多功能生物質(zhì)氣化爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)湘潭大學(xué)機(jī)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(chǔ)，設(shè)計(jì)測(cè)量爐內(nèi)溫度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)爐體結(jié)構(gòu)的不足進(jìn)行了分析和改進(jìn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)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(nèi)溫度場(chǎng):優(yōu)化設(shè)計(jì)-前言區(qū)、干燥區(qū)、裂解區(qū)四個(gè)反應(yīng)區(qū)域"。氧化區(qū)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(dá)到1000C左右，用不僅可以解決能源匱乏的問(wèn)題，還具有顯著的社主要反應(yīng)式叫為:會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。生物質(zhì)傳統(tǒng)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(yán)重地污染了環(huán)境。通過(guò)生物質(zhì)還原區(qū)主要是炭的不完全燃燒，溫度約為氣化或炭化將其轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)能源，改變生物質(zhì)能700~900C，主要反應(yīng)式為:的傳統(tǒng)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(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且為我國(guó)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(duì)于經(jīng)濟(jì)相對(duì)裂解區(qū)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(nóng)村用戶(hù)，實(shí)現(xiàn)集中供發(fā)物逐漸達(dá)到裂解溫度，發(fā)生熱裂解，生成CH,及氣不現(xiàn)實(shí)。因此，研制成本低、效事高.適用性強(qiáng)CH.等有機(jī)可燃?xì)怏w|。的家用型生物質(zhì)氣化爐灶具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)意義，應(yīng)用前景十分廣闊"。三實(shí)驗(yàn)研究通過(guò)調(diào)查研究,目前氣化爐普遍存在氣化效率1實(shí)驗(yàn)裝置不高、焦油含量偏高、穩(wěn)定性差及爐內(nèi)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(shì)叫,在現(xiàn)有的理論和參考文獻(xiàn)中,的水分、灰分、顆粒大小、氣化爐內(nèi)溫度分布、氣還沒(méi) 有徹底解決氣化爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布規(guī)律的問(wèn)題)。體在爐體內(nèi)停留時(shí)間和氣體壓力等時(shí)。本文在實(shí)驗(yàn)本 實(shí)驗(yàn)在高效生物質(zhì)氣化爐的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套的基礎(chǔ)上,測(cè)得爐體內(nèi)溫度場(chǎng)的分布,并以實(shí)驗(yàn)為能方便測(cè)量爐內(nèi)溫度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置。氣化爐錐部尺依據(jù)設(shè)計(jì)了解決搭橋現(xiàn)象、提高氣化效率和減少焦寸為300mm x 150mm X 150mm,包括氧化區(qū)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(qū)，為測(cè)得燃燒過(guò)程中爐內(nèi)溫度分布及通風(fēng)造提供了理論依據(jù)。后對(duì)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(cè)溫孔;氧化區(qū)和還原區(qū)是氣化爐二生物質(zhì)氣化爐的工作原理的核心中國(guó)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(yīng)是比較復(fù)雜層上1二k區(qū)和裂解區(qū)中，CNMHG的物理、化學(xué)平衡過(guò)程”。其反應(yīng)機(jī)理可簡(jiǎn)述為:當(dāng)只需檢明)件內(nèi)疋言反土指所優(yōu)教和測(cè)定排氣溫度,底部燃料引火點(diǎn)燃后，反應(yīng)室內(nèi)分為氧化區(qū)、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(yù)測(cè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(cè)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(cè)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(jī)供氧，待爐內(nèi)原料被點(diǎn)燃時(shí),關(guān)閉爐1~ 6層屬于氧化還原反應(yīng)區(qū),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(wěn)定后，關(guān)閉燥區(qū)。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(diào)節(jié)供氧閥門(mén)使燃燒火焰為藍(lán)色。熱電偶(3)溫度測(cè)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(nèi)或者同一豎直位置的三個(gè)孔內(nèi)，其他位置的孔用螺樸倦導(dǎo)栓擰入，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，測(cè)量三個(gè)點(diǎn)溫度,調(diào)節(jié)熱轉(zhuǎn)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(cè)得整個(gè)爐體的溫度數(shù)顯儀溫度分布。測(cè)完溫度后,關(guān)閉風(fēng)機(jī)，打開(kāi)煙窗閥門(mén), ..080關(guān)閉排氣閥門(mén)，定期觀察爐體內(nèi)是否熄火，記錄最長(zhǎng)封火時(shí)間。圖1實(shí)驗(yàn)裝置2實(shí)驗(yàn)步驟四實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析本實(shí)驗(yàn)采用木屑為原料，具體步驟如下:1數(shù)據(jù)整理及分析(1)裝料及密封當(dāng)爐灶火焰穩(wěn)定時(shí)，測(cè)得爐體內(nèi)部溫度如表1將原料從進(jìn)料口裝入爐體內(nèi)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)口的母線料口旁邊的環(huán)形槽中加入- -定量的水，將密封蓋扣弧長(zhǎng)X; Y表示測(cè)量位置點(diǎn)n時(shí),熱電偶伸進(jìn)爐內(nèi)入水中，形成水封。的深度Y;T表示位置點(diǎn)n在相應(yīng)Y。下測(cè)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(yàn)結(jié)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(qū)域。置點(diǎn)的最高溫度達(dá)到87C。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)管路爐體內(nèi)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(dǎo)致焦曲維中國(guó)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(nèi)帶走了大量的熱TH.CNMH G線).T。