戶用型上吸式生物質(zhì)氣化爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擬達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)(1)點(diǎn)火起動時(shí)間：<3min；(2)氣化爐運(yùn)行穩(wěn)定，一次加料后持續(xù)穩(wěn)定燃燒時(shí)間：≥3.5h；(3)氣化效率：≥75％；(4)熱效率：≥90％；(5)燃?xì)鉄嶂担?gt;6000kJ/N(6)產(chǎn)氣量：≥1.5/kg，可供農(nóng)戶一天的炊事使用；(7)封火時(shí)間:≥12h1上吸式氣化爐的總體結(jié)構(gòu)（1）氣化劑在氣化爐的下部(氧化層附近)夾層中預(yù)熱，通過數(shù)個(gè)開在爐芯上的小孔送入爐膛，在爐膛中供氧燃燒，進(jìn)入爐膛參與氣化反應(yīng)，可以大大提高氣化爐內(nèi)的反應(yīng)溫度和氣化效率。（2）爐底配風(fēng)設(shè)計(jì) 經(jīng)過氣化爐氣化出來的是燃?xì)?，直接送入灶頭燃燒的話屬于擴(kuò)散火焰，部分可燃?xì)獬煞挚赡軙捎诨烊肟諝獠蛔愣莩鲈铑^后與周邊的氧氣再發(fā)生燃燒反應(yīng)，火苗將會大而不穩(wěn)，因此需要配入空氣成為預(yù)混火焰后再燃燒，這樣可以達(dá)到較好的燃燒效果。因此，我們在氣化爐氧化區(qū)域的外筒和內(nèi)筒之間設(shè)有風(fēng)道，風(fēng)道的一端是進(jìn)風(fēng)口，與換風(fēng)扇相連，送入空氣；另一端是配風(fēng)口，用后面接有的閥門控制配風(fēng)量；風(fēng)道的周圍均勻分布送風(fēng)口。送入的空氣在風(fēng)道中流動，可以利用氧化區(qū)的熱量預(yù)熱自身的溫度，空氣一部分通過噴嘴進(jìn)入氣化爐內(nèi)進(jìn)行氣化反應(yīng)，另一部分通過配風(fēng)口與出口的燃?xì)忸A(yù)混送入灶頭燃燒。（3）加料口密封裝置設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的燃燒室上方開有密封水槽，用于保證封火時(shí)爐子的密封性能良好。采用的水封爐蓋有水槽和爐蓋兩部分組成，水槽內(nèi)緣高于外緣，以避免在加水時(shí)濺入爐內(nèi)，或者在使用過程中高溫水沿內(nèi)緣流入爐內(nèi)，不能達(dá)到較好的密封效果。另外，這種水密封結(jié)構(gòu)有利于保證氣化爐工作的連續(xù)性，不用揭開爐蓋即可往密封水槽內(nèi)加水。（4）本文設(shè)計(jì)的氣化爐所用的是生物質(zhì)壓縮成型原料，其密度、強(qiáng)度和低位熱值能都有了本質(zhì)的改善，大大提高了生物質(zhì)的燃料品位。高密度節(jié)省了原料所占用的空間，使氣化爐的結(jié)構(gòu)尺寸得到很大程度的縮減，節(jié)省了空間，高熱值提高了生物質(zhì)原料的利用率。（5）氣化爐內(nèi)部是氣化各層的反應(yīng)區(qū)，外層是保溫層，爐頂為進(jìn)料口，爐底設(shè)有除灰口。保溫層由珍珠巖加耐火水泥等保溫材料填充，這樣在保證反應(yīng)區(qū)溫度的同時(shí)，又可以降低氣化爐外壁的溫度，保證使用安全，減少熱量的散失，并延長封火時(shí)間。2氣化爐主要?dú)饣瘏?shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算(1)初步擬定原料消耗量和氣化強(qiáng)度根據(jù)生物質(zhì)氣化系統(tǒng)的市場調(diào)研和相關(guān)文獻(xiàn)與經(jīng)驗(yàn)，農(nóng)戶一個(gè)四口之家每天用氣量大約在8～10，用氣時(shí)間4h左右，消耗生物質(zhì)原料10～12kg，因此，初步設(shè)計(jì)該戶用型上吸式氣化爐消耗的原料量C0=2.4kg/h；初步確定氣化強(qiáng)度為=70kg/(h)(2)氣化空氣量的確定①原料完全燃燒所需的空氣量V(/kg)生物質(zhì)原料一般含有碳、氫、氧、氮、硫等元素，由于氮和硫的含量非常低，所以本研究中不考慮氮、硫與氧的燃燒反應(yīng)，只考慮碳、氫與氧的燃燒反應(yīng)。