家用高热值燃气生物质气化炉设计及实验研究

摘要

湖南生物质资源相当丰富尤其是稻草、柴草及木柴等资源，虽然目前市场上已经有很多家用型的生物质气化炉可以将生物质燃料转换为生物质燃气以提高生物质能源的利用效率，但是由于其普遍使用空气作为生物质燃料的气化剂，其气化反应生成的燃气含氮气、焦油和灰分等杂质成分较多从而造成生物质燃气的CO、H2和CH4含量及其燃烧热值普遍比较低，因此，设计一种采用空气-水蒸汽作为气化剂的高热值燃气生物质气化炉，并对其如何配给这两种气化剂进行试验研究，为优化两种气化剂的配给参数以及提高气化气中可燃生物质燃气主要成分体积浓度及其燃烧热值提供参考，对提高生物质能源利用效率具有重大意义。
　　本研究家用气化炉类型为固定床双炉膛结构上吸式气化炉，以干稻草颗粒为燃料，采用空气-水蒸汽气化剂；根据燃烧化学反应和传热学等原理，设计一套家用高热值燃气生物质气化炉系统，并优化空气入口流量、水蒸汽入口位置及其入口流量三个参数；最后搭建此试验平台进行试验，并研究气化剂的种类、气化剂流量流速对可燃生物质燃气主要成分含量及其热值的影响。
　　本研究主要完成的内容与研究结果：
　　（1）根据目前农村4-6人家庭的2天用气要求，设计一套双炉膛结构固定床上吸式家用高热值燃气生物质气化炉系统，气化炉内采用“井”字型多孔供风装置、可调节水蒸汽流量流速的水蒸汽供给装置、炉栅装置和炉盖装置。另外，气化炉每次运行时都能保证有一个炉膛内的燃料起到过滤净化燃气的作用从而提高燃气品质。
　　（2）本研究将双炉膛结构气化炉中工作运行的气化炉作为气化反应数值计算区域，利用生物质燃料燃烧气化反应的相关原理，分析气化反应生成可燃生物质燃气的主要成分CO、H2和CH4的体积浓度及燃气热值；采用Fluent计算流体软件进行数值模拟，研究气化炉内水蒸汽入口距离炉栅位置高度、水蒸气入口流量与空气入口流量等参数对CO、H2和CH4的体积浓度及燃气热值影响，得出其规律；设计合理的正交试验并进行试验测试研究，寻求这三个参数最优值，完成影响CO、H2和CH4的体积浓度及燃气热值的参数优化。
　　（3）结果表明：采用空气-水蒸作为气化剂可以提高生物质燃气热值。在影响气化反应所生成燃气成分CO、H2和CH4的体积浓度及燃气热值的三个影响因素中，水蒸汽入口位置高度h对其影响最大，空气入口流量V0次之、水蒸汽入口流量Vs影响最小。根据正交试验与试验测试得出的数据表明：当水蒸汽气化剂入口位置高度h=175mm，空气入口流量V0=0.92m3/h，水蒸汽入口流流量Vs=1.33m3/h时，可燃生物质燃气成分CO、H2和CH4的体积浓度最高，生物质燃气燃烧热值最大且Q=10.46MJ/m3。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2 生物质能源利用技术

1.3 生物质气化炉的国内外研究进展

1.4 本文的主要研究内容

第二章 生物质气化炉系统理论基础分析与设计

2.1 生物质气化炉工作原理

2.2 生物质气化炉结构型式确定

2.3 炉膛容积计算与炉体结构尺寸设计

2.4 气化炉供风系统、炉栅及装料口密封装置设计

2.5 气化炉内水蒸汽供给装置设计

2.6 本章小结

第三章 家用高热值燃气生物质气化炉数值模拟研究

3.1物理模型的建立

3.2 数学模型

3.3 气化炉计算区域的网格划分及边界条件

3.4数值模拟结果分析

3.5本章小结

第四章 家用高热值燃气生物质气化炉的参数优化实验

4.1正交试验设计

4.2实验测试研究

4.3实验结果与误差分析

4.4本章小结

第五章 全文总结与展望

5.1全文总结

5.2展望

参考文献

附录攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