PDF《上吸式生物质气化炉的设计与试验》

第27 卷第7期农业工程学报Vol.

27 No.7

270 2011 年7月Transactions of the CSAE Jul.

2011 上吸式生物质气化炉的设计与试验 李斌,陈汉平 ,杨海平,王贤华,张世红 (华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,武汉 430074) 摘要:为指导和改良小型生物质气化炉的设计及运行,介绍了上吸式气化炉的设计步骤,并对其结构进行了优化设计, 制作了一台生物质气化炉,且以木屑为原料考察了入炉空气量对炉内温度、产气成分和热值等的影响.结果表明:入炉 空气量是上吸式气化炉运行的关键参数,直接影响炉内温度和反应工况.随着入炉空气量的增加,气化炉内温度大幅上 升,气体产量急剧增加,可燃气含量则是先增加后降低,入炉空气量在 1.9 m3 /h 附近为最佳,此时,产气热值达到最大 值4.38 MJ/m3 ,氧化区温度为 960℃,气化强度为 57.8 kg/(m2 ・ h),能很好满足用户需求. 关键词:生物质,气体燃料,设计,气化炉,入炉空气量,产气成分,上吸式 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2011.07.047 中图分类号:TK6 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2011)-07-0270-04 李斌,陈汉平,杨海平,等. 上吸式生物质气化炉的设计与试验[J]. 农业工程学报,2011,27(7):270-273. Li Bin, Chen Hanping, Yang Haiping, et al. Design and experiment on updraft biomass gasifier[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(7): 270-273. (in Chinese with English abstract)

0 引言? 小型上吸式生物质气化炉具有结构简单、使用灵活、 操作方便和成本低等特点,可方便利用农村地区丰富的 生物质资源生产高品位的可燃气,特别适合于农村和集 镇居民以及小型餐饮业的使用[1-4] .然而,目前市面上流 通的各种气化炉产品还存在较多的问题[4-6] ,国内外针对 小型上吸式气化炉的研究报道也不多[7-10] ,在气化炉的设 计、结构改进等方面仍缺乏详细地指导[11-13] .因此,本 文在气化炉关键参数设计计算的基础上,结合气化炉结 构方面的考虑,设计了一台上吸式气化炉,并采用木屑 为原料,考察了入炉空气量对气化炉运行特性的影响. 本文的研究结果可为固定床生物质气化炉的设计和调试 运行提供借鉴和指导.

1 上吸式生物质气化炉的设计 1.1 上吸式气化炉关键参数 选取木材加工厂废弃物―木屑为气化原料,其基本 分析结果见表 1. 收稿日期:2010-10-21 修订日期:2010-12-08 基金项目: 国家重点基础研究发展计划项目(

973 计划)(2007CB210202) ;

国家自然科学基金项目(50806027,50930006);

华中科技大学博士论文创新 基金项目. 作者简介:李斌(1985-) ,男,博士生,主要从事生物质的热化学转化 与利用研究.武汉 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,430074. Email:[email protected] 通信作者:陈汉平(1962-) ,男,教授、博士生导师,主要从事煤与生 物质的高值化、 多联产资源化利用研究. 武汉 华中科技大学煤燃烧国家重 点实验室,430074.Email:[email protected] 表1气化原料的基本分析结果 Table

1 Physical and chemical properties of the gaisification material (as received) 工业分析(质量分数)/% 元素分析(质量分数)/% 水分 挥发分 灰分 固定碳 C H N S O 低位热值/ (MJ・ kg-1 ) 堆密度 ρ / (kg・ m-3 ) 5.83 71.07 7.03 16.07 45.37 6.96 0.29 0.51 34.01 16.46

110 1)气化炉输出功率 Qn(W) 所设计出的上吸式气化炉要求能满足农村炊事用能 的需求,也即其输出功率≥农村炊事单位时间耗能.以 气化炉产气在

15 min 内能烧开一壶水(即5kg 水由

20 ℃升至 100℃,比热容 C 为4.2 kJ/(kg・ ℃))为标准衡量气 化炉的性能,可计算出其输出热负荷 Qn 为Qn=Cm?T/t=4.2* 5* (100-20)÷ (15÷ 60) =6 720(kJ/h)=1866.67(W) (1) 式中,m 为一壶水的质量,kg;

