戶用型上吸式生物質(zhì)氣化爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、戶用型上吸式生物質(zhì)氣化爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擬達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)(1)點(diǎn)火起動(dòng)時(shí)間：3min；(2)氣化爐運(yùn)行穩(wěn)定，一次加料后持續(xù)穩(wěn)定燃燒時(shí)間：三3.5h；(3)氣化效率：三75%;(4)熱效率：三90%；(5)燃?xì)鉄嶂担?000J/Nm3(6)產(chǎn)氣量：三1.5 m 3 /kg,可供農(nóng)戶一天的炊事使用；(7)封火時(shí)間：三12h1上吸式 氣化爐的總體結(jié)構(gòu)(1)氣化劑在氣化爐的下部(氧化層附近)夾層中預(yù)熱，通過(guò)數(shù) 個(gè)開在爐芯上的小孔送入爐膛，在爐膛中供氧燃燒，進(jìn)入爐膛參與氣 化反應(yīng)，可以大大提高氣化爐的反應(yīng)溫度和氣化效率。(2)爐底配風(fēng)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)氣化爐氣化出來(lái)的是燃?xì)?，直接送入灶頭燃燒的話屬于擴(kuò)散 火焰，部分

2、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)到較好的燃燒效果。因此，我們?cè)跉?化爐氧化區(qū)域的外筒和筒之間設(shè)有風(fēng)道，風(fēng)道的一端是進(jìn)風(fēng)口，與換 風(fēng)扇相連，送入空氣；另一端是配風(fēng)口，用后面接有的閥門控制配風(fēng) 量；風(fēng)道的周圍均勻分布送風(fēng)口。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(guò)噴嘴進(jìn)入氣化爐進(jìn) 行氣化反應(yīng)，另一部分通過(guò)配風(fēng)口與出口的燃?xì)忸A(yù)混送入灶頭燃燒。（3）加料口密封裝置設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的燃燒室上方開有密封水槽，用于保證封火時(shí)爐子的密 封性能良好。采用的水封爐蓋有水槽和

3、爐蓋兩部分組成，水槽緣高于 外緣，以避免在加水時(shí)濺入爐，或者在使用過(guò)程中高溫水沿緣流入爐， 不能達(dá)到較好的密封效果。另外，這種水密封結(jié)構(gòu)有利于保證氣化爐 工作的連續(xù)性，不用揭開爐蓋即可往密封水槽加水。（4）本文設(shè)計(jì)的氣化爐所用的是生物質(zhì)壓縮成型原料，其密度、 強(qiáng)度和低位熱值能都有了本質(zhì)的改善，大大提高了生物質(zhì)的燃料品 位。高密度節(jié)省了原料所占用的空間，使氣化爐的結(jié)構(gòu)尺寸得到很大 程度的縮減，節(jié)省了空間，高熱值提高了生物質(zhì)原料的利用率。（5）氣化爐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， 爐底設(shè)有除灰口。保溫層由珍珠巖加耐火水泥等保溫材料填充，這樣 在保證反應(yīng)區(qū)溫度的同時(shí)，又可以降低氣

4、化爐外壁的溫度，保證使用 安全，減少熱量的散失，并延長(zhǎng)封火時(shí)間。2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)度根據(jù)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 口之家每天用氣量大約在810m3，用氣時(shí)間4h左右，消耗生物質(zhì)原 料1012卜8，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=2.4kg/h；初步確定氣化強(qiáng)度為 0=70kg/( m 2 gh)(2)氣化空氣量的確定原料完全燃燒所需的空氣量v( m 3 /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

5、完全燃燒的反應(yīng)：C+02= CO2(4-1)12kg22.4m31kg碳完全燃燒需要1.866Nm3氧氣。氫燃燒的反應(yīng)：4H +02=2H20(4-2)4.032kg22.4m31kg氫燃燒需要5.55Nm3氧氣。原料中已經(jīng)含有氧0,相當(dāng)于1kg原料已經(jīng)供給Ox22.4/32=0.7ON m 3氧氣，氧氣占空氣的21%,所以生物質(zhì)原料完全燃燒所需的空氣量V :V =(1.866C+5.55H-O.7O)0.21(4-3)式中：V一原料完全燃燒所需的理論空氣量，m 3 /kg；C一原料中碳元素含量；H一原料中氫元素含量；0原料中氧元素含量。如玉米秸所含主要元素含量為：C=45.43% H=6.1

6、5% 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)0.21= (1.866X45.43% +5.55X6.15%-O.7X47.14%) 0.21= 4.0908(m3/kg)實(shí)際需要通入的空氣量V，( m 3 /kg)V為理論上的玉米秸稈完全燃燒所需的空氣量，考慮到實(shí)際過(guò)程中的空氣泄漏或供給不足等因素，加入過(guò)量空氣系數(shù)a，取a = 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)際需要通入的空氣量V :）4-4a to0.60氧加3020 o.aLdo. 一野中英1000 珥0.=1.2X4.0908 =4.909(m3/

7、kg)原料氣化所需的空氣量V0 ( m 3/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(méi)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 圖 4-2 燃?xì)獬?分與空氣量的關(guān)系曲線產(chǎn)生H2, CO, CH4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)

