【JX591】YRL-30型生物质阴燃炉的设计【3张CAD图纸+论文+开题报告】【机械毕业设计论文】【通过答辩】
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附件 5 2009 届 本科 生毕业 论文（设计） 中期汇报表 填表日期： 2009 业 机械设计制造及其自动化 学 院 工程学院 姓 名 何萍 指导教师 王黎明 论文（设计） 题 目 毕业论文（设计）前期工作小结 前期我主要完成了与课题相关的分析工作，通过对相关的文献资料进行细统的搜集、分析，选出了与设计有关的资料备用， 分析 了一些阴燃炉的结构及其主要部件构造的情况 。 拟定了设计对象，对整体进行了系统分析，寻找最佳设计方案， 按时完成了前期的工作计划， 并开始为下一阶段的设计做准备 。 经过前期大量的资料收集后选择了 阴燃炉为本次设计的对象，结合以前所学的知识，对其进行了结构分析， 确定供热系统的技术参数并进行计算 ， 绘制供热系统图纸 。 在此过程中所遇到的问题通过与老师沟通，大部分已经得到解决，并开始着手最后阶段的设计工作。 指导教师意见 指导教师签名： 学士学位毕业设计 生物质阴燃炉的设计 学生姓名： 何萍 学 号： 20054024128 指导教师： 王黎明 所在学院： 工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 中国大庆 2009 年 6 月 1 黑龙江八一农垦大学 毕业设计 (论文 )开题报告 学生姓名： 何萍 学 号： 20054024128 专 业： 机械设计制造及其自动化 设计 (论文 )题目： 生物质 阴燃炉 的设计 指导教师： 王黎明 2009 年 3 月 18 日 2 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： 国内外研究现状 针对目前燃料短缺以及农村农作物秸秆被任意遗弃焚烧所带来的一系列不良影响，特别是农作物秸秆的应用进行了一系列研究，在研究中发现，农作物秸秆这种生物质能具有分布分散，热值较低，集中应用时收集、运输成本较高等特点，并且自然堆积呈多孔介质状，容易实现阴燃。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、社效益和广泛的应用前景，也应该是秸能源用的一方向。 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 3 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。 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 从点火到稳态传播的阴燃过程进行了模拟计算 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 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晓平，解茂昭，等自然流动下竖直阴燃的传播和气体成分 料科学与技术， 2002， 8(2)： 188 191 2茂昭燃池的工作特点和热能利用分析 J中国能源， 1994(8)： 3841 3茂昭，徐敏燃池内阴燃过程的实验分析研究 J工程热物理学报，2000， 21(3)： 393 396 4硕士论文 E 国家生物质能利用比较研究 4 州 :2001. 5康权 西北农业大学出版社 :2002. 6生物质就地及时压缩成型技术 术 J005,27(1):287永亮，常新莲，郝吉明 成型技术开发实验研究 J2002,24(5):2618杰 机理的研究进展 J2004,20(2):2429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 J2007，（ 6）： 2910百良 前景分析 J1） :11111生物质能源转换新技术及其应用 J1999， (6)： 1012创之，马隆龙 术 M学工业出版社2005. 13硕士论文 型液压式生物质 (秸秆 )成型机的设计及试验研究 006. 14保谦等 I 型生物质成型机的试验研究 ， 1999，15(3):13315柏林等 压块机压块成型理论分析与试验研究 995， 26(3):51 一 56. 阴燃是一种缓慢、低温、没有火焰的燃烧方式，靠氧气直接和凝聚相燃料反应放出的热量维持。