气化炉设计及数值计算论文

课程：新能源开发与利用

专业：农业机械化及其自动化姓名：XXX

学号：XXXXXXXX

教师：XXX

小型家用气化炉设计及数值计算

XXX

（院系:南农工学院农机系学号：XXXXXXXX E-mail：XXXXXXX@https://www.360docs.net/doc/1e16670292.html,）

摘要：随着化石燃料资源的日益减少以及在利用过程中对环境造成的巨大破坏，生物质能的资源化利用正受到越来越多的重视。而小型家用生物质气化技术由于具有结构简单，管路短，操作维护简单方便，耗资少等优点，适应于我国农村目前普遍的经济水平和组织体制。本文结合我国农村的实际情况，设计出小型家用生物质上吸式气化炉。该小型家用气化炉解决了现役气化炉中气化性能不理想，焦油含量高的问题。相信此类气化炉将在未来占据一定规模的市场份额，逐步推广到我国农村偏远地区，为解决民生问题作出巨大贡献。

关键词：气化炉；生物质；数值设计；秸秆；净化装置

Small Household Gasifier Design And Numerical Calculation

XXX

(departments: south NongJiXi a&m college student number: XXXXXXX E-mail:XXXXXXX@https://www.360docs.net/doc/1e16670292.html,) Abstract:With the dwindling of fossil fuel resources and caused enormous damage to the environment in the process of utilization, biomass utilization is being more and more attention. And because small household biomass gasification technology has the advantages of simple structure, short line, simple and convenient operation and maintenance, less cost, adapted to the current general economic level and organization system in the rural areas. Combined with the actual situation of our country rural area, this paper designed a small household suction on the biomass gasifier. The small household gasifier has solved the active service in the gasifier gasification performance is not ideal, the problem of high tar content. Believe this kind of gasifier will occupy the market share of a certain size in the future, gradually to remote rural areas in China, the huge contribution to solve the problem of the people's livelihood.

Key words:gasifier; biomass; numerical design; straw; purification plant

0 引言

在世界能源消耗中，生物质能源一直是人类赖以生存的重要能源，是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量的第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。大量使用大自然馈赠的生物质能源，几乎不产生污染，资源可再生而不会枯竭，同时起着保护和改善生态环境的重要作用。由此，我国小型家用生物质气化炉逐步进入人们的视野。

基于党和政府对生物质能开发利用的高度重视，给小型家用生物质气化炉的发展带来了机遇。小型家用生物质气化炉相对于传统的粗燃烧炉具在生产数量、产品质量、加工能力等方面都占据着很大的优势，小型家用生物质气化炉是目前农户使用比较理想的生活设施，对于解决农村的节能减排、改善室内空气质量等问题有着重要的现实意义。

1 气化炉分类及原理概述

1.1 气化炉分类

气化炉是生物质气化设备的核心技术，大体上可分为两大类，即固定床气化炉和流化床气化炉。

1.1.1 固定床气化炉

固定床气化炉是将切碎的生物质原料由炉子顶部加料口投入固定床气化炉中，物料在炉

内基本上是按层次地进行气化反应，反应产生的气体在炉内的流动要靠风机来实现。固定床气化炉的炉内反应速度较慢，按气体在炉内的流动方向，可将固定床气化炉分为下吸式、上吸式、横吸式和开心式四种类型。

其中，以上吸式气化炉为例。上吸式气化炉的气一固呈逆向流动，运行过程中，物料从顶部加入后，被上升的热气流干燥而将水蒸气排除，干燥了的物料下降时被气流加热分解，而释放挥发分，剩余的炭继续下降时与上升的CO2以及水蒸气反应，CO2和H2O等还原为CO及H2等，余下的炭被底部进入的空气氧化，放出的燃烧热量为整个气化过程提供热源。

燃气在经过热分解层和干燥层时，将其携带的热量传递给物料，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。上吸式气化炉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，且相较其他类型结构简单，加工制造容易，炉内阻力小。

1.1.2 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。炉内温度高而且恒定，焦油在高温下裂解生成气体，因而焦油含量较小，但出炉的燃气中含有较多的灰分。流化床气化炉结构比较复杂，设备投资较大。按气化炉结构和气化过程，可将流化床气化炉分为单流化床、循环流化床、双流化床和携带流化床四种类型，按吹入气化剂的压力大小，流化床气化炉又可分为常压流化床和加压流化床。

