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高热值生物质燃气气化炉的数值模拟朱茂葵;卿德藩;陈爱瑞;米冰洁;罗阳成【摘要】研究了以干木质颗粒作为燃料,以空气—水蒸气作为气化剂的户用高热值燃气生物质气化炉,利用Fluent14.0模拟了水蒸气入口距离气化炉内炉栅位置高度h、空气入口流量V0与水蒸气入口流量Vs这三个参数对CO、H2和CH4的体积浓度和燃气热值影响,并采用实验验证数值模拟的结果.研究的结果表明：若水蒸气入口位置高度h=195 mm,水蒸气入口流量Vs=1.41 m3/h时,空气入口流量V0=0.86 m3/h,生物质燃气燃烧热值最大为Q=9.95 MJ/m3,相比单一空气气化剂作用下提高了98.21%.%In this research,with woody particles as fuel and air-steam as gasification agent, the high heating value gas biomass gasifier uses numerical value of software Fluent 14 . 0 to simulate the impact of the three parameters,the position height ‘h’ from the entrance of steam to the gasifier grate,the air inlet flow V0 and the steam inlet flow Vs ,on CO,H2 and CH4 volume concentration and gas calorific value and use experiment to verify the result of numerical simulation. The results of research show that when the position height‘h’ is 195 mm,the steam inlet flow Vs is 1. 41 m3/h and air inlet flow V0 is 0. 86 m3/h,the combus-tion of biomass gas calorific value arrives its top,the value is Q=9. 95MJ/m3,which is 98. 21% higher than when single gas agent is used.【期刊名称】《南华大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】6页(P71-76)【关键词】高热值;生物质;气化炉;数值模拟【作者】朱茂葵;卿德藩;陈爱瑞;米冰洁;罗阳成【作者单位】南华大学机械工程学院，湖南衡阳421001;南华大学机械工程学院，湖南衡阳421001;南华大学机械工程学院，湖南衡阳421001;南华大学城市建设学院，湖南衡阳421001;南华大学机械工程学院，湖南衡阳421001【正文语种】中文【中图分类】TK229.8key words：higher heating value;biomass;gasifier;numerical simulation随着社会经济的快速发展，人类社会的经济发展对化石能源的依赖程度日益加深，从而导致化石能源的消耗日益加剧[1].上世纪70～80年代，全世界范围内发生了煤炭和石油等能源短缺危机，再次唤起了人们对生物质气化技术的研发[2].因此，生物质气化技术作为一种清洁的可再生能源利用技术得到了快速发展[3-4].目前国内外开发的生物质气化炉以供热、发电和合成液体为主，如美国Range Fuels和Pearson的气流床气化炉，德国CHOREN的气流床气化炉等；山东能源研究所的下吸式XFL气化炉、辽宁市能源所的下吸式固定床气化炉等[5].由于目前户用生物质气化炉大多以空气作为气化剂来制作生物质燃气，但是空气含有大量的N2而使生物质燃气的燃烧热值降低.因此，提高燃气热值成了目前研究的重点.本文研究的户用高热值燃气生物质气化炉采用空气—水蒸气作为气化剂对提高生物质燃气热值进行了数值模拟研究.使用水蒸气—空气作为气化剂来提高燃气热值低的问题，是由于水蒸气—空气气化剂中O2、水蒸气与生物燃料C成分进行氧化反应，生成了可燃气体成分为H 2、CO和CH4等，从而提高了燃气的燃烧热值.因此，使用水蒸气—空气作为气化剂要优于单一空气气化剂.气化炉主要由水蒸气供给系统、供风系统、换热系统、炉盖等组成，其结构形式如图1所示.主要研究了水蒸气入口位置高度h、水蒸气入口流量Vs和空气入口流量V0对燃气组分CO、H2和CH4燃烧热值的影响.