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小型生物质气化炉基本设计方法

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  1、小型生物质气化炉基本设计方法小型生物质气化炉基本设计方法第1页基础知识一、各种炉型结构及特点选型1)固定床 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,用于物料热分解和干燥,同时降低其本身温度,使炉子热效率极大的提升;热分解层和干燥层对燃气有一定过滤作用,所以出炉燃气中只含有少许灰分;结构相对比较简单,加工制造轻易,炉内阻力小。缺点是:原料中水分不能参加反应,降低了燃气中H和碳氢化合物含量,气体与固体逆向流动时,物料中水分随产品气体带出炉外,降低了气体实际热值,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,物料燥与低温度气流相遇,原料在低温(250400oC)

  2、下进行热分解,造成焦油含量高。小型生物质气化炉基本设计方法第2页 下吸式气化炉优点是:气化强度较上吸式高;工作稳定性高;可随时开盖添料;因为氧化区在热解区与还原区之间,因而干馏和热解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幅度的降低。缺点是:因为炉内气体流向是自上而下,而热气流方向是自下而上,致使引风机从炉栅下抽出可燃气要花费较大功率;出炉可燃气中含有灰分较多;出炉可燃气温度比较高,须用水进行冷却。小型生物质气化炉基本设计方法第3页 横吸式气化炉 生物质原料由炉顶加入,灰分落入炉栅下部灰室。气化剂由侧面进入,产出气体也由侧面流出,气流横向经过气化区,在氧化

  3、区、还原区进行热化学反应与下吸式气化炉相同,只不过反应温度比较高,燃烧区温度甚至会超出灰熔点,轻易造成结渣。所以,该炉适合用于含灰分少原料,普通用作焦炭和木炭气化。 (2)流化床气化炉流化床气化炉反应物料中常掺有精选过惰性材料沙子,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。小型生物质气化炉基本设计方法第4页气化反应在床内进行,焦油也在床内裂解,气固分离以后炭不停循环回反应炉内。使炭有足够时间在床内停留,以适应还原反应速度慢需要。适合水分含量大、热值低、着火困难生物质物料。主要缺点产气中灰分需要很好地净化处理和部

  4、件磨损严重。小型生物质气化炉基本设计方法第5页气化当量比所提供空气中氧与物料完全燃烧所需氧当量比只有在当量比为0.250.3时,即气化反应所需氧仅为完全燃烧耗氧量25-30,产出气成份较理想。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。 小型生物质气化炉基本设计方法第6页一、确定拟到达主要技术指标小型家用气化炉设计计算案例比如:(1)点火起动时间:6000kJ/N (6)产气量:1.5 /kg,可供农户一天炊事使用;(7)封火时间: 12h 小型生物质气化炉基本设计方法第7页二、设计计算配风设计风道保温层顶部加料口密封小型生物质气化炉基本设计方法第8页原料品种燃气成份 %低位热值

  6、消耗量和气化强度比如,一个四口之家天天用气量大约在810m3 ,用气时间4h左右,消耗生物质原料1012kg,所以,初步设计该户用型上吸式气化炉消耗原料量C0=2.4kg/h;初步确定气化强度为 =70kg/( h)(2) 确定气化气体量生物质原料完全燃烧所需空气量 :V= (1.866C+5.55H-O.7O) 式中:V原料完全燃烧所需理论空气量, m3/kg;C原料中碳元素含量;H原料中氢元素含量;0原料中氧元素含量。小型生物质气化炉基本设计方法第10页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空气量为:V= (1.866C+5.

