多功能生物質(zhì)氣化爐的優(yōu)化設計

多功能生物質(zhì)氣化爐的優(yōu)化設計湘潭大學(xué)機械學(xué)院■學(xué)生科技興趣小組" 劉吉普摘要:以高效生物質(zhì)氣化爐為基礎，設計測量爐內溫度場(chǎng)的實(shí)驗裝置，并對爐體結構的不足進(jìn)行了分析和改進(jìn)。優(yōu)化設計的多功能生物質(zhì)氣化爐，有效地解決了在燃燒過(guò)程中存在的溫度場(chǎng)分布不均勻、燃燒偏高、容易搭橋、焦油含量多等問(wèn)題。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)，氣化爐;爐內溫度場(chǎng):優(yōu)化設計-前言區、干燥區、裂解區四個(gè)反應區域"。氧化區空氣比生物質(zhì)是可再生的清潔綠色能源，它的開(kāi)發(fā)利較充足,炭燃燒比較完全，溫度可達到1000C左右，用不僅可以解決能源匱乏的問(wèn)題，還具有顯著(zhù)的社主要反應式叫為:會(huì )效益和經(jīng)濟效益。生物質(zhì)傳統的處理方法(炊事C+O2=CO2+406kJ/mol用、野外焚燒、露天堆積)不僅造成生物質(zhì)資源的低2C+02=2C0+160kJ/mol效率利用，同時(shí)也嚴重地污染了環(huán)境。通過(guò)生物質(zhì)還原區主要是炭的不完全燃燒，溫度約為氣化或炭化將其轉化為高品質(zhì)能源，改變生物質(zhì)能700~900C，主要反應式為:的傳統利用方式是推進(jìn)生物質(zhì)能市場(chǎng)化的關(guān)鍵。生C+CO2=2CO-162kJ/mol物質(zhì)能氣化技術(shù)不僅改善了用能方式,凈化了環(huán)境,C+H20=CO+H2-1 18kJ/mol促進(jìn)了農村地區經(jīng)濟發(fā)展，而且為我國能源緊張和C+2Hz= =CH.+75kJ/mol環(huán)境治理提供了一條新途徑。然而，對于經(jīng)濟相對裂解區的溫度約為400~ 600C ,生物質(zhì)燃料揮落后、地理位置比較分散的農村用戶(hù)，實(shí)現集中供發(fā)物逐漸達到裂解溫度，發(fā)生熱裂解，生成CH,及氣不現實(shí)。因此，研制成本低、效事高.適用性強CH.等有機可燃氣體|。的家用型生物質(zhì)氣化爐灶具有很強的經(jīng)濟意義，應用前景十分廣闊"。三實(shí)驗研究通過(guò)調查研究,目前氣化爐普遍存在氣化效率1實(shí)驗裝置不高、焦油含量偏高、穩定性差及爐內容易搭橋等生物質(zhì)氣化爐的主要影響因素是溫度場(chǎng)分布和缺陷2。影響氣化爐綜合效益的主要因素有原料中氣化后氣體的走勢叫,在現有的理論和參考文獻中,的水分、灰分、顆粒大小、氣化爐內溫度分布、氣還沒(méi) 有徹底解決氣化爐內溫度場(chǎng)分布規律的問(wèn)題)。體在爐體內停留時(shí)間和氣體壓力等時(shí)。本文在實(shí)驗本 實(shí)驗在高效生物質(zhì)氣化爐的基礎上，設計了一套的基礎上,測得爐體內溫度場(chǎng)的分布,并以實(shí)驗為能方便測量爐內溫度場(chǎng)的實(shí)驗裝置。氣化爐錐部尺依據設計了解決搭橋現象、提高氣化效率和減少焦寸為300mm x 150mm X 150mm,包括氧化區和部油的多功能生物質(zhì)氣化爐，同時(shí)也為其他爐體的改分還原區，為測得燃燒過(guò)程中爐內溫度分布及通風(fēng)造提供了理論依據。后對溫度的影響，在進(jìn)風(fēng)口上60mm和80mm的兩層分別均布3個(gè)測溫孔;氧化區和還原區是氣化爐二生物質(zhì)氣化爐的工作原理的核心中國煤化工產(chǎn)生9，故在第2生物質(zhì)燃料在氣化爐中的氣化反應是比較復雜層上1二k區和裂解區中，CNMHG的物理、化學(xué)平衡過(guò)程”。其反應機理可簡(jiǎn)述為:當只需檢明)件內疋言反土指所優(yōu)教和測定排氣溫度,底部燃料引火點(diǎn)燃后，反應室內分為氧化區、還原故在第6層上的420mm空間中只需均布3層孔。