小型鍋爐設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告（2014-2015年度第二學(xué)期） 名 稱： 新能源熱利用與熱發(fā)電原理與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 題 目： 小型家用生物質(zhì)氣化爐設(shè)計(jì) 院 系： 生化學(xué)院 班 級(jí)： 新能源1121 學(xué) 號(hào)： 1121617119 學(xué)生姓名： 許亞程 指導(dǎo)教師： 洪坤、朱秀芳、何磊、高曉燕 設(shè)計(jì)周數(shù)： 第18周 成 績(jī)： 提交日期：2015年7月3日一課程設(shè)計(jì)目的與要求1.設(shè)計(jì)目的通過(guò)小型生物質(zhì)氣化爐設(shè)計(jì)練習(xí)，掌握氣化爐的選型、參數(shù)設(shè)計(jì)的原理和方法。2.設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)小型家用生物質(zhì)氣化爐，如右圖。主要技術(shù)指標(biāo)如下：(1) 點(diǎn)火起動(dòng)時(shí)間：6000kJ/N ；(6) 產(chǎn)氣量：1.5 /kg，可供農(nóng)戶一天的炊事使用；

2、(7) 封火時(shí)間:12h。3.設(shè)計(jì)要求獨(dú)立撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告，正文不少于5000字。2. 設(shè)計(jì)內(nèi)容1.各種爐型結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)選型（1）固定床 上吸式氣化爐優(yōu)點(diǎn)是：燃?xì)庠诮?jīng)過(guò)熱分解層和干燥層時(shí)，將熱量傳遞給物料，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^(guò)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。缺點(diǎn)是：1.原料中水分不能參加反應(yīng)，減少了燃?xì)庵蠬和碳?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；2.熱氣體從底部上升時(shí)，溫度沿著反應(yīng)層高度下降，物料被干燥與

3、低溫度的氣流相遇，原料在低溫(250400)下進(jìn)行熱分解，導(dǎo)致焦油含量高。優(yōu)點(diǎn)是：氣化強(qiáng)度較上吸式高；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(guò)氧化區(qū)，在高溫下裂解成H2和CO等永久性小分子氣體，使氣化氣中焦油含量大大減少。缺點(diǎn)是：由于爐內(nèi)的氣體流向是自上而下的，而熱氣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)庵泻械幕曳州^多；出爐的可燃?xì)獾臏囟容^高，須用水進(jìn)行冷卻。 橫（平）吸式氣化爐 生物質(zhì)原料由爐頂加入，灰分落入爐柵下部的灰室。氣化劑由側(cè)面進(jìn)入，產(chǎn)出的氣體也由側(cè)面流出，氣流橫向通過(guò)氣化區(qū)，在氧化區(qū)、還原

4、區(qū)進(jìn)行的熱化學(xué)反應(yīng)與下吸式氣化爐相同，只不過(guò)反應(yīng)溫度較高，燃燒區(qū)溫度甚至?xí)^(guò)灰熔點(diǎn)，容易造成結(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。 （2）流化床氣化爐流化床氣化爐的反應(yīng)物料中常摻有精選過(guò)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。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)。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。主要缺點(diǎn)產(chǎn)氣中灰分需要很好地凈化處理和部件磨損嚴(yán)重。氣化當(dāng)量比所提供

5、的空氣中的氧與物料完全燃燒所需氧的當(dāng)量比只有在當(dāng)量比為0.250.3時(shí),即氣化反應(yīng)所需氧僅為完全燃燒耗氧量的25-30，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。小型家用氣化爐設(shè)計(jì)計(jì)算案例(1)點(diǎn)火起動(dòng)時(shí)間：6500kJ/N (6)產(chǎn)氣量：2.5 /kg，可供農(nóng)戶一天的炊事使用；(7)封火時(shí)間: 14h 2.設(shè)計(jì)計(jì)算1.配風(fēng)設(shè)計(jì)2.風(fēng)道3.保溫層4.頂部加料口的密封3.氣化原料的考慮原料品種燃?xì)獬煞?低位熱值（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）kJ/m3COH2CH4CO2O2N2玉米秸21.412.21.8713.01.6549.885328玉米芯22.512.32.3212.5