碳完全燃燒的反應(yīng)：C+O2＝CO2(4-1)12kg22.4lkg碳完全燃燒需要1．866N氧氣。氫燃燒的反應(yīng)：4H+O2＝2H20(4-2)4.032kg22.4lkg氫燃燒需要5.55N氧氣。原料中已經(jīng)含有氧[O]，相當(dāng)于1kg原料已經(jīng)供給[O]×22.4/32=0.7[O]N氧氣，氧氣占空氣的2l％，所以生物質(zhì)原料完全燃燒所需的空氣量：=(1.866[C]+5.55[H]-O.7[O])(4-3)式中：V—原料完全燃燒所需的理論空氣量，/kg；[C]—原料中碳元素含量；[H]—原料中氫元素含量；[0]—原料中氧元素含量。如玉米秸所含主要元素含量為：[C]=45.43％[H]=6.15％[O]=47.14％[N]=0.78％玉米秸完全燃燒所需的空氣量為：=(1.866[C]+5.55[H]-O.7[0])=(1.866×45.43％+5.55×6.15％-O.7×47.14％)=4.0908(/kg)②實(shí)際需要通入的空氣量(/kg)為理論上的玉米秸稈完全燃燒所需的空氣量，考慮到實(shí)際過程中的空氣泄漏或供給不足等因素，加入過量空氣系數(shù)，取=1.2，保證分配的二次通風(fēng)使氣化氣得到完全燃燒。因此，實(shí)際需要通入的空氣量：=（4-4）=1.2×4.0908=4.909(/kg)③原料氣化所需的空氣量(/kg)生物質(zhì)物料與空氣在氣化爐中發(fā)生復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)，從熱動力學(xué)角度分析，空氣量對于產(chǎn)出氣成分的影響可以從圖4-2中看出。圖中的曲線為生物質(zhì)氣化時(shí)空氣的當(dāng)量比與產(chǎn)出氣成分之間的關(guān)系曲線，圖中橫坐標(biāo)值為所提供的空氣中的氧與物料完全燃燒所需氧的當(dāng)量比。從圖中曲線可以看出，當(dāng)量比為0時(shí)，沒有氧氣輸入，直接加熱物料的反應(yīng)屬于熱解反應(yīng)，雖然也可以圖4-2燃?xì)獬煞峙c空氣量的關(guān)系曲線產(chǎn)生H2，CO，CH4等可燃成分，但產(chǎn)出氣中焦油含量很高，并且約占物料質(zhì)量30％的焦炭不能同時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇細(xì)怏w；當(dāng)量比為1時(shí)，物料與氧氣發(fā)生完全燃燒反應(yīng)，不能產(chǎn)生可燃?xì)?；只有在?dāng)量比為0.25～0.3時(shí),即氣化反應(yīng)所需氧僅為完全燃燒耗氧量的25％-30％，產(chǎn)出氣成分較理想。當(dāng)生物質(zhì)物料中水分較大或揮發(fā)分較小時(shí)應(yīng)取上限，反之取下限。計(jì)算氣化爐反應(yīng)所需空氣量時(shí)，首先根據(jù)生物質(zhì)物料的元素分析結(jié)果，計(jì)算出其完全燃燒所需理論空氣量V，然后按當(dāng)量比0.3，計(jì)算實(shí)際氣化所需空氣量： =V(4-5)式中:一實(shí)際氣化所需空氣量，/kg；—完全燃燒的理論空氣量，/kg；—?dú)饣?dāng)量比。玉米秸稈壓塊的揮發(fā)分較高，含水量很低，當(dāng)量比取O.3，則每千克燃料氣化所需要的空氣量為：=（4-6)=0.3×4.0908=1.2272(/kg)(3)氣化爐主要性能指標(biāo)的擬定①氣化燃?xì)饬髁縬空氣(氣化劑)中含量79％左右，氣化生物質(zhì)產(chǎn)生的燃?xì)庵泻恳话阍?0％左右，考慮到在該氣化反應(yīng)中幾乎很少發(fā)生反應(yīng)，據(jù)此，擬燃?xì)饬髁渴菤饣瘎?