气化炉进行气化反应计算截面图如图2所示，设定炉栅位置距离炉盖内侧总高度H为750 mm，炉膛内横截面为边长L=250 mm的正方形.因为生物质气化炉内的燃烧气化反应存在很多的化学物理变化，为了便于对气化炉进行数值模拟研究，因此对气化反应过程进行的简化和假设如下[6-8]：1)假设在燃料进行气化反应的气体均为理想气体；2)假设燃料中的C完全转化，而H、N、O则完全转化为气体；3)假设燃料颗粒的体形均相同，成分不参与气化反应；4)当气化炉处于稳定工况时，气化反应的参数均假设为常数.基于以上假设，气化反应遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒以及组分转换和平衡等基本规律.因此可用基本守恒方程来进行相应的数学描述和分析，选用变量Φ将方程组表示为以下通用形式：(ρφ)+div(ρuφ)=div(Γφgradφ)+Sφ(式中，通用变量φ表示湍流场中各变量瞬时值，如速度分量ui，温度T，组分浓度Ym等；Γφ为输运系数，Γφ=με/σφ，其中σφ为湍流Prandtl数或Schmidt数，其值由实验确定，可看成常数.με为湍流粘性系数，με=μ+μΤ=(v+vΤ)ρ，其中νΤ或μΤ称为涡流粘性或涡流系数，Sφ为各方程源项.通用方程中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项 [7-10].2.1 网格划分为了对数值模拟进行等效简化并减少数值模拟的计算量，将气化炉的三维模型等效简化为二维模型，接着对该二维模型计算区域划分结构化网格，划分好的结构网格如图3所示.2.2 边界条件的设置对气化炉数值模拟设定初始条件和边界条件如下：气化炉初始温度350 K，炉内装有5 kg生物质燃料；气化反应温度的范围为750～1 350 ℃；设置空气入口和水蒸气入口为速度入口条件，空气入口流速均匀分布且常温，其范围是0.002 1～0.056 7 m/s，水力直径为0.3 m；水蒸气温度为375 K，水蒸气入口速度范围0～1.26 m/s，流速均匀分布，水力直径为0.01 m；燃气出口使用压力出口，其水力直径为0.05 m.其中，水力直径及湍流强度的计算公式[11]如下：DH=4·I=0.16式中，DH为水力直径，A和S分别为流体通道进出口各自的截面面积与周长；I为湍流强度，Re是根据水力直径为特征长度求得的雷诺数.对模型的求解控制参数进行设定：采用FVM对计算区域作基本守恒微分方程进行离散化处理，使用Simple算法处理压力和速度的耦合问题，为了提高数值模拟计算的精度和结果的稳定性，能量方程和动量方程则采用二阶迎风格式；使用加热入口质量流量作为提供点火源来启动燃烧，并采用EDC输运模型来考虑湍流—化学反应相互作用.2.3 数值模拟结果2.3.1 水蒸气入口高度h对燃气燃烧热值的影响在气化炉运作情况相同的条件下研究h对燃气组分的体积分数及燃烧热值的影响，取水蒸气气化剂流量为1.80 m3/h，空气气化剂流量为0.66 m3/h，并在气化反应稳定时，对3种不同水蒸气入口位置高度h进行了数值模拟研究，得到3种不同水蒸气入口高度h1=165 mm，h2=195 mm，h3=225 mm的数值模拟的温度分布云图分别如图4至图6所示.从图4至图6所示的3种不同h的温度场分布可得：在气化反应的时间和物质的量均相同的条件下，气化炉内生物质燃气组分的体积浓度是由气化炉内气化反应的还原区的大小所决定的，即还原区面积越大则燃气体积浓度越大，反之越少.从图5所示，当水蒸气入口位置高度h2=195 mm时，炉内气化反应的区域在炉膛壁面处且红色高温燃烧区面积最大，这样能更好地为水蒸气的产生提供所需的热量，而且红色高温燃烧区面积明显大于比h1和h3两种情况的面积.即可说明当h2=195 mm时气化反应所生成的燃气组分体积浓度最高，由此计算得到的生物质燃气燃烧热值最高.2.3.2 两种气化剂流量对燃气燃烧热值的影响对三种水蒸气气化剂入口位置的不同高度(h1、h2和h3)进行数值模拟研究，每一组水蒸气入口流量Vs与空气入口流量V0均是一对固定值.为了比较不同的水蒸气入口位置高度的水蒸气入口流量Vs与空气入口流量V0对燃气体积浓度以及燃烧热值的影响，根据增加水蒸气流量，则减少空气流量的原则，建立并对Vs与V0的12组定值进行数值模拟，12组定值表如表1.气化炉气化反应的空气入口流量在单位时间内的最大值为1.85 m3/h，水蒸气入口流量的最大值为2.81 m3/h，且所需的空气流量最小值为0.05 m3/h；得到数值模拟的结果如图7至图9.根据燃气热值计算公式：QDW=∑riQDW,i由图7至图10的模拟曲线图可以得到：当水蒸气气化剂入口位置高度h2=195 mm，水蒸气流量Vs=1.41 m3/h和空气流量V0=0.86 m3/h时，气化反应生成的燃气组分中CO、H2和CH4的体积浓度最大且燃烧热值最大.前文采用软件进行了数值模拟并得到了数值模拟结果，为验证其数值模拟结果，则使用实验研究方法对前面的参数进行实验验证.