多功能生物質(zhì)氣化爐的優(yōu)化設(shè)計湘潭大學(xué)機械學(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)計測量爐內(nèi)溫度場的實驗裝置，并對爐體結(jié)構(gòu)的不足進行了分析和改進。優(yōu)化設(shè)計的多功能生物質(zhì)氣化爐，有效地解決了在燃燒過程中存在的溫度場分布不均勻、燃燒偏高、容易搭橋、焦油含量多等問題。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)，氣化爐;爐內(nèi)溫度場:優(yōu)化設(shè)計-前言區(qū)、干燥區(qū)、裂解區(qū)四個反應(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，它的開發(fā)利較充足,炭燃燒比較完全，溫度可達到1000C左右，用不僅可以解決能源匱乏的問題，還具有顯著的社主要反應(yīng)式叫為:會效益和經(jīng)濟效益。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，同時也嚴(yán)重地污染了環(huán)境。通過生物質(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)利用方式是推進生物質(zhì)能市場化的關(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促進了農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，而且為我國能源緊張和C+2Hz= =CH.+75kJ/mol環(huán)境治理提供了一條新途徑。然而，對于經(jīng)濟相對裂解區(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，實現(xiàn)集中供發(fā)物逐漸達到裂解溫度，發(fā)生熱裂解，生成CH,及氣不現(xiàn)實。因此，研制成本低、效事高.適用性強CH.等有機可燃?xì)怏w|。的家用型生物質(zhì)氣化爐灶具有很強的經(jīng)濟意義，應(yīng)用前景十分廣闊"。三實驗研究通過調(diào)查研究,目前氣化爐普遍存在氣化效率1實驗裝置不高、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叫,在現(xiàn)有的理論和參考文獻中,的水分、灰分、顆粒大小、氣化爐內(nèi)溫度分布、氣還沒 有徹底解決氣化爐內(nèi)溫度場分布規(guī)律的問題)。體在爐體內(nèi)停留時間和氣體壓力等時。本文在實驗本 實驗在高效生物質(zhì)氣化爐的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套的基礎(chǔ)上,測得爐體內(nèi)溫度場的分布,并以實驗為能方便測量爐內(nèi)溫度場的實驗裝置。氣化爐錐部尺依據(jù)設(shè)計了解決搭橋現(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，同時也為其他爐體的改分還原區(qū)，為測得燃燒過程中爐內(nèi)溫度分布及通風(fēng)造提供了理論依據(jù)。后對溫度的影響，在進風(fēng)口上60mm和80mm的兩層分別均布3個測溫孔;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)平衡過程”。其反應(yīng)機理可簡述為:當(dāng)只需檢明)件內(nèi)疋言反土指所優(yōu)教和測定排氣溫度,底部燃料引火點燃后，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過理論預(yù)測，設(shè)計實驗裝置如圖1所示，整個實驗打開爐體下部的爐門,裝入一定量的樹枝并點裝置由爐體部分和測溫部分組成。采用三根熱電偶燃，打開煙囪閥門和氣體回流閥門,關(guān)閉排氣閥門,測量同一層或同一列不同三個位置點的溫度。第同時打開風(fēng)機供氧，待爐內(nèi)原料被點燃時,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，并且擰上螺母將其密封。待產(chǎn)氣穩(wěn)定后，關(guān)閉燥區(qū)。煙囪閥門和氣體回流閥門，打開排氣閥門，在灶頭排氣口點火，調(diào)節(jié)供氧閥門使燃燒火焰為藍(lán)色。熱電偶(3)溫度測試及封火將三根熱電偶同時插入爐體同一層的三個孔內(nèi)或者同一豎直位置的三個孔內(nèi)，其他位置的孔用螺樸倦導(dǎo)栓擰入，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換開關(guān)，測量三個點溫度,調(diào)節(jié)熱轉(zhuǎn)換開關(guān)進風(fēng)口電偶在孔中的插入位置和深度可以測得整個爐體的溫度數(shù)顯儀溫度分布。測完溫度后,關(guān)閉風(fēng)機，打開煙窗閥門, ..080關(guān)閉排氣閥門，定期觀察爐體內(nèi)是否熄火，記錄最長封火時間。圖1實驗裝置2實驗步驟四實驗數(shù)據(jù)及分析本實驗采用木屑為原料，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，測得爐體內(nèi)部溫度如表1將原料從進料口裝入爐體內(nèi)并壓實，然后向加所示。表中X。表示位置點n偏離經(jīng)過進風(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X; Y表示測量位置點n時,熱電偶伸進爐內(nèi)入水中，形成水封。的深度Y;T表示位置點n在相應(yīng)Y。下測得的溫度(2)點火T; Z。表示第m層到燃燒喉部底面的距離Z。表1實驗結(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，說明燃燒巳蔓延到喉部以上的區(qū)域。置點的最高溫度達到87C。在實驗過程中發(fā)現(xiàn)管路爐體內(nèi)各層溫度T。隨偏離進風(fēng)口距離X的變化中存在一定量的焦油，表明排氣溫度過高，導(dǎo)致焦曲維中國煤化工置點偏離進風(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度場偏向進風(fēng)口和排氣口,這與進風(fēng)管和排氣管的SOLAR ENERGY 2008布置有密切關(guān)系。