空氣)流量的1.5倍，則可燃?xì)饬髁縬為：=××1.5(4-7)=2.4×1.2272×1.5=4.4181(/h)②燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量氣化燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量擬定Qg=6.5×kJ/③氣化效率擬定氣化效率=75％④氣化爐持續(xù)工作時(shí)間T滿爐加料，擬定氣化爐連續(xù)運(yùn)行時(shí)間T=3.8h(4)氣化爐的主要?dú)饣瘏?shù)的計(jì)算①原料單位時(shí)間消耗量C=×/(×) (4-8)=4.4181×6.5/(0.75×16.33)=2.3448(kg/h)②氣化強(qiáng)度=(/)×(4-9)=(2.3448/2.4)×70=68.3888(kg/())③產(chǎn)氣率=/(4-10)=4.4181/2.3448=1.8842(/kg)④設(shè)計(jì)熱功率=×/3600(4-11)=6500×4.4181/3600=7.98(KW)4氣化爐主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算(1)爐膛的結(jié)構(gòu)尺寸①爐膛截面積(4-12)②爐膛截面直徑=(4-13)==0.21(m)③爐膛的原料高度(4-14)=2.3448×3.8/(0.03×600)=0.43式中：一生物質(zhì)原料在爐膛中的堆積密度，由于使用的原料是壓縮成型玉米秸稈，成型料的堆積密度一般為原料堆積密度的10倍左右，參照表4-1中，取=600kg/。④氣化爐內(nèi)筒的高度系數(shù)物料在爐內(nèi)應(yīng)有足夠的滯留時(shí)間，這與燃燒層的高度及物料與氣流運(yùn)動有關(guān)，要保證生物質(zhì)原料氣化耗盡。剩下的殘灰體積小于燃料體積，設(shè)為原料氣化體積收縮率，H為氣化爐內(nèi)筒實(shí)際高度，則在加料次數(shù)為n次時(shí)，實(shí)際可加進(jìn)的燃料高度L為(4-15)記=為氣化爐內(nèi)筒的高度系數(shù)。參考有關(guān)文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)，生物質(zhì)原料氣化的收縮率取0.2，由此可得：=1，=1.2，=1.24，=1.248，=1.2496,⑤內(nèi)筒高度h氣化爐加滿原料后，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，原料耗盡，在不排灰的情況下，可再次加入原料繼續(xù)運(yùn)行。這個(gè)過程理論上可進(jìn)行無限多次，實(shí)際上只有開始幾次加料有實(shí)用價(jià)值。取=1.2，當(dāng)需要?dú)饣剂细叨葹長=0.43m時(shí)，相應(yīng)的氣化爐內(nèi)筒實(shí)際高度h為：(4-16)=0.43/1.2=0.36（m）考慮到氣化爐點(diǎn)火時(shí)灰燼需要占用一定的空間，且要保證爐內(nèi)的原料能夠在一定的壓力作用下穩(wěn)定地下移，物料的頂部也需要一定的氣流和加料空間，所以設(shè)計(jì)中爐子內(nèi)筒實(shí)際高度取h=0.5m；灰渣室取0.2m高，所以爐子的總高度約為=h+0.2=0.7m（2）送風(fēng)口結(jié)構(gòu)尺寸①一次風(fēng)口的尺寸上吸式氣化爐一次風(fēng)口，采用在爐膛壁上開小孔的設(shè)計(jì)方式。通過氣化原料氣化所需的空氣量確定風(fēng)口的尺寸，風(fēng)口的幾何尺寸內(nèi)徑按下式計(jì)算：（4-17）式中:一生物質(zhì)原料的消耗量，kg/h；一風(fēng)口中空氣流速，m/s；一氣化所需空氣量，/kg；一風(fēng)口直徑，m；一風(fēng)口個(gè)數(shù)，因此風(fēng)口采用6個(gè)內(nèi)徑為6mm的孔，沿圓周方向均勻分布，計(jì)算得到風(fēng)口中空氣流速為4.72m／s。在結(jié)構(gòu)允許的條件下，較多的風(fēng)口有利于空氣和物料的良好混合，但也增大了阻力，增加了風(fēng)機(jī)的負(fù)荷。②二次進(jìn)風(fēng)口孔的尺寸燃燒室下方開有二次風(fēng)口，通入適量空氣使產(chǎn)生的氣化氣充分燃燒，所以需要合理地確定二次風(fēng)口的尺寸?？諝馐怯娠L(fēng)扇經(jīng)同一送風(fēng)口送入爐膛，由配風(fēng)閥分配一二次風(fēng)的量，流速相同，因此二次進(jìn)風(fēng)口尺寸可根據(jù)一次進(jìn)風(fēng)口尺寸確定。由氣化當(dāng)量比ε=0.3可知，則燃燒所需空氣量=（1-ε）V=0.7V（4-18）所以二次進(jìn)風(fēng)量與一次進(jìn)風(fēng)量比為由此可知，進(jìn)風(fēng)口面積比由上文可知，設(shè)計(jì)的一次進(jìn)風(fēng)口個(gè)數(shù)為6個(gè)，直徑為6mm。