阴燃常发生于高分子固体燃料缺氧燃烧（从绝氧热解到高效燃烧之间很广的范围）过程，广泛存在各种火灾中，特别是垃圾填埋场火灾、森林火灾、煤矿废矿渣火灾、仓库粉体堆积物火灾过程中。近年 5 来，在新开发的生物质能利用技术， 如生物质气化、炭化技术，生物质阴燃技术中也广有涉及。 生物质固化成型燃料是将作物秸秆、稻壳、木屑等农林废弃物粉碎 后，送人成型器械中，在外力作用下，压缩成需要的形状。然后，作燃料直接燃烧，也可进一步加工，形成生物炭。在国外，该生产方法已经成熟，如丹麦、德国、比利时、美国、日本等国家已实现了工厂化生产，其产品主要用于取暖炉、锅炉发电等。目前，我国研究和开发出的生物质固化成型机也已应用于生产。生产的致密成型燃料，也已应用于取暖和小型锅炉。经测定，该种燃料排放的污染物低于煤的，是一种高效、洁净的可再生能源 。 直接燃烧生物质的热效率仅为 10 30，而生物质制成颗粒以后经燃烧器 (包括炉、灶等 )燃烧，其热效率为 87 89，热 效率提高 57 79 个百分点，节约了大量能源 。 6 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。 室内生物质阴燃炉 能解决的问题 室内生物质阴燃取暖炉可解决上述问题：将取暖炉放于室内，使阴燃产生的热 量全部释放于室内，热效率高；炉体大小根据需要设计生产，制作、搬运方便；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。 本设计的 研究方法 及技术路线 研究 方法 具软件是美国参数技术公司（ 称 重要产品。在目前的三维造型软件中占有重要地位，并作为当今世界机械 域的新标准而得到业界的认可和推广。作为高等学校和研究机构来说，该软件是进行设计的重要工具。 一个 提出参数化设计的概念，并且采用了单一的数据库来解决特征的相关性问题。 于特征方式，能够将设计至生产过程集成到一起，实现并行工程设计。 件的 块具有强大的工程分析能力。在 块中可对零件模型进行有限元分析和优化；在机构运动模块中，可对零部件模型进行机构运动仿真，并获得距离、速度等输出曲线。 本设计首先是对阴燃炉进行 设计计算， 在 利用 行实体造 7 型设计与仿真分析。 阴燃炉简图如下 底脚 2. 排灰口及门 3. 进气口 4. 装料口及盖5. 烟筒 6 层 壁技术路线如下： 细 整理资料； 整理 资料 及记录 进行分析 进一步 找出现有 阴燃炉 的不足； 次查阅资料 以找出最合理的 解决 办 法； 行实体造型设计与仿真分析 ； 8 20 日 3 月 30 日 查阅相关资料，了解气化炉的工作原理； 31 日 4 月 5 日 实地考察气化炉，找出现存的不足，确定解决方案； 3 6 日 4 月 15 日 确定供热 系统的技术参数并进行计算； 15 日 4 月 30 日 绘制供热系统图纸； 7 日 5 月 17 日 编写说明书； 准备答辩。 9 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设计论文 I 摘要 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 。 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。 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 。 本文 设计了 室内生物质 阴燃炉，以典型的生物质 豆秸 为燃料 。 装料容积为 底面半径为 200为 700圆柱炉体 ，体积约为 m 的阴燃炉中约为 9 豆秸 可满足 12 小时供暖需求。 关键词： 生物质 阴燃 阴燃炉 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 he to by it of of to on i a of is s be an of a of be to be to an of of of of of it in t of 00,000,000 no of be of an be up of an is a of a of is it is of to to it an of is it an of is be so at an of i to as 00 mm ao as of 00 mm a in i kg 2 a 龙江八一农垦大学毕业设计论文 录 摘要 . I . 