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基于 生物 质阴燃 大棚 供热 系统 设计

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附件5专 业机械设计制造及其自动化学 院工程学院姓 名刘伟指导教师王黎明论文（设计）题 目基于生物质阴燃的大棚供热系统设计毕业论文（设计）前期工作小结毕业设计已经开始一个月了，在刚开始写开题报告的时候我感到很茫然，不知道从何入手，在王老师的悉心指导和启发下，我在查阅了一些相关资料后,对阴燃炉有了初步的了解。在这段时间内，我完成了以下的论文工作：1.收集有关阴燃炉方面的资料和数据；2.明确了研究阴燃炉的目的和意义；3.确定自己的主要研究方向；4.了解阴燃炉的国内外发展现状由于时间仓促，所以还有以下后续工作没有完成。1 分析阴燃炉结构和工作原理；2 计算基本参数；3 计算机绘图；4 实验结果分析。鉴于后续工作量还很大，还有很多关键部分没有做完。因此，我一定不能放松，继续努力，扎扎实实地完成后续工作。争取在论文答辩前一周，完成所有论文任务。 指导教师意见指导教师签名：2009届本科生毕业论文（设计）中期汇报表填表日期：2009-04-23 黑龙江八一农垦大学毕业设计(论文)开题报告学生姓名： 刘伟 学 号： 20054024102 专 业： 机械设计制造及其自动化 设计(论文)题目： 基于生物质阴燃的大棚供热系统设计 指导教师： 王黎明 2009年3月19日毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：生物质阴燃现状及发展趋势：由于粮食资源不足的制约，目前，以粮食为原料的生物质燃料生产已不具备再扩大规模的资源条件。今后，生物质燃料乙醇生产应转为以甜高粱、木薯、红薯等为原料，特别是以适宜在盐碱地、荒地等劣质地和气候干旱地区种植的甜高粱为主要原料。虽然中国有大量的盐碱地、荒地等劣质土地可种植甜高粱，有大量荒山、荒坡可以种植麻风树和黄连木等油料植物，但目前缺乏对这些土地利用的合理评价和科学规划。目前，虽然在西南地区已种植了一定数量的麻风树等油料植物，但不足以支撑生物柴油的规模化生产。因此，生物质燃料资源不落实是制约生物质燃料规模化发展的重要因素。阴燃：没有火焰的缓慢燃烧现象称为阴燃。很多固体物质，如纸张、锯末、纤维织物、纤维素板、胶乳橡胶以及某些多孔热固性塑料等，都有可能发生阴燃，特别是当它们堆积起来的时候。阴燃是固体燃烧的一种形式，是无可见光的缓慢燃烧，通常产生烟和温度上升等现象，它与有焰燃烧的区别是无火焰，它与无焰燃烧的区别是能热分解出可燃气，因此在一定条件下阴燃可以转换成有焰燃烧阴燃燃烧条件：(1) 发生阴燃的内部条件是，可燃物必须是受热分解后能产生刚性结构的多孔碳的固体物质。如果可燃物受热分解产生的非刚性结构的碳，如流动焦油状的产物，就不能发生阴燃。这说明，产物的分子结构和原材料热解方式在决定物质燃烧特征中起着十分重要的作用。由丙烯腈和苯乙烯接枝的多元醇制得的柔性泡沫材料，在高温下产生刚性很强的碳，故而很容易进行阴燃。而纯纤维受热时产生很少的碳，因此不易发生阴燃。(2) 发生阴燃的外部条件是有一个适合供热强度的热源。所谓适合的供热强度是指能够发生阴燃的适合温度和一个适合的供热速率。假定阴燃过程中,活性物、焦炭和灰三种物质的密度是恒定的,但它们各自占固体质量的份额随阴燃而改变,确定了阴燃过程固体颗粒的体积收缩速率及填充空隙率变化数学模型.对上方具有空气掠过的水平纤维质填充床,从点火到稳态传播的阴燃过程进行了模拟计算.计算结果表明,空隙率随阴燃过程增大,从而加快了阴燃传播速度,提高了其峰值温度.水平填充床表面下沉所引起的固-固辐射换热在阴燃模拟计算中则可以忽略不计.参考文献1.张百良.农村能源工程学.北京:中国农业大学出版社.1999.2.樊峰鸣 博士论文.我国农村秸秆成型燃料规模化技术研究.郑州:2005，5.3.马孝琴 博士论文.生物质(秸秆)成型燃料燃烧动力学特性及液压秸秆成型机改进设计研究.郑州:2002.4.岳建芝 硕士论文.中国与工AE国家生物质能利用比较研究.河南农业大学，郑州:2001.5.邱凌，郭康权.生物质能转换技术.西北农业大学出版社:2002.6.车战斌.生物质就地及时压缩成型技术Highzones技术J.中国能源，2005,27(1):28-31.7.徐康富，马永亮，常新莲，郝吉明.生物质型煤成型技术开发实验研究J.环境污染与防治，2002,24(5):261-264.8.盛奎川，吴杰.生物质成型燃料的物理品质和成型机理的研究进展J.农业工程学报，2004,20(2):242-245.9.赵廷林，舒伟，邓大军，曹冬辉，王鹏. 生物质致密成型技术研究现状与发展J.新能源产业，2007，（6）：29-33.10.樊峰鸣，张百良.生物质成型燃料的技术及产业化前景分析J.河南农业大学学报，2005.39（1）:111-115.11.董宏林.生物质能源转换新技术及其应用J.宁夏农林科技，1999，(6)：10-17.12.袁振宏，吴创之，马隆龙.生物质能利用原理与技术M.北京：化学工业出版社2005.13.翁伟 硕士论文.HPB一型液压式生物质(秸秆)成型机的设计及试验研究.郑州：2006.14.张百良，李保谦等.HPB一I型生物质成型机的试验研究.农业工程学报，1999，15(3):133-136.15.杨太军，朱柏林等.柱塞式压块机压块成型理论分析与试验研究.农业机械学报，1995，26(3):51一56.2.设计的目的与意义生物质能仅次于煤炭、石油和天然气，居于世界能源消费总量第4位。据专家预测，生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的重要组成部分，到下世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总燃料消耗的40以上。由于生物质替代燃料具有无染污、可再生等显著特点，因此日益受到各国的重视。随着我国经济的不断发展，能源短缺问题显得日益严重，为了解决能源危机、减轻环境污染、保护生态环境，开发利用生物质能显得尤为重要。据预测，地球上可利用的石油将在今后几十年内耗竭，从长远看液体燃料短缺仍将是困扰人类发展的大问题。在此背景下，生物质能作为唯一可转化为液体燃料的可再生资源，正日益受到重视。由生物质转化而来的燃料比较干净，有利于环境保护。同时使用这类燃料也有助于减少温室气体的排放。实际上这也是很多发达国家开发生物质能的主要动力。生物质能是通过光合作用以生物形态储存的太阳能，可作为能源利用的生物质包括林产品下脚料，薪柴，农作物秸秆及城市垃圾中的生物质废弃物等。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。有关专家估计，生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分，到下世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40以上。目前人类对生物质能的利用，包括直接用作燃料的有农作物的秸秆、薪柴等；间接作为燃料的有农林废弃物、动物粪便、垃圾及藻类等，它们通过微生物作用生成沼气，或采用热解法制造液体和气体燃料，也可制造生物炭。生物质能是世界上最为广泛的可再生能源。据估计，每年地球上仅通过光合作用生成的生物质总量就达14401800亿吨( 干重 )，其能量约相当于20世纪90年代初全世界总能耗的38倍。但是尚未被人们合理利用，多半直接当薪柴使用，效率低，影响生态环境。现代生物质能的利用是通过生物质的厌氧发酵制取甲烷，用热解法生成燃料气、生物油和生物炭 ，用生物质制造乙醇和甲醇燃料，以及利用生物工程技术培育能源植物，发展能源农场。