一般家用气化炉选择固定床气化炉。

1.2 气化炉原理

生物质热解气化(简称气化)是一种热化学反应技术，它是指利用空气中的氧气、含氧的物质或水蒸汽作为气化剂，将生物质中的碳氧化成CO、H2、CH4等可燃气体的过程。气化反应过程随着气化装置的类型、工艺流程、反应条件、气化剂种类、原料性质等条件的不同，其反应过程也不相同。

以上吸式气化炉为例，大致分为氧化反应、还原反应、裂解反应和秸秆的干燥。

1.2.1 氧化反应

空气由气化炉的底部进入，在经过灰渣层时被加热，加热后的气体进入气化炉底部的氧化区，在这里同炽热的炭发生燃烧反应，生成二氧化碳同时放出热量，由于是限氧燃烧，氧气的供给是不充分的，因而不完全燃烧反应同时发生，生成一氧化碳，同时也放热量。在氧化区，温度可达1000~1200℃，反应方程式为：

C+O2=CO2+△H，△H=408.8千焦

在氧化区进行的均为燃烧反应，并放出热量，也正是这部分反应热为还原区的还原反应、物料的裂解和干燥，提供了热源。在氧化区中生成的热气体（一氧化碳和二氧化碳）进入气化炉的还原区，灰则落入下部的灰室中。

1.2.2 还原反应

在还原区已没有氧气存在，在氧化反应中生成的二氧化碳在这里同炭及水蒸气发生还原反应，生成一氧化碳（CO）和氢气（H2）。由于还原反应是吸热反应，还原区的温度也相应降低，约为700~900℃。

还原区的主要产物为一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）和氢气（H2），这些热气体同在氧化区生成的部分热气体进入上部的裂解区，而没有反应完的炭则落入氧化区。

1.2.3 裂解反应

在氧化区和还原区生成的热气体，在上行过程中经过裂解层，同时将秸秆加热，当秸秆受热后发生裂解反应。在反应中，秸秆中大部分的挥发分从固体中分离出去。由于秸秆的裂解需要大量的热量，在裂解区温度已降到400~600℃。

在裂解反应中还有少量烃类物质的产生。裂解区的主要产物为炭、氢气、水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油及其他烃类物质等，这些热气体继续上升，进入到干燥区，而炭则进入下面的还原区。

1.2.4 秸秆的干燥

气化炉最上层为干燥区，从上面加入的物料直接进入到干燥区，物料在这里同下面三个反应区生成的热气体产物进行换热，使原料中的水分蒸发出去，该层温度为100~300℃。干燥层的产物为干物料和水蒸气，水蒸气随着下面的三个反应区的产热排出气化炉，而干物料则落入裂解区。

气化实际上总是兼有燃料的干燥裂解过程。气体产物中总是掺杂有燃料的干馏裂解产物，如焦油、醋酸、低温干馏气体。所以在气化炉出口，产出气体成分主要为一氧化碳（CO），二氧化碳（CO2）、氢气（H2）、甲烷（CH4）、焦油及少量共他烃类，还有水蒸气及少量灰分。

2 气化炉总体方案的确定

2.1 设计原则

气化效率高，燃气质量好。目前市场上许多生物质气化炉气化效率较低或是不稳定，燃气品质较差，因此，必须合理设计气化炉炉膛结构，提高气化品质。

物料适应性好。由于农村生物质种类较多，设计出的生物质气化炉对原料应具有广泛的适应性;同时，由于面向各家用户，对于原料无需经过复杂的预处理，一般铡成小段即可。

坚固耐用、安全稳定。选择合理的耐火材料与保温材料，设计合理的检修口，增加设备运行的可靠性，安全性和维修的简便性。

结构简单，操作方便，价格便宜。由于生物质气化炉主要用于农村，面向农户，因此结构不能过于复杂，需要设计合理，便于日常操作;同时还要尽可能地降低成本，以利推广。

2.2 拟达到的主要技术指标

气化效率稳定达到65%，生物质燃气低位发热量大于6.0MJ/Nm3，氧含量小于1.0%。

气化炉运行稳定，能够连续运行3小时左右，产气量6～8

3

m以上，可供农户一天的炊

事使用;封火时间12h以上。

2.3 气化炉的选型

由于农村单户使用并不需要不断地添料，可以采取间歇式加料，而且输送管道短，产出的气体可以立马用掉，因此对可燃气中焦油含量要求并不严格，无需使用繁杂的设备脱除焦油。所以，可选择上吸式气化系统作为小型家用生物质气化炉的基本炉型。