绪论 . - 1 - 题研究背景及意义 . - 1 - 国生物质能源开发利用现状 . - 1 - 物质能源具有如下特点： . - 3 - 物质能源的分类 . - 3 - 物质燃料的分类 . - 4 - 国生物质能源发展中存在的主要问题 . - 6 - 国生物质能源未来的发展特点和趋势 . - 13 - 2 阴燃炉的设计 . - 17 - 燃炉理论计算 . - 17 - 燃炉结构设计 . - 18 - 体部分设计 . - 18 - 风口的设计 . - 19 - 筒的设计 . - 19 - 灰口及门的设计 . - 20 - 温材料的选择 . - 20 - 封材料的选择 . - 21 - 动控制系统的选择 . - 22 - 动控制的基本原理 . - 22 - 动控制的特征 . - 23 - 度传感器热电偶动的应用原理 . - 24 - 据采集器的选择 . - 26 - 氧化碳监测仪的选择 . - 27 - 3、结论 . - 29 - 致谢 . - 32 - 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 - 1 - 1 绪论 题研究背景及意义 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，立方米沼气的生产能力，年处理有机废弃物和污水 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 占适宜农户的 年产沼气 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。 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 . 中国已经开发出多种固定床和流 化床气化炉，以秸秆、木屑、稻壳、树枝为原料生产燃气。 2006 年用于木材和农副产品烘干的有 800 多台，村镇级秸秆气化集中供气系统近 600 处，年生产生物质燃气 2,000 万立方米。 中国政府及有关部门对生物质能源利用也极为重视，己连续在四个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，如户用沼气池、节柴炕灶、薪炭林、大中型沼气工程、生物质压块成型、气化与气化发电、生物质液体燃料等，取得了多项优秀成果。政策方面， 2005 年 2 月 28 日，第十届全国人民代表大会常务委 员会第十四次会议通过了可再生能源法， 2006 年 1 月 1 日起已经正式实施，并于 2006 年陆续出台了相应的配套措施。这表明中国政府已在法律上明确了可再生能源包括生物质能在现代能源中的地位，并在政策上给予黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 - 2 - 了巨大优惠支持，因此，中国生物质能发展前景和投资前景极为广阔。 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。 生物质能源指由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，通过生物链转化为地球生物物质形态，经过加工为社会生活提供原料的 能源。中国是一个人口大国，又是一个经济迅速发展的国家， 21 世纪将面临着经济增长和环境保护的双重压力。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的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。 从 生物质能的资源总体构成来看，目前我国农村中生物质能约占全部生物质能的 70以上，其他主要是城镇生活垃圾、污水和林业废弃物，而从先进国家目前的 生物质资源和利用来看，其主要构成均都是以林业废弃物和薪炭林为主。我国急需薪炭林技术的发展和工业艺水平的提高，面对上述情况，我国政府部门要求科研单位和有关组织，抓紧生物质能新技术的研究与应用，制定了许多相关政策与规划并付诸实施，在上下共同努力过程中，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 沼气 ： 20 世纪 90 年代以来，我国沼气建设一直处于稳定发展的势态。