8、生可燃?xì)?；只有在?dāng)量比為0.25 0.3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。計(jì)算氣化爐反應(yīng)所需空氣量時(shí)，首先根據(jù)生物質(zhì)物料的元素分析 結(jié)果，計(jì)算出其完全燃燒所需理論空氣量V,然后按當(dāng)量比0.3,計(jì)算 實(shí)際氣化所需空氣量V :0V0=V(4-5)式中：V0實(shí)際氣化所需空氣量，m 3/kg；V 完全燃燒的理論空氣量，m 3 /kg； 一氣化當(dāng)量比。玉米秸稈壓塊的揮發(fā)分較高，含水量很低，當(dāng)量比取O.3,則每千克燃料氣化所需要的空氣量V0為：V0 = V(4-6)=0.3X4.0908=1.2272 (m3

9、/kg)(3)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N2含量79%左右，氣化生物質(zhì)產(chǎn)生的燃?xì)庵蠳2 含量一般在50%左右，考慮到N2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：q =C0 X V0 X1.5 (4-7)=2.4X1.2272X1.5=4.4181(m3/h)燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量Q g氣化燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量擬定Qg=6.5Xi03 kJ/ m 3氣化效率n擬定氣化效率展75%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=3.8h(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CC = q X q/(“

10、X q )(4-8)=4.4181X6.5/(0.75X16.33)=2.3448 (kg/h)氣化強(qiáng)度=(C / C ) X (4-9)=(2.3448/2.4) X70=68.3888(kg/(m2gh)產(chǎn)氣率GG =q/C(4-10)=4.4181/2.3448=1.8842( m 3/kg)設(shè)計(jì)熱功率pP=Qg X q /3600(4-11)=6500X4.4181/3600=7.98(KW)4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sS = C/(4-12)=2.3448/68.3888=0.03 Q 2)爐膛截面直徑DD = ：4C / (兀X)(4-13)=、：

11、4 x 2.3448/(3.14 x 68.3888,=0.21(m)爐膛的原料高度LL = C x T / (S xp)(4-14)=2.3448X3.8/(0.03X600)=0.43 (m )式中：p一生物質(zhì)原料在爐膛中的堆積密度，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，參照表4-1中，取p =600kg/ m 3。氣化爐筒的高度系數(shù)Pn物料在爐應(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

12、料高度1為L(zhǎng) = H + Hp 1 + Hp2 + Hpn-1二 H G - pn)/ (1 - p )二 H Pn(4-15)記口廣G - p)/ (1 - p )為氣化爐筒的高度系數(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：p1=1，p2 =1.2，p3=1.24，p4 =1.248，pJ1.2496,筒高度卜氣化爐加滿原料后，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。取p2 =1.2,當(dāng)需要?dú)饣剂细?度為L(zhǎng)=0.43m時(shí)，相應(yīng)的氣化爐筒實(shí)際高度卜為：h = L /

13、pn(4-16)=0.43/1.2考慮到氣化爐點(diǎn)火時(shí)灰燼需要占用一定的空間，且要保證爐的原 料能夠在一定的壓力作用下穩(wěn)定地下移，物料的頂部也需要一定的氣 流和加料空間，所以設(shè)計(jì)中爐子筒實(shí)際高度取卜=0.5山；灰渣室取0.2小 高，所以爐子的總高度H約為H= h+0.2=0.7m（2）送風(fēng)口結(jié)構(gòu)尺寸一次風(fēng)口的尺寸d1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V確定風(fēng)口的尺寸，風(fēng)口的幾何尺寸徑 0d1按下式計(jì)算：, 1 bd _1 o30 兀nv（4-17）式中：C 一生物質(zhì)原料的消耗量，kg/h；v一風(fēng)口中空氣流速，m/s；V0 一氣化所需空氣量，m 3

14、/kg；d 一風(fēng)口直徑，m；n 一風(fēng)口個(gè)數(shù)，因此風(fēng)口采用6個(gè)徑為6mm的孔，沿圓周方向均勻分布，計(jì)算得到 風(fēng)口中空氣流速v為4.72m/s。在結(jié)構(gòu)允許的條件下，較多的風(fēng)口有 利于空氣和物料的良好混合，但也增大了阻力，增加了風(fēng)機(jī)的負(fù)荷。二次進(jìn)風(fēng)口孔的尺寸d2燃燒室下方開有二次風(fēng)口，通入適量空氣使產(chǎn)生的氣化氣充分燃 燒，所以需要合理地確定二次風(fēng)口的尺寸?？諝馐怯娠L(fēng)扇經(jīng)同一送風(fēng) 口送入爐膛，由配風(fēng)閥分配一二次風(fēng)的量，流速相同，因此二次進(jìn)風(fēng) 口尺寸可根據(jù)一次進(jìn)風(fēng)口尺寸確定。由氣化當(dāng)量比=0.3可知， 則燃燒所需空氣量V1 =（1-）V=0.7V（4-18）所以二次進(jìn)風(fēng)量與一次進(jìn)風(fēng)量比為匕=7 V 31