  7、55H-O.70) = (1.86645.43 +5.556.15-O.747.14) = 4.0908(m3/kg)实际需要通入空气量 取过量空气系数 =1.2,确保分配二次通风使气化气得到完全燃烧。所以,实际需要通入空气量 : =1.24.0908 =4.909(m3/kg)玉米秸秆压块挥发分较高,含水量很低,当量比 取0.3,则每千克燃料气化所需要空气量 为:=0.34.0908 =1.2272 ( m3/kg)小型生物质气化炉基本设计方法第11页五、气化炉主要性能指标确定 气化燃气流量q空气(气化剂)中 含量79左右,气化生物质产生燃气中 含量普通在50左右,考虑到 在该气化反应中几乎

  9、 产气率 G= q/C =4.4181/2.3448=1.8842( /kg) 小型生物质气化炉基本设计方法第13页七、气化炉主要结构参数设计计算(1)炉膛结构尺寸 炉膛截面积 m2 炉膛原料高度 =2.34483.8/(0.03600)=0.43 m小型生物质气化炉基本设计方法第14页因为使用原料是压缩成型玉米秸秆,成型料堆积密度普通为原料堆积密度10倍左右,取密度 =600kg/m3 。 气化炉内筒高度系数 物料在炉内应有足够滞留时间,这与燃烧层高度及物料与气流运动相关,要确保生物质原料气化耗尽。剩下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

  10、时,实际可加进燃料高度L为 为气化炉内筒高度系数。参考相关文件和经验,生物质原料气化收缩率p取0.2,由此可得n=1,2,3,4时,高度系数分别为:1, 1.2,1.24,1.248 小型生物质气化炉基本设计方法第15页 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,在不排灰情况下,可再次加入原料继续运行。这样的一个过程理论上可进行无限屡次,实际上只有开始几次加料有实用价值。考虑到气化炉点火时灰烬需要占用一定空间H= h+0.2=0.7m=0.43/1.2=0.36(m)小型生物质气化炉基本设计方法第16页(2)送风口结构尺寸 一次风口尺寸上吸式气化炉一次风口,采取在炉膛壁上开小孔设计方式

  11、。经过气化原料气化所需空气量 确定风口尺寸,风口几何尺寸内径 按下式计算:C-生物质原料消耗量,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-风口个数小型生物质气化炉基本设计方法第17页生物质气化发电技术小型生物质气化炉基本设计方法第18页一、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原因四、气化发电工艺五、主要气化反应器六、生物质燃气净化小型生物质气化炉基本设计方法第19页一、生物质气化技术发展始于1883年,已经有100多年历史,以木炭为原料,气化后燃气驱动内燃机,为早期汽车或农业排灌机械提供动力。鼎盛时期,第二次世界大战

  12、期间,当初战争花费了几乎全部燃油,民用燃料缺乏,德国全力发展用于民用汽车车裁气化器,并形成了与汽车发动机配套完整技术。第二次世界大战后,长时期内陷于停顿状态。中东地域油田大规模开发使世界经济发展取得了廉价优质能源。石油成为几乎全部发达国家主要能源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。小型生物质气化炉基本设计方法第20页现实状况: 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:焦油处理技术燃气轮机改造技术难度很高小型生物质气化炉基本设计方法第21页生物质气化分类按气化介质分类气体热值高,高温高压

  13、、反应条件苛刻气体热值高吸热反应,需要外部热源小型生物质气化炉基本设计方法第22页生物质气化指标及影响原因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)量。如:空气普通0.2-0.32.产品气产率。气化1kg原料所得到气体燃料在标准状态积称为产品气产率。3.碳转化率。碳转化率是指生物质燃料中碳转化为气体燃料中碳份额,即气体中含碳量与原料中含碳量之比。气体产率,m3/kg燃气中体积百分比原料中碳含量,%小型生物质气化炉基本设计方法第23页4. 气化效率。生物质气化后生成产品气总热量与气化原料总热量之比,称为气化效率,它是衡量气化过程主要指标。5. 气化强度。单位时间

  14、内,气化反应器单位横截面上所能气化原料量称为气化强度,单位通常为kg(m2h)。气化指标影响原因复杂热化学过程,受很多因宗影响。影响气化指标原因取决于3个方面,即原料特征、气化过程操作条件和气化反应器结构。小型生物质气化炉基本设计方法第24页(1)生物质特征原料特征不但影响气化指标而日也决定气化方法选择。生物质作为气化原料比煤作为气化原料有突出优点。 1)挥发分高、固定族低。生物质尤其是秸秆类生物质,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,以较快速度与CO2及水蒸气进行气化反应。如:在815、2MPa下,