6、1.448.985033麥秸17.68.51.3614.01.756.843663棉秸22.711.51.9211.61.550.785585稻殼19.15.54.37.53.060.54594薪柴20.012.02.011.00.254.54728同一爐膛結(jié)構(gòu)使用不同的物料所產(chǎn)生的生物質(zhì)燃?xì)庖矔?huì)有較大的變化。使用中的生物質(zhì)燃?xì)馄骄颠M(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。4.氣化爐主要?dú)饣瘏?shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算(1) 初步擬定原料消耗量和氣化強(qiáng)度比如，一個(gè)四口之家每天用氣量大約在911m3 ，用氣時(shí)間4h左右，消耗生物質(zhì)原料1113kg，因此，初步設(shè)計(jì)該戶用型上吸式氣化爐消耗的原料量C0=3.4kg/h；初步確定氣化強(qiáng)度為

7、=80kg/(h)(2) 確定氣化氣體的量生物質(zhì)原料完全燃燒所需的空氣量 ：V= (1.866C+5.55H-O.7O) 式中：V原料完全燃燒所需的理論空氣量， m3/kg；C原料中碳元素含量；H原料中氫元素含量；0原料中氧元素含量。玉米秸所含主要元素含量為：C=45.43 H=6.15 O=47.14 N=0.78玉米秸完全燃燒所需的空氣量為：V= (1.866C+5.55H-O.70) = (1.86645.43 +5.556.15-O.747.14) = 4.0908(m3/kg)實(shí)際需要通入的空氣量 取過(guò)量空氣系數(shù) =1.2，保證分配的二次通風(fēng)使氣化氣得到完全燃燒。因此，實(shí)際需要通入的

8、空氣量 ： =1.24.0908 =4.909(m3/kg)玉米秸稈壓塊的揮發(fā)分較高，含水量很低，當(dāng)量比取0.3，則每千克燃料氣化所需要的空氣量 為：=0.34.0908 =1.2272 ( m3/kg)5.氣化爐主要性能指標(biāo)的擬定 氣化燃?xì)饬髁縬空氣(氣化劑)中 含量79左右，氣化生物質(zhì)產(chǎn)生的燃?xì)庵?含量一般在50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1.5倍，則可燃?xì)饬髁縬為：= C0V01.5 =3.41.22721.5=6.2587(m3/h) 燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量 氣化燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量擬定Qg=6.5103kJ/kg 氣化效率 擬定氣化效率

9、=80 氣化爐持續(xù)工作時(shí)間T滿爐加料，擬定氣化爐連續(xù)運(yùn)行時(shí)間T=3.8h6.氣化爐的主要?dú)饣瘏?shù)的計(jì)算原料單位時(shí)間消耗量CC= qQg /( Qm )=6.25876.5/(0.7516.33)=3.3216 (kg/h) 氣化強(qiáng)度 =(C /C0 )0 =(3.3216/3.4) 80=78.1553(kg/(m2h) 產(chǎn)氣率 G= q/C =6.2587/3.3216=1.8842( /kg) 7.氣化爐主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算(1)爐膛的結(jié)構(gòu)尺寸 爐膛截面積 S=C/ =3.3216/78.1553 =0.04 m2 爐膛的原料高度L=CT/(S) =3.32163.8/(0.04600)

10、=0.53 m由于使用的原料是壓縮成型玉米秸稈，成型料的堆積密度一般為原料堆積密度的10倍左右，取密度 =600kg/m3 。 氣化爐內(nèi)筒的高度系數(shù) 物料在爐內(nèi)應(yīng)有足夠的滯留時(shí)間，這與燃燒層的高度及物料與氣流運(yùn)動(dòng)有關(guān)，要保證生物質(zhì)原料氣化耗盡。剩下的殘灰體積小于燃料體積，設(shè)p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 L=H + Hp1 + Hp2 + + Hpn-1 =H(1-pn)/(1-)H(1-pn)/(1-)為氣化爐內(nèi)筒的高度系數(shù)。參考有關(guān)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)，生物質(zhì)原料氣化的收縮率p取0.2，由此可得n=1，2，3，4時(shí)，高度系數(shù)分別為：1，

