小型锅炉设计

课程设计报告（2014-2015年度第二学期）名称：新能源热利用与热发电原理与系统课程设计题目：小型家用生物质气化炉设计院系：生化学院班级：新能源1121学号：1121617119学生姓名：许亚程指导教师：洪坤、朱秀芳、何磊、高晓燕设计周数：第18周成绩：提交日期：2015年7月3日一．课程设计目的与要求1.设计目的通过小型生物质气化炉设计练习，掌握气化炉的选型、参数设计的原理和方法。2.设计任务设计一个小型家用生物质气化炉，如右图。主要技术指标如下：(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:≥12h。3.设计要求独立撰写设计报告，正文不少于5000字。二.设计内容1.各种炉型结构及特点——选型（1）固定床①上吸式气化炉优点是：燃气在经过热分解层和干燥层时，将热量传递给物料，用于物料的热分解和干燥，同时降低其自身的温度，使炉子热效率大大提高；热分解层和干燥层对燃气有一定的过滤作用，所以出炉的燃气中只含有少量灰分；结构简单，加工制造容易，炉内阻力小。缺点是：1.原料中水分不能参加反应，减少了燃气中H和碳氢化合物的含量，气体与固体逆向流动时，物料中的水分随产品气体带出炉外，降低了气体的实际热值，增加了排烟热损失；2.热气体从底部上升时，温度沿着反应层高度下降，物料被干燥与低温度的气流相遇，原料在低温(250～400℃)下进行热分解，导致焦油含量高。优点是：气化强度较上吸式高；工作稳定性好；可随时开盖添料；由于氧化区在热解区与还原区之间，因而干馏和热解的产物都要经过氧化区，在高温下裂解成H2和CO等永久性小分子气体，使气化气中焦油含量大大减少。缺点是：由于炉内的气体流向是自上而下的，而热气流的方向是自下而上的，致使引风机从炉栅下抽出可燃气要耗费较大的功率；出炉的可燃气中含有的灰分较多；出炉的可燃气的温度较高，须用水进行冷却。③横（平）吸式气化炉生物质原料由炉顶加入，灰分落入炉栅下部的灰室。气化剂由侧面进入，产出的气体也由侧面流出，气流横向通过气化区，在氧化区、还原区进行的热化学反应与下吸式气化炉相同，只不过反应温度较高，燃烧区温度甚至会超过灰熔点，容易造成结渣。因此，该炉适用于含灰分少的原料，一般用作焦炭和木炭气化。（2）流化床气化炉流化床气化炉的反应物料中常掺有精选过的惰性材料沙子，在吹入气化剂作用下，物料颗粒、沙子、气化剂接触充分，受热充分，在炉内呈“沸腾”燃烧状态，气化反应速度快，生产能力大，气化效率高。气化反应在床内进行，焦油也在床内裂解，气固分离以后的炭不断循环回反应炉内。使炭有足够的时间在床内停留，以适应还原反应速度慢的需要。适合水分含量大、热值低、着火困难的生物质物料。主要缺点产气中灰分需要很好地净化处理和部件磨损严重。气化当量比所提供的空气中的氧与物料完全燃烧所需氧的当量比只有在当量比为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。小型家用气化炉设计计算案例(1)点火起动时间：4min；(2)气化炉运行稳定，一次加料后持续稳定燃烧时间：≥4.5h；(3)气化效率：≥80％；(4)热效率：≥95％；(5)燃气热值：6500kJ/N(6)产气量：≥2.5/kg，可供农户一天的炊事使用；(7)封火时间:≥14h2.设计计算1.配风设计2.风道3.保温层4.顶部加料口的密封3.气化原料的考虑同一炉膛结构使用不同的物料所产生的生物质燃气也会有较大的变化。使用中的生物质燃气平均值进行设计计算。4.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比如，一个四口之家每天用气量大约在9～11m3，用气时间4h左右，消耗生物质原料11～13kg，因此，初步设计该户用型上吸式气化炉消耗的原料量C0=3.4kg/h；初步确定气化强度为=80kg/(h)(2)确定气化气体的量生物质原料完全燃烧所需的空气量：V=(1.866[C]+5.55[H]-O.7[O])式中：V—原料完全燃烧所需的理论空气量，m3/kg；[C]—原料中碳元素含量；原料品种燃气成分%低位热值（标准状态下）kJ/m3COH2CH4CO2O2N2玉米秸21.412.21.8713.01.6549.885328玉米芯22.512.32.3212.51.448.985033麦秸17.68.51.3614.01.756.843663棉秸22.711.51.9211.61.550.785585稻壳19.15.54.37.53.060.54594薪柴20.012.02.011.00.254.54728[H]—原料中氢元素含量；[0]—原料中氧元素含量。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：V=(1.866[C]+5.55[H]-O.7[0])=(1.866×45.43％+5.55×6.15％-O.7×47.14％)=4.0908(m3/kg)实际需要通入的空气量取过量空气系数=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：=1.2×4.0908=4.909(m3/kg)玉米秸秆压块的挥发分较高，含水量很低，当量比取0.3，则每千克燃料气化所需要的空气量为：=0.3×4.0908=1.2272(m3/kg)5.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：=C0×V0×1.5=3.4×1.2272×1.5=6.2587(m3/h)②燃气的低位发热量气化燃气的低位发热量拟定Qg=6.5×103kJ/kg③气化效率拟定气化效率=80％④气化炉持续工作时间T满炉加料，拟定气化炉连续运行时间T=3.8h6.