經(jīng)@SOLAR ENERGY 2/2008過(guò)理論預測，設計實(shí)驗裝置如圖1所示，整個(gè)實(shí)驗打開(kāi)爐體下部的爐門(mén),裝入一定量的樹(shù)枝并點(diǎn)裝置由爐體部分和測溫部分組成。采用三根熱電偶燃，打開(kāi)煙囪閥門(mén)和氣體回流閥門(mén),關(guān)閉排氣閥門(mén),測量同一層或同一列不同三個(gè)位置點(diǎn)的溫度。第同時(shí)打開(kāi)風(fēng)機供氧，待爐內原料被點(diǎn)燃時(shí),關(guān)閉爐1~ 6層屬于氧化還原反應區,第7~9層屬于裂解千門(mén)，并且擰上螺母將其密封。待產(chǎn)氣穩定后，關(guān)閉燥區。煙囪閥門(mén)和氣體回流閥門(mén)，打開(kāi)排氣閥門(mén)，在灶頭排氣口點(diǎn)火，調節供氧閥門(mén)使燃燒火焰為藍色。熱電偶(3)溫度測試及封火將三根熱電偶同時(shí)插入爐體同一層的三個(gè)孔內或者同一豎直位置的三個(gè)孔內，其他位置的孔用螺樸倦導栓擰入，調節轉換開(kāi)關(guān)，測量三個(gè)點(diǎn)溫度,調節熱轉換開(kāi)關(guān)進(jìn)風(fēng)口電偶在孔中的插入位置和深度可以測得整個(gè)爐體的溫度數顯儀溫度分布。測完溫度后,關(guān)閉風(fēng)機，打開(kāi)煙窗閥門(mén), ..080關(guān)閉排氣閥門(mén)，定期觀(guān)察爐體內是否熄火，記錄最長(cháng)封火時(shí)間。圖1實(shí)驗裝置2實(shí)驗步驟四實(shí)驗數據及分析本實(shí)驗采用木屑為原料，具體步驟如下:1數據整理及分析(1)裝料及密封當爐灶火焰穩定時(shí)，測得爐體內部溫度如表1將原料從進(jìn)料口裝入爐體內并壓實(shí)，然后向加所示。表中X。表示位置點(diǎn)n偏離經(jīng)過(guò)進(jìn)風(fēng)口的母線(xiàn)料口旁邊的環(huán)形槽中加入- -定量的水，將密封蓋扣弧長(cháng)X; Y表示測量位置點(diǎn)n時(shí),熱電偶伸進(jìn)爐內入水中，形成水封。的深度Y;T表示位置點(diǎn)n在相應Y。下測得的溫度(2)點(diǎn)火T; Z。表示第m層到燃燒喉部底面的距離Z。表1實(shí)驗結果各層情況第一縱列第二縱列第三縱列m Z./mm R/mm n X/mm T/C Y/mm n X/mm TyC Y/mm nX/mm T/C Y/mm650 241 27087210 26 492 84 200 25 100285220500 21424182180 23437143 190 22886116178350 18621384180 20380310 160 19774250185280174167363143260016018795554170240 16613 16267415014 522655 150 158636551502001591114385872720784140170 1549 1351003110442982 110771980110222946032507948369772 125628887由表1可以看出，距排氣口最近的第9層上,位631C，說(shuō)明燃燒巳蔓延到喉部以上的區域。置點(diǎn)的最高溫度達到87C。在實(shí)驗過(guò)程中發(fā)現管路爐體內各層溫度T。隨偏離進(jìn)風(fēng)口距離X的變化中存在一定量的焦油，表明排氣溫度過(guò)高，導致焦曲維中國煤化工置點(diǎn)偏離進(jìn)風(fēng)口的油大量揮發(fā),并且高溫氣體從爐內帶走了大量的熱TH.CNMH G線(xiàn)).T。T.T。明.量。處于燃燒喉部區的中心平均溫度為900C左右，顯下降。