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告3本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：生物质阴燃池存在的问题生物质阴燃目前较多是采用燃池，燃池缺点主要有：燃池建于地下，体积庞大，和周围土壤直接接触，烟气直接排在室外，热容量大；建燃池要在地下挖出很大的坑，施工较困难；使用不够灵活，由于燃池大，阴燃过程中途点燃和熄火麻烦，难以根据需要灵活应用。温室大棚生物质阴燃炉能解决的问题阴燃炉主要功能是对各种农业种植、养殖大棚进行升温、降温，它具有体积小、功率大、功能全面、造价低、运行费用低、调温效果均匀等综合优势，解决了农业大棚生产中人工控温技术的多项难题，解决了传统的电空调及热风炉设备投资高、能耗大、效果差、仅适于在高档、高附加值大棚生产中应用的不足。反季节大棚蔬菜生产已成为农业结构调整和增加农业农民收入的重要组成部分，在过去的生产中，由于没有有效的温控设施，大棚内的温度、湿度无法很好地满足蔬菜生产的需要，特别是遇到持续的低温和高湿天气，大棚内的蔬菜会受到冻害和各类菌病病害，会严重影响蔬菜的产量和质量，严重时会出现绝产。应用阴燃炉后，可根据生产情况、天气情况，进行人工调节大棚内的温湿度，有效防止低温冻害和高湿病害，这样不仅能确保的大棚蔬菜的稳产高产，而且可大幅度降低农药用量，为生产无公害蔬菜生产创造了条件本设计的研究方法及技术路线研究方法：Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。 装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。本设计首先是对阴燃炉及阴燃物质燃烧释放能量维持大棚封闭空间温度进行设计计算，在利用Pro/ENGINEER进行实体造型设计与仿真分析。技术路线如下：1. 查阅并仔细整理资料；2. 实地考察详细记录见闻；3. 对所整理资料及记录进行分析进一步找出现有阴燃炉的不足；4. 针对已知不足再次查阅资料以找出最合理的解决办法；5. 确定供热系统的技术参数并进行计算；6. 绘制供热系统图纸；7. 利用Pro/ENGINEER进行实体造型设计与仿真分析；8. 经仿真分析后在改正不足；9. 编写说明书；10. 准备答辩。4.论文工作进度安排1、3月20日3月30日 查阅相关资料，了解阴燃炉的工作原理； 2、3月31日4月5日 实地考察阴燃炉，找出现存的不足，确定解决方案； 3、4月6日4月9日 确定供热系统的技术参数并进行计算； 4、4月10日4月30日 绘制供热系统图纸； 5、5月7日5月17日 编写说明书； 6、6月 准备答辩。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日10黑龙江八一农垦大学毕业论文（设计）摘要能源在当今世界中具有重大的战略意义，它不仅是人类赖以生存和发展的基础，也是制约国民经济发展的重要因素。由于地球上可利用的石油资源在日益耗竭，许多国家纷纷开始寻找石油的替代品。生物质能作为可转化为液体燃料的可再生资源，且其储量巨大，它仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源总量的第四位，所以，生物质直接液化制取燃油将成为本世纪最有发展潜力的技术之一。我国拥有丰富的生物质能资源，理论生物质能资源达到50亿吨左右，但由于没有经济、高效的利用技术而被闲置废弃，仅农业秸秆、谷物壳皮每年的废气量就达45亿吨；与此同时，我国石油资源比较贫乏，目前年石油缺口近亿吨，2020年预计年石油缺口达2.5亿吨。因此，政府及有关部门对生物质能资源利用极为重视，已连续在四哥国家五年计划将生物质能利用技术的研究与应用列为重点科技攻关项目，开展了生物质能利用技术的研究与开发，具有重大的经济意义和社会意义。农作物秸秆作为我国生物质能的重要组成部分，其特点是分布分散，热值较低，集中应用时收集、运输成本较高。根据这个特点，开发一种经济实用的应用技术，对解决目前秸秆田间地头焚烧等造成的能源浪费，环境污染等问题，具有重要的意义。 关键词：生物质，阴燃，阴燃炉AbstractThe energy has a graveness in nowadays the world of strategy meaning, it not only is the mankind rely for existence with development of foundation, also is a check and supervision national economy development of importance factor;Because the petroleum resources canning make use of on the earth use up day by day, many nation start look for in succession petroleum of substitute.The living creature quality can do for can conversion is liquid fuel of can rebirth resources, and it keep quantity huge, it only next to coal, petroleum and natural gas but occupy at the fourth of energy total amount in the world, so, living creature qualitys being direct liquefaction to make to take fuel will become this century to have development potential most of one of the technique.Our country own living creature quality of abundant ability resources, theories living creature quality ability the resources attain 5,000,000,000 tons or so, but because of have no economy, efficiently of make use of technique but drive idle abandon, only agriculture Ji Gan, the corn hull waste gas of skin every year quantity reach to 4500,000,000 tons;At the same time, our country petroleum the resources be more needy, the year petroleum indentation be about hundred million tons currently, 2020 anticipate the petroleum indentation in year to reach to 250,000,000 tons.Therefore, government and department concerned to living creature quality ability using of resource extremely value, already continuous at four elder brother nation five year plan living creature quality ability make use of technique of research and application list as point science and technology to offend pass item, openned an exhibition living