11、 1.2，1.24，1.248 內(nèi)筒高度h氣化爐加滿原料后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行，原料耗盡，在不排灰的情況下，可再次加入原料繼續(xù)運(yùn)行。這個(gè)過(guò)程理論上可進(jìn)行無(wú)限多次，實(shí)際上只有開始幾次加料有實(shí)用價(jià)值。h = L / n = 0.53/1.2 =0.44考慮到氣化爐點(diǎn)火時(shí)灰燼需要占用一定的空間H= h+0.2=0.8m（2）送風(fēng)口結(jié)構(gòu)尺寸 一次風(fēng)口的尺寸上吸式氣化爐一次風(fēng)口，采用在爐膛壁上開小孔的設(shè)計(jì)方式。通過(guò)氣化原料氣化所需的空氣量 確定風(fēng)口的尺寸，風(fēng)口的幾何尺寸內(nèi)徑 按下式計(jì)算：C-生物質(zhì)原料的消耗量，kg/h；V-風(fēng)口中空氣流速，m/s；V0-氣化所需空氣量，m3/kg；d1-風(fēng)口直徑，m；N-

12、風(fēng)口個(gè)數(shù)8.生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù) 1、 生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展2、 生物質(zhì)氣化分類3、 生物質(zhì)氣化指標(biāo)及影響因素4、 氣化發(fā)電工藝5、 主要的氣化反應(yīng)器6、 生物質(zhì)燃?xì)鈨艋?）生物質(zhì)氣化技術(shù)發(fā)展a. 始于1883年，已有100多年的歷史，以木炭為原料，氣化后的燃?xì)怛?qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)，為早期的汽車或農(nóng)業(yè)排灌機(jī)械提供動(dòng)力。b. 鼎盛時(shí)期，第二次世界大戰(zhàn)期間，當(dāng)時(shí)戰(zhàn)爭(zhēng)耗費(fèi)了幾乎所有的燃油，民用燃料缺乏，德國(guó)大力發(fā)展用于民用汽車的車裁氣化器，并形成了與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配套的完整技術(shù)。c. 第二次世界大戰(zhàn)后，長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)陷于停頓狀態(tài)。中東地區(qū)油田的大規(guī)模開發(fā)使世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展獲得了廉價(jià)優(yōu)質(zhì)的能源。石油成為幾乎所有發(fā)達(dá)國(guó)家的主要

13、能源d. 20世紀(jì)70年代石油危機(jī)使生物質(zhì)氣化技術(shù)重新得到了關(guān)注現(xiàn)狀： 大型生物質(zhì)氣化發(fā)電示范工程美國(guó)Battelle(63MW)、夏威夷(6MW)項(xiàng)目，英國(guó)(8MW)和芬蘭(6Mw)示范工程等。問(wèn)題：1.焦油處理技術(shù)2.燃?xì)廨啓C(jī)改造技術(shù)難度很高 （2）生物質(zhì)氣化分類按氣化介質(zhì)分類（3）生物質(zhì)氣化指標(biāo)及影響因素1.比消耗量。定義：氣化1kg生物質(zhì)所消耗氣化劑(如空氣、水蒸氣、氧氣)的量。如：空氣一般0.2-0.32.產(chǎn)品氣產(chǎn)率。氣化1kg原料所得到的氣體燃料在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積稱為產(chǎn)品氣產(chǎn)率。3.碳轉(zhuǎn)化率。碳轉(zhuǎn)化率是指生物質(zhì)燃料中的碳轉(zhuǎn)化為氣體燃料中碳的份額，即氣體中含碳量與原料中含碳量之比。

