，這些農(nóng)作物廢棄物的利用亦不相同，1998年，大約僅有800萬噸農(nóng)作物廢棄物（約占10%）用作牲畜飼料；1.5億噸（約占20%）用作工業(yè)原料；4億噸（約占52%）用作燃料，作為農(nóng)村地區(qū)的主要能源；1.4億噸（約占18%）在田里直接燒掉或廢棄。2.林業(yè)

12、廢棄物 根據(jù)2000年完成的第5次國家森林資源調(diào)查（1994-1998年），至1998年有森林土地2.63億公頃，森林面積1.59億公頃，其中，木材存量為124.9億立方米，森林存在量超過112.7億立方米。這比第4次國家森林資源調(diào)查時(shí)增長了10%。在中國，木材的消耗主要分為三部分：第一部分是用于制造木制品，約占總量的44.2%；第二部分由木材廠和農(nóng)場(chǎng)自身消耗，約占總量的32.1%；第三部分用于生活燃料，大部分是直接燃燒形式，約占總量的28.8%。3.畜禽糞便 隨著近幾年城市人口的增長和飼養(yǎng)家畜數(shù)量的增多，人類的糞便成了一個(gè)大的污染源；同時(shí)，也便成了一種重要的生物質(zhì)資源。這已經(jīng)引起了國家及有關(guān)

13、專家的關(guān)注。2000年，畜禽糞便的產(chǎn)量為3.2億噸干物質(zhì)，相當(dāng)于1.1億toe。4工業(yè)固體生物質(zhì)廢棄物 工業(yè)生物質(zhì)資源是指來自工業(yè)生產(chǎn)過程的固體廢棄物，如釀酒廠、造紙廠、木材廠、糧食加工廠、糖廠和食品加工廠的固體廢棄物。據(jù)估算，我國的工業(yè)固體生物質(zhì)廢棄物總量可達(dá)到48Mt。（1）農(nóng)作物谷殼。如上所述，中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，谷殼資源是工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的一個(gè)巨大的生物資源。這個(gè)資源同糧食生產(chǎn)的相關(guān)，如大米和小麥。谷殼的產(chǎn)量大約是糧食產(chǎn)量的30%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在大米和小麥加工中大約可生產(chǎn)0.8128億噸谷殼。但是事實(shí)上，約有30%谷殼被用作生活燃料、乙醇發(fā)酵和動(dòng)物飼料?？勺鳛槟茉蠢玫拇蠹s為0.55億噸，相

14、當(dāng)于18Mt油當(dāng)量。(2) 造紙廠廢棄物。造紙術(shù)也是工業(yè)固體生物質(zhì)廢棄物的一個(gè)較大的來源。2000年我國紙產(chǎn)量為2487萬噸，而廢棄物的產(chǎn)量，總量為320萬噸，相當(dāng)于110萬噸油當(dāng)量。其中，大約102萬噸產(chǎn)生于木紙漿的生產(chǎn)過程，而且，這部分資源幾乎沒有作為能源利用。(3) 木材廠廢棄物。中國是世界上最大的木材和木制品生產(chǎn)國和消耗國之一。但是同其他發(fā)達(dá)國家相比，人均占有森林量卻很低。據(jù)專家估算，全國木材年需求量超過3億立方米，但是，目前國內(nèi)供給量僅為1.5億立方米，這就意味著短缺50%。而且，預(yù)計(jì)今后木材的需求量還要增加。1999年木材廠的廢棄物產(chǎn)量，總量為3703萬立方米，即1850萬噸，相當(dāng)

15、于600萬噸油當(dāng)量。按此計(jì)算，到2005年，木材廢棄物產(chǎn)量可達(dá)1億立方米（5000萬噸）。到2015年，則可達(dá)到1.4億立方米。（4）其他相關(guān)的工業(yè)生物質(zhì)廢棄物。這部分廢棄物包括了產(chǎn)自釀酒廠、糖廠和食品加工廠生產(chǎn)的污水大約60億噸，這些污水中含有高濃度的COD，總量約為250萬噸。另外，同一年，在這些城市中還有5300萬噸的日常生活污水排放。城市固體廢棄物是一種復(fù)雜的、含有多種不同固體垃圾的混合物，因此，它的成分也根據(jù)不同城市的生活條件、能用結(jié)構(gòu)、城市建設(shè)以及氣候的不同而變化。 1.3生物質(zhì)氣化技術(shù)簡(jiǎn)介隨著國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)快速發(fā)展，石油、天然氣、煤氣等一次性資源供需缺口逐年增大，人們迫切需要

16、一種低價(jià)、節(jié)能、安全、潔凈的新型燃料進(jìn)入市場(chǎng)。全球能源緊缺、石油煤炭等不可再生資源不斷漲價(jià)那是必然的。開發(fā)新能源是市場(chǎng)的要求是必然趨勢(shì)！特別西歐國家生物質(zhì)能資源在國家基本能源消耗所占比重比較大，在美國、奧地利和瑞典等各國的基本能源消耗中已分別占4%、10%、16%。為此，在發(fā)達(dá)國家及發(fā)展中國家都積極研制開展了諸多途徑的生物質(zhì)利用技術(shù)研究及應(yīng)用，目前生物質(zhì)能開發(fā)與利用主要技術(shù)手段有：生物質(zhì)微生物發(fā)酵，它包括生物質(zhì)沼氣發(fā)酵、生物質(zhì)酒精發(fā)酵；生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)，它包括生物質(zhì)熱解技術(shù)、生物質(zhì)氣化技術(shù)、植物質(zhì)壓縮成型和制碳技術(shù)；生物質(zhì)能源生態(tài)工程。而生物質(zhì)氣化技術(shù)是近年來發(fā)展比較迅速且可靠的一種生物質(zhì)