creature quality ability make use of technique of research and development, have graveness of economy meaning and society meaning.Farm crop Ji Gan Be our country living creature quality ability of importance constitute part, its characteristics be to distribute dispersion, hot value lower, concentration application hour collections, conveyance the cost be higher.According to this characteristics, the development is a kind of economy practical of application technique, to solve currently the Ji Gan in the field ground a head the energy which burn etc. to result in waste, pollution of the environment etc. problem, have importance of meaning.Key words: Biomass Smolder Smolder stove目录摘要IAbstractII1绪论11.1引言11.2国内外研究现状及分析11.2.1世界能源已面临严重短缺11.2.2 生物质能概述21.2.3中国生物质能源开发利用现状21.2.4中国生物质能源发展政策41.2.5中国生物质能源发展中存在的主要问题61.2.6中国生物质能源未来的发展特点和趋势71.3利用农作物秸秆等生物质能的重要意义91.3.1现有农作物秸杆能源利用主要技术91.3.2农作物秸秆直接燃烧技术现状及分析111.3.3农作物秸秆阴燃技术现状及分析122阴燃取暖炉的设计142.1阴燃取暖炉的设计目的和思想142.2阴燃取暖炉参数的理论计算152.3材料选择162.3.1保温材料的选择162.3.2密封材料的选择182.4阴燃炉结构设计202.4.1炉体部分的设计202.4.2进风口的设计202.4.3烟囱的设计212.4.4装料口及盖的设计212.4.5排灰口的设计213阴燃取暖炉的操作及特点223.1阴燃取暖炉的操作223.2阴燃取暖炉的特点224上料机的设计224.1参数选择224.2传动装置选择235结论及建议23参考文献24致谢26-26-1绪论1.1引言所谓阴燃，是一种缓慢、低温、无火焰的燃烧方式，氧气直接侵入固体燃料表面，通过燃料本身燃烧释放的热量得以自维持传播。其特点是，在温度较低、热量较小的环境下就可以发生并维持。随着农民生活水平的提高，农业设施、装备的广泛应用，农村住宅，蔬菜大棚、畜禽舍等农业设施供暖，农产品干燥的能量需求不断增长。和发电、城市工业、民用耗能相比，农村上述耗能分散分布、负荷强度小，更注重经济性。秸秆阴燃热释放速率低、可就地取材、经济方便，特别适合用来满足农村上述热能的需求。利用秸秆阴燃来解决我国广大农村较小负荷供热用能问题，在目前我国能源十分紧缺的情况下，将具有很好的经济、社会效益和广泛的应用前景，也应该是秸秆能源利用的一个方向。1.2国内外研究现状及分析随着人类大量使用矿物燃料带来的环境问题日益严重，各国政府开始关心、重视生物质电源的开发利用。虽然各国的自然条件和技术水平差别很大，对生物质能今后的利用情况将千差万别，但总的来说，生物质能今后的发展将不再像最近200多年来一样日渐萎缩，而是重新发挥重要作用，并在整个一次能源体系中占据稳定的比例和重要的地位。自从1981年8月在内罗毕召开联合国新能源和可再生能源会议以来，许多国家对能源、环境和生态问题越来越重视，特别是利用现代新能源技术和新材料来开发包括生物质能在内的新能源，备受各国关注。目前，生物质能的技术研究和开发利用已成为世界重大热门课题之一，许多国家都制定了相应的开发研究计划，如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、巴西的酒精能源计划等：其中生物质能源的开发利用都占有相当大的比重。现在，国外有许多生物质能利用技术与设备已达到了商业化应用的程度，实现了规模化产业经营。1.2.1世界能源已面临严重短缺随着全球经济的发展，人类对能源的需求必然不断地增加，然而目前人类赖以生存的化石能源却正在迅速地减少，世界各国己经充分认识到能源的重要性与短缺性，因此开发新能源将是促进经济增长和解决环境保护的重要战略举措。据2003年6月英国石油公司的世界能源统计回顾的资料显示:地球卜蕴藏的可以开发利用的煤和石油化石能源将分别在200年、40年内耗竭，而天然气也只能用60年左右。与此同时，由于化石能源的过度开发利用带来环境污染和全球气候变暖的问题也日益突出。目前，这种能源需求主要通过增加石油、煤炭的消耗量来满足，这不仅涉及到有限的石油、煤炭资源的维持问题，而且会使危及人类的环境污染问题变得日趋严重。因此，发展新能源，提高能源利用效率，尽可能多地利用可再生能源，己经成为世界各国优先发展的战略目标。1.2.2 生物质能概述生物质能是蕴藏在生物质中的能量，是绿色植物用过光合作用将太阳能转化为化学能而贮藏在生物质内部的能量。煤、石油和天然气等化石能源也是由生物质转变而来的。生物质能通常包括以下几个方面:木材及森林工业废弃品、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便. 生物质能是人类利用最早的能源之一,具有分布广、可再生、成本低等优点。我国是人口众多的农业国家，生物质能在我国的能源结构中占有相当重要的地位，尤其在广大农村地区，生物质能曾经是最重要的能源。但是，长期以来，大多生物质能的利用时以直接燃烧为主，不仅热利用效率低下，而且伴随着大量的烟尘和余灰的排放，成为阻碍农村经济和社会进步的重要因素之一。随着科学技术的进步和发展，生物质能可以通过各种转换技术而高效的加以利用，生产各种清洁燃料和电力，在一定程度上替代煤炭、石油和天然气等矿物燃料。所以开发与利用生物质能源，对实现可持续发展，保障国家能源安全，改善生存环境和减少二氧化碳都具有重要作用和实际意义。 通过生物质能转换技术可以高效的利用生物质能源，生产各种清洁燃料，在一定程度上替代煤炭、石油和天然气等燃料，从而减少对矿物能源的依赖，保护国家能源，减轻能源消费给环境造成的污染。1.2.3中国生物质能源开发利用现状20世纪70年代，国际上第一次石油危机使发达国家和贫油国家重视石油替代，开始大规模发展生物质能源。生物质能源是以农林等有机废弃物以及利用边际土地种植的能源植物为主要原料进行能源生产的一种新兴能源。生物质能源按照生物质的特点及转化方式可分为固体生物质燃料、液体生物质燃料、气体生物质燃料。中国生物质能源的发展一直是在“改善农村能源”的观念和框架下运作，较早地起步于农村户用沼气，以后在秸秆气化上部署了试点。近两年，生物质能源在中国受到越来越多的关注，生物质能源利用取得了很大的成绩。沼气工程建设初见成效。截至2005年底，全国共建成3764座大中型沼气池，形成了每年约3.4l亿立方米沼气的生产能力，年处理有机废弃物和污水1.2亿吨，沼气利用量达到80亿立方米。到2006年底，建设农村户用沼气池的农户达2260万户，占总农户的9.2%，占适宜农户的15.3%，年产沼气87.0亿立方米，使7500多万农民受益，直接为农民增收约180亿元。生物质能源发电迈出了重要步伐，发电装机容量达到200万千瓦。液体生物质燃料生产取得明显进展，全国燃料乙醇生产能力达到：102万吨，已在河南等9个省的车用燃料中推广使用乙醇汽油。（1）固体生物质燃料固体生物质燃料分生物质直接燃烧或压缩成型燃料及生物质与煤混合燃烧为原料的燃料。