到 06年底，全国农村户用沼气达到 2260 万户左右。到 2010 年，全国将有 4000 万农户用沼气，达到适宜农户的 30左右；全国规模化养殖场大中 型沼气工程总数达到4700 处左右，达到适宜畜禽养殖场总数的 39左右；以沼气及沼气发酵液、沼渣在农业生产中的直接利用为主的沼气综合利用技术得到迅速应用，已达到 339 万户，其中北方的 “ 四位一体 ” 能源生态模式 21 万户，南方的 “ 猪一沼一果 ” 能源生态模式 81 万户。 生物质 气化 ： 经过十几年的研究、试验、示范，生物质气化技术已基本成熟，气化设备已有系列产品，产气量由 200 1000 气化效率达 70以上。到 2010年，全国建成 400 个左右秸秆固化成型燃料应用示范点，秸秆固化 成型燃料年利用量达到 100 万吨左右；建成 1000 处左右秸秆气化集中供气站，年产秸秆燃气 前用固定床气化炉，以稻壳为原料进行气化发电，规模较小。现在国内已有数处用流化床气化炉，可以用稻壳、锯末乃至粉碎的秸秆为原料进行气化发黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 - 3 - 电， “ 九五 ” 期间气化发电站规模达 1000“ 十五 ” 期间建造 4000右的气化发电站，全国生物质气化发电站数量有望增至 30 个左右。 薪 炭林 ： 自 1981 年起，我国开始有计划地建设薪炭林，目前我国 472 万多公顷，总面积达到 540 万公顷，加上其他森林年合理生产薪材能源约一亿 吨标准煤，发展薪炭林对缓解当地农村能源紧张，保护森林资源、林草植被被和生态环境，促进农村经济发展起到了积极的作用。生物质能利用技术又有新的发展。 生物质 压缩成型及其他技术 ： 我国已研制出螺旋挤压式、活塞冲压式和环模滚压式等几种生物质压缩成型设备，其中螺旋挤压式压缩成型机推广应用较多，有关单位对挤压螺杆的耐磨性作了较深入的研究，延长了它的使用寿命。全国现有生物质压缩成型厂 35 个。生物质经压缩成型后可直接用作燃料，也可经炭化炉炭化，获得生物炭，用于烧烤和冶金工业；还可生产块状饲料。 物质能源具有如 下特点： （ 1） 污染小。生物质能源在燃放过程中产生二氧化碳，排放的二氧化碳可被等量生长的植物光合作用吸收，实现二氧化碳零排放，这对减少大气中的二氧化碳含量及降低 “温室效应 ”极为有利。 （ 2） 蕴含量巨大，可再生。只要有阳光存在，绿色植物的光合作用就不会停止，生物质能源就不会枯竭。大力提倡植树、种草等活动，不但植物会远远不断的供给生物质能源源材料，而且还能改善生态环境。具有普遍性、易取性特点。生物质能源存在于世界上国有国家和地区，而且廉价、易取，生产过程十分简单。 （ 3） 可储存和运输。在可再生能源中，生物质能源是唯 一可以储存与运输的能源，对其加工转换与连续使用提供方便。 （ 4） 挥发组分高，炭活性高，易燃。在 400 左右的温度下，生物质能源大部分挥发组分可释出，将其转化为气体燃料比较容易实现。生物质能源燃烧后灰分少，并且不易黏结，可简化除灰设备。 物质能源 的 分类 农林废弃物农林废弃物包括农业废弃物和林业废弃物。农业废弃物指的是农作物收获时农田中产生的残余物，可以利用的有谷物、根茎作物和甘蔗残余物等。林业废弃物指的是木材加工部门从原材料制造各种木质一次制品时产生的废物，以及木材利用部门以一次制品为原料形成建 筑物等二次产品时产生的废物。 有机污水有机污水指的是丰富有机物质的排放废水，其中包括工业污水、农业污水以及生活污水等。由于清洁、高效、可再生等突出特点，氢气作为能源日益受到人们的重视。目前制取氢气的的方法有：水电解法、热化学法、光电化学法、等离子化学法、生物制氢法。从生物制氢的的成本角度考虑，利用这些单一基质制取氢气的费用比较高，而利用工农业有机废水等廉价的复杂基质来制取氢气，能使废物质得到资源化处理，降低它的生产成本。利用混合菌种产氢技术逐步成黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 - 4 - 熟，并取得了较大成果。 （ 3） 禽畜粪便禽畜粪便也是一种重要的生物质能源。除在牧区有少量的直接燃烧外，禽畜粪便主要是作为沼气的发酵原料。 （ 4） 生活垃圾城镇生活垃圾主要是由居民生活垃圾，商业、服务业垃圾和少量建筑垃圾等废弃物所构成的混合物，成分比较复杂，其构成主要受居民生活水平、能源结构、城市建设、绿化面积以及季节变化的影响。