基于TRIZ理论的户用型生物质气化炉的设计文档格式.doc
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biomassupdraft-typegasifierTriztar.gas
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
前言 V
1研究背景 1
1.1国外生物质气化技术现状 1
1.2国内生物质气化技术现状 1
1.3课题意义 2
1.4课题研究内容 4
2生物质热解气化技术研究综述 6
2.1生物质热解气化的原理与分类 6
2.2生物质气化炉 10
2.3生物质燃气的净化 14
2.4户用型生物质气化技术的研究意义 18
2.5TRIZ理论的相关介绍及主要内容 19
2.5.1TRIZ的产生 19
2.5.4TRIZ的主要内容 20
2.5.5TRIZ的重要发现 21
2.5.6TRIZ的应用及未来的发展 21
本章小结 22
3户用生物质气化炉的设计 23
3.1引言 23
3.2气化炉总体方案的确定 23
3.3户用型气化炉的设计 24
3.4燃气净化装置的设计 32
本章小结 36
4结论 37
参考文献 39
致谢 41
-38-
前言
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。
生物质能的利用占世界总能耗的14%,相当于12.57亿吨石油。
在发展中国家则更为突出,生物质能占总能耗的35%。
目前全世界仍有25亿人口用生物质煮饭、取暖和照明,但生物质利用总量还不到其产量的1%。
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。
生物质能源是理想的可再生能源之一,生物质能的应用技术开发,旨在把森林砍伐和木材加工剩余物以及农林剩余物、工业废弃物如秸秆、麦草等原料通过物理或化学化工的加工方法,使之成为高品位的能源,提高使用热效率,减少化石能源使用量,保护环境,走可持续发展的道路。
从加世纪70年代起,生物质资源的开发和利用受到了广泛关注。
1研究背景
1.1国外生物质气化技术现状
国外生物质气化领域处于领先水平的国家有瑞典、美国、意大利、德国等。
目前,国外生物质气化装置一般规模较大,自动化程度高,工艺较复杂,以发电和供热为主,如加拿大摩尔公司fMooreCanadaLtd1设计和发展的固定床湿式上行式气化装置、加拿大通用燃料气化装置有限公司(OmnifuelGasifica—tionSystemLimitred)设计制造的流化床气化装置、美国标准固体燃料公司(StandardSolidFuelsInc)设计制造的炭化气化木煤气发生系统、德国茵贝尔特能源公司fImbertEnergietechnikGMBH)设计制造的下行式气化炉一内燃机发电机组系统等等,气化效率可达60%~90%,可燃气热值为f1.7~2.5)~1o4kJ/m。
美国近年来在生物质热解气化技术方面有所突破,研制出了生物质综合气化装置一燃气轮机发电系统成套设备,为大规模发电提供了样板。
国外生物质气化应用情况主要为:
生物质气化发电;
生物质燃气区域供热;
水泥厂供燃与发电并用的生物质气化站;
生物质气化合成甲醇;
生物质气化合成氨。
与此同时,为满足发展中国家农村用能的需要,一些国家也研究了小型户用型气化设备。
日本的JunSakai等人于70年代设计了一台小体积户用型木炭煤气装置用于开动4.4kw的汽油机并取得了成功。
类似的装置在菲律宾的CentralLuzon大学(1977),美国密执安州立大学(1978)和泰国农业部农业工程局(1980)相继研制成功并逐步走向实用化。
1.2国内生物质气化技术现状
从20世纪80年代初开始,我国生物质气化技术一直受到政府和科技人员的重视,“七五”和“八五”期间取得了较大进展。
我国自行研制的集中供气系统已进入实用化试验及示范阶段,山东能源研究所研制的XFF系列秸秆气化炉在农村集中供气应用中获得了一定的社会、经济效益;
大连市环境科学设计研究院用研制的Lz系列生物质干馏热解气化装置建成了可供l000户农民生活用燃气的生物质热解加工厂。
然而,目前的集中供气系统普遍存在着所的“大马拉小车”问题,即许多气化工程欠户现象严重,达不到设计要求的户数,使生物质气化设备的利用率降低,并且焦油问题难以根绝,致使大型输气管网易堵塞,拆卸和清洗不便,气化站运营和维护成本及难度都很高,燃气的热值和气化强度依然偏低,不能充分满足用户使用要求。
我国小型户用型生物质气化炉的研究开发也在逐步发展,基于党和政府对生物质能开发利用的高度重视,因此给户用型生物质气化炉的发展带来了机遇。