生物质燃烧技术是传统的能源转化形式，截止到2004年底，中国农村地区已累计推广省柴节煤炉灶1.89亿户，普及率达到70%以上。省柴节煤炉灶比普通炉灶的热效率提高一倍以上，极大缓解了农村能源短缺的局面。生物质成型燃料是把生物质固化成型后采用略加改进后的传统设备燃用，这种燃料可提高能源密度，但由于压缩技术环节的问题，成型燃料的压缩成本较高。目前，中国（清华大学、河南省能源研究所、北京美农达科技有限公司）和意大利（比萨大学）两国分别开发出生物质直接成型技术，降低了生物质成型燃料的成本，为生物质成型燃料的广泛应用奠定了基础。此外，中国生物质燃料发电也具有了一定的规模，主要集中在南方地区的许多糖厂利用甘蔗渣发电。广东和广西两省（区）共有小型发电机组300余台，总装机容量800兆瓦，云南也有一些甘蔗渣电厂。中国第一批农作物秸秆燃烧发电厂将在河北石家庄晋州市和山东菏泽市单县建设，装机容量分别为212兆瓦和25兆瓦，发电量分别为1.2亿千瓦时和1.56亿千瓦时，年消耗秸秆20万吨。（2）气体生物质燃料气体生物质燃料包括沼气、生物质气化制气等。中国沼气开发历史悠久，但大中型沼气工程发展较慢，还停留在几十年前的个体小厌氧消化池的水平，2004年，中国农户用沼气池年末累计1500万户，北方能源生态模式应用农户达43.42万户，南方能源生态模式应用农户达391.27万户，总产气量45.80亿立方米，相当于300多万吨标准煤。到2004年底，中国共建成2500座工业废水和畜禽粪便沼气池，总池容达到了88.29万立方米，形成了每年约1.84亿立方米沼气的生产能力，年处理有机废物污水5801万吨，年发电量63万千瓦时，可向13.09万户供气。在生物质气化技术开发方面，中国对农林业废弃物等生物质资源的气化技术的深入研究始于20世纪70年代末、80年代初。截至2006年底，中国生物质气化集中供气系统的秸秆气化站保有量539处，年产生物质燃气1.5亿立方米；年发电量160千瓦时稻壳气化发电系统已进入产业化阶段。（3）液体生物质燃料液体生物质燃料是指通过生物质资源生产的燃料乙醇和生物柴油，可以替代由石油制取的汽油和柴油，是可再生能源开发利用的重要方向。近年来，中国的生物质燃料发展取得了很大的成绩，特别是以粮食为原料的燃料乙醇生产已初步形成规模。“十五”期间，在河南、安徽、吉林和黑龙江分别建设了以陈化粮为原料的燃料乙醇生产厂，总产能达到每年102万吨，现已在9个省（5个省全部，4个省的27个地（市）开展车用乙醇汽油销售。到2005年，这些地方除军队特需和国家特种储备外实现了车用乙醇汽油替代汽油。但是，受粮食产量和生产成本制约，以粮食作物为原料生产生物质燃料大规模替代石油燃料时，也会产生如同当今面临的石油问题一样的原料短缺，因此，中国近期不再扩大以粮食为原料的燃料乙醇生产，转而开发非粮食原料乙醇生产技术。目前开发的以木薯为代表的非食用薯类、甜高粱、木质纤维素等为原料的生物质燃料，既不与粮油竞争，又能降低乙醇成本。广西是木薯的主要产地，种植面积和总产量均占全国总量的80%，2005年，木薯乙醇产量30万吨。从生产潜力看，目前，木薯是替代粮食生产乙醇最现实可行的原料，全国具有年产500万吨燃料乙醇的潜力。此外，为了扩大生物质燃料来源，中国已自主开发了以甜高粱茎秆为原料生产燃料乙醇的技术（称为甜高粱乙醇），目前，已经达到年产5000吨燃料乙醇的生产规模。国内已经在黑龙江、内蒙古、新疆、辽宁和山东等地，建立了甜高粱种植、甜高梁茎秆制取燃料乙醇的基地。生产1吨燃料乙醇所需原料甜高粱茎秆收购成本2000元，加上加工费，燃料乙醇生产成本低于3500元，吨。由于现阶段国家对燃料乙醇实行定点生产，这些甜高粱乙醇无法进入交通燃料市场，大多数掺入了低质白酒中。另外，中国也在开展纤维素制取燃料乙醇技术的研究开发，现已在安徽丰原生化股份有限公司等企业形成年产600吨的试验生产能力。目前，中国燃料乙醇使用量已居世界第三位。生物柴油是燃料乙醇以外的另一种液体生物质燃料。生物柴油的原料来源既可以是各种废弃或回收的动植物油，也可以是含油量高的油料植物，例如麻风树（学名小桐子）、黄连木等。中国生物柴油产业的发展率先在民营企业实现，海南正和生物能源公司、四川古杉油脂化工公司、福建卓越新能源发展公司等都建成了年生产能力l万2万吨的生产装置，主要以餐饮业废油和皂化油下脚料为原料。此外，国外公司也进军中国，奥地利一家公司在山东威海市建设年生产能力25万吨的生物柴油厂，意大利一家公司在黑龙江佳木斯市建设年生产能力20万吨的生物柴油厂。预计中国生物柴油产量2010年前约可达每年100万吨。1.2.4中国生物质能源发展政策为了确保生物质能源产业的稳步发展，中国政府出台了一系列法律法规和政策措施，积极推动了生物质能源的开发和利用。（1）行业标准规范生产，法律法规提供保障本世纪初，为解决大量库存粮积压带来的财政重负和发展石化替代能源，中国开始生产以陈化粮为主要原料的燃料乙醇。2001年，国家计划委员会发布了示范推行车用汽油中添加燃料乙醇的通告。随后，相关部委联合出台了试点方案与工作实施细则。2002年3月，国家经济贸易委员会等8部委联合制定颁布了车用乙醇汽油使用试点方案和车用乙醇汽油使用试点工作实施细则，明确试点范围和方式，并制定试点期间的财政、税收、价格等方面的相关方针政策和基本原则，对燃料乙醇的生产及使用实行优惠和补贴的财政及价格政策。在初步试点的基础上，2004年2月，国家发展和改革委员会等8部委联合发布车用乙醇汽油扩大试点方案和车用乙醇汽油扩大试点工作实施细则，在中国部分地区开展车用乙醇汽油扩大试点工作。同时，为了规范燃料乙醇的生产，国家质量技术监督局于2001年4月和2004.年4月，分别发布GBl83502001变性燃料乙醇和GBl83512001车用乙醇汽油两个国家标准及新车用乙醇汽油强制性国家标准（GBl835l一2004）。在国家出台相关政策措施的同时，试点区域的省份均制定和颁布了地方性法规，地方各级政府机构依照有关规定，加强组织领导和协调，严格市场准入，加大市场监管力度，对中国生物质燃料乙醇产业发展和车用生物乙醇汽油推广使用起到了重大作用。此外，国家相关的法律法规也为生物质能源的发展提供保障。2005年，中华人民共和国可再生能源法提出，“国家鼓励清洁、高效地开发利用生物质燃料、鼓励发展能源作物，将符合国家标准的生物液体燃料纳入其燃料销售体系”。国家“十一五”规划纲要也提出，“加快开发生物质能源，支持发展秸秆、垃圾焚烧和垃圾填埋发电，建设一批秸秆发电站和林木质发电站，扩大生物质固体成型燃料、燃料乙醇和生物柴油生产能力”。（2）运用经济手段和财政扶持政策推动产业发展除制定相应法律法规和标准外，2002年以来，中央财政也积极支持燃料乙醇的试点及推广工作，主要措施包括投入国债资金、实施税收优惠政策、建立并优化财政补贴机制等。一是投入国债资金4.8亿元用于河南、安徽、吉林3省燃料乙醇企业建设；二是对国家批准的黑龙江华润酒精有限公司、吉林燃料乙醇有限公司、河南天冠燃料乙醇有限公司、安徽丰原生化股份有限公司4家试点单位，免征燃料乙醇5%的消费税，对生产燃料乙醇实现的增值税实行先征后返；三是在试点初期，对生产企业按保本微利的原则据实补贴，在扩大试点规模阶段，为促进企业降低生产成本，改为按照平均先进的原则定额补贴，补贴逐年递减。为进一步推动生物质能源的稳步发展，2006年9月，财政部、国家发展和改革委员会、农业部、国家税务总局、国家林业局联合出台了关于发展生物质能源和生物化工财税扶持政策的实施意见，在风险规避与补偿、原料基地补助、示范补助、税收减免等方面对于发展生物质能源和生物化工制定了具体的财税扶持政策。此外，自2006年1月1日可再生能源法正式生效后，酝酿中与之配套的各项行政法规和规章也开始陆续出台。财政部2006年10月4日出台了可再生能源发展专项资金管理暂行办法，该办法对专项资金的扶持重点、申报及审批、财务管理、考核监督等方面做出全面规定。该办法规定：发展专项资金由国务院财政部门依法设立，发展专项资金的使用方式包括无偿资助和贷款贴息，通过中央财政预算安排。