农村生物质气化炉系统课程设计

ModifiedbyJACKontheafternoonofDecember26,2020农村生物质气化炉系统课程设计目录TOC\o"1-3"\h\z\u一、设计的原始资料TOC\o"1-3"\h\z\u设计原因目前，部分农村地区仍存在秸秆焚烧、采用燃煤炊事取暖现象。秸秆的焚烧不但污染了大气环境，还使得储存在秸秆中的能量白白的浪费。随着一次能源的日益枯竭，生物质等新能源领域受到了人们的青睐。如何环保高效地发挥秸秆的潜能成了许多学者的研究方向，近年来，生物质气化炉的发展日益成熟，但仍存在着有待攻关的难。本文主要设计了适合小型农户自产自销秸秆等生物质气化炉用于炊事采暖，设计操作简单、经济性能好，具有一定的可行性。设计题目　某农村住宅生物质气化气应用的规划设计设计条件1.所在地区：辽宁省沈阳市2.农村住宅平面图及尺寸，如下图1-1所示3.一家4口人。储物间内走廊卧室2客厅卧室1洗浴室书房餐厅设计方案根据该农村住宅所在地的气候条件和房屋维护结构保温情况采用面积概算热指数计算房间热负荷，并依此确定散热器类型和所需散热器片数，然后设计住宅供暖系统，确定供暖形式，绘制供暖管网平面图和系统图，再依据等温降法进行管网水力计算，依此选择各个管段的管径，并配置相应的管路附件（补偿器、除污器、排气阀等）；其次再统计计算该住宅生活日用气量，选择气化炉类型，初步估计气化炉气化强度，确定生物质日消耗量和气化炉热功率进而确定气化炉形状和各部位尺寸，计算生物质气化和气化气完全燃烧需空气量，依此选择相应的风机，并配置相应的附件设施。二、供暖热负荷的计算房间热负荷的计算考虑到农村住宅户型占地面积较宽裕，且生物质气化炉会产生烟尘、噪音，具有一定的不安全因素。因此，将锅炉设备不放置在主体建筑中。设计中将气化锅炉与燃气炉都设置在主体建筑左边的新建的屋子中。故考虑整个主体建筑的热负荷，计算如下：设计热负荷，按面积概算热指数计算，即：　　（2-1）式中：—建筑物的供暖热负荷，KW;　—建筑面积;—单位面积供暖热指标。以卧室1为例，,，根据公式（2-1）计算出卧室1的设计热负荷为：依次计算个房间的采暖热负荷，详见2-1。表2-1各个房间供暖热负荷房间室内计算温度(℃)供暖热指标(W/m2)供暖热负荷(kW)卧室118105卧室218105客厅18105内走廊16100餐厅18105洗浴室18105储藏室16100书房18105散热器的选择及计算散热器的选取要综合衡量散热器的热工性能、经济方面、安装使用和工艺方面的要求。本设计中选取铸铁四柱760型散热器，该散热器每片的散热面积为。采暖系统为上供下回式，给回水温度为95℃/70℃,散热器为同侧连接上进下出，明装，但上部有窗台板覆盖，距窗台板高度为150mm。则各房间需暖气片数可由下式进行计算：散热器面积：（2-2）式中：—散热器散热面积，；—散热器的散热量（即房间热负荷），W；K—散热器传热系数，(W·/℃)；—散热器内热媒平均温度，℃；—采暖室内计算温度，℃；β1—散热器组装片数修正系数；β2—散热器连接修正系数；β3—散热器安装形式修正系数。散热器片数：（2-3）式中：—散热器片数，片；—散热器散热面积，㎡；—每片散热器的面积，㎡/片。以卧室1为例，供暖热负荷为，室内计算温度为18℃，以卧室为例，供暖热负荷,室内计算温度℃，散热器内热媒平均温度℃，。查散热器散热系数表可知此时K=，由散热器安装形式查散热器安装修正系数表知，所以片，考虑实际情况，卧室应安装散热器片数25片。依次计算各个房间需要的散热器片数，详见表2-2。房间/℃Kβ1β2β3散热器片数卧室125卧室212客厅25内走廊17餐厅25洗浴室11储藏室10书房11管道的布置本设计中选用上供下回式热水供暖系统，按明装方式敷设，以下同。