17、能利用技術(shù)，即熱化學(xué)處理技術(shù)，將固體生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為高品位的可燃性氣體燃料。由于氣體燃料高效、清潔、方便。因此生物質(zhì)氣化技術(shù)的研究和開發(fā)等到了國內(nèi)外的廣發(fā)重視，并取得了可喜進(jìn)展。生物質(zhì)氣化技術(shù)類型可分為兩類：固定床氣化爐和流化氣化爐。固定床氣化爐按氣體在爐內(nèi)流動(dòng)方向，可分為下吸式、上吸式和橫吸式三種類型。流化床氣化爐按供給氣化劑的壓力大小，流化床氣化爐可分為常壓氣化爐和加壓氣化爐。流化床按照爐子結(jié)構(gòu)和攜帶式流化床氣化爐四種類型。生物質(zhì)氣化技術(shù)按照供應(yīng)途徑的目的主要分為生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)和生物質(zhì)氣化集中供氣技術(shù)。生物質(zhì)氣化技術(shù)，就是生物質(zhì)原料在缺氧狀態(tài)下加熱反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換過程。生物質(zhì)原料由碳、氫

18、、氧等元素和灰分組成，當(dāng)他們被點(diǎn)燃時(shí)，供應(yīng)少量空氣，并且采取措施控制其反映過程。使碳、氫元素變成一氧化碳、甲烷、氫氣等可燃?xì)怏w，原料中大部分能量都轉(zhuǎn)移到氣體中，這就是氣化過程。新能源和再生清潔能源技術(shù)是本世紀(jì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具有決定性影響的六大技術(shù)領(lǐng)域之一，包括水能、太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等，具有普遍存在用之不盡、無環(huán)境污染等優(yōu)越性，在世界和我國能源可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮作用越來越大。開發(fā)新能源和再生清潔能源的新技術(shù)、新材料和新工藝是提高其能源轉(zhuǎn)換效率，降低生產(chǎn)成本和增大在能源結(jié)構(gòu)中所占比例的關(guān)鍵。目前，生物質(zhì)技術(shù)的研究與開發(fā)已成為世界熱門課題之一，受到世界各國政府與科學(xué)家的關(guān)注。許多國

19、家都制定了研究開發(fā)計(jì)劃，如日本的陽光計(jì)劃、印度的綠色能源工程、 美國的能源農(nóng)場(chǎng)等，其中生物質(zhì)能源的開發(fā)利用占有相當(dāng)大的份額。國外很多生物質(zhì)能源技術(shù)和裝置已經(jīng)達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用程度，同其他生物質(zhì)能源技術(shù)相比較，生物質(zhì)顆粒燃料技術(shù)更容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和使用。使用生物質(zhì)顆 粒燃料的方便程度可與燃?xì)?、燃油等能源相媲美。以美國、瑞典和奧地利等國為例，生物質(zhì)能源的應(yīng)用 規(guī)模分別占該同一次性能源消耗量的、和；在美國，生物質(zhì)能源發(fā)電的總裝機(jī)容量已超過 萬， 單機(jī)容高達(dá)； 在歐美，針對(duì)一般居民家用的生物質(zhì)顆粒燃料及配套的高效清潔燃燒已經(jīng)非常的普及。我國十分重視生物質(zhì)的開發(fā)和利用。世紀(jì)年代以來，我國政府一直將生物質(zhì)

20、能源利用技術(shù)的研究與應(yīng)用列為重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目。開展了生物質(zhì)能利用新技術(shù)的研究和開發(fā)，使生物質(zhì)能技術(shù)有了進(jìn)一步提高。但我國生物質(zhì)能的利用研究主要集中在大中型畜禽場(chǎng)沼氣工程技術(shù)、秸稈氣化集中供氣技術(shù)和垃圾填埋發(fā)電技術(shù)等項(xiàng)目，還是剛剛起步。為減少化石能源的消耗,有效地減輕秸稈隨地焚燒帶來的日益嚴(yán)重的環(huán)境污染并提高農(nóng)民的收入,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,在國家科技部、農(nóng)業(yè)部以及各級(jí)政府的大力支持下,秸稈氣化集中供氣工程在我國農(nóng)村居民集中的許多地區(qū)得到了較好的推廣應(yīng)用,已形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。到年底,全國已建成秸稈氣化集中供氣站 處。但是,由于集中供氣系統(tǒng)的工程造價(jià)高,燃?xì)庵薪褂秃突曳趾扛?產(chǎn)生的污水難以處理,管

21、網(wǎng)易堵塞,系統(tǒng)維修量大等原因,在一定程度上又限制了其普及應(yīng)用。從目前實(shí)際運(yùn)行情況來看,據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì),有許多氣化站處于虧本營運(yùn)或停運(yùn)狀態(tài)。氣化爐的研究與開發(fā)將為農(nóng)村推廣普及秸稈氣化技術(shù)注入新的活力,其經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益顯著,具有廣闊的市場(chǎng)前景。秸稈氣化爐不僅在農(nóng)業(yè)上能夠給予幫助，在實(shí)際生活中，也能給人們帶來一定的方便。生物質(zhì)能在我國農(nóng)村是最重要的生物質(zhì)資源。但長期以來，大多數(shù)生物質(zhì)能都被以直接燃燒為主，不僅效率低而且伴隨著大量的灰塵和余灰的排出，成為阻礙農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要因素。隨著社會(huì)的和科學(xué)的不斷發(fā)展，生物質(zhì)與煤一樣，可以通過熱化學(xué)過程裂解氣化為燃料，是一種常用的生物質(zhì)能

22、轉(zhuǎn)化途徑。我國生物質(zhì)資源大量的浪費(fèi)和農(nóng)村商品能源需求逐年增大的局面，已經(jīng)引起了政府和社會(huì)的關(guān)注。在我國絕大多數(shù)居住在廣大鄉(xiāng)村和小城鎮(zhèn)農(nóng)民，能源消耗在以上主要是直接燃燒生物質(zhì)能源產(chǎn)生的，而且越往西部地區(qū)生物質(zhì)能源所消耗的比例越占越大。在經(jīng)濟(jì)落后的偏遠(yuǎn)地區(qū)生物質(zhì)能更是農(nóng)村居民的主要能源。對(duì)提高偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)村居民的生活水平，尋求生物質(zhì)資源利用的新模式，改變農(nóng)村燃料結(jié)構(gòu)，改進(jìn)農(nóng)民炊事方式，對(duì)消除污染，減少有害氣體的排放有重要的意義。吸式秸稈氣化爐的氣化原理秸稈氣化技術(shù)是一種熱化學(xué)處理技術(shù),通過氣化爐將農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)換為使用方便且清潔的可燃?xì)怏w。其基本原理是將簡(jiǎn)單粉碎的農(nóng)作物秸稈投入氣化爐后加熱干燥,伴隨著