进行实验装置简图如图11所示.根据水蒸气入口位置高度h、空气气化剂流量V0与水蒸气流量Vs三个参数的正交试验设计得到的正交表，使用正交实验所设计的正交表组合该三个参数得到如表2的9种工况，并对这9种工况的燃气热值模拟结果与相应的实验测试结果进行比较，其比较结果如表3.从表3可得，九种工况下实验测试的燃气热值结果均小于数值模拟结果，实验值与模拟值相对误差都在15%以下，属于相对误差允许范围，则可说明实验测试结果与数值模拟结果基本符合，从而验证了数值模拟结果的正确性，同时也说明了数值模拟方法的可行性.由表2和表3得到的试验序号4为最优参数组：h=195 mm、V0=0.86 m3/h、Vs=1.41 m3/h.为了研究在最优参数组下气化反应生成的生物质燃气热值提高程度，选取该最优参数组合与只有单一空气气化剂且V0=1.18 m3/h时生物质燃气的燃烧热值进行比较，其比较结果如表4.由表4可得：最优参数组合的燃气热值比单一空气气化剂作用下提高了98.21%.因此，数值模拟结果达到了提高生物质燃气燃烧热值的要求，而实验测试结果达到了验证数值模拟结果正确性的要求.由此可得，生物质燃气热值有：Q优化参数>Q单一空气气化剂.1)由数值模拟结果与实验测试结果分析，当水蒸气气化剂入口位置高度h2=195 mm，水蒸气流量Vs=1.41 m3/h和空气流量V0=0.86 m3/h时，气化炉气化反应生成的生物质燃气组分CO、H2和CH4的体积浓度最大且燃气燃烧热值最高.2)气化炉较优参数组合的燃气燃烧热值比单一空气气化剂作用下提高了98.21%.此外，生物质燃气热值有：Q优化参数>Q单一空气气化剂.[1] 倪维斗.我国的能源问题与对策[J].宁波大学学报(人文科学版),2009,22(1):5-8.[2] 赵全云.利用生物质燃料的气化加热设备设计与分析研究[D].太原市:太原理工大学,2011.[3] 张齐生,马中青,周建斌.生物质气化技术的再认识[J].南京林业大学学报，2013,37(1):1-10.[4] 张丽萍.生物质能利用技术的发展概况[J].山东化工,2013,42(4):54-62.[5] 邓先伦,高一苇,许玉,等.生物质气化与设备的研究进展[J].生物质化学工程,2007,41(6):37-41.[6] 蒋建春,应浩,戴伟娣,等.锥形流化床生物质气化技术和工程[J].农业工程学报,2006,22(1):211-216.[7] 刘作龙,孙培勤,孙绍晖,等.生物质气化技术和气化炉研究进展[J].河南化工,2011,28(1):21-25.[8] 刘作龙.在不同气化剂条件下生物质气化模拟研究[D].郑州:郑州大学,2011.[9] Hyvarianen A,Oja E.Independent component analysis:algorithms and application[J].Neural Networks,2000,13(4/5):411-430.[10] Cardoso J F.Sources separation using higher ordermoments[C]//Glasgow.International Conference on Acoustic Speech and Signal Processing(ICASSP’1989).New York:Institute of Electrical and Electronics Engineers,1989:2109-2112.[11] 沈丽.户用生物质气化炉燃烧模拟及实验研究[D].长春:吉林大学,2011.[12] 王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004:114-158.[13] 陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2001:47-48.。
上吸式生物质秸秆气化炉的设计与试验研究
上吸式生物质秸秆气化炉的设计与试验研究
摘要：设计一台上吸式生物质秸秆气化炉,并进行热解气化试验,分析不同气化剂量对炉内温度的影响以及温度和秸秆种类对产气成分的影响.试验结果表明:气化剂量对炉内温度及炉内温度对产气成分含量的`影响均较大;秸秆种类也对产气的热值有较大的影响,稻草热解可燃气热值4.1MJ/m3,油菜秆热解可燃气热值4.9MJ/m3,玉米秆热解可燃气热值5.5MJ/m3.作者：杨少鹏薛勇牛广路YANG Shao-peng XUE Yong NIU Guang-lu 作者单位：西南科技大学固体废物处理与资源化省部共建教育部重点实验室,四川绵阳,621010 期刊：节能 Journal：ENERGY CONSERVATION 年，卷(期)：2009, 28(9) 分类号：X712 关键词：上吸式气化炉炉内温度燃气成分。