户用型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,户用型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。
随着研究的深入,形成了多个系列的户用炉型,可满足多种物料的气化要求,在生产、生活用能、干燥、供暖等领域得到利用。
如中国农业机械化科学研究院研制的ND系列户用型生物质气化炉,用气化产出气烘干农林产品,设备简单,投资少,热效率高,对于个体户用及小型企业有很高的使用价值。
虽然,生物质气化炉的生产目前已初具规模,但要真正实现普遍化,还有一些技术障碍亟待解决。
1.3课题意义
生物质直接燃烧是生物质能最早被利用的传统方法,生物质直接作为燃料燃烧具有许多优点:
l)资源化,使生物质真正成为能源,而不是产生能源产品替代物的原料;
2)减量化,减少了生物质利用后剩余物的量;
3)无害化,直接燃烧生物质不会造成环境问题,真正达到了能源利用的无害化.本课题将原生物质气化技术并应用于家用炉具,有以下重大意义:
1.3.1部分缓解能源紧张
状况通过对03年中国能源结构和世界能源结构对比可知,我国能源仍是以煤为主,但资源利用率低。
小煤矿资源回收率不足20%,煤泥、劣质煤及伴生资源没有有效利用。
而90%以上的城市供热和工业用热由普通燃煤锅炉供应。
图1.1世界和中国能源对比
时近几年能源生产安全形势依然十分严峻,其中2003年全国煤矿事故死亡6702人,每生产100万吨煤炭平均死亡4同人,其中原国有重点煤炭企业为1人、国有地方煤矿3人、乡镇煤矿10人。
是仅次于交通的第二大事故灾害。
生物质成型燃料的大规模利用将有利于缓解能源紧张引起及其引起的一系列社会问题。
1.3.2降低农村用能费用,改善居室环境,调整农村用能结构
从近儿年农村能源建设来看,成绩显著,但部分地区生活用能尚未解决主要问题,一是生活用能商品化程度偏低,许多农民以薪柴和秸秆为主要生活燃料,影响生活条件改善,导致植被严重破坏。
二是地区发展不平衡,西部农村普遍存在生活能源短缺问题,东中部山区和贫困地区农村生活用能状况需要进一步改善。
下表中列举了生物质成型燃料在我省纠庄村的使用情况。
全国各地农村实际情况会有很大不同,但对低污染、低费用燃料的需求是一致的,较大规模使用该种燃料可从整体上调整农村用能结构。
1.3.3零排放
生物质生长过程中吸收的CO与其燃烧利用中排放的CO是相等的,在CO总量上实现了零排放或零增长,消除了产生温室效应的根源。
如果能在中国广大农村将该燃料应用本试验中的高效炉具,将会进一步增加中国实施清洁发展机制的潜力。
我国2006年1月1日开始实施的《可再生能源法》指出:
“促进可再生能源的开发利用,增加能源供应,改善能源结构,保障能源安全,保护环境,实现经济社会的可持续发展。
”“国家鼓励清洁、高效地开发利用生物质燃料。
”专家认为,到2015年,全球总能耗将有40%来自生物质能源。
根据中国工程院《中国可持续发展能源战略研究》预测,2050年我国生物质能开发利用量将占一次能源供应量的8%。
将生物质成型燃料应用于农用炉具不仅可以满足快速发展的国民经济对能源利用的需要,而且对于改善农村用能结构,缓解能源生产和使用造成的环境污染,弥补化石能源的不足,保障能源供应安全,建立可持续的生物能源系统,保障我国经济的可持续发展都具有十分重要的意义。
1.4课题研究内容
针对我国农村经济发展现状和生物质资源特点,根据农户生活用能的实际需要和经济状况,选取户用型生物质气化炉作为本课题的设计和研究对象,在对现役气化炉的气化性能初步研究的基础上,获取户用气化炉运行的基本性能参数,并参考相关文献和经验,运用TRIZ理论,设计了户用型生物质气化炉及其净化装置,并通过试验与理论分析相结合的方式,开展气化炉主要结构和性能的试验研究。
主要研究内容如下:
第二章介绍了生物质热解气化技术的原理与分类,各种生物质气化炉的特点和燃气净化技术,综述了国内外生物质气化技术的研究成果和发展应用情况。
结合我国农村经济发展的现状,分析了生物质气化技术尤其是集中供气技术在商业化推广和应用中存在的问题,指明了户用型生物质气化技术的研究意义。
第三章根据相关文献和经验,运用TRIZ理论,对户用型生物质气化炉进行了改进设计。
改进型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,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。