中国大城市的垃圾构成已呈现向现代化城市过渡的趋势，有以下特点：一是垃圾中有机物含量接近 1/3 甚至更高；二是食品类废弃物是有机物的主要组成部分；三是易降解有机物含量高。目前中国城镇垃圾热值在 焦 /千克（ 1000 千卡 /千克）左右。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。 物质燃料的分类 （ 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 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 千瓦时和 千瓦时，年消耗秸秆 20 万吨。 （ 2）气体生物质燃料 黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 - 5 - 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 方能源生态模式应用农户达 户，总产气量 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 立方米，形成了每年约 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 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 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，也可以是黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 - 6 - 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。 国生物质能源发展中存在的主要问题 生物质能是由植物的光合作用固定于地球上的太阳能，最有可能成为 21 世纪主要的新能源之一。据估计，植物每年贮存的能量约相当于世界主要燃料消耗的 10 倍；而作为能源的利用量还不到其总量的 l%。这些未加以利用的生物质，为完成自然界的碳循环，其绝大部分由自然腐解将能量和碳素释放，回到 自然界中。事实上，生物质能源是人类利用最早、最多、最直接的能源，至今，世界上仍有 15 亿以上的人口以生物质作为生活能源。生物质燃烧是传统的利用方式，不仅热效率低下，而且劳动强度大，污染严重。通过生物质能转换技术可以高效地利用生物质能源，生产各种清洁燃料，替代煤炭，石油和天然气等燃料，生产电力。而减少对矿物能源的依赖，保护国家能源资源，减轻能源消费给环境造成的污染。专家认为，生物质能源将成为未来持续能源重要部分，到 2015 年，全球总能耗将有 40%来自生物质能源。 人类正面临着发展与环境的双重压力。经济社会的发展 以能源为重要动力，经济越发展，能源消耗多，尤其是化石燃料消费的增加，就有两个突出问题摆在我们面前：一是造成环境污染日益严重，二是地球上现存的化石燃料总有一天要掘空。按消费量推算，世界石油资源在今后 50 年到 80 年间将最终消耗殆尽。到2059 年，也就是世界上第一口油井开钻二百周年之际，世界石油资源大概所剩无几。另一方面，由于过度消费化石燃料，过快、过早地消耗了这些有限的资源，释放大量的多余能量和碳素，打破了自然界的能量和碳平衡，是造成臭氧层破坏，全球气候变暖，酸雨等灾难性后果的直接因素。这就是说，如果不发展出新 的能源来取代化石常规能源在能源结构中的主导地位，在 21 世纪必将发生严重的、灾难性的能源和环境危机，是人类在下一世纪所面临的三大最可能发生的灾难之一。固然 ,发展生物质能源不是获得新的能源的唯一途径，人类可以采用高技术手段获得核能源，甚至从外太空获得能源，但其中的危害也是有目共睹的。首先，核能源的发展极可能给已经不安的世界带来新的不稳定因素 ,甚至直接威胁到人类的生存环境；其次，各国或各集团在人类下世纪技术水平下所能到达的有限外太空区域内进行的能源开发，将不可避免地引发新的争夺或争端，其祸福不言自明。而生物质能源 则不仅是最安全、最稳定的能源，而且通过一系列转换技术，可以生产出不同品种的能源，如固化和炭化可以生产因体燃料，气化可以生产气体燃黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 - 7 - 料，液化和植物油可以获得液体燃料，如果需要还可以生产电力等等。