1.2.5中国生物质能源发展中存在的主要问题尽管中国在生物质能源等可再生能源的开发利用方面取得了一些成效，但由于中国生物质能源发展还处于起步阶段，面临许多困难和问题，归纳起来主要有以下几个方面。（1）原料资源短缺限制了生物质能源的大规模生产由于粮食资源不足的制约，目前，以粮食为原料的生物质燃料生产已不具备再扩大规模的资源条件。今后，生物质燃料乙醇生产应转为以甜高粱、木薯、红薯等为原料，特别是以适宜在盐碱地、荒地等劣质地和气候干旱地区种植的甜高粱为主要原料。虽然中国有大量的盐碱地、荒地等劣质土地可种植甜高粱，有大量荒山、荒坡可以种植麻风树和黄连木等油料植物，但目前缺乏对这些土地利用的合理评价和科学规划。目前，虽然在西南地区已种植了一定数量的麻风树等油料植物，但不足以支撑生物柴油的规模化生产。因此，生物质燃料资源不落实是制约生物质燃料规模化发展的重要因素。（2）还没有建立起完备的生物质能源工业体系，研究开发能力弱，技术产业化基础薄弱虽然中国已实现以粮食为原料的燃料乙醇的产业化生产，但以其他能源作物为原料生产生物质燃料尚处于技术试验阶段，要实现大规模生产，还需要在生产工艺和产业组织等方面做大量工作。以废动植物油生产生物柴油的技术较为成熟，但发展潜力有限。后备资源潜力大的纤维素生物质燃料乙醇和生物合成柴油的生产技术还处于研究阶段，一些相对成熟的技术尚缺乏标准体系和服务体系的保障，产业化程度低，大规模生物质能源生产产业化的格局尚未形成。 （3）生物燃油产品市场竞争力较弱巴西以甘蔗生产燃料乙醇1980年每吨价格为849美元，1998年降到300美元以下。中国受原料来源、生产技术和产业组织等多方面因素的影响，燃料乙醇的生产成本比较高，目前，以陈化粮为原料生产的燃料乙醇的成本约为每吨3500元左右，以甜高粱、木薯等为原料生产的燃料乙醇的成本约为每吨4000元。按等效热值与汽油比较，汽油价格达到每升6元以上时，燃料乙醇才可能赢利。目前，国家每年对102万吨燃料乙醇的财政补贴约为15亿元，在目前的技术和市场条件下，扩大燃料乙醇生产需要大量的资金补贴。以甜高粱和麻风树等非粮食作物为原料的燃料乙醇和生物柴油的生产技术才刚刚开始产业化试点，产业化程度还很低，近期在成本方面的竞争力还比较弱。因此，生物质燃料成本和石油价格是制约生物质燃料发展的重要因素。（4）政策和市场环境不完善，缺乏足够的经济鼓励政策和激励机制生物质能源产业是具有环境效益的弱势产业。从国外的经验看，政府支持是生物质能源市场发育初期的原始动力。不论是发达国家还是发展中国家，生物质能源的发展均离不开政府的支持，例如投融资、税收、补贴、市场开拓等一系列的优惠政策。2000年以来，国家组织了燃料乙醇的试点生产和销售，建立了包括燃料乙醇的技术标准、生产基地、销售渠道、财政补贴和税收优惠等在内的政策体系，积累了生产和推广燃料乙醇的初步经验。但是，由于以粮食为原料的燃料乙醇发展潜力有限，为避免对粮食安全造成负面影响，国家对燃料乙醇的生产和销售采取了严格的管制。近年来，虽有许多企业和个人试图生产或销售燃料乙醇，但由于受到现行政策的限制，不能普遍享受到财政补贴，也难以进入汽油现有的销售渠道。对于生物柴油的生产，国家还没有制定相关的政策，特别是还没有生物柴油的国家标准，更没有生物柴油正常的销售渠道。此外，生物质资源的其它利用项目，例如燃烧发电、气化发电、规模化畜禽养殖场大中型沼气工程项目等，初始投资高，需要稳定的投融资渠道给予支持，并通过优惠的投融资政策降低成本。中国缺乏行之有效的投融资机制，在一定程度上制约了生物质资源的开发利用。1.2.6中国生物质能源未来的发展特点和趋势（1）逐步改善现有的能源消费结构，降低石油的进口依存度中国经济的高速发展，必须构筑在能源安全和有效供给的基础之上。目前，中国能源的基本状况是：资源短缺，消费结构单一，石油的进口依存度高，形势十分严峻。2004年，中国一次能源消费结构中，煤炭占67.7%，石油占22.7%，天然气占2.6%，水电等占7.0%；一次能源生产总量中，煤炭占75.6%，石油占13.5%，天然气占3.O%，水电等占7.9%。这种能源结构导致对环境的严重污染和不可持续性。中国石油储量仅占世界总量的2%，消费量却是世界第二，且需求持续高速增长，1990年的消费量刚突破1亿吨，2000年达到2.3亿吨，2004年达到3.2亿吨。中国自1993年成为石油净进口国后，2005年进口原油及成品油约1.3亿吨，估计2010年将进口石油2.5亿吨，进口依存度将超过50%。进口依存度越高，能源安全度就越低。中国进口石油的80%来自中东，且需经马六甲海峡，受国际形势影响很大。因此，今后在厉行能源节约和加强常规能源开发的同时，改变目前的能源消费结构，向能源多元化和可再生清洁能源时代过渡，已是大势所趋，而在众多的可再生能源和新能源中，生物质能源的规模化开发无疑是一项现实可行的选择。（2）生物质产业的多功能性进一步推动农村经济发展生物质产业是以农林产品及其加工生产的有机废弃物，以及利用边际土地种植的能源植物为原料进行生物能源和生物基产品生产的产业。中国是农业大国，生物质原料生产是农业生产的一部分，生物质能源的蕴藏量很大，每年可用总量折合约5亿吨标准煤，仅农业生产中每年产生的农作物秸秆，就折合1.5亿吨标准煤。中国有不宜种植粮食作物、但可以种植能源植物的土地约l亿公顷，可人工造林土地有311万公顷。按这些土地20%的利用率计算，每年约可生产10亿吨生物质，再加上木薯、甜高粱等能源作物，据专家测算，每年至少可生产燃料乙醇和生物柴油约5000万吨，农村可再生能源开发利用潜力巨大。生物基产品和生物能源产品不仅附加值高，而且市场容量几近无限，这为农民增收提供了一条重要的途径；生物质能源生产可以使有机废弃物和污染源无害化和资源化，从而有利于环保和资源的循环利用，可以显著改善农村能源的消费水平和质量，净化农村的生产和生活环境。生物质产业的这种多功能性使它在众多的可再生能源和新能源中脱颖而出和不可替代，这种多功能性对拥有8亿农村人口的中国和其他发展中国家具有特殊的重要性。（3）净化环境，进一步为环境“减压”随着中国经济的高速增长，以石化能源为主的能源消费量剧增，在过去的20多年里，中国能源消费总量增长了2.6倍，对环境的压力越来越大。2003年，中国二氧化碳排放量达到8.23亿吨，居世界第二位。2025年前后，中国二氧化碳排放量可能超过美国而居首位。2003年，中国二氧化硫的排放量也超过了2000万吨，居世界第一位，酸雨区已经占到国土面积的30%以上。中国二氧化碳排放量的70%、二氧化硫排放量的90%、氮氧化物排放量的23均来自燃煤。预计到2020年，氧化硫和氮氧化物的排放量将分别超过中国环境容量30%和46%。京都议定书已对发达国家分配了2012年前二氧化碳减排8%的指标，中国是京都议定书的签约国，承担此项任务只是时间早晚的问题。此外，农业生产和废弃物排放也对生态环境带来严重伤害。因此，发展生物质能源，以生物质燃料直接或成型燃烧发电替代煤炭以减少二氧化碳排放，以生物燃油替代石化燃油以减少碳氢化物、氮氧化物等对大气的污染，将对于改善能源结构、提高能源利用效率、减轻环境压力贡献巨大。（4）技术逐步完善，产业化空间广阔从生物质能源的发展前景看，第一，生物乙醇是可以大规模替代石化液体燃料的最现实选择；第二，对石油的替代，将由E85（在乙醇中添加15%的汽油）取代E10（汽油中添加10%的乙醇）；第三，FFVs（灵活燃料汽车）促进了生物燃油生产和对石化燃料的替代，生物燃油的发展带动了传统汽车产业的更新改造；第四，沼气将规模化生产，用于供热发电、（经纯化压缩）车用燃料或罐装管输；第五，生物质成型燃料的原料充足，技术成熟，投资少、见效快，可广泛用于替代中小锅炉用煤，热电联产（CHP）能效在90%以上，是生物质能源家族中的重要成员；第六，以木质纤维素生产的液体生物质燃料（Bff。）被认为是第二代生物质燃料，包括纤维素乙醇、气化后经费托合成生物柴油（FT柴油），以及经热裂解（TDP）或催化裂解（CDP）得到的生物柴油。此外，通过技术研发还将开拓新的资源空间。工程藻类的生物量巨大，如果能将现代生物技术和传统育种技术相结合，优化育种条件，就有可能实现大规模养殖高产油藻。