23、溫度的升高,析出揮發(fā)物,并在高溫下熱解。熱解后的氣體和碳在氧化區(qū)與供入的氣化劑如空氣發(fā)生氧化反應(yīng)并燃燒。燃燒放出的熱量用于維持干燥、 熱解和還原反應(yīng),最終生成了含有一定量、的混合氣體,去除焦油、雜質(zhì)后即可燃用。這種技術(shù)可將低品位的固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)換成高品位的可燃?xì)?。生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換與利用技術(shù)是我國今后一個(gè)時(shí)期可持續(xù)發(fā)展十大科技示范工程，是當(dāng)前農(nóng)村能源應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)新突破，是改善和提高農(nóng)民生活條件的一場(chǎng)革命，是農(nóng)村能源利用開發(fā)史上的一個(gè)重要的里程碑。生物質(zhì)燃?xì)庑驴萍?，開創(chuàng)了農(nóng)村利用低品位生物質(zhì)資源供應(yīng)現(xiàn)代生活用氣的新事業(yè)，成為農(nóng)場(chǎng)一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，符合我國國情。本技術(shù)的的開發(fā)和推廣應(yīng)用，對(duì)優(yōu)化農(nóng)村資源

24、利用，消化大量農(nóng)業(yè)廢棄物，改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，提高農(nóng)民生活質(zhì)量，促進(jìn)農(nóng)場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，加快農(nóng)村小城鎮(zhèn)建設(shè)步伐，縮小城鄉(xiāng)差別，推進(jìn)農(nóng)村現(xiàn)代文明進(jìn)程，具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。1.4生物質(zhì)氣化技術(shù)現(xiàn)狀國外生物質(zhì)氣化領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平的國家有瑞典、美國、意大利、德國等。目前，國外生物質(zhì)氣化裝置一般規(guī)模較大，自動(dòng)化程度高，工藝較復(fù)雜，以發(fā)電和供熱為主，如加拿大摩爾公司fMoore CanadaLtd1設(shè)計(jì)和發(fā)展的固定床濕式上行式氣化裝置、加拿大通用燃料氣化裝置有限公司(Omnifuel GasificationSystem Limitred)設(shè)計(jì)制造的流化床氣化裝置、美國標(biāo)準(zhǔn)固體燃料公司(Standard So

25、lidFuels Inc)設(shè)計(jì)制造的炭化氣化木煤氣發(fā)生系統(tǒng)、德國茵貝爾特能源公司f Imbert Energietechnik GMBH)設(shè)計(jì)制造的下行式氣化爐一內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)等等，氣化效率可達(dá)6090，可燃?xì)鉄嶂禐?.510.4kJm。美國近年來在生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)方面有所突破，研制出了生物質(zhì)綜合氣化裝置一燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)成套設(shè)備，為大規(guī)模發(fā)電提供了樣板。國外生物質(zhì)氣化應(yīng)用情況主要為：生物質(zhì)氣化發(fā)電；生物質(zhì)燃?xì)鈪^(qū)域供熱；水泥廠供燃與發(fā)電并用的生物質(zhì)氣化站；生物質(zhì)氣化合成甲醇；生物質(zhì)氣化合成氨。與此同時(shí)，為滿足發(fā)展中國家農(nóng)村用能的需要，一些國家也研究了小型氣化設(shè)備。日本的Jun Sakai

26、等人于70年代設(shè)計(jì)了一臺(tái)小型木炭煤氣裝置用于開動(dòng)4.4 kw 的汽油機(jī)并取得了成功。類似的裝置在菲律賓的Central Luzon大學(xué)(1977)，美國密執(zhí)安州立大學(xué)(1978)和泰國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)工程局(1980)相繼研制成功并逐步走向?qū)嵱没?。目前，由ThomasReed和Ron Larson設(shè)計(jì)的木材增壓家用炊事氣化爐，適用于小木塊為原料，CO排放量低，安全方便，宜于家用炊事。印度科學(xué)研究所研制的IISc小型氣化爐，用木塊和團(tuán)狀垃圾作為燃料，輸出熱功率34kW，一次加料在爐內(nèi)可以連續(xù)反應(yīng)2 h，進(jìn)一步降低了煙塵排放量。UTin Win設(shè)計(jì)的稻殼戶用氣化爐對(duì)稻殼進(jìn)行高效無煙燃燒，并且，諸如土豆皮

27、、菜葉、新鮮生物質(zhì)等廚房垃圾切碎均可以和稻殼一起參與氣化反應(yīng)。從20世紀(jì)80年代初開始，我國生物質(zhì)氣化技術(shù)一直受到政府和科技人員的重視，“七五”和“八五”期間取得了較大進(jìn)展。我國自行研制的集中供氣系統(tǒng)已進(jìn)入實(shí)用化試驗(yàn)及示范階段，山東能源研究所研制的XFF系列秸稈氣化爐在農(nóng)村集中供氣應(yīng)用中獲得了一定的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益；大連市環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院用研制的Lz系列生物質(zhì)干餾熱解氣化裝置建成了可供l000戶農(nóng)民生活用燃?xì)獾纳镔|(zhì)熱解加工廠。然而，目前的集中供氣系統(tǒng)普遍存在著所的“大馬拉小車”問題，即許多氣化工程欠戶現(xiàn)象嚴(yán)重，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的戶數(shù)，使生物質(zhì)氣化設(shè)備的利用率降低，并且焦油問題難以根絕，致使大型

