户用型生物质湿柴直燃气化炉的设计

2011年第6期新疆农机化.开发研究●户用型生物质湿柴直燃气化炉的设计马飞',王维新1,郑美娥2(1.石河子大学机械电气工程学院,新疆石河子832000;2.长乐市 第二中学)摘要:为了解决 当前农村面临的用能负担问题,依据当前农村普遍炊事用能习惯,设计出户用型炊事所需要的生物质湿柴直燃气化炉,并通过实验设计和数据分析,确定了其燃料消耗量、炉膛容积、吊火高度、烟囱高度及烟囱截面积等主要设计参数。关键词:户用型;湿柴直燃;炉膛;吊火高度中圍分类号:TP273.5文献标识码:A因此研究和发展农村户用型生物质炉具，充分利用文章编号: 1007-7782(2011 )06 -0027-03农村秸秆资源,是减轻这一负担的有效方法。由于目近年来,随着国民经济快速增长,用能问题已经前市场上的各种生物质炉具在使用的过程中，普遍成为世界各国人民面临的最紧迫问题之-，与此同存在热效率低、点火困难和产生焦油等问题。故从节时商品化热源价格也随之上涨，我国的广大农村面能减排的角度出发，设计- -种经济环保的户用型生临严重的用能负担。新疆是一个农业大省，农作物物质湿柴直燃气化炉,减轻农民用能负担,促进农村秸秆资源丰富,据新疆2007年农作物产品产量利用经济可持续发展。农作物秸秆资源量估算，新疆农作物秸秆资源量估1炉具结构及工作原理算值为4073.558万t,折合2154.912万t标准煤"。1.1炉具结构.炉具采用符合农村炊事习惯的传统炉型，整个收藊日期:2011-11-30肥箱上的链轮带动有机施肥箱上的拨肥轴进行传化学颗粒肥施肥量根据需求调整动,拨肥轴上的拨肥齿拨动有机肥料进人排肥口。农家肥施肥量(kg/667m2) 500~1 500 (可调)同时拨肥轴通过链轮转动将动力传递给排肥轴,排4机具特点肥轴和拨肥轴的工作原理基本相同，不同之处是排肥口两侧的排肥轴上焊接有螺旋叶片，可将肥料向(1)由于该机开沟装置在右侧(旋耕刀在拖拉排肥口移动。排肥口处的排肥轴上焊接有3片排肥机右轮正后方),作业时拖拉机行间行走可将施肥沟开在距树干0.5~1.0 m处,而不受树冠树叶的影响。叶片,将有机肥料排进沟内进行施肥。(2)该开沟施肥机一机多用,不仅适用果园,还.3主要技术参数适用农田和林带的开沟、开渠和断根作业。(3)体积小、重量轻操作方便、可靠、生产效率外形尺寸(mm)1 700x1 060x1 230高成本低,生产效率比人工作业高出35倍。配套动力(kW)29.4~36.75结构质量(kg)3005试验应用传动方式减速换向器总成2011年.中国煤化工把样机在阿拉挂接方式作业速度(km/h)三点悬挂尔地区红枣THCNMH友的认可经2~5过试验,开沟施肥效果良好,样机各项性能指标全部沟深范围(cm)200- ~350达到了设计要求。沟宽范围(cm)200~300.7.●开发研究.新疆农机化2011年第6期炉具分为上、中、下三个部分,灶头主要是气化气与高气化效 率。炉排设计成活动式炉排,主要是考虑到空气接触并燃烧的场所,炉体主要是湿柴燃烧和气传统的固定炉排炉具工作时,物料消耗到- -定量后,化场所,炉底座的主要功能是支持炉体和灶头,并且氧化层会随之下降,导致吊火高度相应增高,火焰温可以调节一次风进风口,结构如图1。 根据燃料燃烧度较高处与锅底的接触不良,不利于热源利用效率，的特性,炉具燃烧方式分别设计为层燃和上点火。而活动炉排可以解决这一-问题,当氧化层下降时,用1.2工作原理户可通过手动提升炉排，从而维持吊火高度在设计炉体由三个不同内径的圆简组成蒸汽腔道和二二范围内,提高热源利用率。