江苏大学课程设计气化炉计算说明书word （仅供参考）其中涉及到的物料平衡和能量平衡参考：江苏大学课程设计气化炉计算说明书excel （已上传到百度文库）一：气化炉本体主要参数的设计计算初步设计该上吸式气化炉消耗的原料为G=600kg/h.初步确认气化强度Φ为200kg/(m 2·h)1. 实际气化所需空气量V A由树皮的元素分析可知木屑中主要含有C 、H 、O 而N 、S 的含量可以忽略不计，则： a 、碳完全燃烧的反应：C + O 2= CO 212kg 22.4m 31kg 碳完全燃烧需要1．866N 氧气。
b 、氢燃烧的反应：4H + O 2 ＝ 2H 204.032kg 22.4m 31kg 氢燃烧需要5.55N 氧气。
因为原料中已经含有氧[O]，相当于1kg 原料已经供给[O]×22.4/32=0.7[O]N 氧气，氧气占空气的21％，所以生物质原料完全燃烧所需的空气量： = (1.866[C]+5.55[H]-O.7[O]) 式中 V ——物料完全燃烧所需的理论空气量 m 3/kgC ——物料中碳元素含量 %H ——物料中氢元素含量 %V 10.21O ——物料中氧元素含量 %因此，可得V= (1.866[C]+5.55[H]-O.7[0]) =(1.866×50.30％ +5.55×5.83％-O.7×36.60％) =4.790(/kg) V 为理论上的木屑完全燃烧所需的空气量，考虑到实际过程中的空气泄漏或供给不足等因素，加入过量空气系数α，取α=1.2，保证分配的二次通风使气化气得到完全燃烧。
因此，实际需要通入的空气量V~V~=αV=1.2×4.790=5.748(3m /kg)因此，总的进气量为5.748/kg由上图取理论最佳当量比ε为0.3，计算实际气化所需空气量：V A =ε*V~=0.28*5.748=1.609m 3/kg2.可燃气流量q空气(气化剂)中N 2含量79％左右，气化生物质产生的燃气中N 2含量为55％左右，考虑到在该气化反应中N 2几乎很少发生反应，据此，拟燃气流量是气化剂(空气)流量的1.44倍，则可燃气流量q 为：q=G*V A *1.44=600*1.609*1.44=1390 m 3/h3.产气率 V GV G =/G =1390/600 =2.317(/kg)10.2110.213m 3m q 3m4.燃气成分定为：28% 4% 6.50% 5% 0.50% 1% 55%5.燃气的低位发热量为：Q G,net =12.63×28%+10.79×6.5%+35.81×5%+63.74×0.5%=6.347MJ/m 36.气化炉效率为：η=( Q G,net ×V G )/LHV=(6.347×2.317)/18.01=82% 7.热功率PP = Q G,net ×q /3600=6869×1390/3600=2652(KW)8.炉膛截面积SS /G φ==600/200=3()2m9.炉膛截面直径DD 取2m满炉加料，拟定气化炉连续运行时间T=6h炉膛的原料高度LL /()G T S ρ=⨯⨯=600×6/(3×300)=4()m式中：一生物质原料在炉膛中的堆积密度,由于使用的原料是树皮，取=300kg/m 310.气化炉内筒的高度系数n β物料在炉内应有足够的滞留时间，这与燃烧层的高度及物料与气流运动有关，要保证生物质原料气化耗尽。
COREX熔融气化炉内气流分布数值模拟的开题报告一、研究背景和目的熔融气化技术是一种将废弃物通过高温氧化还原反应转换为能源的技术，广泛应用于生活垃圾、污泥、工业废弃物等的处理中。
COREX熔融气化炉是近年来研发的一种新型熔融气化炉，它具有排污率低、能耗小、炉渣质量好等优点。
在熔融气化炉内，气流态势的分布对炉内反应过程和热传递等有重要影响。
因此，本研究的目的是利用数值模拟方法，研究COREX熔融气化炉内气流分布规律，为优化气化反应提供理论依据。
二、研究内容本研究将利用计算流体动力学（CFD）方法对COREX熔融气化炉内气流分布进行数值模拟。
具体内容包括：1.建立COREX熔融气化炉的三维几何模型。
2.确定气体入口流量和温度、熔体温度等边界条件。
3.利用CFD方法对气流分布进行模拟，采用k-ε湍流模型对气体相互作用进行建模。
4.分析气流分布规律，探究气流在熔融气化反应过程中的影响。
5.基于气流分布规律和反应机理，探究优化COREX熔融气化炉的方法和方案。
三、研究意义本研究将为COREX熔融气化炉的优化设计提供理论依据。
通过研究炉内气流分布规律，可以找到优化气流分布的方法和方案，提高熔融气化反应的效率和产出品质。
四、研究方法本研究将采用CFD方法对COREX熔融气化炉内气流分布规律进行数值模拟。
CFD方法是一种基于物理方程的数值计算方法，可以通过对流场、温度场等的数值计算，预测流体在炉内的运动规律和分布规律。