28、輸氣管網(wǎng)易堵塞，拆卸和清洗不便，氣化站運(yùn)營和維護(hù)成本及難度都很高 ，燃?xì)獾臒嶂岛蜌饣瘡?qiáng)度依然偏低，不能充分滿足用戶使用要求。導(dǎo)致大部分氣化站開工率低，基本處于停產(chǎn)和半停產(chǎn)狀況。我國小型氣化爐的研究開發(fā)也在逐步發(fā)展，形成了多個(gè)系列的爐型，可滿足多種物料的氣化要求，在生產(chǎn)、生活用能、發(fā)電、干燥、供暖等領(lǐng)域得到利用。如中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制的ND系列生物質(zhì)氣化爐，用氣化產(chǎn)出氣烘干農(nóng)林產(chǎn)品，設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少，熱效率高，對(duì)于小型企業(yè)及個(gè)體戶有使用價(jià)值，其中ND一600型氣化爐已進(jìn)行較長時(shí)間的生產(chǎn)運(yùn)行，取得了一定效益；中科院廣州能源所，對(duì)上吸式生物質(zhì)氣化爐的氣化原理、物料反應(yīng)性能作了大量試驗(yàn)，研制出

29、GSQ型氣化爐；云南省研制的QL一50、60型戶用生物質(zhì)氣化爐已通過技術(shù)鑒定并在農(nóng)村進(jìn)行試驗(yàn)示范。1.5課題意義生物質(zhì)直接燃燒是生物質(zhì)能最早被利用的傳統(tǒng)方法，生物質(zhì)直接作為燃料燃燒具有許多優(yōu)點(diǎn)：（l）資源化，使生物質(zhì)真正成為能源，而不是產(chǎn)生能源產(chǎn)品替代物的原料；（2）減量化，減少了生物質(zhì)利用后剩余物的量；（3）無害化，直接燃燒生物質(zhì)不會(huì)造成環(huán)境問題，真正達(dá)到了能源利用的無害化。本課題將原生物質(zhì)氣化技術(shù)并應(yīng)用于家用爐具，有以下重大意義：部分緩解能源緊張狀況通過對(duì)03 年中國能源結(jié)構(gòu)和世界能源結(jié)構(gòu)對(duì)比可知，我國能源仍是以煤為主，但資源利用率低。小煤礦資源回收率不足20 % ，煤泥、劣質(zhì)煤及伴生資源

30、沒有有效利用。而90 以上的城市供熱和工業(yè)用熱由普通燃煤鍋爐供應(yīng)。1-1 世界和中國能源對(duì)比時(shí)近幾年能源生產(chǎn)安全形勢(shì)依然十分嚴(yán)峻，其中2003 年全國煤礦事故死亡6702 人，每生產(chǎn)100 萬噸煤炭平均死亡4 同人，其中原國有重點(diǎn)煤炭企業(yè)為1 人、國有地方煤礦3 人、鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦10 人。是僅次于交通的第二大事故災(zāi)害。生物質(zhì)成型燃料的大規(guī)模利用將有利于緩解能源緊張引起及其引起的一系列社會(huì)問題。1.5.2 降低農(nóng)村用能費(fèi)用，改善居室環(huán)境，調(diào)整農(nóng)村用能結(jié)構(gòu)從近兒年農(nóng)村能源建設(shè)來看，成績顯著，但部分地區(qū)生活用能尚未解決主要問題，一是生活用能商品化程度偏低，許多農(nóng)民以薪柴和秸稈為主要生活燃料，影響生活條件

31、改善，導(dǎo)致植被嚴(yán)重破壞。二是地區(qū)發(fā)展不平衡，西部農(nóng)村普遍存在生活能源短缺問題，東中部山區(qū)和貧困地區(qū)農(nóng)村生活用能狀況需要進(jìn)一步改善。下表中列舉了生物質(zhì)成型燃料在我省糾莊村的使用情況。全國各地農(nóng)村實(shí)際情況會(huì)有很大不同，但對(duì)低污染、低費(fèi)用燃料的需求是一致的，較大規(guī)模使用該種燃料可從整體上調(diào)整農(nóng)村用能結(jié)構(gòu)。1.5.3 二氧化碳“零排放”生物質(zhì)生長過程中吸收的CO 與其燃燒利用中排放的CO 是相等的，在CO總量上實(shí)現(xiàn)了零排放或零增長，消除了產(chǎn)生溫室效應(yīng)的根源。如果能在中國廣大農(nóng)村將該燃料應(yīng)用本試驗(yàn)中的高效爐具，將會(huì)進(jìn)一步增加中國實(shí)施清潔發(fā)展機(jī)制的潛力。我國2006年1月1日開始實(shí)施的 可再生能源法 指出

32、：“促進(jìn)可再生能源的開發(fā)利用，增加能源供應(yīng)，改善能源結(jié)構(gòu)，保障能源安全，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展?！薄皣夜膭?lì)清潔、高效地開發(fā)利用生物質(zhì)燃料?！睂＜艺J(rèn)為，到2015年，全球總能耗將有40來自生物質(zhì)能源。根據(jù)中國工程院 中國可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略研究 預(yù)測(cè)，2050年我國生物質(zhì)能開發(fā)利用量將占一次能源供應(yīng)量的8 %。將生物質(zhì)成型燃料應(yīng)用于農(nóng)用爐具不僅可以滿足快速發(fā)展的國民經(jīng)濟(jì)對(duì)能源利用的需要，而且對(duì)于改善農(nóng)村用能結(jié)構(gòu)，緩解能源生產(chǎn)和使用造成的環(huán)境污染，彌補(bǔ)化石能源的不足，保障能源供應(yīng)安全，建立可持續(xù)的生物能源系統(tǒng)，保障我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的意義。2生物質(zhì)氣化技術(shù)的簡(jiǎn)介2.1生

33、物質(zhì)熱解氣化的原理與分類2.1.1生物質(zhì)熱解氣化的原理生物質(zhì)熱解氣化(簡(jiǎn)稱氣化)是一種熱化學(xué)反應(yīng)技術(shù)，它是指利用空氣中的氧氣、含氧的物質(zhì)或水蒸汽作為氣化劑，將生物質(zhì)中的碳氧化成CO、等可燃?xì)怏w的過程。氣化反應(yīng)過程隨著氣化裝置的類型、工藝流程、反應(yīng)條件、氣化劑種類、原料性質(zhì)等條件的不同，其反應(yīng)過程也不相同;但不同條件下的生物質(zhì)氣化過程基本包括下列反應(yīng): 上述反應(yīng)中，碳和氧的氧化反應(yīng)是基礎(chǔ)，即屬于一級(jí)反應(yīng)的碳和氧生成二氧化碳(反應(yīng)21)和一氧化碳(反應(yīng)22)的放熱反應(yīng)。碳和水蒸氣的反應(yīng)(反應(yīng)23、24)則是典型的氣化目的的反應(yīng)，也屬于一級(jí)反應(yīng)，生成氫氣、一氧化碳和二氧化碳。這些反應(yīng)生產(chǎn)物與碳之間，