次风道,中间形成湿柴的燃烧炉膛(见图2)。使用2湿柴炉具主要设计参数的确定时,湿柴物料由炉膛上方加入,落至炉膛底部的活动炉排上，达到一定量后,再加入少量点燃的易燃干2.1炉具热负荷的确定柴,关闭炉底座上的- -次风进风口,干燥并引燃下方炉具热负荷的确定是炉具设计中的关键，热负的湿柴,观察湿柴燃烧的火焰情况，并调节- -次风进荷的大小直接影响到炊事活动的正常进行。据资料风口大小,至火焰足够大后，进行炊事活动。本炉设显示，中国农村以五口之家为例,要维持起码的生活计成上点火式炉型，点火速度快并且方便。从氧化水平，平均每人每天的所需的热量为11 880 kJ,因层到锅底这--区域的温度一般可以超过1000C,此每天所需的热量为59400kJ);设计的生物质燃而焦油在无催化剂时裂解温度为1000~1200C,料炉具的设计热效率为40%。当加入催化剂后,只需730 C以上就可以获得99%Q= qxn.(1)以上的焦油转化率[,因此本炉具在焦油的控制方式中τ 一每天的做饭时间(h/d)。将已知数据代面有- -定的优势。人(1)式，可得出Q=9900 kJ/h,因此,炉具的总热负荷为9 900 kJ/h。2.2燃料消耗量t的确定在确定了炉具的炉具和燃料的热负荷之后,就L2要确定燃料的消耗量。试验用的玉米秸秆成型燃料的热值q约为15 999 kJkg4。在进行正常的炊事活1(动时,燃料的消耗量为m=-Q(2)qXη式中q一 燃料的热值(kJ/kg);Q-每 天炊事所需圉1湿柴直燃气化炉结构圄2工作原理示意的热量(kJ/d);η一炉具的设计效率( %)。将已知的1.挡火圈2.二次风小孔3.蒸汽出1.挡火圈2.氧化层3.解热数据代人(2),得炉具燃料的消耗为m≈1.547 kgh,孔4.蒸汽腔道5.二次风道6.蒸汽入孔层 4.干燥层5.水蒸气燃料的消耗量为炉膛参数的确定提供参考依据。7.活动炉排8.一次风入口9.炉 排升降调节杆10.二次风入口11.烟囱2.3炉膛参数的确定由于在炉头中设置-一个挡火圈，火焰在炉头中炉膛(燃烧室)是指从炉底到炉口之间的部分,停留会长一些;灶头上的烟窗可以向上抽风,不仅将燃料在这里充分燃烧;炉膛参数主要包括调火高度、一次风吸入炉灶内，也将二次风从二次风人口经二炉膛 容积和炉排热负荷，恰当选择炉膛参数是燃料次风道穿过二次风小孔吸人炉头中,此过程同时对完全燃烧的根本保证P。二次风所携带的空气进行了预热，进一步提高了燃2.3.1吊火高度烧反应温度,从而提高了燃烧效率;在炉具工作过程吊火高度是指炉排与氧化层之间的距离间。由中，由干燥区所产生的蒸汽从蒸汽人口经蒸汽腔道文献可知兰中国煤化工时,火焰温度较穿过蒸汽出孔进人气化区，从而使水蒸气与小颗粒高处与锅底MHCNMHG住要是加热炊具的可燃物发生进- - 步的气化反应生成CO和H2提提供热量,为使高温火焰能较好的加热炊具,将吊火2011年第6期新疆农机化●开发研究●高度定为30 cmm。环境温度(K); Tz一烟囱内的平均温度(K)。2.3.2炉膛容积.根据本地情况取P。=760毫米汞柱，炉具的吸炉膛容积热负荷决定炉膛容积的大小，即在单风压P根据经验取0.11毫米汞柱。环境温度T为位炉膛容积内燃料每小时.燃烧释放热量的大小。293K,烟囱内的平均温度为473K,将以上数据代炉膛容积大小的确定可按下式计算人(4)式得到烟囱高度L=2.4 m。v= qXmxη (3)2.4.2烟囱截面积烟囱截面积可用下式计算式中V- 炉膛容积(m3); m-炉具燃料的消耗量S= .mx Vx(273+t)2 (5)(kg/h); q.