T.T。明.量。處于燃燒喉部區(qū)的中心平均溫度為900C左右，顯下降。頭巡衣明，爐伴內(nèi)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(dá)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(jī)空氣進(jìn)口向三個(gè)進(jìn)風(fēng)管分配并在爐內(nèi)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(jī)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?zé)碛暨M(jìn)風(fēng)預(yù)熱盍00十00進(jìn)風(fēng)口00一二工出友口00000000001000x/m團(tuán)2爐體內(nèi)各層溫度T隨偏離進(jìn)風(fēng)口距離X的變化曲線圖4優(yōu)化后的爐體2實(shí)驗(yàn)結(jié)論避免因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)和排氣不在同一軸線上而出現(xiàn)燃燒偏從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，與同層的其他位置相比,靠近離現(xiàn)象; 針對(duì)缺點(diǎn)b,增加喉部高度和喉部上的部直風(fēng)機(jī)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(qū)域完全處于燃燒喉部針對(duì)缺點(diǎn)C，散失的熱量大,喉部區(qū)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(xiàn)象，加工也更體結(jié)構(gòu)(如進(jìn)風(fēng)口、排氣口、錐部燃燒區(qū)等)需要進(jìn)一加方便， 針對(duì)缺點(diǎn)d,在爐體上部加-一個(gè)容量為30L步優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)提高熱效率。的水箱,既降低了排氣溫度，也可以滿足-家3~53氣化爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)，可明顯看到爐體設(shè)計(jì)中存在以到儲(chǔ)氣罐中，利用冷空氣和燃?xì)饣旌?，降低混合氣下缺點(diǎn): a爐內(nèi)溫度分布不均勻?qū)е職饣什桓?體溫度，使焦油能夠充分冷凝I0,針對(duì)缺點(diǎn)e,在b.燃燒喉部尺寸過(guò)小，導(dǎo)致原料燃燒過(guò)程中，氧化還喉部?jī)?nèi)側(cè)加一保溫層,減少熱量交換，提高熱利用率。原反應(yīng)區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)可知錐簡(jiǎn)不利于塌料，導(dǎo)致產(chǎn)生搭橋現(xiàn)象，d.排氣溫度過(guò)高，導(dǎo)致大量焦油揮發(fā),而焦油在儲(chǔ)氣罐中不能完全凝結(jié)，使儲(chǔ)氣罐到灶頭的管路中出現(xiàn)堵塞現(xiàn)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(shè)計(jì)針對(duì)缺點(diǎn)a,改進(jìn)了進(jìn)風(fēng)口(見(jiàn)圖3),讓風(fēng)機(jī)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(yù)熱后再進(jìn)入爐體內(nèi)，.通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)測(cè)試，氣化爐的技術(shù)指標(biāo)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(dá)到40%以上。表2氣化爐的技術(shù)指標(biāo)氣化強(qiáng)度(kg/m2●h)200氣化效率(%)，75~85中國(guó)煤化工50001HCN MH 300-20007~10(轉(zhuǎn)下頁(yè))團(tuán)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(yīng)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(yīng)用現(xiàn)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(chǔ)存在燃料在涉及氫氣儲(chǔ)存時(shí)，凈能量密度比H2在復(fù)合物和中的化學(xué)能溫和地轉(zhuǎn)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(yīng)溫度、佳燃料，目前發(fā)達(dá)國(guó)家中與汽車(chē)、能源相關(guān)的大公反應(yīng)壓力低; (4)產(chǎn)物中CO含量低; (5)制氫反應(yīng)無(wú)司都在加速進(jìn)行燃料電池的開(kāi)發(fā)。要實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換NO,、so, 等排放物: (6)對(duì)現(xiàn)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(chǔ)存、輸送、分配及加注等環(huán)節(jié)尚存在諸多技術(shù)難點(diǎn),因此無(wú)法滿足各種‘一 重 整制氫技術(shù)規(guī)模的燃料電池對(duì)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(xiàn)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(zhuǎn)換效率高、技術(shù)在結(jié)構(gòu)、效率和對(duì)燃料的適應(yīng)性等方面有不同容易運(yùn)輸和攜帶等特點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)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(shì)，是近期乃至中期最現(xiàn)實(shí)的燃料電池氫源優(yōu)勢(shì)，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(xiàn)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(zhuǎn)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(dāng)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(xiàn)狀與發(fā)展[D.五結(jié)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(nóng)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(guī)能源，就地取材，操作簡(jiǎn)[5]鄭藝華,孫文策陰燃?xì)饣膶?shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(fù),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(jì)性好、污染小等優(yōu)點(diǎn)，解決了農(nóng)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(nóng)村地區(qū)ronment Intermational,2003,29(1):105 - 122.推廣使用有很大現(xiàn)實(shí)意義和巨大的市場(chǎng)前景。[8]曹?chē)?guó)良,張小曳,王丹等中國(guó)大陸生物質(zhì)燃燒排放的污染物清單[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)20525():389 - 393.大田鵬參考文獻(xiàn)中國(guó)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