34、以及反應(yīng)生產(chǎn)物之間，在相近的溫度和壓力下將發(fā)生二級(jí)反應(yīng)(反應(yīng)25212)，這些反應(yīng)中既有吸熱反應(yīng)，也有放熱反應(yīng)。以上吸式氣化爐為例，氣化反應(yīng)大致分為氧化層、還原層、裂解層和干燥層。其它類型的氣化爐內(nèi)部氣化反應(yīng)與上吸式氣化爐有很大相似（1）氧化反應(yīng)氣化劑由爐柵下部導(dǎo)入，經(jīng)灰渣層吸熱后進(jìn)入氧化層，在這里同熾熱的碳發(fā)生燃燒反應(yīng)，生成大量的COZ，同時(shí)放出熱量，溫度可達(dá) 1000 1300，反應(yīng)式為: （213）由于是限氧燃燒，沒有充分的氧進(jìn)行完全燃燒。因此，不完全燃燒反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，反應(yīng)式為： (214)在氧化層進(jìn)行的均為燃燒，是放熱反應(yīng)，也正是這部分反應(yīng)放出的熱量為還原層的還原反應(yīng)、物料的裂解和干燥

35、提供了熱源。（2）還原反應(yīng)在還原層已沒有氧氣存在，在氧化反應(yīng)生成的和碳、水蒸氣發(fā)生還原反應(yīng)，還原區(qū)的溫度約為700900，主要產(chǎn)物為CO、和，其反應(yīng)式為： (215) (216) (217) (218) (219)（3）裂解反應(yīng)氧化區(qū)及還原區(qū)生成的熱氣體，在上行過程中經(jīng)過裂解區(qū)，將生物質(zhì)加熱，使在裂解區(qū)的生物質(zhì)進(jìn)行裂解反應(yīng)。在裂解反應(yīng)中，生物質(zhì)中大部分的揮發(fā)份從固體中分離出去，該區(qū)的溫度大約在400600。裂解區(qū)的主要產(chǎn)物是炭、揮發(fā)份氣體、焦油和水蒸氣。（4）干燥區(qū)在該區(qū)通過加熱生物質(zhì)原料，使原料中的水分蒸發(fā)，吸收熱量，并降低產(chǎn)氣溫度，氣化爐出口溫度可達(dá)100300。裂解區(qū)和干燥區(qū)，總稱為燃料

36、準(zhǔn)備區(qū)。2.1.2生物質(zhì)氣化技術(shù)的分類目前，生物質(zhì)氣化技術(shù)大體上可按兩種方式進(jìn)行分類:一是按氣化劑類型進(jìn)行分類，二是按設(shè)備運(yùn)行方式進(jìn)行分類。（1）按氣化劑類型分類生物質(zhì)氣化技術(shù)按氣化劑類型分類分為：不使用氣化介質(zhì)和使用氣化介質(zhì)兩大類。不使用氣化介質(zhì)的有干餾氣化。使用氣化介質(zhì)的有（1）氧氣氣化；（2）空氣氣化；（3）水蒸氣氣化；（4）氫氣氣化。那么其中干餾氣化其實(shí)是熱解氣化的一種特例，幾而且由于干餾是吸熱反應(yīng)，必須在工藝中提供外部熱源才可以使反應(yīng)進(jìn)行氧氣氣化則不需要提供外部熱源，氧氣與原料之間進(jìn)行的氧化反應(yīng)所放出的熱量可以為熱解反應(yīng)提供充足的熱源，所產(chǎn)生的一般是15000kJ/ 遙的中熱值氣化氣

37、?？諝鈿饣捎诜Φ募尤?，使其可燃?xì)獬煞趾拷档?，熱值也隨之降低到5000kJ如3左右，為低熱值燃?xì)?。氫氣作為氣化劑氣化反?yīng)條件較為苛刻，需要在高溫高壓且具有氫源的條件下進(jìn)行，其氣化氣為熱值高達(dá)2226026040kJ/的高熱值氣化氣（2）按設(shè)備運(yùn)行方式分類生物質(zhì)氣化技術(shù)按氣化裝置的運(yùn)行方式分為兩大類，固定氣化爐和流化氣化爐。其中固定氣化爐包括：上吸式氣化爐、下吸式氣化爐、橫吸式氣化爐、開心式氣化爐。流化床氣化爐包括；單流化床氣化爐、雙流化床氣化爐、循環(huán)流化床氣化爐、攜帶床氣化爐。2.2生物質(zhì)氣化爐把農(nóng)作物秸稈、薪柴等經(jīng)過氣化轉(zhuǎn)變成生物質(zhì)燃?xì)猓枰蒙镔|(zhì)氣化爐來完成，因此，氣化爐便是生物質(zhì)氣化

38、設(shè)備的核心技術(shù)。氣化爐大體上可分為兩大類:固定床氣化爐和流化床氣化爐(具體分類見圖2.3)。2.2.1固定床氣化爐固定床氣化爐是將切碎的生物質(zhì)原料由爐子頂部加料口投入固定床氣化爐中，物料在爐內(nèi)基本上是按層次地進(jìn)行氣化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體在爐內(nèi)的流動(dòng)要靠風(fēng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。固定床氣化爐的爐內(nèi)反應(yīng)速度較慢，按氣體在爐內(nèi)的流動(dòng)方向，可將固定床氣化爐分為下吸式、上吸式、橫吸式和開心式四種類型(1)上吸式氣化爐上吸式氣化爐的氣一固呈逆向流動(dòng)，運(yùn)行過程中，物料從頂部加入后，被上升的熱氣流干燥而將水蒸氣排除，干燥了的物料下降時(shí)被氣流加熱分解，而釋放揮發(fā)分，剩余的炭繼續(xù)下降時(shí)與上升的以及水蒸氣反應(yīng)，和等還原為CO及等