14、CO2:燃?xì)庵械捏w積百分比;C:原料中碳的含量，%;Gv:氣體產(chǎn)率，m3/kg4. 氣化效率。生物質(zhì)氣化后生成的產(chǎn)品氣總熱量與氣化原料總熱量之比，稱為氣化效率，它是衡量氣化過(guò)程的主要指標(biāo)。5. 氣化強(qiáng)度。單位時(shí)間內(nèi)，氣化反應(yīng)器單位橫截面上所能氣化的原料量稱為氣化強(qiáng)度，單位通常為kg(m2h)。氣化指標(biāo)的影響因素：復(fù)雜的熱化學(xué)過(guò)程，受很多因宗的影響。影響氣化指標(biāo)的因素取決于3個(gè)方面，即原料特性、氣化過(guò)程的操作條件和氣化反應(yīng)器的構(gòu)造。a. 生物質(zhì)特性原料特性不但影響氣化指標(biāo)而日也決定氣化方法的選擇。生物質(zhì)作為氣化原料比煤作為氣化原料有突出的優(yōu)點(diǎn)。 1)揮發(fā)分高、固定族低。生物質(zhì)特別是秸稈類生物質(zhì)，

15、固定碳在20左右，而揮發(fā)分則高達(dá)70左右。在較低溫度下，約400度就可全部揮發(fā)出來(lái)。 2)生物質(zhì)碳反應(yīng)性高。生物質(zhì)碳在較低溫度下，以較快的速度與CO2及水蒸氣進(jìn)行氣化反應(yīng)。如：在815、2MPa下，木炭在He(45)、H2(5)及水蒸氣(5)的氣體中，只要7分鐘，80能被氣化，泥煤炭只能有約20被氣化，而褐煤顯幾乎沒(méi)有反應(yīng)。 3)生物質(zhì)灰分少。生物質(zhì)灰分一般少于3(稻殼等除外)。 4)含硫量低。生物質(zhì)臺(tái)硫量一般少于02，不需要?dú)怏w脫硫裝置，降低了成本，又有利于環(huán)境保護(hù)。b. 原料的結(jié)渣性。反應(yīng)性好的原料，可以在較低溫度下操作氣化過(guò)程不易結(jié)渣，有利于操作，也有利于甲烷生成。礦物成分往往可使燃料在

16、燃燒反應(yīng)中起催化作用。例如：將木灰(1.5)噴在加熱中的木材表面上就可使反應(yīng)性加強(qiáng)，反應(yīng)時(shí)間減少1/2。 c. 氣化條件。反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、物料特性、氣化設(shè)備結(jié)構(gòu)等也是影響氣化過(guò)程中的主要因素，不同的氣化條件，氣化產(chǎn)物成分的變化很大。（4）氣化發(fā)電工藝氣化發(fā)電系統(tǒng)分類（5）主要的氣化反應(yīng)器固定床氣化爐下吸式：焦油含量少，熱值高上吸式：焦油含量多，熱值低流化床氣化爐 優(yōu)點(diǎn)：（1） 流化床氣化爐斷面小，氣化效率和氣化強(qiáng)度較高。（2） 流化床氣化對(duì)灰分要求不高，可以使用粒度很小的原料。（3） 流化床氣化的產(chǎn)氣能力可在較大范圍內(nèi)波動(dòng)，且氣化效率不會(huì)明顯降低。（4） 流化床使用的燃料顆粒很細(xì)，傳熱面積