五、预期结果和进展计划预计通过本研究，可以得到COREX熔融气化炉内气流分布规律的数值模拟结果，并分析探究气流在熔融气化反应过程中的影响。
进展计划如下：1.完成COREX熔融气化炉的三维几何模型建立，并确定边界条件（2021年6月）；2.完成气流分布的CFD数值模拟计算，并分析探究气流在反应过程中的影响（2021年9月）；3.基于气流分布规律和反应机理探究优化COREX熔融气化炉的方法和方案（2021年12月）。
生物质气化炉优化设计及原料的试验研究生物质气化炉优化设计及原料的试验研究摘要由于生物质能具有储量大、环境友好等特点，生物质气化技术尤其是户用型生物质气化炉有相当的应用研究价值。
在了解了国内外生物质气化炉发展水平的基础上，分析比较各类型生物质气化炉设计的优缺点，提出针对相应缺陷的解决方案，并分析研究改进型生物质气化炉对各种原料的适应性。
关键词户用型；生物质；气化炉；环境友好；原料比较1 引言人类正面临着发展与环境友好的双重压力。
经济社会的发展以能源为重要动力，经济越发展，能源消耗越多，尤其是化石燃料消费的增加，就有两个突出问题摆在我们面前：一是造成环境污染日益严重，二是地球上现存的化石燃料经不起无休止的消耗。
生物质能是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，通常包括农业废弃物、木材及森林工业废弃物、禽畜粪便、城镇生活垃圾以及能源作物等，最有可能成为21世纪主要的新能源之一。
生物质能具有以下特点：(1)属于可再生能源，可保证能源的继续利用；(2)种类多而分布广，便于就地取材，利用形式多样；(3)相关技术已经成熟，可贮存性好；(4)节能、环保效果好。
通过生物质能转换技术可以高效地利用生物质能源．生产各种清洁燃料，替代煤炭，石油和天然气等燃料，生产电力。
而减少对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染。
专家认为，生物质能源将成为未来持续能源重要部分，到2015年，全球总能耗将有40％来自生物质能源[1-2]。
2 生物质能气化技术的应用前景我国是一个农业大国，每年产生农作物秸秆8.7亿t，其中2.8亿t 用于能源消费，占农村能源消费总量的70%[3]。
在我国农村地区，仅秸秆等农林生物质废弃物资源量就有7×lOe8t／a，相当于3.1×lOe8t标准煤[4]。
大量秸秆的废弃和焚烧现象已持续多年。
合理有效地利用这些资源，是一件利国利民、具很大社会、经济、生态效益的大事。
江苏⼤学课程设计⽓化炉计算说明书word（仅供参考）江苏⼤学课程设计⽓化炉计算说明书word （仅供参考）其中涉及到的物料平衡和能量平衡参考：江苏⼤学课程设计⽓化炉计算说明书excel （已上传到百度⽂库）⼀：⽓化炉本体主要参数的设计计算初步设计该上吸式⽓化炉消耗的原料为G=600kg/h. 初步确认⽓化强度Φ为200kg/(m 2·h)1. 实际⽓化所需空⽓量V A由树⽪的元素分析可知⽊屑中主要含有C 、H 、O ⽽N 、S 的含量可以忽略不计，则：a 、碳完全燃烧的反应：C + O 2= CO 2 12kg 22.4m 31kg 碳完全燃烧需要1．866N 氧⽓。
b 、氢燃烧的反应：4H + O 2 ＝ 2H 20 4.032kg 22.4m 31kg 氢燃烧需要5.55N 氧⽓。
因为原料中已经含有氧[O]，相当于1kg 原料已经供给[O]×22.4/32=0.7[O]N 氧⽓，氧⽓占空⽓的21％，所以⽣物质原料完全燃烧所需的空⽓量：=(1.866[C]+5.55[H]-O.7[O]) 式中 V ——物料完全燃烧所需的理论空⽓量 m 3/kgC ——物料中碳元素含量 % H ——物料中氢元素含量 %V 10.21O ——物料中氧元素含量 % 因此，可得V=(1.866[C]+5.55[H]-O.7[0]) =(1.866×50.30％ +5.55×5.83％-O.7×36.60％) =4.790(/kg) V 为理论上的⽊屑完全燃烧所需的空⽓量，考虑到实际过程中的空⽓泄漏或供给不⾜等因素，加⼊过量空⽓系数α，取α=1.2，保证分配的⼆次通风使⽓化⽓得到完全燃烧。
因此，实际需要通⼊的空⽓量V~V~=αV=1.2×4.790=5.748(3m /kg)因此，总的进⽓量为5.748/kg由上图取理论最佳当量⽐ε为0.3，计算实际⽓化所需空⽓量：V A =ε*V~=0.28*5.748=1.609m 3/kg 2.可燃⽓流量q空⽓(⽓化剂)中N 2含量79％左右，⽓化⽣物质产⽣的燃⽓中N 2含量为55％左右，考虑到在该⽓化反应中N 2⼏乎很少发⽣反应，据此，拟燃⽓流量是⽓化剂(空⽓)流量的1.44倍，则可燃⽓流量q 为：q=G*V A *1.44=600*1.609*1.44=1390 m 3/h 3.产⽓率 V GV G =/G =1390/600 =2.317(/kg)10.2110.213m 3m q 3m4.