目前，世界各国，尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术，保护本国的矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供根本保障。 生物质能源的开发利用早已引起世界各国政府和科学家的关注。有许多国家都制定了相应的开发研究计划，在日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等发展计划。 其它诸如丹麦、荷兰、德国、法国、加拿大、芬兰等国，多年来一直在进行各自的研究与开发，并形成了各具特色的生物质能源研究与开发体系，拥有各自的技术优势。 主要为厌氧法处理禽畜粪便和高浓度有机废水，是发展较早的生物质能利用技术。 80 年代以前，发展中国家主要发展沼气池技术，以农作物秸秆和禽畜粪便为原料生产沼气作为生活炊事燃料。如印度和中国的家用沼气池；而发达国家则主要发展厌氧技术，处理禽畜粪便和高浓度有机废水。目前，日本、丹麦、荷兰、德国、法国、美国等发达国家均普遍采取厌氧法处理禽畜粪便，而象印度、菲律宾、泰国等发 展中国家也建设了大中型沼气工程处理禽畜粪便的应用示范工程。采用新的自循环厌氧技术。荷兰 司已使啤酒废水厌氧处理的产气率达到10m3/水平，从而大大节省了投资、运行成本和占地面积。美国、英国、意大利等发达国家将沼气技术主要用于处理垃圾，美国纽约斯塔藤垃圾处理站投资 2000 万美元，采用湿法处理垃圾，日产 26 万 3m 沼气，用于发电、回收肥料，效益可观，预计 10 年可收回全部投资。英国以垃圾为原料实现沼气发电 18今后 10 年内还将投资 英镑，建造更多的垃圾沼气发电厂。 早在 70 年代，一些发达国家，如美国、日本、加拿大、欧共体诸国，就开始了以生物质热裂解气化技术研究与开发，到 80 年代，美国就有 19 家公司和研究机构从事生物质热裂解气化技术的研究与开发；加拿大 12 个大学的实验室在开展生物质热裂解气化技术的研究；此外，菲律宾、马来西亚、印度、印尼等发展明家也先生开展了这方面的研究。芬兰坦佩雷电力公司开始在瑞典建立一座废木材气化发电厂，装机容量为 60 产热 65 1996 年运行：瑞典能源中心取得世界银行贷款，计划在巴西建一座装机容量为 20发电厂，利用生物质气化、联合循环发电等先进技术处理当地丰富的蔗渣资源。 另一项令人关注的技术，因为生物质液体燃料，包括乙醇、植物油等，可以作为清洁燃料直接代替汽油等石油燃料。巴西是乙醇燃料开发应用最有特色的国家， 70 年代中期，为了摆脱对进口石油的过度依赖，实施了世界上规模最大的乙醇开发计划，到 1991 年，乙醇产量达到 130 亿升，在 980 万辆汽车中，近 400万辆为纯乙醇汽车，其余大部分燃用 20%的乙醇 就是说乙醇燃料已占汽车燃料消费量的 50%以上。 1996 年，美国可再生资源实验室已研究开发出利用纤维素废料生产酒精的技术，由美国哈斯科尔工业集团公司建立了一个1壳发电示范工程：年处理稻壳 12 000 吨，年发电量 800 万度，年产酒精2 500 吨，具有明显的经济效益。 此外 ,生物质压缩技术可书固体农林废弃物压缩成型 ,制成可代替煤炭的压块黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 - 8 - 燃料。如美国曾开发了生物质颗粒成型燃料：泰国、菲律宾和马来西亚等第三世界国家发展了棒状成型燃料。 我国基本上 是一个农业国家农村人口占总人口的 70%以上，生物质一直是农村的主要能源之一，在国家能源构成中也占有益要地位。我国现有森林、草原和耕地面积 公顷，理论上生物质资源理可达 650 亿吨 /年以上（在但第平方公里土地面积上，植物经过光合作用而产生的有机碳量，每年约为 158 吨）。以平均热值为 15,000 千焦 /公斤计算，折合理论资源最为 33 亿标准煤，相当于我国目前年总能耗的 3 倍以上 实际上，目前可以作为能源利用的生物质主要包括秸秆、薪柴、禽畜粪便、生活垃圾和有机废渣废水等。据调查，目前我国秸秆资源量已超过 吨 ,约 约 吨作为饲料、造纸、纺织和建材等用途外其余 6 亿吨可作为能源用途：薪柴的来源主要为林业采伐、育林修剪和薪炭林，一项调查表明：我国年均薪柴产量约为 吨，折合标准煤 吨：禽畜粪便资源量约 市垃圾量生产量约 吨左右，并以每年 8%速度增，据估算，我国可开发的生物质能资源总量约 7 亿吨标准煤。 