给回水温度为95/75℃，据窗台板高度150mm。1.总立管的位置外网热水从室内总立管输送给各个分支的水平供水干管，总立管比较粗，所以设在辅助房间里，不影响日常生活。2.供水干管的位置其位置设置在高处，为排除空气，坡度大于，最高处设置集气罐等排气装置。3.回水干管的布置回水干管设置在地面上，在地面铺设过门时，采用门上绕行通过的方式，最低点处设置泄水阀。4.供回水立管的位置立管设置在外墙角处，避免揭露结霜。设置在两外窗之间的墙面处，以便与两侧连接散热器。每根立管的上下端设置截断阀门，以便于系统检修是放水。有冻结危险的地方单独设立立管。5.散热器支管布置为排除散热器上方的空气和有利于排水，散热器供回水支管按按水流方向设置向下的坡度，不小于。管道的水力计算采用等温降法对本供暖系统进行水力计算。（1）确定管段流量根据已知热负荷Q和规定的供回水温差,计算出每根管道的流量G,即G=0.86QΔt(参照简明供热手册144页5-24)(2-4)式中：G—流量，kg/h；Q—热负荷，W；Δt—供回水温差，℃。以管段T1例，热负荷Q=1470W,供回水温差Δt=25℃，所以流量为：G=0.86QΔt=kg/hP144,5-24(2-5)依次计算将最不利环路各管段的流量列入表2-3。(2)确定最不利环路的平均比摩阻,确定系统最不利循环路。由图可知,最不利循路为T1~T11管路，环路总长度ΣL=。确定最不利循环管路的综合作用压力Δpzh=Δp+Δpf(参照简明供热手册144页5-26)(2-6)=gHρh-ρg+Δpf(参照简明供热手册146页，5-26)(2-7)=××（式中:ΔPf—最不利循环环路水冷却产生的附加压力,Pa,P146,表5-15Δp—环路作用压力，Pa；H—散热器中心与锅炉中心的垂直高差，；ρh—回水密度，kg/m3；(参照简明供热手册84页表4-2)ρg—供水密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2。RRj=aΔpzhl==m(参照简明供热手册145页5-25)式中：RRj—平均比摩阻，Pa/m；a—摩擦损失占总压力损失的百分率，重力循环供暖热水供暖系统为；Δpzh—环路综合作用压力，Pa；Σl—最不利环路总长度，m。(3)确定各管段管径根据各管段流量G和平均比摩阻RRj，查热水采暖系统水力计算表确定选取的管径,就是接近平均比摩阻的管径，实际比摩阻Rsh和实际流速vsh。((参照简明供热手册附表1)管段1：G=h，RRj=，选用管径DN20G=h，Q=,Rsh=1.33pa/m,vsh=sG=h，Q=,Rsh=1.38pa/m,,vsh=s用内插法可求得当G=h，Rsh=1.34pa/m,,vsh=s最不利环路其他管段的管径见表2-3。（4）计算各管段的压力损失ΔPΔp=(λdl+ξ)ρv22(参照简明供热手册137页，5-17)(2-8)=R×l+ξρv22(参照简明供热手册112页5-2)(2-9)V=G900πd2ρ(参照简明供热手册114页5-1)(2-10)R=λdρv22lP(参照简明供热手册112页5-2)(2-11)式中：—管段压力损失，Pa；—摩擦系数；—管道直径，m；—管道长度，m；—比摩阻，Pa/m；—局部阻力系数；—热媒密度，kg/m3；—热媒在管内的流速，m/s。管段1：热媒密度=m3，流速=s沿程压力损失：Δpy=R×l=×4=(参照简明供热手册116页，5-16)(2-9)局部压力损失：Δpj=ξ×ρv22=1×=Pa(参照简明供热手册115页5-15)(2-12)该管段总压力损失：Δp=Δpy+Δpj=Pa(参照简明供热手册117页5-1)(2-13)依次计算将最不利环路各管段的压力损失列入表2-3.