  15、木炭在He(45)、H2(5)及水蒸气(5)气体中,只要7分钟,80能被气化,泥煤炭只能有约20被气化,而褐煤显基本上没有反应。 3)生物质灰分少。生物质灰分普通少于3(稻壳等除外)。 4)含硫量低。生物质台硫量普通少于02,不需要气体脱硫装置,降低了成本,又有利于环境保护。小型生物质气化炉基本设计方法第25页(2)原料结渣性。反应性好原料,能够在较低温度下操作气化过程不易结渣,有利于操作,更有助于甲烷生成。矿物成份往往可使燃料在燃烧反应中起催化作用。比如:将木灰(15)喷在加热中木材表面上就可使反应性加强,反应时间降低1/2。小型生物质气化炉基本设计方法第26页 (3)气化条件。反应温度、反应

  16、压力、物料特征、气化设备结构等也是影响气化过程中根本原因,不一样气化条件,气化产物成份改变很大。四、气化发电工艺小型生物质气化炉基本设计方法第27页气化发电系统分类小型生物质气化炉基本设计方法第28页五、主要气化反应器小型生物质气化炉基本设计方法第29页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,热值低小型生物质气化炉基本设计方法第30页流化床气化炉小型生物质气化炉基本设计方法第31页优点: (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,可使用粒度很小原料。 (3)流化床气化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

  17、使用燃料颗粒很细,传热面积大,传热效率高,气化反应温度不是很高且均衡,结渣可能性减弱。缺点 (1)产出气体显热损失大。 (2)因为燃料颗粒细,流化速度较高,故产出气体中带出物较多。小型生物质气化炉基本设计方法第32页双流化床气化炉小型生物质气化炉基本设计方法第33页六、生物质燃气净化生物质燃气含有各种各样杂质,确保后部气化发电设备不会因杂质存在而造成磨损腐蚀和污染等问题。小型生物质气化炉基本设计方法第34页焦油问题焦油是一个可冷凝烃类物质复杂混合物美国NRELMilne等在其对焦油研究中曾给出了以下定义:任何有机材料在热或部分氧化(气化)作用下所产生有机物,且通常认为其主要是较大芳香类物质,称

  18、为焦油。焦油在低于200时凝结成液体,随温度上升而呈气态,在高温下能分解成小分子永久性气体再降温时不凝结成液体)。可燃气中焦油含量随温度升向而降低。小型生物质气化炉基本设计方法第35页气化装置影响:上吸式气化器产生焦油量是最大,燃气中焦油含量普通在100g/m3数量级;下吸式所产燃气是最洁净,焦油含量普通在1gm3数量级,流化床类型气化器介于二者之间,燃气中焦油含量普通在10gm3数量级。焦油危害:(1)当气化燃气温度降低时焦油会形成焦油雾,被气化燃气携带进入下级设备会影响内燃机、燃气轮机、压缩机等安全运行(2)焦油占可燃气能量5一10,在低温下难以与可燃气一道被燃烧利用,民用时大部分焦油被浪

  19、费掉。 (3)焦油还会与颗粒物等其它污染物发生相互作用造成管道堵塞。小型生物质气化炉基本设计方法第36页焦油去除惯用方法可归纳为两大类:物理净化方法,包含湿法和干法;化学净化方法,包含焦油热裂化和催化裂化。湿法小型生物质气化炉基本设计方法第37页冷却洗涤、旋风分离、过滤器过滤组合净化装置,经该工艺流程后所剩焦油含量均在o5gm3以下。湿法有一定的问题小型生物质气化炉基本设计方法第38页干式:电捕方法 可去除0.01-1mm灰尘,焦油去除98%以上缺点:生物质含氧量高,燃气净化过程必须防爆焦油黏附在设备上,难以去除,除焦问题化学方法:1. 高温热解2. 催化剂 白云石镍基催化剂小型生物质气化炉基本设计方法第39页

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