頭巡衣明，爐伴內的面度場(chǎng)分布不均勻,溫而距喉部上方130mm的第6層上的中心溫度高達度場(chǎng)偏向進(jìn)風(fēng)口和排氣口,這與進(jìn)風(fēng)管和排氣管的SOLAR ENERGY 2008布置有密切關(guān)系。風(fēng)機空氣進(jìn)口向三個(gè)進(jìn)風(fēng)管分配并在爐內采用多點(diǎn)供氣(30點(diǎn)),使氣體分布均勻,同的風(fēng)量不相等，靠近風(fēng)機空氣進(jìn)口的進(jìn)上風(fēng)管獲得時(shí)改進(jìn)排氣口的位置，使其在爐體的中心(見(jiàn)圖4)，的風(fēng)量大，燃燒充分，自然溫度就高。排氣口100夾夷熱水出口地燒喉郁進(jìn)風(fēng)預熱盍00十00進(jìn)風(fēng)口00一二工出友口00000000001000x/m團2爐體內各層溫度T隨偏離進(jìn)風(fēng)口距離X的變化曲線(xiàn)圖4優(yōu)化后的爐體2實(shí)驗結論避免因為進(jìn)風(fēng)和排氣不在同一軸線(xiàn)上而出現燃燒偏從實(shí)驗結果看，與同層的其他位置相比,靠近離現象; 針對缺點(diǎn)b,增加喉部高度和喉部上的部直風(fēng)機空氣進(jìn)口的位置點(diǎn)的溫度較高，而排氣溫度高，徑使燃料燃燒區域完全處于燃燒喉部針對缺點(diǎn)C，散失的熱量大,喉部區的上方仍有燃燒，這表明爐喉部上部爐體改為圓筒，避免搭橋現象，加工也更體結構(如進(jìn)風(fēng)口、排氣口、錐部燃燒區等)需要進(jìn)一加方便， 針對缺點(diǎn)d,在爐體上部加-一個(gè)容量為30L步優(yōu)化設計來(lái)提高熱效率。的水箱,既降低了排氣溫度，也可以滿(mǎn)足-家3~53氣化爐的優(yōu)化設計口人的日常生活熱水需求，進(jìn)-一步提高熱效率。改(1)高效生物質(zhì)氣化爐的缺點(diǎn)變供氣流程(見(jiàn)圖5),把供氧管路和供氣管路同時(shí)接通過(guò)實(shí)驗數據，可明顯看到爐體設計中存在以到儲氣罐中，利用冷空氣和燃氣混合，降低混合氣下缺點(diǎn): a爐內溫度分布不均勻導致氣化效率不高;體溫度，使焦油能夠充分冷凝I0,針對缺點(diǎn)e,在b.燃燒喉部尺寸過(guò)小，導致原料燃燒過(guò)程中，氧化還喉部?jì)葌燃右槐貙?減少熱量交換，提高熱利用率。原反應區遠遠超過(guò)燃燒喉部, c.燃燒喉部以上仍然他火焰采用錐簡(jiǎn)，由力學(xué)知識可知錐簡(jiǎn)不利于塌料，導致產(chǎn)生搭橋現象，d.排氣溫度過(guò)高，導致大量焦油揮發(fā),而焦油在儲氣罐中不能完全凝結，使儲氣罐到灶頭的管路中出現堵塞現象; e.爐體喉部溫度過(guò)高，容易燙傷。(2)生物質(zhì)氣化爐的優(yōu)化設計針對缺點(diǎn)a,改進(jìn)了進(jìn)風(fēng)口(見(jiàn)圖3),讓風(fēng)機打圖5優(yōu)化后的流程入的空氣先進(jìn)行環(huán)流分布和預熱后再進(jìn)入爐體內，.通過(guò)反復試驗測試，氣化爐的技術(shù)指標見(jiàn)表2。由于氣化爐采用保溫及余熱回收裝置，熱效率可達到40%以上。表2氣化爐的技術(shù)指標氣化強度(kg/m2●h)200氣化效率(%)，75~85中國煤化工50001HCN MH 300-20007~10(轉下頁(yè))團3優(yōu)化后的進(jìn)風(fēng)位置分布圍?SOLAR ENERGY 2/2008甲醇重整制氫在燃料電池中的應用大連理工大學(xué)化工學(xué)院■任素貞 刁紅敏宋志玉摘要:分別分析了甲醇重整制氫中的蒸氣重整、氧化重整和自熱重整技術(shù)的特點(diǎn)，介紹了近年來(lái)甲醇重整制氫在燃料電池中的應用現狀及存在的主要問(wèn)題。關(guān)鍵詞:甲醇;重整制氫;燃料電池氫源.