?T 为水的终温与初始温 度之差,℃;

t 为加热时间,h. 2)气化炉燃料消耗速率 FCR(kg/h) 气化炉的输出热负荷就是气化炉内生物质原料气化 后产气在灶具上燃烧单位时间所提供的有效热量.气化 原料的低位热值(Low Heating Value (LHV))为16.46 MJ/kg,取气化炉的气化效率 ζ ≥65%,燃气灶的热效率 η 为40%,则由能量平衡可计算出气化炉燃料消耗速率 FCR 为FCR=Qn/(LHV* ζ * η )=6720÷ (16.46* 1000* 0.65* 0.4) =1.57(kg/h) (2) 3)气化炉直径 D(m) 在已知 FCR 的情况下,取气化强度(Gasification Intensity (GI))为60 kg/(m2 ・ h),则有气化炉的直径 D 为D=[4FCR/(π * GI)]0.5 =[4* 1.57÷ (3.14* 60)]0.5 =0.183 m (3) 第7期李斌等:上吸式生物质气化炉的设计与试验

271 4)气化炉有效高度 H(m)和有效容积 V(m3 ) 为了保证上吸式气化炉的稳定运行,使炉内各反应 区有合适的高度,其高径比一般应大于 2,即H>

2D=0.37 m (4) 考虑到户用型气化炉采用的是间歇给料方式,炉内 容积空间所装的原料应至少能满足农户一日的炊事用能 需求,高径比可取的更大.假定气化炉满料运行时间 T 至少为

3 h,则气化炉的有效容积 V 为V≥FCR* T/ρ =4.28* 10-2 m3 (5) 5)入炉空气量 AFR(m3 /h) 入炉空气量 AFR 的值可指导风机的选型.设计原料 完全燃烧的理论空气量 V0 为4.76 m3 /kg,取空气当量比 ε 为0.28,在已知燃料消耗速率 FCR 时,可得到入炉空气 量AFR 为AFR=V0* FCR* ε =2.09(m3 /h) (6) 1.2 上吸式气化炉关键部件设计 设计气化炉的结构示意图如图

1 所示.根据小型上 吸式气化炉的特点,可将其划分为以下几个关键部分: 气化炉本体、点火系统、布风系统、除灰系统和温度监 控系统等.在本设计中,气化炉外壳采用薄钢板卷制而 成,内部敷设有耐火保温材料,气化炉本体内炉胆采用 双锥形结构,上锥段收缩符合炉内原料气化后体积缩小 的特征,下锥段渐扩便于物料的下降,双锥形结构有利 用气化原料在炉内形成 整体流 ,有效减轻架桥结拱 倾向.为了方便用户使用,改善操作环境,该气化炉还 设计有自动点火装置和蝶形阀手动除灰装置,自动点火 装置位于下锥段的中心,由电加热金属丝与金属套管相 连组成,在套管周向均布有

3 层布风孔,套管顶端采用 圆锥状帽檐防止布风孔堵塞.下锥段中部均布有切向风 道,与中心套管上的周向布风孔配合可实现炉内的均匀 布风.在运行过程中或运行结束后,可通过手动旋转蝶 形阀及时排出炉内的灰渣,防止其在炉内过度沉积堵塞 切向风道和布风孔.温度监控系统由

4 根在炉内沿径向 分布的热电偶(分别标记为 T1-T4)和1根产气出口处热 电偶(标记为 T5)组成,4 根热电偶在炉内的初始有效高 度分别为

140、

40、80 和350 mm,还可通过上下移动其 位置来测量不同高度层的温度,

5 根热电偶一起实时监测 气化炉内温度和出口气体温度. 图1上吸式气化炉的结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of updraft fixed bed gasifier 综合考虑上吸式气化炉的结构和设计计算结果,设 计出的气化炉的基本参数为:气化炉外形呈直桶形,总 高度为

1 000 mm, 除........