39、，余下的炭被底部進(jìn)入的空氣氧化，放出的燃燒熱量為整個(gè)氣化過程提供熱源。上吸式氣化爐的優(yōu)點(diǎn)是:燃?xì)庠诮?jīng)過熱分解層和干燥層時(shí)，將其攜帶的熱量傳遞給物料，用于物料的熱分解和干燥，同時(shí)降低其自身的溫度，使?fàn)t子熱效率大大提高;熱分解層和干燥層對(duì)燃?xì)庥幸欢ǖ倪^濾作用，所以出爐的燃?xì)庵兄缓猩倭炕曳?結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工制造容易，爐內(nèi)阻力小。上吸式氣化爐的缺點(diǎn)是:原料中水分不能參加反應(yīng)，減少了燃?xì)庵泻吞細(xì)浠衔锏暮?，氣體與固體逆向流動(dòng)時(shí)，物料中的水分隨產(chǎn)品氣體帶出爐外，降低了氣體的實(shí)際熱值，增加了排煙熱損失;熱氣體從底部上升時(shí)，溫度沿著反應(yīng)層高度下降，物料被干燥后與低溫度的氣流相遇，原料在低溫(250400)下

40、進(jìn)行熱分解，導(dǎo)致焦油含量高。(2）下吸式氣化爐下吸式氣化爐的生物質(zhì)原料由爐頂?shù)募恿峡谕度?，氣化?空氣、氧氣)可以由頂部進(jìn)入，也可在喉管區(qū)加入，氣化劑與物料混合向下流動(dòng)，在高溫喉管區(qū)發(fā)生氣化反應(yīng)。爐內(nèi)的物料自上而下分為干燥層、熱分解層、氧化層、還原層。下吸式反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是:氣化強(qiáng)度高(相對(duì)于上吸式);工作穩(wěn)定性好;可隨時(shí)開蓋添料;由于氧化區(qū)在熱解區(qū)與還原區(qū)之間，因而干餾和熱解的產(chǎn)物都要經(jīng)過氧化區(qū)，在高溫下裂解成和CO等水久性小分子氣體，使得氣化氣中焦油含量大大減少。它的缺點(diǎn)是:由于爐內(nèi)的氣體流向是自上而下的，而熱流的方向是自下而上的,致使引風(fēng)機(jī)從爐柵下抽出可燃?xì)庖馁M(fèi)較大的功率；出爐的可燃?xì)庵?/p>

41、含有的灰分較多；出爐的可燃?xì)獾臏囟容^多，須用水進(jìn)行冷卻。（3）橫吸式氣化爐橫吸式氣化爐的生物質(zhì)原料由氣化爐頂端加入，灰分落入爐柵下部的灰室。氣化劑側(cè)面進(jìn)入，產(chǎn)出的氣體也由側(cè)面流出，氣流橫向通過氣化區(qū)，在氧化區(qū)、還原區(qū)進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)與下吸式氣化爐相同，只不過反應(yīng)溫度較高，燃燒區(qū)溫度甚至?xí)^灰熔點(diǎn)，易造成結(jié)渣。因此，該爐適用于含灰分少的原料，一般用作焦炭和木炭氣化。（4）開心式氣化爐開心式氣化爐結(jié)構(gòu)和反應(yīng)原理同下吸式氣化爐相類似，可以看成是其一種特例。它有縮口，爐算不平，而是中間隆起的，以轉(zhuǎn)動(dòng)爐柵代替高溫喉管區(qū)，主要反應(yīng)在爐柵上的氣化區(qū)進(jìn)行。該爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，氧化還原區(qū)小，反應(yīng)溫度較低。2.2.2流

42、化床氣化爐流化床氣化爐的反應(yīng)物料中常摻有精選過的惰性材料沙子，在吹入氣化劑作用下，物料顆粒、沙子、氣化劑接觸充分，受熱充分，在爐內(nèi)呈“沸騰”燃燒狀態(tài)，氣化反應(yīng)速度快，生產(chǎn)能力大，氣化效率高。爐內(nèi)溫度高而且恒定，焦油在高溫下裂解生成氣體，因而焦油含量較小，但出爐的燃?xì)庵泻休^多的灰分。流化床氣化爐結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，設(shè)備投資較大。按氣化爐結(jié)構(gòu)和氣化過程，可將流化床氣化爐分為單流化床、循環(huán)流化床、雙流化床和攜帶流化床四種類型，按吹入氣化劑的壓力大小，流化床氣化爐又可分為常壓流化床和加壓流化床。(1)循環(huán)流化床氣化爐循環(huán)流化床氣化爐和單流化床的主要區(qū)別是在燃?xì)獬隹谔幵O(shè)有旋風(fēng)分離器或袋式分離器，將燃?xì)鈹y帶的

43、炭粒和沙子分離出來，返回氣化爐再次參加氣化反應(yīng)。循環(huán)流化床氣化爐是唯一在恒溫床上反應(yīng)的氣化爐，氣化反應(yīng)在床內(nèi)進(jìn)行，焦油也在床內(nèi)裂解，氣固分離以后的炭不斷循環(huán)回反應(yīng)爐內(nèi)，因而保持大的床密度，床截面上顆粒密度分布均勻，并使炭有足夠的時(shí)間在床內(nèi)停留，以適應(yīng)還原反應(yīng)速度慢的需要，適合水分含量大、熱值低、著火困難的生物質(zhì)物料。循環(huán)流化床氣化爐的主要缺點(diǎn)是入料需要預(yù)處理，產(chǎn)氣中灰分需要很好地凈化處理和部件磨損嚴(yán)重。(2)雙流化床氣化爐雙流化床氣化爐分為兩個(gè)組成部分:一部分是氣化爐;另一部分是燃燒爐。氣化爐中產(chǎn)生的燃?xì)饨?jīng)分離后，沙子和炭粒流入燃燒爐中，在這里炭粒燃燒將沙子加熱，灼熱的沙子再返回到氣化爐中，以