燃燒室下方的一排二次進(jìn)風(fēng)口，沿燃燒室壁均勻分布，總個(gè)數(shù)為10個(gè)即其中：——一次進(jìn)風(fēng)口孔的直徑；——二次進(jìn)風(fēng)口孔的直徑。所以算得進(jìn)風(fēng)口直徑為7.09mm，二次進(jìn)風(fēng)量需要保證氣化氣完全燃燒，前文中也考慮了過量空氣系數(shù)，因此設(shè)計(jì)時(shí)取=8mm。(3)氣化爐的各層材料及厚度氣化爐的外壁的作用是固定爐體結(jié)構(gòu)，考慮到價(jià)格和強(qiáng)度，選用普通鋼板即可，本設(shè)計(jì)中爐壁厚度取6mm。生物質(zhì)的氣化過程和氣化氣的燃燒過程都是在爐膛中進(jìn)行的，屬于高溫反應(yīng)，所選材料必須耐高溫，本文中選取8mm厚的鍋爐鋼。外壁和爐膛中間是保溫層和風(fēng)道，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-3所示，其厚度需根據(jù)內(nèi)外溫度及熱流量來確定。圖4-3氣化爐的各層結(jié)構(gòu)示意圖確定保溫層內(nèi)壁（即風(fēng)道外壁）的溫度t爐膛的內(nèi)壁和爐體外壁分別選用的材料是鍋爐鋼和普通鋼，導(dǎo)熱性能極好，此兩層的溫降不計(jì)，由爐膛內(nèi)溫度曲線圖知：爐膛內(nèi)壁溫度300°C，因此風(fēng)道內(nèi)壁（即爐膛外壁）的溫度=300°C。假定風(fēng)道外壁溫度=250°C,則風(fēng)道的平均溫度=；氣化爐的爐體為圓筒狀，通過圓筒壁的熱流量Φ為定值，因此風(fēng)道內(nèi)有以下公式：（4-19）式中：-溫度為時(shí)干空氣的導(dǎo)熱系數(shù)；h–設(shè)計(jì)出的爐膛內(nèi)筒實(shí)際高度；-風(fēng)道的外徑；=-爐膛截面直徑；-風(fēng)道的寬度；氣化爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需保證一定的熱量要求，防止熱損失過大，降低氣化爐的熱量利用率，因此需規(guī)定氣化爐常年運(yùn)行工況所允許的散熱損失。表4-3為氣化爐常年運(yùn)行工況允許最大散熱損失。表4-3常年運(yùn)行工況允許最大散熱損失設(shè)備、管道及附件外表面溫度t50100150200250300350允許最大散熱損失Φ5893116140163186209由表4-3知，當(dāng)保持保溫層外的溫度為50°C左右時(shí)，爐子所允許的最大散熱損失為58W，因此，通過風(fēng)道和保溫層的熱流量Φ=58W設(shè)風(fēng)道的寬度為δ=15mm，由式（4-13）知爐膛截面直徑=0.21m則風(fēng)道外徑=0.256m風(fēng)道的平均溫度=275°C溫度時(shí)干空氣的導(dǎo)熱系數(shù)=4.435×W/(m·K)將以上數(shù)據(jù)代入式（4-18），得=58計(jì)算得風(fēng)道外壁的溫度t=249°C，與的誤差為1°C，假設(shè)成立。②確定保溫層厚度δ1保溫層材料為水泥膨脹珍珠巖制品，以水泥為粘結(jié)劑，珍珠巖粉為骨料，按1：10的比例配合、攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)而成。其承壓能力較強(qiáng)、施工方便、生產(chǎn)成本低、經(jīng)濟(jì)耐用，廣泛應(yīng)用于較低溫度的熱管道，用于爐壁內(nèi)防止因爐內(nèi)熱量散失而使外爐壁溫度過高，保證安全。水泥膨脹珍珠巖制品容重一般為250～350kg/，導(dǎo)熱方程λ1=0.047+0.00016t。水泥膨脹珍珠巖制品的高溫導(dǎo)熱率及與其他保溫材料的比較分別見表4-4和表4-5。表4-4水泥膨脹珍珠巖制品的高溫導(dǎo)熱率膨脹珍珠巖粉的容重kg/用料體積比烘干抗壓強(qiáng)度MPa烘干容重kg/熱面溫度°C冷面溫度°C平均溫度°C導(dǎo)熱率W/(m·K)水泥珍珠巖粉801100.593171453345435011318797.5223.5367.50.0670.1050.1341001100.72334