户用智能多功能生物质采暖炉的设计与燃烧实验

姜戌雅，张昌超，李余康，于文凡，蔡红珍

（山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东淄博255049）

　　摘要：针对传统生物质采暖炉热效率不高、智能化程度较低等问题，文章设计了一种新型户用智能采暖炉。该采暖炉采用了发条机构的设计，在发条蓄积能量后，通过传动系统和螺旋送料器将燃料送入燃烧室；基于STM32单片机的控制系统，能够对传感器实时反馈的温度做出反应，从而实现智能化进料，并控温保温；采用三级除尘装置的除尘系统，可实现烟气和颗粒物的低污染排放。以玉米秸秆成型颗粒为燃料对设计的采暖炉进行燃烧实验，实验结果表明，在日运转14h的情况下，大约需要39.9kg的玉米秸秆成型颗粒，采暖炉的额定发热量为1620kJ，热效率为63%。

　　0前言

　　户用智能多功能生物质采暖炉的使用可以有效地加强农村供暖能源设施的建设，在农村地区推广以生物质颗粒为燃料的供暖模式，并使用配套的节能环保炉具，可同步解决炊事、取暖和洗浴所需的能源，从而降低燃料使用成本，实现清洁供暖^[1]。

　　生物质锅炉是将生物质作为燃料进行燃烧，从而产生热量，目前，生物质锅炉的主要用途是将燃烧产生的热量用于发电^[2]。国外有关生物质采暖炉技术的研究日趋成熟，我国在生物质燃烧技术和设备上也有了一些新的突破^[3]~[7]。罗冰研制的小型生物质铡碎料直燃热水锅炉和刘庆玉研制的户用生物质采暖炉，均在炊事上和机械结构上进行了改进，但并未实现自动化和多功能化^[8]，[9]。

　　户用智能多功能生物质采暖炉的自动化程度占整个工作流程的85%以上，基本上实现了送料、送风、送水、输水、自动点火、智能控温等功能，并且在满足以上基本功能外实现了手机APP智能控制^[10]。从能源利用率和自动化程度考虑，户用智能多功能生物质采暖炉能够提升农村供暖的污染治理水平，调整优化农村供热能源结构。本文对一种户用智能多功能生物质采暖炉的能源利用机构和自动化控制系统进行研究，以实现节能供暖、环保供暖、智能供暖。

　　1整机结构和工作原理

　　1.1整机结构

　　采暖炉的总体结构如图1所示。

　　由图1可知，采用螺旋送料器将料仓和采暖炉连接起来，由发条机构驱动。鼓风机直接连接采暖炉，通过鼓风机头部的阀门调节风量的大小。控制系统位于采暖炉上部，连接自动送料系统、点火系统以及自动控温系统。控制面板位于电气控制系统的外部，以便控制采暖炉进行工作。水箱和水管位于采暖炉的四周，以便实现换热功能，灶台位于采暖炉的上方，通过燃烧罩控制火焰的大小。

　　1.2工作原理

　　采暖炉工作时，用户通过控制系统设置温度和启动时间，到达设定时间后，控制系统启动发条送料机构，发条机构将料仓中的燃料送至燃料预处理仓，通过喷嘴将燃料喷入炉膛内，控制系统控制打火器将燃料点燃。利用燃料燃烧产生的热量加热水箱中的水，满足供暖与洗浴需求，利用上部火焰可以满足炊事需求。温度传感器可实时反馈温度，当室温低于设定温度时，控制系统加快送料系统的送料速度和鼓风机的进风速度，加速燃烧，提高发热量和室温；当室温高于设定温度时，控制系统减慢送料与进风的速度，降低发热量和室温，从而实现智能控温。

　　2关键部件的设计

　　2.1发条送料机构

　　自动送料机构的核心需要足够的输出力矩使螺旋送料器能够正常运转，并且输出力矩要均匀，其次要有一定的工作圈数和足够高的疲劳强度以及较好的抗弹性疲劳性能。综合以上情况，本文选取发条机构作为自动送料机构的核心部件^[11]。发条凭借着操作简单的优点，被广泛地应用于各个领域。发条聚集能量后把能量输送给擒纵机构，擒纵机构把能量均匀地分开，通过传动系统和螺旋送料器将生物质燃料送到燃烧室中。发条送料机构的结构如图2所示。

　　2.2控制系统

　　送料系统、燃烧系统、换热系统、除灰系统和智能控制系统共同组成户用智能多功能生物质采暖炉，其中，智能控制系统是送料系统的重要组成部分，具有智能控制送料、温度检测、自动点火、智能控温、远程手机控制等功能。以STM32单片机为设计核心，单片机与室内温度传感器通过无线模块实现通信，根据室内温度传感器的信号，单片机控制下料电机的转动。通过红外线传感器探测料仓内的燃料余量并传输给单片机，当燃料余量较低时，语音模块会发出警报。因此，将控制系统从功能上分为温度检测、送料控制、远程控制3个功能模块。控制系统的结构框图见图3。控制系统的载体为控制柜，设计其外形尺寸为200mm×150mm×400mm，控制系统的工作电压为220V。

　　户用多功能采暖炉正常工作时，通过控制鼓风机的吹风量来改变燃料的燃烧程度，通过控制发条机构来改变送料速度。当室温高于设定温度时，鼓风机和发条机停止或减速工作；当室温等于设定温度时，鼓风机和发条机构正常工作；当室温低于设定温度时，鼓风机和发条机加速工作。