第四章全文总结,归纳本文的主要工作和研究成果,并对生物质气化技术的进一步研究提出一些建议。
2生物质热解气化技术研究综述
2.1生物质热解气化的原理与分类
2.1.1生物质热解气化的原理
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、、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,气化反应大致分为氧化层、还原层、裂解层和干燥层。
其它类型的气化炉内部气化反应与上吸式气化炉有很大相似。
(1)氧化反应
气化剂由炉栅下部导入,经灰渣层吸热后进入氧化层,在这里同炽热的碳发生燃烧反应,生成大量的,同时放出热量,温度可达1000~1300℃,反应式为:
(2-1)
由于是限氧燃烧,没有充分的氧进行完全燃烧。
因此,不完全燃烧反应同时发生,反应式为:
(2-2)
在氧化层进行的均为燃烧,是放热反应,也正是这部分反应放出的热量为还原层的还原反应、物料的裂解和干燥提供了热源。
(2)还原反应
在还原层已没有氧气存在,在氧化反应生成的和碳、水蒸气发生还原反应,还原区的温度约为700~900℃,主要产物为CO、和,其反应式为:
(2—3)
(2—4)
(2—5)
(2—6)
(2—7)
氧化区及还原区总称为气化区,是气化反应的主反应区。
(3)裂解反应
氧化区及还原区生成的热气体,在上行过程中经过裂解区,将生物质加热,使在裂解区的生物质进行裂解反应。
在裂解反应中,生物质中大部分的挥发份从固体中分离出去,该区的温度大约在400~600℃。
裂解区的主要产物是炭、挥发份气体、焦油和水蒸气。
(4)干燥区
在该区通过加热生物质原料,使原料中的水分蒸发,吸收热量,并降低产气温度,气化炉出口温度可达100~300℃。
裂解区和干燥区,总称为燃料准备区。
2.1.2生物质气化技术的分类
目前,生物质气化技术大体上可按两种方式进行分类:
一是按气化剂类型进行分类,二是按设备运行方式进行分类。
(1)按气化剂类型分类
生物质气化技术按气化剂类型分类如图2.那么其中干馏气化其实是热解气化的一种特例,几而且由于干馏是吸热反应,必须在工艺中提供外部热源才可以使反应进行‘氧气气化则不需要提供外部热源,氧气与原料之间进行的氧化反应所放出的热量可以为热解反应提供充足的热源,所产生的一般是15000kJ/遥的中热值气化气。
空气气化由于乏的加入,使其可燃气成分含量降低,热值也随之降低到5000kJ如3左右,为低热值燃气。
氢气作为气化剂气化反应条件较为苛刻,需要在高温高压且具有氢源的条件下进行,其气化气为热值高达22260~26040kJ/,的高热值气化气
图2.1生物质气化技术分类
(2)按设备运行方式分类
生物质气化技术按气化装置的运行方式分类如下
图2.2生物质气化技术分类
2.2生物质气化炉
把农作物秸秆、薪柴等经过气化转变成生物质燃气,需要用生物质气化炉来完成,因此,气化炉便是生物质气化设备的核心技术。
气化炉大体上可分为两大类:
固定床气化炉和流化床气化炉(具体分类见图2.3)。
2.2.1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
(1)上吸式气化炉
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以及水蒸气反应,和等还原为CO及等,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。
上吸式气化炉的优点是:
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;
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。
上吸式气化炉的缺点是:
原料中水分不能参加反应,减少了燃气中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;
热气体从底部上升时,温度沿着反应层高度下降,物料被干燥后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。
(2)下吸式气化炉
下吸式气化炉的生物质原料由炉顶的加料口投入,气化剂(空气、氧气)可以由顶部进入,也可在喉管区加入,气化剂与物料混合向下流动,在高温喉管区发生气化反应。
炉内的物料自上而下分为干燥层、热分解层、氧化层、还原层。
下吸式反应器的优点是:
气化强度高(相对于上吸式);