44、補(bǔ)充氣化爐所需的熱量。(3)攜帶床氣化爐攜帶床氣化爐是流化床氣化爐的一種特例，它不使用惰性材料作為流化介質(zhì)，氣化劑直接吹動(dòng)爐中生物質(zhì)原料，且流動(dòng)較大，為紊流床。原料入爐前需粉碎成細(xì)小顆粒，氣化溫度高達(dá)1100，炭的轉(zhuǎn)化率可達(dá)100%，燃?xì)庵薪褂秃亢艿?，但由于反?yīng)溫度高而易燒結(jié)。3.生物質(zhì)氣化機(jī)組主機(jī)的設(shè)計(jì)3.1氣化機(jī)組主機(jī)總體方案的確定3.1.1設(shè)計(jì)的基本原則（1）氣化效率高，燃?xì)赓|(zhì)量好。目前市場(chǎng)上許多生物質(zhì)氣化爐氣化效率較低或是不穩(wěn)定，燃?xì)馄焚|(zhì)較差，因此，必須合理設(shè)計(jì)氣化爐爐膛結(jié)構(gòu)，提高氣化品質(zhì)。（2）物料適應(yīng)性好。由于農(nóng)村生物質(zhì)種類較多，設(shè)計(jì)出的生物質(zhì)氣化爐對(duì)原料應(yīng)具有廣泛的適應(yīng)性;同時(shí)

45、，由于面向各家用戶，對(duì)于原料無需經(jīng)過復(fù)雜的預(yù)處理，一般鍘成小段即可。（3）堅(jiān)固耐用、安全穩(wěn)定。選擇合理的耐火材料與保溫材料，設(shè)計(jì)合理的檢修口，增加設(shè)備運(yùn)行的可靠性，安全性和維修的簡(jiǎn)便性。（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格便宜。由于生物質(zhì)氣化爐主要用于農(nóng)村，因此結(jié)構(gòu)不能過于復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)合理，便于日常操作;同時(shí)還要盡可能地降低成本，以利推廣。3.1.2主要技術(shù)指標(biāo)（1）氣化效率穩(wěn)定達(dá)到65%，生物質(zhì)燃?xì)獾臀话l(fā)熱量大于6.0，氧含量小于1.0%。（2）氣化爐運(yùn)行穩(wěn)定，能夠連續(xù)運(yùn)行1小時(shí)左右，產(chǎn)氣量100以上。3.1.3生物質(zhì)氣化機(jī)組主機(jī)的結(jié)構(gòu)選型本文選擇上吸式氣化系統(tǒng)作為生物質(zhì)氣化爐的基本爐型。上吸式

46、氣化爐的主要特點(diǎn)是:通用性好，原料無需經(jīng)過較為復(fù)雜的預(yù)處理過程，對(duì)原料的種類、尺寸、含水量等沒有嚴(yán)格的要求;爐體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，操作及維修方便;可燃?xì)饨?jīng)過熱分解層和干燥層時(shí)將熱量傳遞給物料，自身溫度降低，熱效率較高;熱分解層和干燥層對(duì)可燃?xì)庥羞^濾作用，出爐的可燃?xì)饣曳稚?且爐排受進(jìn)風(fēng)冷卻，工作比較可靠。3.2生物質(zhì)氣化機(jī)組主機(jī)的設(shè)計(jì)3.2.1氣化機(jī)組主機(jī)的總體結(jié)構(gòu)在市場(chǎng)調(diào)研和參考相關(guān)文獻(xiàn)與經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定如圖3.1所示的戶用型上吸式氣化爐的設(shè)計(jì)方案，該氣化爐具有如下的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):（1）氣化爐內(nèi)筒采用徑口漸縮的錐形設(shè)計(jì)，合理的斜度和錐角設(shè)計(jì)可以提高原料和爐內(nèi)容積的利用率，提高氣化爐的氣化效率。

47、（2）氣化劑在氣化爐的下部(氧化層附近)夾層中預(yù)熱，通過進(jìn)風(fēng)口深入膛心送入爐膛，在膛心集中供氧燃燒，進(jìn)入爐膛參與氣化反應(yīng)，這種膛心集中燃燒的技術(shù)可以大大提高氣化爐內(nèi)的反應(yīng)溫度和氣化效率。（3）爐體具有爐膛及與爐膛相通的爐渣室，爐膛與爐渣室之間有爐箅子。（4）尾部配風(fēng)設(shè)計(jì)經(jīng)過氣化爐氣化出來的是燃?xì)?，直接送入灶頭燃燒的話屬于擴(kuò)散火焰，部分可燃?xì)獬煞挚赡軙?huì)由于混入空氣不足而逸出灶頭后與周邊的氧氣再發(fā)生燃燒反應(yīng)，火苗將會(huì)大而不穩(wěn)，因此需要配入空氣成為預(yù)混火焰后再燃燒，這樣可以達(dá)到較的燃燒效果。因此，我們?cè)跉饣癄t氧化區(qū)域的外筒和內(nèi)筒之間設(shè)有風(fēng)道，風(fēng)道的一端是進(jìn)風(fēng)口，與風(fēng)機(jī)相連，送入空氣;另一端是配風(fēng)口，

48、用后面接有的閥門控制配風(fēng)量;風(fēng)道的周圍均勻分布噴嘴。送入的空氣在風(fēng)道中流動(dòng)，可以利用氧化區(qū)的熱量預(yù)熱自身的溫度，空氣一部分通過噴嘴進(jìn)入氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)，另一部分通過配風(fēng)口與出口的燃?xì)忸A(yù)混送入灶頭燃燒。（5）氣化爐內(nèi)部是氣化各層的反應(yīng)區(qū)，外層是保溫層，爐頂為進(jìn)料口，采用法蘭密封，爐底設(shè)有除灰口。保溫層由耐火泥石棉等保溫材料填充，這樣在保證反應(yīng)區(qū)溫度的同時(shí)，又可以降低氣化爐外壁的溫度，保證使用安全，減少熱量的散失，并延長封火時(shí)間。3.2.2氣化材料的選擇農(nóng)作物秸稈、刨花等是我國農(nóng)村和木材加工廠等最常見的生物質(zhì)廢棄物，資源廣泛，成本低廉，我們收集和選取了若干種典型的農(nóng)林廢棄物(如表3.1)，將其