燃⽓成分定为：28% 4% 6.50% 5% 0.50% 1% 55%5.燃⽓的低位发热量为：Q G,net =12.63×28%+10.79×6.5%+35.81×5%+63.74×0.5%=6.347MJ/m 36.⽓化炉效率为：η=( Q G,net ×V G)/LHV=(6.347×2.317)/18.01=82%7.热功率PP = Q G,net ×q /3600=6869×1390/3600=2652(KW) 8.炉膛截⾯积SS /G φ==600/200=3()2m9.炉膛截⾯直径DD 取2m满炉加料，拟定⽓化炉连续运⾏时间T=6h 炉膛的原料⾼度LL /()G T S ρ=??=600×6/(3×300)=4()m式中：⼀⽣物质原料在炉膛中的堆积密度,由于使⽤的原料是树⽪，取=300kg/m 310.⽓化炉内筒的⾼度系数n β物料在炉内应有⾜够的滞留时间，这与燃烧层的⾼度及物料与⽓流运动有关，要保证⽣物质原料⽓化耗尽。
干煤粉气化炉优化设计研究张路(兖矿国宏化工有限责任公司，山东济宁273500)摘要：通过对干煤粉气化炉运行中存在的问题进行研究分析，确定了优化设计方案并组织实施，优化了气化炉结构形式，消除了气化炉存在的瓶颈问题并实现了升级改造，最终实现气化炉的安全稳定长周期运行，产生了良好的经济效益。
关键词：干煤粉气化炉；优化；改造中图分类号:TQ545文献标识码:A干煤粉加压气化技术具有氧煤消耗低、冷煤气效率高、碳转化率高、污水处理较容易、可使用高灰熔点煤、煤种适应性广等优点。
按进料方式,干煤粉加压气化属于气流床气化，气化介质氧气、蒸汽和煤粉并流进入气化炉内，利用煤部分氧化(燃烧)释放热量,维持在该煤种的灰熔点温度以上进行气化反应,反应温度一般为1600S+气化反应过程非常迅速，在极为短暂的时间内完成升温、挥发分脱除、裂解、燃烧及转化等一系列物理和化学过程。
由于反应温度较高,不生成焦油、酚及高级桂等凝聚的副产物，所以对环境的污染较小。
鉴于以上优点，目前干煤粉气化炉已受到越来越多的青睐。
针对干煤粉气化炉在运行中存在的问题，以及在现场的使用情况,对干煤粉气化炉进行优化设计研究具有十分重要的意义。
1存在的问题某公司使用干煤粉气化炉,投运以来主要存在以下问题：(1)气化炉环隙超温现象时有发生，挂渣不稳定导致热通量波动［I］,影响系统安全稳定运行，制约生产长周期。
(2)干煤粉在输送过程中时有夹带杂物，因烧嘴流道设计不合理易造成异物堵塞和偏喷;气化烧嘴偏喷使抓钉烧蚀、挂渣困难,造成热通量波动大。
基于以上现实状况,该公司气化装置实现长周期稳行制因,程上为文章编号：2096-3548(2019)11-0004-02该公司难以达产达效的主要原因之一+2优化设计方案2.1烧嘴座与筒体环隙密封氮气控制原设计烧嘴座保护氮气，流量计量程(体积流量，下同)为0~16m3/h,流量计孔板孔径为3.9mm,限流孔板孔径为1mm。
在实际运行中，流量计显示满量程,无法对进入烧嘴座的保护氮气体积流量进行准确计量。
科腾气化炉内流场及渣层热应力数值模拟常压气化技术投资成本小,日常维护费用低,成为广大中小型氮肥化工厂的最佳选择,具有良好的发展前景。
科腾气化炉是一种新型高效的强旋转常压煤粉气流床气化技术,其一、二次风布置方式使炉内形成强烈、复杂的旋转流场,也对气化炉内进行的煤气化反应产生强烈影响,解决了气流床气化炉内壁耐火材料以及气化炉烧嘴寿命短、煤粉在炉内停留时间短和碳转化率低下等问题。
对科腾气化炉的热态流场和渣层热应力场进行数值模拟,有助于了解其运行工作特性,对工况和气化炉结构进行优化。
本文对科腾气化炉流场域建立了几何模型,运用数值模拟方法,使用Fluent软件对现场热态试验工况进行了模拟运算,分析了科腾气化炉热态流场特性,研究了上下二次风配比、给煤量对科腾气化炉热态流场的影响。
在热态工况计算的基础上,以热态模拟计算温度为边界条件,基于有限元方法,使用Ansys Mechanical APDL软件对科腾气化炉内渣层热应力场进行了计算并进行分析。
对热态流场的数值模拟,合成气出口有效气成分随上下二次风配比先增后减,上下二次风配比2:8为最优工况;合成气出口有效气成分随给煤量增加,在所研究范围中,给煤量4.796kg/s的工况为最优工况。
对渣层热应力的数值模拟,炉膛升温时,渣层中靠近向火侧位置等效应力大,靠近渣层—SiC位置等效应力小,应力表现为受压;炉膛降温时,新生固态渣区域和旧有固态渣区域中都表现出靠近渣层—SiC交界面位置等效应力大的特点,但新生固态渣区域等效应力比旧有固态渣区域中大,应力均表现为受拉。
炉膛降温时更易发生渣层的破坏。
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课程：新能源开发与利用 专业：农业机械化及其自动化 姓名：XXX 学号：XXXXXXXX 教师：XXX 2