燃料電池可以高效、環(huán)境友好地將儲存在燃料在涉及氫氣儲存時(shí)，凈能量密度比H2在復合物和中的化學(xué)能溫和地轉化為電能，氫是燃料電池的最金屬氫化物貯罐中高得多; (3)重整制氫反應溫度、佳燃料，目前發(fā)達國家中與汽車(chē)、能源相關(guān)的大公反應壓力低; (4)產(chǎn)物中CO含量低; (5)制氫反應無(wú)司都在加速進(jìn)行燃料電池的開(kāi)發(fā)。要實(shí)現質(zhì)子交換NO,、so, 等排放物: (6)對現有燃料添加站的改變膜燃料電池(PEMFC)的商業(yè)化，需要解決氫源問(wèn)題小2。和降低成本。由于目前氫氣儲存、輸送、分配及加注等環(huán)節尚存在諸多技術(shù)難點(diǎn),因此無(wú)法滿(mǎn)足各種‘一 重 整制氫技術(shù)規模的燃料電池對分散氫源的需求。而醇類(lèi)、烴類(lèi)目前使用的重整技術(shù)主要有蒸氣重整(SM)、部等富氫燃料通過(guò)重整的方式移動(dòng)或現場(chǎng)制氫為燃料分氧化重整(POR)和自熱重整(ATR)等。不同的重整電池提供氫源,具有能量密度大、能量轉換效率高、技術(shù)在結構、效率和對燃料的適應性等方面有不同容易運輸和攜帶等特點(diǎn)，在經(jīng)濟性和安全性方面也的特點(diǎn)，并在不同的使用條件下發(fā)揮出它們各自的具有優(yōu)勢，是近期乃至中期最現實(shí)的燃料電池氫源優(yōu)勢，蒸氣重整是目前使用最廣泛的制氫方式。載體之一”。.1蒸氣重整在現有的液體燃料中,甲醇作為車(chē)載制氫原料蒸氣重整法制取的混合氣中氫氣含量高，是目具有以下優(yōu)點(diǎn): (1)價(jià)廉易得,可以由天然氣和其他前最常用的- -種重整制氫方式。蒸氣重整法是將甲化石燃料高效率地轉化得到; (2)能量密度高,尤其醇燃料與水蒸氣混合后進(jìn)入重整器，在適當溫度和(接上頁(yè))[3]陳冠益,高文學(xué)，顏蓓蓓等.生物質(zhì)氣化技術(shù)研究現狀與發(fā)展[D.五結束語(yǔ)煤氣與熱力.2006,26(7) 20- 26. .生物質(zhì)氣化爐以木屑、秸稈、稻草等農業(yè)廢棄[4]張瑞芹.生物質(zhì)術(shù)生的燃料和化學(xué)物質(zhì)，鄭州:鄭州大學(xué)出版社，2004,9:92 - 96.物代替煤、電、氣等常規能源，就地取材，操作簡(jiǎn)[5]鄭藝華,孫文策陰燃氣化的實(shí)驗研究及其生成氣體的可利用分單，方便實(shí)用。優(yōu)化后的多功能生物質(zhì)氣化爐結構析新能20022();15- 16.合理，克服了同類(lèi)產(chǎn)品的缺點(diǎn)。多功能生物質(zhì)氣化[61呂俊復,汪安琪焦油主要組份的熱裂解[J.公用科技，1996,12(4):爐具有經(jīng)濟性好、污染小等優(yōu)點(diǎn)，解決了農村直接11- 14.[7]Gross R,Leach M,Bauen A.Progress in renewable enery[J].Envi-燃燒帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題17.8,因此在廣大農村地區ronment Intermational,2003,29(1):105 - 122.推廣使用有很大現實(shí)意義和巨大的市場(chǎng)前景。[8]曹?chē)?張小曳,王丹等中國大陸生物質(zhì)燃燒排放的污染物清單[J].中國環(huán)境科學(xué)20525():389 - 393.大田鵬參考文獻中國煤化工;院譴程裝備與控制工程[1]袁振宏,吳創(chuàng )之馬隆龍生物質(zhì)利用原理與技術(shù)北京:化學(xué)工業(yè)MHCNMHG.陳俊龍、出來(lái)物多出版社2004.11:171- 174. .[2]馬隆龍,吳創(chuàng )之,孫立生物質(zhì)氣化北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2003.賽方。專(zhuān)明解.專(zhuān)臻.陳鵬.30SOLAR ENERGY 208