風(fēng)機空氣進口向三個進風(fēng)管分配并在爐內(nèi)采用多點供氣(30點),使氣體分布均勻,同的風(fēng)量不相等，靠近風(fēng)機空氣進口的進上風(fēng)管獲得時改進排氣口的位置，使其在爐體的中心(見圖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風(fēng)預(yù)熱盍00十00進風(fēng)口00一二工出友口00000000001000x/m團2爐體內(nèi)各層溫度T隨偏離進風(fēng)口距離X的變化曲線圖4優(yōu)化后的爐體2實驗結(jié)論避免因為進風(fēng)和排氣不在同一軸線上而出現(xiàn)燃燒偏從實驗結(jié)果看，與同層的其他位置相比,靠近離現(xiàn)象; 針對缺點b,增加喉部高度和喉部上的部直風(fēng)機空氣進口的位置點的溫度較高，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缺點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)(如進風(fēng)口、排氣口、錐部燃燒區(qū)等)需要進一加方便， 針對缺點d,在爐體上部加-一個容量為30L步優(yōu)化設(shè)計來提高熱效率。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)計口人的日常生活熱水需求，進-一步提高熱效率。改(1)高效生物質(zhì)氣化爐的缺點變供氣流程(見圖5),把供氧管路和供氣管路同時接通過實驗數(shù)據(jù)，可明顯看到爐體設(shè)計中存在以到儲氣罐中，利用冷空氣和燃?xì)饣旌?，降低混合氣下缺點: 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,針對缺點e,在b.燃燒喉部尺寸過小，導(dǎo)致原料燃燒過程中，氧化還喉部內(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)超過燃燒喉部, c.燃燒喉部以上仍然他火焰采用錐簡，由力學(xué)知識可知錐簡不利于塌料，導(dǎo)致產(chǎn)生搭橋現(xiàn)象，d.排氣溫度過高，導(dǎo)致大量焦油揮發(fā),而焦油在儲氣罐中不能完全凝結(jié)，使儲氣罐到灶頭的管路中出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象; e.爐體喉部溫度過高，容易燙傷。(2)生物質(zhì)氣化爐的優(yōu)化設(shè)計針對缺點a,改進了進風(fēng)口(見圖3),讓風(fēng)機打圖5優(yōu)化后的流程入的空氣先進行環(huán)流分布和預(yù)熱后再進入爐體內(nèi)，.通過反復(fù)試驗測試，氣化爐的技術(shù)指標(biāo)見表2。由于氣化爐采用保溫及余熱回收裝置，熱效率可達到40%以上。表2氣化爐的技術(shù)指標(biāo)氣化強度(kg/m2●h)200氣化效率(%)，75~85中國煤化工50001HCN MH 300-20007~10(轉(zhuǎn)下頁)團3優(yōu)化后的進風(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，介紹了近年來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)境友好地將儲存在燃料在涉及氫氣儲存時，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)達國家中與汽車、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)無司都在加速進行燃料電池的開發(fā)。要實現(xiàn)質(zhì)子交換NO,、so, 等排放物: (6)對現(xiàn)有燃料添加站的改變膜燃料電池(PEMFC)的商業(yè)化，需要解決氫源問題小2。和降低成本。由于目前氫氣儲存、輸送、分配及加注等環(huán)節(jié)尚存在諸多技術(shù)難點,因此無法滿足各種‘一 重 整制氫技術(shù)規(guī)模的燃料電池對分散氫源的需求。而醇類、烴類目前使用的重整技術(shù)主要有蒸氣重整(SM)、部等富氫燃料通過重整的方式移動或現(xiàn)場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)、效率和對燃料的適應(yīng)性等方面有不同容易運輸和攜帶等特點，在經(jīng)濟性和安全性方面也的特點，并在不同的使用條件下發(fā)揮出它們各自的具有優(yōu)勢，是近期乃至中期最現(xiàn)實的燃料電池氫源優(yōu)勢，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: (1)價廉易得,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入重整器，在適當(dāng)溫度和(接上頁)[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[5]鄭藝華,孫文策陰燃?xì)饣膶嶒炑芯考捌渖蓺怏w的可利用分單，方便實用。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，克服了同類產(chǎn)品的缺點。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)濟性好、污染小等優(yōu)點，解決了農(nóng)村直接11- 14.[7]Gross R,Leach M,Bauen A.Progress in renewable enery[J].Envi-燃燒帶來的環(huán)境污染問題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)實意義和巨大的市場前景。[8]曹國良,張小曳,王丹等中國大陸生物質(zhì)燃燒排放的污染物清單[J].中國環(huán)境科學(xué)20525():389 - 393.大田鵬參考文獻中國煤化工;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。專明解.專臻.陳鵬.30SOLAR ENERGY 208