小型家用气化炉设计及数值计算 XXX （院系:南农工学院农机系 学号：XXXXXXXX E-mail：XXXXXXX@qq.com） 摘要：随着化石燃料资源的日益减少以及在利用过程中对环境造成的巨大破坏，生物质能的
资源化利用正受到越来越多的重视。而小型家用生物质气化技术由于具有结构简单，管路短，操作维护简单方便，耗资少等优点，适应于我国农村目前普遍的经济水平和组织体制。本文结合我国农村的实际情况，设计出小型家用生物质上吸式气化炉。该小型家用气化炉解决了现役气化炉中气化性能不理想，焦油含量高的问题。相信此类气化炉将在未来占据一定规模的市场份额，逐步推广到我国农村偏远地区，为解决民生问题作出巨大贡献。
关键词：气化炉；生物质；数值设计；秸秆；净化装置 Small Household Gasifier Design And Numerical Calculation XXX (departments: south NongJiXi a&m college student number: XXXXXXX E-mail:XXXXXXX@qq.com) Abstract:With the dwindling of fossil fuel resources and caused enormous damage to the environment in the process of utilization, biomass utilization is being more and more attention. And because small household biomass gasification technology has the advantages of simple structure, short line, simple and convenient operation and maintenance, less cost, adapted to the current general economic level and organization system in the rural areas. Combined with the actual situation of our country rural area, this paper designed a small household suction on the biomass gasifier. The small household gasifier has solved the active service in the gasifier gasification performance is not ideal, the problem of high tar content. Believe this kind of gasifier will occupy the market share of a certain size in the future, gradually to remote rural areas in China, the huge contribution to solve the problem of the people's livelihood. Key words:gasifier; biomass; numerical design; straw; purification plant 0 引言 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。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。由此，我国小型家用生物质气化炉逐步进入人们的视野。 基于党和政府对生物质能开发利用的高度重视，给小型家用生物质气化炉的发展带来了机遇。小型家用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，小型家用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。 1 气化炉分类及原理概述 1.1 气化炉分类 气化炉是生物质气化设备的核心技术，大体上可分为两大类，即固定床气化炉和流化床 3