气化炉的主要气化参数的计算①原料单位时间消耗量CC=q×Qg/(η×Qm)=6.2587×6.5/(0.75×16.33)=3.3216(kg/h)②气化强度Φ=(C/C0)×Φ0=(3.3216/3.4)×80=78.1553(kg/(m2h))③产气率G=q/C=6.2587/3.3216=1.8842(/kg)7.气化炉主要结构参数的设计计算(1)炉膛的结构尺寸①炉膛截面积S=C/Φ=3.3216/78.1553=0.04m2②炉膛的原料高度L=C×T/(S×ρ)=3.3216×3.8/(0.04×600)=0.53m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，取密度=600kg/m3。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p为原料气化体积收缩率，H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L=H+Hp1+Hp2+…+Hpn-1=H(1-pn)/(1-ρ)H(1-pn)/(1-ρ)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p取0.2，由此可得n=1，2，3，4时，高度系数分别为：1，1.2，1.24，1.248⑤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。h=L/βn=0.53/1.2=0.44考虑到气化炉点火时灰烬需要占用一定的空间H=h+0.2=0.8m（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：NCV01301dC-生物质原料的消耗量，kg/h；V-风口中空气流速，m/s；V0-气化所需空气量，m3/kg；d1-风口直径，m；N-风口个数8.生物质气化发电技术一、生物质气化技术发展二、生物质气化分类三、生物质气化指标及影响因素四、气化发电工艺五、主要的气化反应器六、生物质燃气净化（1）生物质气化技术发展a.始于1883年，已有100多年的历史，以木炭为原料，气化后的燃气驱动内燃机，为早期的汽车或农业排灌机械提供动力。b.鼎盛时期，第二次世界大战期间，当时战争耗费了几乎所有的燃油，民用燃料缺乏，德国大力发展用于民用汽车的车裁气化器，并形成了与汽车发动机配套的完整技术。c.第二次世界大战后，长时期内陷于停顿状态。中东地区油田的大规模开发使世界经济的发展获得了廉价优质的能源。石油成为几乎所有发达国家的主要能源d.20世纪70年代石油危机使生物质气化技术重新得到了关注现状：大型生物质气化发电示范工程美国Battelle(63MW)、夏威夷(6MW)项目，英国(8MW)和芬兰(6Mw)示范工程等。问题：1.焦油处理技术2.燃气轮机改造技术难度很高（2）生物质气化分类按气化介质分类（3）生物质气化指标及影响因素1.比消耗量。定义：气化1kg生物质所消耗气化剂(如空气、水蒸气、氧气)的量。如：空气一般0.2-0.32.产品气产率。气化1kg原料所得到的气体燃料在标准状态下的体积称为产品气产率。3.碳转化率。碳转化率是指生物质燃料中的碳转化为气体燃料中碳的份额，即气体中含碳量与原料中含碳量之比。CO2:燃气中的体积百分比;C:原料中碳的含量，%;Gv:气体产率，m3/kg4.气化效率。生物质气化后生成的产品气总热量与气化原料总热量之比，称为气化效率，它是衡量气化过程的主要指标。5.气化强度。单位时间内，气化反应器单位横截面上所能气化的原料量称为气化强度，单位通常为kg／(m2h)。气化指标的影响因素：复杂的热化学过程，受很多因宗的影响。影响气化指标的因素取决于3个方面，即原料特性、气化过程的操作条件和气化反应器的构造。a.生物质特性原料特性不但影响气化指标．而日也决定气化方法的选择。生物质作为气化原料比煤作为气化原料有突出的优点。1)挥发分高、固定族低。生物质特别是秸秆类生物质，固定碳在20％左右，而挥发分则高达70％左右。在较低温度下，约400度就可全部挥发出来。2)生物质碳反应性高。生物质碳在较低温度下，以较快的速度与CO2及水蒸气进行气化反应。如：在815℃、2MPa下，木炭在He(45％)、H2(5％)及水蒸气(5％)的气体中，只要7分钟，80％能被气化，泥煤炭只能有约20％被气化，而褐煤显几乎没有反应。3)生物质灰分少。生物质灰分一般少于3％(稻壳等除外)。4)含硫量低。生物质台硫量一般少于0．2％，不需要气体脱硫装置，降低了成本，又有利于环境保护。b.原料的结渣性。反应性好的原料，可以在较低温度下操作．气化过程不易结渣，有利于操作，也有利于甲烷生成。矿物成分往往可使燃料在燃烧反应中起催化作用。例如：将木灰(1.5％)喷在加热中的木材表面上．就可使反应性加强，反应时间减少1/2。c.气化条件。反应温度、反应压力、物料特性、气化设备结构等也是影响气化过程中的主要因素，不同的气化条件，气化产物成分的变化很大。（4）气化发电工艺气化发电系统分类（5）主要的气化反应器固定床气化炉下吸式：焦油含量少，热值高上吸式：焦油含量多，热值低流化床气化炉优点：（1）流化床气化炉断面小，气化效率和气化强度较高。（2）流化床气化对灰分要求不高，可以使用粒度很小的原料。（3）流化床气化的产气能力可在较大范围内波动，且气化效率不会明显降低。（4）流化床使用的燃料颗粒很细，传热面积大，传热效率高，气化反应温度不是很高且均衡，结渣的可能性减弱。缺点：(1)产出气体的显热损失大。(2)由于燃料颗粒细，流化速度较高，故产出气体中的带出物较多。双流化床气化炉6.