我国生物质的能源利用绝大部分用于农村生活能源，极少部分用于乡镇企业的工业生产：而利用方式长期来一直以直接燃烧为主，只是近年来才开始采用新技术利用生物 质能源，但规模较小。普及程度较低，在国家，甚至农村的能源结构中占有极小的比例。 生物质直接燃烧方式不仅热效率低下，而且大量的烟尘和余灰的排放使人们的居住和生活环境日益恶化，严重损害了妇女、儿童的身心健康。此外，还对生态、社会和经济造成极其不利的影响： 在必须使用生物质能源而利用方式不合理的情况下，必然对森林等自然资源进行不合理采伐，破坏了自然植被和生态平衡；对于有机垃圾、有机废水、有机废渣、禽畜粪便以及部分农业废弃物等资源没有充分加以利用，不仅造成资源浪费，而且使其成为主要的有机污染源，除造成严 重的大气和 水污染之外，还排放大量的温室气体，加剧了全球温室效应 ； 同时，随着经济的迅速发展和人民生活水平的提高，能源短缺问题必将成为 21 世纪阻碍国家经济的持续发展的重大问题，必须予以足够的重视，并采取有效措施着力加以解决。事实上，大力开发和利用生物质能源，对于缓解 21 世纪的能源、环境和生态问题具有重要意义，产生诸多利益 ； 减少污染，改善人民生活条件。不管是有机污水处理、城镇垃圾能源的利用还是秸秆热解利用中一个重要的共同点解决环境污染问题，这也是大部分生物质利用的首要目标 ； 解决农村能源供应问题，提高农民生活水平。我国农村能 源供应紧张，而生物质源丰富，所以可 利开展利用生物质能，可以改善农村的能量供应。提高他们的生活水平 ； 改善能源结构，减轻对对环境的压力。我国可开发的生物资源达 7 亿吨，如果能充分开发，可以在我国的能源消费中占重要的地方，这对改善我国能源结构，减少我国对石化燃料的依赖，进而减少我国 污染物的排放，最终缓解能源消耗给环境造成的压力有重要的意义。可黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 - 9 - 以预计，随着国民经济的发展和人民生活水平的 提高，生物质能利用技术和装置的市场前景将会越来越广阔。主要依据 ： 目前，绝大部分农作物秸秆因得不到有效利用而就地焚烧于农 田，不仅浪费了大量的能源，而成了严重的环境污染，给社会生活和经济发展造成了一定程度的负面影响。如发生在成都双流机场和首都机场的烟尘事件。逐渐富裕起来的农民，随着生活水平的提高，迫切改变原来直接燃用秸秆薪柴烟薰火燎的炊事取暖局面，以生物质可燃气作为 他们的生活能源，就会改善其卫生环境，提高生活质量，减轻劳动强度 ； 众多粮食、木材、茶叶、果类等加工厂，每天都有大量的谷壳、锯末、木屑、果壳等废弃物产出堆放，利用生物质气 化技术将其转换成可燃气，生产出优质能源，变废为宝，可谓一举两得 ； 禽畜粪便既是极为有害大环境污染源泉又 是重要的生物质能资源，随着大型畜牧场的不断建成和发展，所产生的环境污染也日趋严重。应用厌氧技术处理禽畜粪便更具有能源与环境双重意义 ； 随着我国社会经济的迅速发展，城市人口的增多和居民生活的改善，城市的垃圾处理问题便显得日益突出。我国的以北京为例， 1995 年，年垃圾产量均已突破 400 万吨， 1996 年北京的垃圾量则达 485 万吨。采用厌氧 技术处理有机垃圾，不仅可获得能源，而且达到低费用治理污染的目的 ；我国的边远地区，生物质资源丰 富，多属于缺电、少电地区，可将生物质气化发电，或供热可自产自用 ； 事买上，生物质能源技术之 所以具有广阔的市场前景，其优势在于开发利用生物质能源不仅可以获得取之不尽的能源，而且具有保护环境，节省资源的功能。 我国政府及有关部门对生物质能源利用极为重视，国家几位主要领导人曾多次批示和指示加强农作物秸秆的能源利用。国家科委已连续在三个国家五年计划中将生物质能技术的研究与应用列为重点研究项目，涌现出一大批优秀的科研成果和成功的应用范例，如产用沼气池、禽畜粪便沼气技术、生物质气化发电和集中供气、生物压块燃料等，取得了可观的社会效益和经济效益。同时，我国已形成一支高水平的科研队伍，包括国内有名的科研院所和大 专院校：拥有一批热心从事生物质热裂解气化技术研究与开发的著名专家学者。 （ 1） 沼气技术是我国发展最早、曾晋遍推厂的生物质能源利用技术。 70 年代，我国为解决农村能源短缺的问题，曾大力开发和推广户用沼气地技术，全国已建成 525 万户用沼气池。在最近的连续三个五年计划中，国家都将发展新的沼气技术列为重点科技攻关项目，计划实施了一大批沼气及其利用的研究项目和示范工程。