17、大，傳熱效率高，氣化反應(yīng)溫度不是很高且均衡，結(jié)渣的可能性減弱。缺點(diǎn)：(1) 產(chǎn)出氣體的顯熱損失大。(2) 由于燃料顆粒細(xì)，流化速度較高，故產(chǎn)出氣體中的帶出物較多。雙流化床氣化爐 6.生物質(zhì)燃?xì)鈨艋镔|(zhì)燃?xì)夂懈鞣N各樣的雜質(zhì)，保證后部氣化發(fā)電設(shè)備不會(huì)因雜質(zhì)的存在而導(dǎo)致磨損腐蝕和污染等問(wèn)題。焦油問(wèn)題焦油是一種可冷凝烴類物質(zhì)的復(fù)雜混合物美國(guó)NREL的Milne等在其對(duì)焦油的研究中曾給出了以下定義：任何有機(jī)材料在熱或部分氧化(氣化)作用下所產(chǎn)生的有機(jī)物，且通常認(rèn)為其主要是較大的芳香類物質(zhì)，稱為焦油。焦油在低于200時(shí)凝結(jié)成液體，隨溫度的升高而呈氣態(tài)，在高溫下能分解成小分子永久性氣體再降溫時(shí)不凝結(jié)成液

18、體)?？扇?xì)庵薪褂秃侩S溫度升向而減少。氣化裝置的影響：上吸式氣化器產(chǎn)生的焦油量是最大的，燃?xì)庵薪褂秃恳话阍?00g/m3的數(shù)量級(jí)；下吸式所產(chǎn)燃?xì)馐亲顫崈舻?，焦油含量一般?gm3的數(shù)量級(jí)，流化床類型的氣化器介于二者之間，燃?xì)庵薪褂秃恳话阍?0gm3的數(shù)量級(jí)。焦油危害：(1)當(dāng)氣化燃?xì)獾臏囟冉档蜁r(shí)焦油會(huì)形成焦油霧，被氣化燃?xì)鈹y帶進(jìn)入下級(jí)設(shè)備會(huì)影響內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、壓縮機(jī)等的安全運(yùn)行(2)焦油占可燃?xì)饽芰康?一10，在低溫下難以與可燃?xì)庖坏辣蝗紵?，民用時(shí)大部分焦油被浪費(fèi)掉。(3)焦油還會(huì)與顆粒物等其他污染物發(fā)生相互作用造成管道的堵塞。焦油的去除:常用的方法可歸納為兩大類：物理凈化方法，包

19、括濕法和干法；化學(xué)凈化方法，包括焦油的熱裂化和催化裂化。濕法冷卻洗滌、旋風(fēng)分離、過(guò)濾器過(guò)濾組合凈化裝置，經(jīng)該工藝流程后所剩的焦油含量均在o5gm3以下。濕法存在的問(wèn)題干式：電捕方法可去除0.01-1mm灰塵，焦油去除98%以上缺點(diǎn)：生物質(zhì)含氧量高，燃?xì)鈨艋^(guò)程必須防爆。焦油黏附在設(shè)備上，難以去除，除焦問(wèn)題?；瘜W(xué)方法：1. 高溫?zé)峤?. 催化劑 白云石鎳基催化劑 三課程設(shè)計(jì)感想與體會(huì)通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)小型鍋爐設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中雖然遇到了一些問(wèn)題，但經(jīng)過(guò)一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識(shí)欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。實(shí)踐出真知，

20、通過(guò)親自動(dòng)手制作，使我們掌握的知識(shí)不再是紙上談兵。過(guò)而能改，善莫大焉。在課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。最終的檢測(cè)調(diào)試環(huán)節(jié)，本身就是在踐行“過(guò)而能改，善莫大焉”的知行觀。這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多問(wèn)題，最后在老師的指導(dǎo)下，終于游逆而解。在今后社會(huì)的發(fā)展和學(xué)習(xí)實(shí)踐過(guò)程中，一定要不懈努力，不能遇到問(wèn)題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在，然后一一進(jìn)行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠(yuǎn)不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠(yuǎn)不可能得到社會(huì)及他人對(duì)你的認(rèn)可！課程設(shè)計(jì)誠(chéng)然是一門專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識(shí)以及專業(yè)技能上的提升，同時(shí)又是一門講道課，一門辯思課，給了我許多道，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時(shí)，設(shè)計(jì)讓我感觸很深。使我對(duì)抽象的理論有了具體的認(rèn)識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我掌握了小型鍋爐的識(shí)別