气化炉。 1.1.1 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。 其中，以上吸式气化炉为例。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CO2以及水蒸气反应，CO2和H2O等还原为CO及H2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。 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。上吸式气化炉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，且相较其他类型结构简单，加工制造容易，炉内阻力小。 1.1.2 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。 一般家用气化炉选择固定床气化炉。 1.2 气化炉原理 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、H2、CH4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，大致分为氧化反应、还原反应、裂解反应和秸秆的干燥。 1.2.1 氧化反应 空气由气化炉的底部进入，在经过灰渣层时被加热，加热后的气体进入气化炉底部的氧化区，在这里同炽热的炭发生燃烧反应，生成二氧化碳同时放出热量，由于是限氧燃烧，氧气的供给是不充分的，因而不完全燃烧反应同时发生，生成一氧化碳，同时也放热量。在氧化区，温度可达1000~1200℃，反应方程式为： C+O2=CO2+△H，△H=408.8千焦 在氧化区进行的均为燃烧反应，并放出热量，也正是这部分反应热为还原区的还原反应、物料的裂解和干燥，提供了热源。在氧化区中生成的热气体（一氧化碳和二氧化碳）进入气化炉的还原区，灰则落入下部的灰室中。 1.2.2 还原反应 在还原区已没有氧气存在，在氧化反应中生成的二氧化碳在这里同炭及水蒸气发生还原反应，生成一氧化碳（CO）和氢气（H2）。由于还原反应是吸热反应，还原区的温度也相应 4
降低，约为700~900℃。 还原区的主要产物为一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）和氢气（H2），这些热气体同在氧化区生成的部分热气体进入上部的裂解区，而没有反应完的炭则落入氧化区。 1.2.3 裂解反应 在氧化区和还原区生成的热气体，在上行过程中经过裂解层，同时将秸秆加热，当秸秆受热后发生裂解反应。在反应中，秸秆中大部分的挥发分从固体中分离出去。由于秸秆的裂解需要大量的热量，在裂解区温度已降到400~600℃。 在裂解反应中还有少量烃类物质的产生。裂解区的主要产物为炭、氢气、水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、焦油及其他烃类物质等，这些热气体继续上升，进入到干燥区，而炭则进入下面的还原区。 1.2.4 秸秆的干燥 气化炉最上层为干燥区，从上面加入的物料直接进入到干燥区，物料在这里同下面三个反应区生成的热气体产物进行换热，使原料中的水分蒸发出去，该层温度为100~300℃。干燥层的产物为干物料和水蒸气，水蒸气随着下面的三个反应区的产热排出气化炉，而干物料则落入裂解区。 气化实际上总是兼有燃料的干燥裂解过程。气体产物中总是掺杂有燃料的干馏裂解产物，如焦油、醋酸、低温干馏气体。所以在气化炉出口，产出气体成分主要为一氧化碳（CO），二氧化碳（CO2）、氢气（H2）、甲烷（CH4）、焦油及少量共他烃类，还有水蒸气及少量灰分。
2 气化炉总体方案的确定 2.1 设计原则 气化效率高，燃气质量好。目前市场上许多生物质气化炉气化效率较低或是不稳定，燃气品质较差，因此，必须合理设计气化炉炉膛结构，提高气化品质。 物料适应性好。由于农村生物质种类较多，设计出的生物质气化炉对原料应具有广泛的适应性;同时，由于面向各家用户，对于原料无需经过复杂的预处理，一般铡成小段即可。 坚固耐用、安全稳定。选择合理的耐火材料与保温材料，设计合理的检修口，增加设备运行的可靠性，安全性和维修的简便性。 结构简单，操作方便，价格便宜。由于生物质气化炉主要用于农村，面向农户，因此结构不能过于复杂，需要设计合理，便于日常操作;同时还要尽可能地降低成本，以利推广。 2.2 拟达到的主要技术指标 气化效率稳定达到65%，生物质燃气低位发热量大于6.0MJ/Nm3，氧含量小于1.0%。 气化炉运行稳定，能够连续运行3小时左右，产气量6～83m以上，可供农户一天的炊事使用;封火时间12h以上。 2.3 气化炉的选型 由于农村单户使用并不需要不断地添料，可以采取间歇式加料，而且输送管道短，产出的气体可以立马用掉，因此对可燃气中焦油含量要求并不严格，无需使用繁杂的设备脱除焦油。所以，可选择上吸式气化系统作为小型家用生物质气化炉的基本炉型。 上吸式气化炉的主要特点是:通用性好，原料无需经过较为复杂的预处理过程，对原料的种类、尺寸、含水量等没有严格的要求；炉体结构简单，成本低，操作及维修方便；可燃气经过热分解层和干燥层时将热量传递给物料，自身温度降低，热效率较高；热分解层和干燥层对可燃气有过滤作用，出炉的可燃气灰分少；且炉排受进风冷却，工作比较可靠。