表2-3管路压力损失计算表管段号管道长度(m)比摩阻Rsh(Pa/m)管径(公称直径）(mm)流量G(kg/h)流速vsh(m/s)沿程损失Δpy(Pa)局部损失Δpj(Pa)压力损失Δp(Pa)14202725315415541562071582597251031511420Pa储备压力Δ=（表2-4管道局部阻力系数计算表三．生物质气化炉的设计气化炉类型的选择由于生物质气化炉主要时用在农村，它要求燃气质量好，发热量高，适合炊事供暖；杂质含量（特别是焦油）低使煤气表和燃气灶不容易堵塞，从而延长使用寿命；炉体结构简单，成本低，操作和维修方便；通用性好，适合于挥发分含量较高的农林废弃物气化。衡量上流式、下流式和横流式三种型号气化炉，上流式气化炉综合性能能满足上述要求。故本设计采用上流式气化炉。气化炉产气量的确定初步拟定原料消耗量和气化强度根据生物质气化系统的市场调研和相关文献与经验，农户一个四口之家每天用气量大约为8-10，用气时间为3h左右，消耗生物质原料9-10kg，因此，初步设计该用户型上流式气化炉消耗的原料量C0=h；初步确定气化强度为=70kg/(·h)（2）气化空气量的确定①?原料完全燃烧所需的理论空气量（）生物质原料一般含有碳、氢、氧、氮、硫等元?素，由于氮和硫的含量非常低，所以本研究中不考虑氮、硫与氧的燃烧反应，只考虑碳、氢与氧的燃烧反应。碳完全燃烧的反应：（3—1）根据物质的量守恒定律，1kg碳完全燃烧需要氧气。氢燃烧的反应：（3—2）同理，根据物质的量守恒定律，1kg氢燃烧需要氧气。原料中已经含有氧，相当于1kg原料已经供给32=氧气，氧气占空气的21%，所以生物原料完全燃烧所需的理论空气量：（3—3）式中：—原料完全燃烧所需的理论空气量，；—原料中碳元素的含量；—原料中氢元素的含量；—原料中氧元素的含量。玉米秸秆所含主要元素的含量见附表一为：因此，玉米秸秆完全燃烧所需的理论空气量为：②实际需要通入的空气量为理论上的玉米秸秆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=，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：==（3—4）式中：—实际需要通入的空气量，；—过量空气系数；—原料完全燃烧所需的理论空气量，。③原料气化所需的空气量查阅资料，当当量比为时，即气化反应所需的氧仅为完全燃烧耗氧量的25%-30%，产出气成分较理想。所以取当量比为。（3—5）式中：—原料气化所需的空气量，；—气化当量比；—原料完全燃烧所需的理论空气量，。气化炉主要性能指标的拟定①气化燃气流量q空气(气化剂)中2N含量79％左右，气化生物质产生的燃气中2N含量一般在50％左右，考虑到2N在该气化反应中几乎很少发生反应，据此，拟燃气流量是气化剂(空气)流量的倍，则可燃气流量q为：（3—6）式中：q—气化燃气流量，（）；—气化炉消耗的原料量，kg/h；—原料气化所需的空气量，。②燃气的低位发热量经查找资料，气化燃气的低位发热量③气化效率η拟定气化效率η=70％(4)气化炉主要气化参数的计算①原料单位时间消耗量C（3—7）式中：—原料的低位发热量，。②气化强度Φ（3—8）③产气率G（3—9）④设计热功率P（3—10）气化炉尺寸的计算本设计炉膛采用结构简单的圆筒式设计。在上流式气化炉中，反应温度随反应层的高度增加而减小，在运行中，其他条件确定，反应层高度反映了反应温度，它可以通过调节料层高度来实现。为了方便使用，便于控制，每次加料都需要加满，因此控制炉膛高度就可以控制料层高度。另外炉膛内壁涂耐火土层，空隙中填珍珠岩，将少内部热量损失。炉膛截面积S（3—11）②?炉膛截面直径D（3—12）③?