一旦高产油藻开发成功并实现产业化，由藻类制取生物柴油的规模可以达到数千万吨。据专家预测估计，到2010年，中国年生产生物燃油约为600万吨，其中，生物乙醇500万吨、生物柴油100万吨：到2020年，年生产生物燃油将达到1900万吨，其中，生物乙醇1000万吨，生物柴油900万吨。（5）生物质燃料流通体系和相关政策进一步健全完善随着生物质产业的进一步发展，现有的以粮食为原料的燃料乙醇的销售体系，将会扩大到以甜高粱、甘蔗、麻风树等非粮食作物为原料的液体燃料的销售，与此相配套的非粮食生物质燃料的收购、调配和销售体系将在全国建立并逐步完善。非粮食燃料乙醇收购价格将由国务院价格主管部门根据有利于促进非粮食生物质燃料发展的原则确定并公布。同时，参照目前已实行的陈化粮燃料乙醇的财政和税收优惠政策，对非粮食燃料乙醇、生物柴油的生产和销售制定财政和税收优惠政策。有关非粮食生物质燃料的生产和销售管理办法、价格及财政税收政策将由国家发展和改革委员会同有关部门制定。1.3利用农作物秸秆等生物质能的重要意义解决农村能源问题势在必行从能源长远发展战略高度来审视，寻求一条可持续发展的能源道路，大力利用新能源和可再生(新)能源以减少对环境的污染，加快新能源对传统能源的新旧更替，己经成为我国近期急需解决的重大问题。因此改变能源生产和消费方式，开发利用生物质能等可再生清洁能源、资源对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。经过20年左右的时间，我国生物质能开发利用取得了长足的进步，主要涉及到气化、液化、热解、固化和直接燃烧技术。由于农作物秸秆分布比较分散，集中应用时收集比较困难，而且运输费用较高，另外，目前应用于农村的大部分生物质利用装置如气化炉等，普遍存在着成本较高，效率较低等缺点，不能满足广大农村广泛使用的要求，无法达到大面积推广及产业化的目的。因此，立足于农村现有的生物质资源，开发一种简易的生物质能利用设备，是农村发展的需要，又是减少污染、保护环境的需要。1.3.1现有农作物秸杆能源利用主要技术近些年来，生物质废弃物的利用技术越来越受到世界各国的关注。特别是近一二十年，人们普遍提高了能源与环保意识，对地球固有的化石燃料日趋减少有一种危机感，在可再生能源方面寻求能源持续供给的今天，生物质利用新技术新途径的研究与应用，才有了快速的发展。生物质自古以来就是人类赖以生存的主要能源，随着人类社会的不断进步，生物质的利用己经有多种不同的方式，同样适合于农作物秸秆的利用。（1）生物质直接燃烧直接燃烧是目前生物质能利用的最主要方式。直接燃烧所耗用的生物质能源主要是农作物秸秆和薪柴。在牧区也燃用少量的牲畜粪便。该方法燃料利用效率低，为既，使得生物质燃料被认为是“贫穷燃料”，节能炉灶的推广将效率提高到了。垃圾焚烧技术属于直接燃烧，目前主要的燃烧方式是改进后的链条炉和马丁炉等，循环流化床垃圾锅炉等新技术的方式正处在发展阶段，德国、法国、美国等国家在垃圾的能源利用方面处于领先地位。（2）固化成型技术由于生物质燃料具有能量密度小的特点，将疏散的、低热值的农林废弃物固态生物质燃料，如秸秆，木屑等压制成型燃料或进一步炭化制得所谓“机带休炭”。生物质中的木质素(木素)属于非晶体，没有熔点，但有软化点，当温度为时粘合力开始增加，在适当的温度()下会软化，此时施以压力，则其与纤维素紧密粘接，并与相邻颗粒互相胶接，冷却后即可固化成型。（3）生物质热裂解技术热解是指生物质在缺氧的条件下受热后发生分解的现象。生物质热解后产生残炭和热解气，热解气化的热解气主要含有、以及少量和，热解气经过净化后得到可燃气体，这就是生物质热解气化技术;在中等温度下热解产生较大分子有机气体，对热解气进行冷凝制得生物油液体燃料，即生物质热解液化技术。热解燃料与生物质原料相比，具有能量密度高、易运输等的优点。热解既可以作为独立的过程，也可以是燃烧、炭化、液化或气化过程的一个中间过程，决定各热化学转化反应的动力学，也决定产物的组成、特征和分布。（4）生物质液化制醇类燃料常用的醇类燃料是甲醇和乙醇。甲醇可以用人工合成的方法高压催化制得，可行的催化剂有高活性的铜基催化剂和铃.铬催化剂。乙醇可由生物质经糖化发酵制取。制取乙醇的原料主要有两类，一类是木质纤维原料，一类是含糖丰富的植物原料，也可以选用农业废弃物，如高粱秸、玉米秸、制糖废渣等。生物质成分不同，液化的方法也不同，以木质纤维类为例，已经工业化的方法是硫酸渗透水解法，正在大力研究的是酶水解法。温度和酸度是决定水解过程的主要因素。（5）生物质的生物转化技术生物质的生物转化技术是指农林废弃物通过微生物的生物化学作用生成高品位气体燃料或液体燃料的过程。目前主要的生物质转化方式为厌氧发酵和乙醇发酵。厌氧发酵是指有机物在厌氧细菌的作用下进行代谢以产生以甲烷为主的可燃气体(沼气)的过程。目前厌氧发酵主要分生物质发酵制沼气技术及垃圾填埋技术。充分开发利用生物质能对建立可持续发展的能源体系，改变能源生产和消费方式，促进全球经济发展和保护环境具有深远意义。生物质能转换利用技术对于加快能源现代化进程，满足对优质能源的迫切需求，实施能源可持续发展战略都具有重要意义。1.3.2农作物秸秆直接燃烧技术现状及分析人类自从发明了火，便开始以生物质为燃料使用，直接燃烧是最原始、最实用的利用方式，一直延续到今天。就我国的基本国情和生物质利用开发水平而言，生物质直接燃烧技术无疑是最简便可行的高效利用生物质资源的方式之一。生物质直接燃烧主要分为炉灶燃烧和锅炉燃烧。炉灶燃烧操作简便、投资较省，但燃烧效率普遍偏低，从而造成生物质资源的严重浪费;而锅炉燃烧采用先进的燃烧技术，把生物质作为锅炉的燃料燃烧，以提高生物质的利用效率，适用于相对集中、大规模地利用生物质资源。生物质燃料锅炉的种类很多，按照锅炉燃用生物质品种的不同可分为:木材炉、薪柴炉、秸秆炉、垃圾焚烧炉等;按照锅炉燃烧方式的不同又可分为流化床锅炉、层燃炉等。目前，国外采用流化床技术开发生物质能已具有相当的规模和一定的运行经验。美国爱达荷能源产品公司己经开发生产出燃生物质媒体流化床锅炉，蒸汽锅炉出力为4.550，供热锅炉出力为36.67WM;美国EC公司利用鲁奇技术研制的大型燃废木循环流化床发电锅炉出力为100，蒸汽压力为8.7MPa;美国&公司制造的燃木柴流化床锅炉也于20世纪80年代末至90年代初投入运行。此外，瑞典以树枝、树叶等林业废弃物作为大型流化床锅炉的燃料加以利用，锅炉热效率可达到80%;丹麦采用高倍率循环流化床锅炉，将干草与煤按照6:4的比例送入炉内进行燃烧，锅炉出力为100，热功率达80。我国自20世纪80年代末开始，别如山、鲍亦令等对燃生物质流化床锅炉进行了深入细致地研究。为了提高锅炉燃烧效率，研究人员采用细砂等颗粒作为媒体床料，以保证形成稳定的密相区料层，为生物质燃料提供充分的预热和干燥热源;采用稀相区强旋转切向二次风形成强烈旋转上升气流，加强高温烟气、空气与生物质物料颗粒的混合，促进可燃气体和固体颗进一步充分燃烧。根据以上研究成果，哈尔滨工业大学分别与国内四家锅炉厂合作开发了一系列燃用甘蔗渣、稻壳、果穗、木屑等生物废料的流化床锅炉，投入生产后运行效果良好，深受用户的好评。刘皓、黄琳等根据稻壳的物理、化学性质和燃烧特性，设计出以流化床燃烧方式为主，辅之以悬浮燃烧和固定床燃烧的组合燃烧式流化床锅炉，并且为配合三段组合燃烧采取了四段送风的方式。采用这种独特的燃烧方式和配风方式，其优点在于:流化床中燃料颗粒的流化速度较低，有利于减少稻壳随烟气飞出流化床的份额，延长了稻壳在床层的停留时间;提供了足够的悬浮燃烧空间，有利于挥发份中的可燃物在悬浮段进一步充分燃烧。通过试验研究证明，该锅炉具有流化性能良好、燃烧稳定、不易结焦等优点，已经获得国家专利。陈冠益、方梦样等在试验研究的基础上，与无锡锅炉厂合作设计开发了35th一燃稻壳流化床锅炉。该锅炉设计的主要特点是:采用气力输送装置输送稻壳，不但输送量大，而且输送安全，避免了因给料机堵塞引起的给料中断现象;采用厚壁管的防磨环用以防止床层埋管的磨损，尾部加吹灰器吹风防止受热面积大;通过调整一、二次风风量大小与烟气再循环实现炉内风速的改变，扩大了锅炉的燃料适用范围。