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,在高温下裂解成和CO等水久性小分子气体,使得气化气中焦油含量大大减少。
它的缺点是:
由于炉内的气体流向是自上而下的,而热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多,须用水进行冷却。
(3)横吸式气化炉
横吸式气化炉的生物质原料由气化炉顶端加入,灰分落入炉栅下部的灰室。
气化剂侧面进入,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,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。
(4)开心式气化炉
开心式气化炉结构和反应原理同下吸式气化炉相类似,可以看成是其一种特例。
它有缩口,炉算不平,而是中间隆起的,以转动炉栅代替高温喉管区,主要反应在炉栅上的气化区进行。
该炉结构简单,氧化还原区小,反应温度较低。
2.2.2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。
(1)循环流化床气化炉
循环流化床气化炉和单流化床的主要区别是在燃气出口处设有旋风分离器或袋式分离器,将燃气携带的炭粒和沙子分离出来,返回气化炉再次参加气化反应。
循环流化床气化炉是唯一在恒温床上反应的气化炉,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,因而保持大的床密度,床截面上颗粒密度分布均匀,并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。
循环流化床气化炉的主要缺点是入料需要预处理,产气中灰分需要很好地净化处理和部件磨损严重。
(2)双流化床气化炉
双流化床气化炉分为两个组成部分:
一部分是气化炉;
另一部分是燃烧炉。
气化炉中产生的燃气经分离后,沙子和炭粒流入燃烧炉中,在这里炭粒燃烧将沙子加热,灼热的沙子再返回到气化炉中,以补充气化炉所需的热量。
(3)携带床气化炉
携带床气化炉是流化床气化炉的一种特例,它不使用惰性材料作为流化介质,气化剂直接吹动炉中生物质原料,且流动较大,为紊流床。
原料入炉前需粉碎成细小颗粒,气化温度高达1100℃,炭的转化率可达100%,燃气中焦油含量很低,但由于反应温度高而易烧结。
2.3生物质燃气的净化
从生物质气化炉中出来的可燃气称为“粗燃气”,其中含有一定的杂质,不能直接使用,如果不经过处理直接使用的话,就会影响用气设备的正常运转,所以需对“粗燃气”作进一步的净化处理,使之符合有关煤气质量的标准。
2.3.1生物质燃气的主要杂质成份
在固定床的热分解层,温度在200℃以上,生物质的纤维素、半纤维素和木质素开始热分解,生成焦炭、焦油、木醋液及其他气体。
因此,从生物质气化炉出来的气化燃气中杂质含量较大,约占10~200g/N,其成份比较复杂,主要是焦油和灰尘。
创门的存在对气化有诸多方面的不利影响:
首先,降低了气化效率;
其次,焦油在低温时会凝结成液态,容易堵塞输气管道及灶具、气表等,使气化设备的运行发生故障。
另外,凝结成细小液滴的焦油化气体难以燃尽,燃烧时易产生炭黑等颗粒,对灶具损害相当严重,大大降低了生物质燃气的品质和利用价值。
杂质成份主要有:
(1)焦油和灰份焦油的成份十分复杂,主要是多核芳香族成份。
目前能分析出的成份有200多种,主要成份不少于20种,大部分是苯的衍生物,其中含量大于5%的有以下几种:
苯、萘、甲苯、二甲苯、苯乙烯、酚和茚。
(2)有机酸在生物质热加工过程中产生有机酸,如乙酸、丙酸等,这是与煤热加工的最大不同点。
虽然大部分有机酸会冷凝到木蜡液中被排出,但气化气中仍然含有一定量的以蒸汽形式存在的有机酸。
这些有机酸蒸汽对输气管道和灶具有很强的腐蚀作用。
(3)氧生物质燃气中的氧主要来自未被完全消耗的氧化剂,从安全角度来考虑,应当尽量降低气化气中的氧含量,国家规定人工煤气中的氧的含量应小于1%。
(4)水生物质原料中或多或少含有一定量的水分,气化过程中,水被加热成为蒸汽,过多的水分蒸发会带走较多的热量,降低系统的热效率,同时会影响生物质气化燃气的品质,严重者将不能点燃;
在管道中凝结下来的水分,混合焦油将会堵塞管道,外漏的话将会污染环境。
2.3.2燃气净化技术
有效地降低生物质燃气中的杂质含量,将气化过程中产生的焦油脱除或使其转化为可燃气,尽量减少二次污染,对推广和应用生物质气化技术具有重要意义。
目前生物质燃气净
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