至今，我国已建设了大中型沼气池 3 万多个，总容积超过 137 万 立方米 ，年产沼气 5 500 万 立方米 ，仅 100 立方米 以上规模的沼气工程就达 630 多处，其中集中供 气站 583 处，用户 户，年均用气量 431 立方米 ，主要用于处理禽畜粪便和有机废水。这些工程都取得了一定程度的环境效益和社会效益，对发展当地经济和我国厌氧技术起到了积极作用。在 “九五 ”计划中，应用于处理高浓度有机废水和城市垃圾的高效厌氧技术被列为科技攻关重点项目，分别由中科院成都生物研究所和杭州能源环境研究所承担实施，现已取得预期的进展。我国厌氧技术及工程中存在的主要问题：相关技术研究少、辅助设备配套性差、自动化程度黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 - 10 - 低、非标设备加工粗糙、工程造价高、开放式前后处理的二次污染严重等。 （ 2） 我国的生物质气化 技术近年有了长足的发展，气化炉的形式从传统上吸式、下吸式到最先进的流化床、快速流化床和双床系统等，在应用上除了传统的供热之外，最主要突破是农村家庭供气和气化发电上。 “八五 ”期间，国家科委安排了 “生物质热解气化及热利用技术 ”的科技攻关专题，取得了相当成果：采用氧气气化工艺，研制成功生物质中热值气化装置；以下吸式流化床工艺，研制成功 生物质气化集中供气系统与装置：以下吸式固定床工艺，研制成功食品与经济作物生物质气化烘干系统与装置；以流化床干馏工艺，研制成功 1000 户生物质气化 集中供气系统与装置。 “九五 ”期间，国家科委安排了 “生物质热解气化及相关技术 ”的科技攻关专题，重点研究开发 1型生物质气化发电技术和农村秸秆气化集中供气技术。目前全国已建成农村气化站近 200 多个，谷壳气化发电 100 多台套，气化利用技术的影响正在逐渐扩大。 （ 3） “八五 ”期间，我国开始了利用纤维素废弃物制取乙醇燃料技术的探索与研究，主要研究纤维素废弃物的稀酸水解及其发酵技术，并在 “九五 ”期间进入中间试验阶段。我国已对植物油和生物质裂解油等代用燃料进行了初步研究：如植物油理化特性、酯化改性工艺和柴油机燃烧性能等方面进行了初步试验研究。 “九 五 ”期间，开展了野生油料植物分类调查及育种基地的建设。我国的生物质液化也有一定研究，但技术比较落后，主要开展高压液化和热解液化方面的研究。 （ 4） 此外，在 “八五 ”期间，我国还重点对生物质压缩成型技术进行了科技攻关，引进国外先进机型，经消化、吸收，研制出各种类型的适合我国国情的生物质压缩成型机，用以生产棒状、块状或颗粒生物质成型燃料。我国的生物质螺旋成型机螺杆使用寿命达 500 小时以上，属国际先进水平。 虽然我国在生物质能源开发方面取得了巨大成绩，技术水平却与发达国家相比仍存在一定差距，如： 新技术开发不力，利用 技术单一。我国早期的生物质利用主要集中在沼气利用上，近年逐渐重视热解气化技术的开发应用，也取得了一定突破，但其他技术开展却非常缓慢，包括生产酒精、热解液化、直接燃烧的工业技术和速生林的培育等，都没有突破性的进展。由于资源分散，收集手段落后，我国的生物质能利用工程的规模很小；为降低投资，大多数工程采用简单工艺和简陋设备，设备利用率低，转换效率低下。所以，生物质能项目的投资回报率低，运行成本高，难以形成规模效益，不能发挥其应有的、重大的能源作用。相对科研内容来说，投入过少，使得研究的技术含量低，多为低水平重复研 究，最终未能解决一些关键技术，如：厌氧消化产气率低，设备与管理自动化程度较差；气化利用中焦油问题没有彻底解决，给长期应用带来严重问题；沼气发电与气化发电效率较低，相应的二次污染问题没彻底解决。导致许多工程系统常处于维修或故障的状态，从而降低了系统运行强度和效率。 此外，在我国现实的社会经济环境中，还存在一些消极因素制约或阻碍着生物质能利用技术的发展、推广和应用，主要表现为： 在现行能源价格条件下，生物质能源产品缺乏市场竟争能力，投资回报率低挫伤黑龙江八一农垦大学毕业设计论文 - 11 - 了投资者的投资积极性，而销售价格高又挫伤了消费者的积极性。 技 术标准未规范，市场管理混乱。在秸杆气化供气与沼气工程开发上，由于未有合适的技术标准和严格的技术监督，很多未具备技术力量的单位
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