1.3.3农作物秸秆阴燃技术现状及分析阴燃作为直接利用技术的一种，与通常伴随有火焰产生的快速氧化反应的有焰燃烧不同，有其自身的特点。阴燃是一种典型的无焰燃烧现象，一般发生在多孔固体燃料内部的、以异相反应为主的表面燃烧过程，其显著特征有三:缓慢、低温和无焰。80年代，由于火灾危害日益严重，欧、美、日等发达国家对其研究加以重视。同时，由于计算机的发展，使阴燃的数值模拟成为可能，通过对阴燃着火过程的模拟，结合试验对比，使人们对阴燃机理有了进一步的了解。阴燃是燃烧学科中新兴的一个分支，目前对于阴燃的研究，国外主要是以火灾预防为背景，侧重于研究阴燃的传播以及向明火转变的规律和特征。迄今为止，人们对阴燃反应机理的了解还不很深刻，通常认为阴燃包括热干燥、降解和残炭氧化三个过程。燃料中除内部水分外还含有大量的自由水分，所以加热干燥是一强烈的吸热过程。降解过程既包含吸热过程又包含放热过程，在缺氧的条件下燃料吸热裂解释放出挥发成分，留下重量很轻、形状基本不变的多孔残炭，这是吸热过程，又叫热解。在温度适宜的条件下，挥发气体遇氧发生放热的氧化反应。氧也可参加降解过程，氧足够的情况下降解也可是净放热的。剩余的残炭与氧发生放热反应，维持阴燃的传播。近些年来对阴燃的研究工作主要集中在阴燃波的传播规律和传播特性上，着重探讨了影响阴燃波传播过程的主要因素。（1）实验方面实验始终都是研究阴燃的主要手段。在实验中，阴燃传播被分为同向传播和逆向传播分别加以研究。同向传播指阴燃传播方向和气流方向一致;而逆向传播则相反。Ohemiller,T.J.从实验的角度对两种形式的传播做了量级分析与比较，采用了热解重量分析法和差异扫描量法得到:对于逆向传播，能较快达到稳定的传播速度，而正向阴燃却是不稳定的，随碳氧化的当量值而变化。两种方式都将受氧的分布、供应控制。Torero,J.L,实验研究了同向阴燃传播，结果表明:同向阴燃传播中有两个反应发生:热解反应和炭的氧化反应。当空气流速小于1.OnnIl/s时，波的传播主要由传热、传质过程控制，其特性与异向阴燃波传播特性相类似;当空气流速大于1.Onun/S时，位于阴燃波前面的燃烧产物对流作用加强，产生一个吸热热解波位于氧化波前面。Ohlemiller和Locca叫以松散绝热材料和高分子聚合物为研究对象，对同向和异向两种不同的阴燃传播方式做了定量的比较。他们发现:异向传播阴燃很快就可达到一稳定传播速率，且此波速率由传热率决定;而同向阴燃却不稳定，它以较高速率运动，由炭的氧化反应控制，但这两种阴燃波的特性都由供氧率控制。Ohlemiller研究了纤维素物质的燃烧，通过实验研究了阴燃向明火的转化条件。他们测定了两种传播方式下空气流速及可燃物质对转扳的影响。结果表明:空气流速增加时，异向传播阴燃变化很小，且在空气流速达5m/s之前未出现阴燃向明火的转化。但同向传播阴燃对空气流速反映强烈，所以阴燃异向传播方式带来的着火危害性比同向传播小。Torer.和femandez对聚氨醋泡沫的同向阴燃进行了实验研究，空气作为氧化剂，流动方向与阴燃的传播方向一致。通过阴燃传播的温度曲线来了解阴燃过程的特性和阴燃的传播速度随氧化剂流速的变化情况。其研究结果表明随着空气流速的增加，阴燃过程从由单一的放热氧化过程控制到由两个反应过程控制，这两个反应过程为氧化过程和先于氧化过程发生的吸热的热解过程。（2）数学模型方面阴燃机理的复杂性决定了单纯的实验不能揭示本质性问题，把实验与数学模型计算结合，才是深入研究阴燃过程的有效途径。Buckmaster等比拟扩散燃烧讨论了正向一维阴燃模型及模型方程的解，所得结果表明和前人的实验数据一致。Rostnami等建立了多孔柱状生物质阴燃的模型，包括热解和燃烧反应的动力学模型和用CDF进行的流动和能量的模拟。并用此模型预测了二维轴对称多孔介质正向阴燃中气态和固态物质的温度，氧的浓度及压力分布。T.Kinbara等人对一密布纤维材料的垂直杆做了一系列向下传播的阴燃实验，并建立了模型。模型以一维稳态传导方程为基本方程，重点在于解释向下传播的阴燃速度与燃料秆中样品的宽度、大气温度之间的关系。Fatehi，M.等人研究了木材颗粒填充床减密度模型下的绝热异向阴燃。采用木材的单步反应模型，分别讨论了氧气完全消耗和燃料完全转化两种情况下的解计算得出传播速度、燃烧温度和固体燃烧程度主要由进入模型的气体流速决定，实验结果与预测结果保持了很好的一致。P.Dubretaki认为当气流速度较低时，着火发生在固体、气体的分界面上，即所谓的表面着火:当流速较高时，着火模式转化为气相着火。K.Annamalai和P.Durbetaki研究了煤的着火过程，认为:对于不热解的固体粒子，着火发生在表面上;而对于完全热解的物质，着火一般发生在气相中;对于部分热解的物质，如煤，着火模式取决于粒子尺寸、挥发份含量和外界氧气浓度。小粒子比大粒子更有可能在表面处着火。（3）国内的进展以及应用研究国内对阴燃的研究起步较晚，但也取得了一些成果。解茂昭等人在AODMEIT模型的基础上，建立了一系列的碳粒填充床的数学模型，并进行了计算分析。孙文策等对水平燃料床阴燃的传播及其向明火转化做了实验研究。发现在同向和逆向传播的两种情况下燃料床不同高度层的阴燃传播有不同的规律。另外，实验结果也表明，阴燃转化为明火的临界风速不仅为燃料本身性质(空隙度、含水量等)决定，还与风速增加的规律有关。国内大连理工大学的孙文策等围绕着应用对于阴燃进行了较为全面的研究，先后对应用阴燃进行取暖的燃池的工作特点和热能利用，纤维颗粒燃料阴燃引燃过程，燃池内的阴燃过程的实验分析，水平燃料床、竖直阴燃的传播和气体成分多方面进行了实验和理论研究。浙江大学的马增益等也进行了强迫对流下木屑水平床阴燃实验，实验发现增大气流速度会增加阴燃传播速度，不同气流速度下阴燃气体中和仇排放浓度变化不大。李月宁在强迫气流下对阴燃形成过程中的影响因素以及阴燃过程的传播进行了实验研究。实验结果表明加热功率、氧化剂流速和加热时间都对阴燃的形成有重要的影响，在相同的加热条件下，同向阴燃比反向阴燃更易形成。刘炳民建立了立式阴燃炉，以典型的生物质一锯末为燃料，采用高速温检仪和气相色谱仪，通过改变阴燃炉保温措施、加热温度、阴燃方式、进气量、排气方式及燃料中水分含量，研究了这些控制因素对阴燃温度场和生成气成分的影响，得出一些规律。另外，在农业设施等方面有许多应用阴燃的例子，沈阳农大的王铁良等对燃池在日光温室中的加热进行了实验研究。关于燃池用于养蝎刚、用于农村校舍的取暖、用于农村住户的取暖也有相关文献报导。2阴燃取暖炉的设计2.1阴燃取暖炉的设计目的和思想生物质阴燃的应用，我国自古就有，沿袭了数百年的火钵就是一个典型的例子，目前较多的是采用燃池。阴燃的主要特点之一是燃烧缓慢，能将燃料的热能缓慢的释放出来，这种缓慢燃烧低强度放热的特点适合冬季取暖。另外，采用农作物秸秆阴燃为农村住宅或农业设施供热是个很好的节能措施，它以秸秆等农林废弃物代替煤、电、气等常规能源，就地取材，简单方便。目前阴燃的应用较多是采用建于建筑物地板下面的燃池，存在的主要问题有:(1)热效率低。由于燃池建于地下，许多热量散失于燃池周围的土壤中，燃池的热效率较低。而且为了控制燃池中的燃烧速率，往往采用在燃池中加水的办法，这也会降低热能利用效率。(2)燃烧稳定性难以控制。燃池燃料一般使用锯末、碎草、稻壳、牛马粪等，在使用时，有时会产生明火，燃烧速度失去控制。(3)燃烧产物中一氧化碳等可燃气体含量较高。资料表明，燃池排出的气体一氧化碳含量可高达10%左右，不仅降低了热效率，而且由于使用不当，可能会引起一氧化碳中毒。实验表明，农作物秸秆粉的阴燃热效率在55%以上，这充分说明了农作物秸秆阴燃取暖的可行性。本课题以东北农村地区广泛采用的取暖设施一一燃池为背景，设计一种农作物阴燃取暖器，为农村住户或农业设施提供经济、方便的供暖方式，并为农作物秸秆的处理和应用提供新途径。首先考虑将取暖炉放于大棚内，使阴燃产生的热量全部释放于棚内，热效率高;二是炉体大小根据需要设计生产，制作和搬运方便;三是可根据天气情况或实际需要决定是否应用取暖炉，应用灵活方便。