上吸式气化炉的主要特点是:通用性好，原料无需经过较为复杂的预处理过程，对原料的种类、尺寸、含水量等没有严格的要求；炉体结构简单，成本低，操作及维修方便；可燃气经过热分解层和干燥层时将热量传递给物料，自身温度降低，热效率较高；热分解层和干燥层对可燃气有过滤作用，出炉的可燃气灰分少；且炉排受进风冷却，工作比较可靠。2.4 生物质气化原料的选定

农作物秸秆、刨花等是我国农村和木材加工厂等最常见的生物质废弃物，资源广泛，成本低廉。现收集和选取了若干种典型的农林废弃物(如表2.1)，通过比较，决定选取秸秆的

有关参数作为设计依据。

表2.1各种生物质原料的元素分析和工业分析表格/%

3 小型家用气化炉的设计

3.1 总体结构

通过查阅相关资料，确定如图3.1所示的小型家用上吸式气化炉的设计方案，该气化炉具有如下的结构特点:

气化炉内筒采用径口渐缩的锥形设计，合理的斜度和锥角设计可以提高原料和炉内容积的利用率，提高气化炉的气化效率。

气化剂在气化炉的下部(氧化层附近)夹层中预热，通过进风口深入膛心送入炉膛，在膛心集中供氧燃烧，进入炉膛参与气化反应。这种膛心集中燃烧的技术可以大大提高气化炉内的反应温度和气化效率。

炉体具有炉膛及与炉膛相通的炉渣室，炉膛与炉渣室之间有炉箅子。

尾部配风设计。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，与风机相连，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喷嘴。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。

图3.1户用型上吸式气化炉总体结构示意图 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，采用法兰密封，炉底样品 工业 分析 元素 分析 单位 名称 水分 灰分 挥发分 固定碳 C H N S O kJ ·kg 秸秆 13.90 5.62 64.20 16.25 43.69 4.35 0.32 - 31.09 16181 稻壳 10.05 11.40 63.98 14.59 36.44 2.78 0.52 0.11 38.70 15807 棉花 12.91 2.69 72.21 12.18 41.99 4.34 0.57 0.19 37.29 16468 桑树 12.60 2.92 75.38 11.10 38.71 5.48 1.11 0.11 41.07 17059 油菜 12.98 5.17 72.45 9.41 40.16 4.26 0.70 0.47 36.27 15687 颗粒原料

5.27 10.72 72.02 11.99 37.33 1.73 3.05 0.21 41.67 16264

设有除灰口。保温层由耐火泥石棉等保温材料填充，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。

3.2 主要参数的设计计算

3.2.1 原料消耗量和气化强度的初步确定

根据生物质气化系统的相关文献资料，农户一个四口之家每天用气量大约在6～83m ，

用气时间3h 左右，消耗生物质原料5～8kg ，因此，该小型家用上吸式气化炉每小时消耗的原料量可以初步设计为2.2kg ，即C 0=2.2kg/h 。

气化强度初步确定为Φ0=60kg/(m2·h)。

3.2.2 气化空气量的确定

3.2.2.1 原料完全燃烧所需的空气量V (m 3/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+O 2=CO 2 (3—1)

1kg 碳完全燃烧需要1.8663m 氧气。

氢燃烧的反应:

4H+O 2=2H 2O (3—2)

1kg 氢燃烧需要5.553

m 氧气。

1kg 原料中已经含有氧[]O ，相当于已经供给[]O ?22.4/32=0.73m 氧气，氧气占里气的21%，所以生物质原料完全燃烧所需的空气量:

[][][]1(1.866 5.550.7)0.21V C H O =+- (3—3)

式中:V —原料完全燃烧所需的理论空气量（m 3/kg ）；

[C]—原料中碳元素含量；

[H]—原料中氢元素含量；

[O]—原料中氧元素含量。

查找资料发现，秸秆所含主要元素含量为:

[C]=43.69%，[H]=4.35%，[O]=31.09%，[N]=0.32%。

其完全燃烧所需的空气量为:

[][][]31(1.866 5.550.7)0.21

1(1.86643.69% 5.55 4.35%0.731.09%)0.21

3.9955(/)

V C H O m kg =+-=?+?-?= (3—4)

3.2.2.2 原料气化所需的空气量0V (m 3/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3.2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ε。从图中曲线可以看出，当量比ε为0时，没有氧气输入，直接加热物料的反应属于热解反应，虽然也可以产生H 2，CO ，CH 4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ε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，即气化反应所需的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。

图3.2燃气成分与空气量的关系曲线图

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0.25-0.3计算实际气化所需空气量V 0： 0V V ε= (3—5)

式中:V 0 —实际气化所需空气量（m 3/kg ）；

V —完全燃烧的理论空气量（m 3/kg ）；

ε—气化当量比。

秸秆的挥发分较高，含水量中等，当量比。取0.3，则气化所需要空气量0V 为: 030.3 3.9955

1.1986(/)

V V m kg ε==?= (3—6) 3.2.3 气化炉主要性能指标的拟定

气化燃气流量q :

根据资料书已知q=8 3m h ? (3—7)

气化燃气的低位发热量g Q :

气化燃气的低位发热量拟定23

6.210/g Q kJ m =?

能量转换效率(气化效率) η:

拟定气化效率η=65% 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 2.8T

h ≈

3.2.4 气化炉的主要气化参数的计算

原料单位时间消耗量C ： /()

8 6.2/(0.6516.181)4.71(/)

g m C q Q Q kg h η=??=?? (3—8)

气化强度Φ：

200(/)128.45(/)C C kg m h Φ=?Φ=? (3—9)

产气率G ：

3/ 1.6985(/)G q C

m kg == （3—10) 设计热功率P ：

/360013.78()g p Q q KW =?= （3—11)

3.2.

4.5 气化炉的主要结构参数

内筒下截面直径D : 4/()0.22()D C m π=?Φ= （3—12)

内筒的原料高度L :

()0.8462()L C T S m ρ=??= （3—13)

式中:ρ—生物质原料在炉膛中的堆积密度，取117kg/3

m 。

S —气化炉内胆截面积

由于本实验设计的炉型为径口渐缩型的锥形炉体，所以平均横截面积S (内筒的平均直径取0.28m )为： 223110.280.06154()44

S D m ππ==?= （3—14) 气化炉内筒的高度系数n β：

生物质原料气化耗尽，剩下的残灰体积小于燃料体积，设q 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 121)(1/(1)n n n L H Hq Hq Hq H q q H β-=++++=--= （3—15)

记)

(1/(1)n q q β=--为气化炉内筒的高度系数。

参考有关资料，生物质原料气化的收缩率q 取0.4，由此可得:

1β= l ，2β=1.4，3β=1.56， 4β=1.624， 5β=1.6496，……

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2β=1.4，当需要气化燃料高度为L=0.8462m 时，相应的气化炉内筒实际高度H 为: /0.6044()n H L m β== （3—16)

考虑到气化炉点火时灰烬需要占用一定的空间，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=0.7m ;灰渣室取0.1m 高，所以炉子的总高度约为0.8m 。

气化剂喷嘴的尺寸：

本上吸式气化炉喷嘴采用深入炉膛内部的设计方式，有利于在炉膛中心达到高温，提高气化反应温度和气化效率，减少焦油含量的效果。通过气化原料气化所需的空气量V 。确定喷嘴的尺寸，喷嘴的几何尺寸内径按下式计算： 01

30CV d nv π= （3—17) 式中:C —生物质原料的消耗量(kg/h)；

v —喷嘴中空气流速(m/S)；

0V —气化所需空气量(3m /h)；

n —喷嘴个数；

d —喷嘴直径（m)。

因此喷嘴采用5个内径为6mm 的钢管，沿圆周方向均匀分布，计算得到喷嘴中空气流速v 为5.13m/s 。在结构允许的条件下，较多的喷嘴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。

内筒上截面的尺寸确定:

由于气化炉内筒采用径口渐缩锥形设计，在确定了下截面尺寸(22cm)和高度(70cm)后，还需确定上截面的尺寸。根据多次试验结果说明，内筒的轴截面的倾角在7-100之间比较合适，因此内筒的上截面尺寸确定为45cm (示意图如图3.3).