炉膛的原料高度L（3—13）式中：—生物质原料在炉膛中的堆积密度。由于使用的原料是压缩成型玉米秸秆，成型料的堆积密度一般为原料堆积密度的10倍左右，取=500。④?气化炉的总高度H查询相关资料，取内筒的高度系数，则内筒高度。考虑到气化炉点火时灰烬需要占用一定的空间，且要保证炉内的原料能够在一定的压力作用下稳定地下移，物料的顶部也需要一定的气流和加料空间，所以设计中炉子内筒实际高度取h=；灰渣室取高，所以炉子的总高度H约为送风口结构尺寸①一次风口的尺寸上流式气化炉一次风口，采用在炉膛壁上开小孔的设计方式。通过气化原料气化所需的空气量确定风口的尺寸，风口的几何尺寸内径按下式计算：（3—14）式中：—生物质原料的消耗量，kg/h；—风口中空气流速，m/s；—原料气化所需的空气量，；—风口直径，m；—风口个数，因此风口采用6个内径为5mm的孔，沿圆周方向均匀分布，计算得到风口中空气流速为／s。在结构允许的条件下，较多的风口有利于空气和物料的良好混合，但也增大了阻力，增加了风机的负荷。②二次进风口孔的尺寸燃烧室下方开有二次风口，通入适量空气使产生的气化气充分燃烧，所以需要合理地确定二次风口的尺寸。空气是由风扇经同一送风口送入炉膛，由配风阀分配一二次风的量，流速相同，因此二次进风口尺寸可根据一次进风口尺寸确定。由气化当量比可知，则燃烧所需空气量：（3—15）所以二次进风量与一次进风量比为，由此可知，进风口面积比，由上文可知，设计的一次进风口个数为6个，直径为5mm。燃烧室下方的一排二次进风口，沿燃烧室壁均匀分布，总个数为10个，即其中：—一次进风口孔的直径；—二次进风口孔的直径。所以算得进风口直径为5mm，二次进风量需要保证气化气完全燃烧，前文中也考虑了过量空气系数，因此设计时取=8mm。四.附属设备的选择燃气灶燃气灶选择绎家-Y10节能型号，其规格参数如表4-1所示表4-1绎家-Y10参数热流量面板材质钢化玻璃进风方式上进风产品尺寸730*410*110mm膨胀水箱膨胀水箱选用开式高位膨胀水箱，规格见表4-2。表4-2膨胀水箱规格公称面积（）有效容积（）长（）宽（）高（）14009001100排气阀本设计采用Honeywell公司的德标自动排气阀，DN15。补偿器本设计采用自然补偿。除污器本设计采用上海阀门SRBA直通提篮式法兰过滤器，规格：口径DN40-DN60，过滤孔径6。五.设计总结根据原始设计数据，通过查阅资料、文献，设计出生物质气化炉。得出下表结论：参数结论总供暖热负荷总散热器片数散热器型号总压力损失总沿程损失总局部损失气化炉类型气化效率气化炉高度燃气灶类型排气阀类型补偿器类型除污器类型99片铸铁四柱760型上流式70%绎家-Y10Honeywell自动排气阀自然补偿器上海阀门直通法兰式附表一表2-4管道局部阻力系数计算表局部阻力名称在下列管径时的值截止阀1520253240≥50直流三通管段号管段局部阻力管段局部阻力系数11个直流三通22个直流三通32个直流三通42个直流三通52个直流三通62个直流三通72个直流三通82个直流三通92个直流三通102个直流三通112个直流三通，1个截止阀11．0七.参考文献[1]张思思.我国村镇住宅采暖热负荷指标计算.2009[2]李岱森.简明供热设计手册.中国建材工业出版社，2009.[3]张玉萍，刘晓勇.实用建筑水暖安装技术手册.北京：中国建材工业出版社，[4]王宇清.供热工程.北京：机械工业出版社，[5]姜湘山.建筑给排水与采暖设计.北京：机械工业出版社，[6]龚光彩.流体输配管网.北京：机械工业出版社，[7]孙立，张晓东.生物质热裂解气化原理与技术.北京：化学工业出版社，[8]刘荣厚.生物质能工程.北京：化学工业出版社，[9]车丽娜.户用型上吸式生物质气化炉的结构优化设计[D].新疆：石河子大学，