2.2阴燃取暖炉参数的理论计算以传统普通大棚为例，农村大棚取暖热负荷的计算如下: Q=V(-)A （2-1）式中:Q-大棚采暖负荷，w;-体积热指标， V-建筑物外轮廓体积，；-采取设计的室内温度，;-.采暖设计的室外温度，;A-大棚取暖负荷调整系数，可取0.65。大棚的体积热指标见表2-1 表2-1体积热指标设计室温体积热指标 16180.870.93 10160.460.87 8100.400.46以夜间大棚来计算，假设大棚面积为50，屋高2m。棚外设计夜间温度为-15，棚内温度为15。根据已知条件，建筑物外轮廓体积为:V=50x2=100时。又根据大棚内设计温度，从表1-1中查得体积热指标，取0.8。采用公式计算出夜间大棚采暖热负荷为1560W。则12小时需热量为:1560x12x3600=67392kJ。根据生物质粉阴燃净放热量与温度的关系()见表2-2 表2-2生物质粉阴燃净放热量与温度的关系()物料440K673K773K873K1073K麦秸245.0-7004.6-11468-11482-11445玉米秸212.5-5757.7-10123-10262-10394豆秸196.7-4717.6-10397-1063110672高粱秸101.3-5727.8-11205-11392-11693 注：表中负值表示放热由上表可知玉米秸在873K时阴燃净放热量分别应大于10262kJ/kg，因此夜间取暖需要约6.57kg干玉米秸白天棚外温度为-2，棚内10体积热指标为0.8。采用公式计算出白天大棚采暖热负荷为624W。则12小时需热量为:624x12x3600=26956kJ。因此白天取暖需要约2.6kg干玉米秸农作物秸秆的含水率为816%，考虑各因素，估计容量为100kg的阴燃炉可满足10天供暖需求。另外，经检测秸秆的堆密度在60200kg/m3，因此阴燃炉的内体积为0.51.7，加上保温层等附属结构，经初步估算，边长为1.2m的立方体炉体可基本满足供暖要求。2.3材料选择2.3.1保温材料的选择本炉子采用的保温材料为230mmx110mmx65mm的轻质粘土砖。轻质粘土砖是建筑用的人造小型块材。也被称烧结砖。粘土砖以粘土（包括页岩、煤矸石等粉料）为主要原料，经泥料处理、成型、干燥和焙烧而成。中国在春秋战国时期陆续创制了方形和长形砖，秦汉时期制砖的技术和生产规模、质量和花式品种都有显著发展，世称“秦砖汉瓦”。普通砖的尺寸为240毫米115毫米53毫米，按抗压强度（牛顿平方毫米，Nmm2）的大小分为MU30、MU25、MU20、MU15、MU10、MU7.5 这6个强度等级 。粘土砖就地取材 ，价格便宜 ，经久耐用 ，还有防火、隔热、隔声、吸潮等优点，在土木建筑工程中使用广泛。废碎砖块还可作混凝土的集料。为改进普通粘土砖块小、自重大、耗土多的缺点，正向轻质、高强度、空心、大块的方向发展。灰砂砖以适当比例的石灰和石英砂、砂或细砂岩，经磨细、加水拌和、半干法压制成型并经蒸压养护而成。粉煤灰砖以粉煤灰为主要原料，掺入煤矸石粉或粘土等胶结材料，经配料、成型、干燥和焙烧而成，可充分利用工业废渣，节约燃料。中国的粘土砖含量一般多在40以上，含量小于2.02.5。配料中熟料为6585，结合粘土为3515。将粉碎的结合粘土和磨细的熟料混磨,再与颗粒熟料一起配制成半干泥料,高压成型,在约1400下烧成，性能较好。粘土砖在高温下呈弱酸性，抗碱性熔渣侵蚀的能力稍差,但随含量提高而增强。热稳定性较硅砖、镁砖等为好。轻质粘土砖见图2-1。生产各种轻质节能耐火材料砌炉节电20%左右，比重为0.4、0.6、0.8、1.0、1.3等标准型异型轻质保温制品。 图2-1轻质粘土砖硅砖主要由鳞石英、方石英以及少量残余石英和玻璃相组成的酸性耐火材料。二氧化硅含量93以上。真密度2.38g/cm3。具有抗酸性渣侵蚀性能。较高的高温强度。荷重软化开始温度16201670。在高温下长期使用不变形。600以上一般无晶型转化。较小的温度膨胀系数。较高的抗热震性。600以下晶型转变较多，体积变化较大，耐热震性变差。以天然硅石为原料，外加适量矿化剂，以促进坯体中的石英转化为磷石英。在还原气氛下经13501430缓慢烧成。如图2-2。 图2-2 硅砖镁砖（如图2-3）一般可分为烧结镁砖（又称烧成镁砖）和化学结合镁砖（又称不烧镁砖）两大类。氧化镁含量在90%以上、以方镁石为主晶相的碱性耐火材料。纯度和烧成温度高的镁砖，由于方镁石晶粒直接接触，称为直接结合镁砖；用电熔镁砂为原料制成的砖称为电熔再结合镁砖。镁砖有较高的耐火度，很好的耐碱性渣性能，荷重软化开始温度高，但抗热震性能差。烧结镁砖以制砖镁砖为原料，经粉碎、配料、混练、成型后，在15501600的高温下烧成，高纯制品的烧成温度在1750以上。不浇镁砖是在镁砂中加入适当的化学结合剂，经混炼、成型、干燥而制成。主要用于炼钢碱性平炉、电炉炉底和炉墙，氧气转炉的永久衬，有色金属冶炼炉，高温隧道窑，煅烧镁砖和水泥回转窑内衬，加热炉的炉底和炉墙，玻璃窑蓄热室格子砖等。图2-3镁砖2.3.2密封材料的选择密封材料是能承受接缝位移以达到气密、水密目的而嵌入建筑接缝中的定形和非定形的材料。密封材料一般应具有良好的物理和机械性能、回弹性高、压缩永久变形小、密封可靠、加工方便和使用寿命长。航空航天工业还要求密封材料能适应一些特殊的环境要求，如耐真空、耐辐射、无污染、无毒、耐高低温和耐航空燃料和火箭推进剂等介质的腐蚀。密封材料在使用时可以配制成液状或膏状，涂敷在两部件的接触面之间，在一定的条件下固化或呈不干性腻子起密封作用；也可以加工成各种形状的实心或空心圆环安装在两部件的接触面之间起密封作用。前者称密封材料只用于两部件接触面无相对运动的静密封部位；后者称密封件既可用于静密封部位，又可用于两部件的接触面有相对运动的动密封部位。航空航天工业中使用的密封材料主要有：聚硫橡胶、硅橡胶和聚氨酯密封剂。聚硫橡胶密封剂具有优异的耐航空燃料性能，主要用于机翼和机身整体油箱的密封。硅橡胶密封剂能耐高温和低温、耐辐射、耐真空、无污染、无毒，主要用于各种密封舱的密封。聚氨酯密封剂的超低温性能良好，主要用于火箭推进剂液氢、液氧的连接缝。飞机的座舱、窗门、仪表舱、炮弹舱、引射器、电插头、电子元件和电磁铁的灌封也都使用密封剂。石棉垫是用石棉布加其他辅助材料模压成型，使用于腐蚀性的高压高温密封。用于反应釜、反应罐、人孔、手孔等部位。使用温度：-100+1000使用压力：PN5.0Mp装料口及盖的密封材料选用石棉垫，如图2-4，2-5： 图2-4 石棉垫图2-5石棉垫2.4阴燃炉结构设计2.4.1炉体部分的设计根据粘土砖的尺寸，炉膛内生物质装料部分设计尺寸为1070mmx1070mmx1035mm:炉体，体积约为。炉体用3mm的铁皮制成，将轻质粘土砖用专用的粘合剂粘在炉内壁上。炉体部分主要由底脚、排灰口及门、进气口、装料口及盖、烟囱、保温层（用轻质粘土砖砌成）、炉外壁组成。阴燃炉结构简图如图2-4。 图2-6 阴燃炉结构简图2.4.2进风口的设计阴燃是一种缓慢的不完全的燃烧，其反应速度主要取决于燃料与空气的接触机会。阴燃的过程是一个自维持的过程，进气量的多少是阴燃能否发生和维持的一个重要条件，因此，对进气口的设计也显得非常重要。本装置是在自然通风条件下对进气口进行设计的，自然通风是靠设施内外的温度差产生的热压或外界自然风力产生的风压促使空气流动。首先利用公式（2-2）对生物质完全燃烧需氧量进行计算 （2-2）然后按照阴燃炉最大装料量100kg，根据化学方程式计算可得需氧量为= （2-3）则所需空气的量为=/0.2=730Kg生物质燃烧10天的进气口的空气流量为 （2-4）根据流体力学的原理，可推导得出通风量 = （2-5） 式中：T室内外温差，T=-，K；g重力加速度，取g=9.8；h进气口与出气口中心高度差，m；k由进出气口的面积与流量系数确定的系数，有： （2-6）式中，进气口和出气口的面积，；，进气口和出气口流量系数，一般气口没有阻挡物时取为0.650.70，气口有阻挡物或气口未全开时取值较上述值低，可查有