燃烧室 的最大容积热负荷(kJ/h.m')。3600x W,x273据全国优秀省柴灶的统计数字,燃烧室热容强式中s一烟囱截面积(m2); Vr-单位时间、单位度一般在25000~40 000 kJ/h.m',根据炉具燃烧室燃料产生的烟气量(m2/kg.h); W,- -烟气流速(m/s)。容积的设计经验,取容积热负荷为33 000 kJ/h.m',烟气流速按1.5 m/s计算,算得s为24.9 cm?,采用代人(3)式可得V是0.3 m'。而从大量统计数字看,圆形烟囱,其直径算得5.64 cm。中国五口之家所用的燃煤炉具的炉膛容积- -般是在3结论0.015~0.035 m3之间”。选取炉膛容积为0.03 m3代人上式时,可得热容强度为330 006 kJ/h.m'。本炉(1)本炉的气化直燃工作原理是结合固定床气具在选定最大炉膛热容强度时参考上述经验数据,化炉、干馏气化、空气气化、水蒸气气化和焦油的催将定为300000kJ/h.m',代人公式(3)中可得化裂解的特点而设计的,气化产生的可燃气体直接在炉头中燃烧。V=0.033 m3。根据炉具设计的特点，考虑到直简状的炉壁有(2)本炉主要燃烧湿柴,在燃烧过程中湿柴被利于活动炉排的上下升降，以提高湿柴直燃炉的气干燥,转化成水蒸气并参与气化,生成CO和H2等高热值气体进一步提高火焰温度,更有利于焦油的化反应的效率,故将炉膛设计为直简状。取炉膛直径D=20 cm，该尺寸为农用省柴炉常裂解。用尺寸,从而算出物料堆积高度约为30 cm,再加上(3)设计的生物质成型燃料炉具具有点火方便快速低污染物排放的特点,它可以为广大的农村用吊火高度30 cm,故炉膛高度设计为60 cm。户提供高效廉价的炊事用能。2.3.3活动炉排升降范围根据1.2可知,炉具中炉排为活动炉排,由2.3.2参考文献:1]刘彦东,李红.新疆生物质能资源总量的估算及分布特征的数据,将升降最大范围设置为25cm,从而可保证分析[]经济研究导刊,2010,(13):109-110.吊火高度维持在30 cm。[2]郭秀兰,黄鹤,周强等.生物质焦油裂解催化剂研究进展2.4烟囱参数的确定.[J].可再生能源,2004,(1):9-~13.烟囱的主要作用是将空气从进风口抽人炉膛,[3] Karakas A,Egrican N,Uypur S. Second -law of solar使燃料和空气充分接触,提高燃料利用率,同时将炉absorption -cooling cycles using lithium bromide/water andammonia/water as working fluids [J]. Applied Energy 37,膛内的烟尘抽出。无论燃用何种生物质燃料,烟囱1990:169-187.都会对燃烧效果产生很大的影响。[4]马隆龙,吴创之,孙立.生物质气化技术及其应用[].北2.4.1烟囱的高度京:化学工业出版社,2003,6.烟囱高度可用下式计算[5]刘圣勇,连瑞瑞,王晓东等.制冷炊事兼用生物质成型燃29.27P料炉具的设计([].农业工程学报,2011,(27):286~290.(4)Po六亏」[6]傅莉霞,张建高,刘天慰.省柴灶炉膛吊火高度的研究[J].浙江农业大中国煤化工式中H -烟囱的高度(m);Po-平均大气压力,取[7] 侯中兰.家MHCN MH Git与研究[DI.河值为1 032 hJ/760,ho一当地实际大气压力(毫米汞南农业大学,2006 ,23~24.柱);P-炉具的吸风压(毫米汞柱);T,一当地的