15、由此可知，進(jìn)風(fēng)口面積比包=7S13由上文可知，設(shè)計(jì)的一次進(jìn)風(fēng)口個(gè)數(shù)為6個(gè)，直徑4為6mm。燃燒室下方的一排二次進(jìn)風(fēng)口，沿燃燒室壁均勻分布，總個(gè)數(shù)為10個(gè)即10 n d； _76n d 2 3其中：d 1一次進(jìn)風(fēng)口孔的直徑；d2 二次進(jìn)風(fēng)口孔的直徑。所以算得進(jìn)風(fēng)口直徑為7.09mm,二次進(jìn)風(fēng)量需要保證氣化氣完全燃燒，前文中也考慮了過(guò)量空氣系數(shù)a ,因此設(shè)計(jì)時(shí)取d2=8mm。（3）氣化爐的各層材料及厚度氣化爐的外壁的作用是固定爐體結(jié)構(gòu)，考慮到價(jià)格和強(qiáng)度，選用 普通鋼板即可，本設(shè)計(jì)中爐壁厚度取6川川。生物質(zhì)的氣化過(guò)程和氣化 氣的燃燒過(guò)程都是在爐膛中進(jìn)行的，屬于高溫反應(yīng)，所選材料必須耐高溫，本文中選取

16、8mm厚的鍋爐鋼。外壁和爐膛中間是保溫層和風(fēng)道，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-3所示，其厚度需根據(jù)外溫度及熱流量來(lái)確定。圖4-3 氣化爐的各層結(jié)構(gòu)示意圖確定保溫層壁（即風(fēng)道外壁）的溫度土爐膛的壁和爐體外壁分別選用的材料是鍋爐鋼和普通鋼，導(dǎo)熱性能極好，此兩層的溫降不計(jì)，由爐膛溫度曲線圖知：爐膛壁溫度300。，因此風(fēng)道壁（即爐膛外壁）的溫度,1=300 C。假定風(fēng)道外壁溫度, =250 C,則風(fēng)道的平均溫度t二工； 0P1 2氣化爐的爐體為圓筒狀，通過(guò)圓筒壁的熱流量中為定值，因此風(fēng)道有以下公式：_ 2兀九h（t -1）一 ln（d1 /1D）（4-19）式中：九-溫度為1時(shí)干空氣的導(dǎo)熱系數(shù)；h -設(shè)計(jì)出的爐

17、膛筒實(shí)際高度;/-風(fēng)道的外徑；d = D + 25 + 8 x 22D -爐膛截面直徑；5 -風(fēng)道的寬度；氣化爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需保證一定的熱量要求，防止熱損失過(guò)大，降 低氣化爐的熱量利用率，因此需規(guī)定氣化爐常年運(yùn)行工況所允許的散熱損失。表 4-3為氣化爐常年運(yùn)行工況允許最大散熱損失。表4-3 常年運(yùn)行工況允許最大散熱損失設(shè)備、管道及附件外表面溫度t50100150200250300350允許最大散熱損失中5893116140163186209由表4-3知，當(dāng)保持保溫層外的溫度為50。左右時(shí)，爐子所允許的最大散熱損失為58W,因此，通過(guò)風(fēng)道和保溫層的熱流量中=58W設(shè)風(fēng)道的寬度為5=15川田，由式（

18、413）知爐膛截面直徑d =0.21m則風(fēng)道外徑d =0.256m風(fēng)道的平均溫度,1=275 C溫度t時(shí)干空氣的導(dǎo)熱系數(shù)九=4.435X 10.2W/（mK）將以上數(shù)據(jù)代入式（4-18），得2x 3.14 x 4.435 x 10一2 x (300 -1) =58ln(0.256 / 0.21)計(jì)算得風(fēng)道外壁的溫度t=249C,與t0的誤差為1 C,假設(shè)成立。確定保溫層厚度51保溫層材料為水泥膨脹珍珠巖制品，以水泥為粘結(jié)劑，珍珠巖粉 為骨料，按1：10的比例配合、攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)而成。其承壓能力 較強(qiáng)、施工方便、生產(chǎn)成本低、經(jīng)濟(jì)耐用，廣泛應(yīng)用于較低溫度的熱 管道，用于爐壁防止因爐熱量散失而使外

19、爐壁溫度過(guò)高，保證安全。 水泥膨脹珍珠巖制品容重一般為250350 kg/ m 3,導(dǎo)熱方程 入 1=0.047+0.00016t。水泥膨脹珍珠巖制品的高溫導(dǎo)熱率及與其他保溫材料的比較分 別見表4-4和表4-5。表4-4 水泥膨脹珍珠巖制品的高溫導(dǎo)熱率膨脹用料體烘干烘熱面冷面平均導(dǎo)熱率珍珠積比抗壓干溫溫溫W/(m巖粉水珍強(qiáng)度容度。度。度。K)的容泥珠MPa重C重山 巖kg/kg/ m 3粉m 31455097.50.067801100.59317334113223.50.105543187367.5050.0731001100.72334328167217.50.109540176358050.0781201100.87373342121231.50.104558199378.50.143174641190.08