49、放置在房屋中若干天，使原料的性質(zhì)均勻、穩(wěn)定，然后用鍘刀將秸稈等物料切成23cm的碎料，以備分析和試驗(yàn)使用。設(shè)計(jì)中，我們選取浙江某木材加工廠的紅樣刨花(平均尺寸3cm)的有關(guān)參數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。表3-1各種生物質(zhì)原料的元素分析和工業(yè)分析表格樣品工業(yè)分析元素分析Qb.ab名稱Mad%Mad%Vad%Fcad%Cad%Had%Nad%Stad%Oad%kJkg紅櫸13.905.6264.2016.2543.694.350.32-31.0916181稻稈11.9712.8563.9511.2338.104.031.190.2331.6211438豆秸10.132.2174.9812.6843.455.2

50、00.830.1438.0411962稻殼10.0511.4063.9814.5936.442.780.520.1138.7015807棉花12.912.6972.2112.1841.994.340.570.1937.2916468桑樹12.602.9275.3811.1038.715.481.110.1141.0717059油菜12.985.1772.459.4140.164.260.700.4736.2715687顆粒原料5.2710.7272.0211.9937.331.733.050.2141.67162643.2.3氣化機(jī)組主機(jī)的主要參數(shù)的計(jì)算（1）原料消耗量和氣化強(qiáng)度的初步確定根據(jù)

51、生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的市場(chǎng)調(diào)研和相關(guān)文獻(xiàn)與經(jīng)驗(yàn)，農(nóng)戶一個(gè)四口之家每天用氣量在6-8，用氣時(shí)間3h左右，消耗生物質(zhì)原料5-8kg，而我們的氣化爐需要同時(shí)供給40農(nóng)戶。因此，該上吸式氣化爐每小時(shí)消耗的原料量可以初步設(shè)計(jì)為90kg，即=90kg/h。氣化強(qiáng)度初步確定為 480Kg/m2.h（2）氣化空氣量的確定原料完全燃燒所需的空氣量V (m3/kg)生物質(zhì)原料一般含有碳、氫、氧、氮、硫等元素，由于氮和硫的含量非常低，所以本文研究中不考慮氮、硫與氧的燃燒反應(yīng)，只考慮碳、氫與氧的燃燒反應(yīng)。碳完全燃燒的反應(yīng): (31) 12kg 22.41kg碳完全燃燒需要1.866N氧氣.氫燃燒的反應(yīng): (32)4.023

52、kg 22.41kg氫燃燒需要5.55N氧氣1kg原料中已經(jīng)含有氧，相當(dāng)于已經(jīng)供給22.4/32=0.7N氧氣，氧氣占里氣的21%，所以生物質(zhì)原料完全燃燒所需的空氣量: (33)式中:V原料完全燃燒所需的理論空氣量，/kg原料中碳元素含量;原料中氫元素含量;原料中氧元素含量。如表3.1中紅樣所含主要元素含量為:=43.69%，=4.35%，=31.09%，=0.32%。紅櫸完全燃燒所需的空氣量為: (34)原料氣化所需的空氣量 (/kg)生物質(zhì)物料與空氣在氣化爐中發(fā)生復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)，從熱動(dòng)力學(xué)角度分析，空氣量對(duì)于產(chǎn)出氣成分的影響可以從圖4.2中看出。圖中的曲線為生物質(zhì)氣化時(shí)空氣的當(dāng)量比與產(chǎn)出

53、氣成分之間的關(guān)系曲線，圖中橫坐標(biāo)值為所提供的空氣中的氧與物料完全燃燒所需氧的當(dāng)量比。從圖中曲線可以看出，當(dāng)量比為0時(shí)，沒有氧氣輸入，直接加熱物料的反應(yīng)屬于熱解反應(yīng)，雖然也可以產(chǎn)生，CO，等可燃成分，但產(chǎn)出氣中焦油含量很高，并且約占物料質(zhì)量30%的焦炭不能同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇細(xì)怏w;當(dāng)量比為1時(shí)，物料與氧氣發(fā)生完全燃燒反應(yīng)，不能產(chǎn)生可燃?xì)?只有在當(dāng)量比為0.25-0.3時(shí)，即氣化反應(yīng)所需的氧僅為完全燃燒耗氧量的25%一30%，產(chǎn)出氣成分較理想。當(dāng)生物質(zhì)物料中水分較大或揮發(fā)分較小時(shí)應(yīng)取上限，反之取下限。圖3-2燃?xì)獬煞峙c空氣量的關(guān)系曲線圖 (35)式中: 實(shí)際氣化所需空氣量，/kg;完全燃燒的理論空氣量，

54、/kg;氣化當(dāng)量比。紅樣的揮發(fā)分較高，含水量中等，當(dāng)量比。取0.3，則氣化所需要空氣量為: (36)（3）氣化爐主要性能指標(biāo)的擬定氣化燃?xì)饬髁靠諝?氣化劑)中含量79%左右，氣化生物質(zhì)產(chǎn)生的燃?xì)庵泻恳话阍?0%左右,考慮到在該氣化反應(yīng)中幾乎很少發(fā)生反應(yīng)，據(jù)此，擬燃?xì)饬髁渴菤饣瘎?空氣)流量的1.4倍，則可燃?xì)饬髁縬為: (37)氣化燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量氣化燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量擬定能量轉(zhuǎn)換效率(氣化效率) 擬定氣化效率=65%氣化爐持續(xù)工作時(shí)間滿爐加料，擬定氣化爐連續(xù)運(yùn)行時(shí)間（4）氣化爐的主要?dú)饣瘏?shù)的計(jì)算原料單位時(shí)間消耗量 （38)氣化強(qiáng)度 （39)產(chǎn)氣率G （310)設(shè)計(jì)熱功率P （311)（5）氣化爐的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 內(nèi)筒下截面直徑 （312)內(nèi)筒的原料高度L （313)式中:生物質(zhì)原料在爐膛中的堆積密度，取117kg/。氣化爐內(nèi)筒的高度系數(shù)生物質(zhì)原料氣化耗盡，剩下的殘灰體積小于燃料體積，設(shè)q為原料氣化體積收縮率，H為氣化爐內(nèi)筒實(shí)際高度，則在加料次數(shù)為n次時(shí)，實(shí)際可加進(jìn)的燃料高度L為