图3.3气化炉内筒轴截面尺寸(单位:mm)

4 其他装置

4.1 净化方案的确定

本文研究的是小型家用生物质气化系统，它不需要设置在大规模集中气化供气系统所使用的复杂管路系统中，对可燃气的净化要求也没有大规模集中供气系统所要求的那么严格。通过以上各种净化装置的研究和分析，干式净化中的颗粒层过滤方式具有结构简单、造价便宜、过滤物料容易获得等优点，比较适合于户用型生物质气化燃气的净化系统。

因此，本实验的粗燃气净化装置主要由气水分离器和干式过滤器两部分组成(如图 4.1示意)，前者可以有效地去除湿燃气中的水分，并具有降温冷却的作用，后者具有除灰尘、除焦油和进一步干燥燃气的作用。粗燃气经过气水分离器和过滤装置后必然需要排出含有焦油、灰尘等杂质的污水，如果直接排放的话，必然会引起严重的环境污染，设计中我们采用焦油回流的处理方式，将焦油回流到气化炉中，从而减少气化炉对外的污染排放。

图4.1粗燃气净化装置

4.2 气化炉焦油污水回流处理

将焦油污水回流口选择在灰渣层，一方面，该层已在气化区域以外，水分等成分含量的不会使气化炉的气化品质变差，同时，其中的水蒸汽可以回到炉内参加气化反应，有望提高燃气中H2等可燃气体的成分，提高热值；另一方面，灰渣层中的灰渣对焦油等粘稠的物质也有粘附的作用，如果能够合理回收灰渣，便可以利用污水和灰渣中的能量，提高能源的利用率。(如图4.2示意)。

图4.2焦油污水回流处理装置

5 结论

本文通过对现有生物质燃料利用情况的了解，对生物质气化炉进行了较全面和深入的研究。并结合我国农村的实际情况，选取上吸式固定床气化炉作为气化炉研发对象，根据燃料特点参照相关标准设计出小型家用生物质上吸式气化炉。

该小型家用气化炉应用了炉膛集中燃烧和尾部配风的技术和炉膛口径渐缩的独特炉型设计，净化装置采用气水分离器与干式颗粒层过滤器相串联的形式，并在气化炉上设计了焦油回流装置，解决了现役气化炉中气化性能不理想，焦油含量高的问题。

参考文献：

[1]霍雅勤.中国能源现状及可持续利用对策.中国能源，1999，2:42-44

[2]周北驹.发展新能源和可再生能源对可持续发展战略具有重大现实意义.中国能源，1997，3:16-1

[3]喻霞，魏敦藉.生物质固定床气化过程的研究.煤气与热力，2000(7):243- 245

[4]田成民.我国生物质气化技术研究概况.化工时刊，2004，18(12):19-21

[5]钟浩，谢建等.生物质热解气化技术的研究现状及其发展.云南师范大学学报，2001，21(1):43

[6]农业部生物质气化技术研究测试培训中心.生物质气化技术及其应用，1999

[7]NY/T443一2001《秸秆气化供气系统技术条件及验收规范》

[8]姚向君，田宜水.生物质能资源清洁转化利用技术.化学工业出版社，2004

[9]M.J.wornat,R.H.Hurt,N.Y.C.Y ang,T.J.Headley.StrueturalandeomPositionaltransformationofbiomasseharsduring https://www.360docs.net/doc/1e16670292.html,bustionandFlame，1995，100：

[10]S·Tllre ,D.Uzun , I.E.Ture.The potential use of sweet sorghum as a non -polluting Source ofenergy. Energy ,

1997 , 22 ( l ) : 17 -19