　　2.3除尘机构

　　除尘机构如图4所示。除尘机构由一级除尘装置、二级除尘装置和三级除尘装置组成，其中，一级除尘装置连接有静电除尘装置和烟灰收集室，一级除尘装置能够对灰分进行一级分离，将灰分送入灰分收集室。静电除尘装置内设有烟灰分离室，烟灰分离室的下半部分设有灰分分离室，灰分分离室通过一定角度的灰分管道与灰分收集室连接；灰分分离室的上半部分连接有烟气分离室，烟气分离室通过一定角度的烟气管道与二级除尘装置连接。二级除尘装置中设有静电除尘装置和振动装置，静电除尘装置和振动装置设置在管道内部。静电除尘装置可以吸附烟气中的灰尘，振动装置可以震落静电除尘装置上的灰尘，落入灰分收集室。二级除尘装置连接三级除尘装置，三级除尘装置设有过滤系统，过滤系统可以实现烟气的最终过滤，去除烟气中存在的大气污染物。

　　2.4悬浮燃烧机构

　　悬浮燃烧机构可以将生物质燃料与空气在燃烧室内充分混合，使生物质燃料燃烧得更充分，产生的热量更多，同时避免有害气体的产生和燃料的浪费。悬浮燃烧机构如图5所示。从图5可以看出，悬浮燃烧机构的结构特点为在燃烧装置一侧设有料仓，料仓下部为送料机构，连接燃料预处理室，燃料预处理室两侧连接鼓风机与燃烧室，预处理室的下部为点火系统，燃烧室布置有气旋式风场。

　　生物质燃料经送料机构，在燃料预处理室与空气混合，经喷头喷入燃烧室，在风场作用下与空气充分混合，由点火系统点燃。燃料的预处理室包括燃料混合室和喷射装置。燃料混合室通过阀门与鼓风机连接，将燃料与空气混合，并通过出料阀与送料机构相连。燃料混合室通过高压送料管和阀门与喷头相连，喷头连接燃烧室[11]。在炉体下部设有通风口，通过进气管道连接鼓风机，可以为燃料的充分燃烧提供足量空气。

　　点火装置设置在燃料预处理室下侧，由燃油喷射装置和电子打火器组成，燃油油箱通过阀门与底部的进气管道相连，控制单元控制阀门开闭从而为燃油增压。点火时燃油喷射装置喷出燃油与生物质燃料混合，由电子打火器产生的高能电火花引燃。

　　为了使生物质燃料与空气能够在燃烧室内充分混合，实现充分燃烧，燃烧室内布置有多个喷头。以燃烧室中心为圆心，喷头与燃烧室中心的距离为燃烧室直径的一半，喷头方向向上，与水平面的夹角为30~50°，与燃烧室径向的夹角为25~45°，喷头数量为4~8个，均匀分布，喷头通过阀门与送料管道相连。

　　采暖炉的底部设有4个呈圆周分布的出风口，风口方向与燃烧室径向的夹角为30~45°，气流以螺旋的方式进入燃烧室^[12]，[13]。喷射出的燃料沿燃烧室内壁形成高速气旋，与底部气流共同作用使燃料与空气充分混合，为燃烧做好准备。

　　3采暖炉燃烧试验

　　燃烧实验的目的是检验采暖炉的热效率、理论烟气排放情况，以及采暖炉是否符合设计要求。燃烧实验结果的评价指标有热能转化效率、理论烟气排放量，以及能否实现人工智能管理控制。

　　3.1实验方法与结果

　　燃烧实验以玉米秸秆成型颗粒为燃料，玉米秸秆的工业分析和元素分析结果如表2所示。实验过程中，先采用FC380型粉碎机将玉米秸秆粉碎，然后筛选粒径小于80目的颗粒，将筛选后的颗粒在105℃的温度下干燥24h；称取1g干燥后的样品放入C2000型量热仪的坩埚中，检测玉米秸秆的热值；将粉碎后的玉米秸秆通过成型机挤压成型，最终将成型颗粒放入采暖炉中进行燃烧实验。

　　3.1.1热效率计算

　　由表3可知，采暖炉以成型玉米秸秆为燃料时，成型玉米秸秆燃烧所需的理论空气量小于无烟煤的燃烧，产生的理论烟气量也小于无烟煤的燃烧，说明以生物质颗粒为燃料的生物质采暖炉可以减少污染物的排放量，具有推广使用的价值。

　　3.1.3智能控制检测

　　采暖炉上设有控制面板，可以控制送料系统和自动点火功能，采暖炉内的温度传感器测量室温后，经过蓝牙模块传入单片机控制模块；设置手机APP使用功能，可以通过蓝牙模块向手机APP发送室温、水温、料量等信息，手机APP接收并显示上述信息；通过手机APP在10m之内向蓝牙模块发送温度和转数等指令，中央处理器经过运算，将指令反馈给动力部件实现相应的输水、送水、下料、送风功能，从而基本实现采暖炉的智能化控制。

　　4结论

　　①通过调整进料速度和配风量可以提高采暖炉的热效率，其中，进料速度可以根据燃烧的物料不同加以调整。

　　②利用采暖炉进行生物质燃烧实验时，烟气等污染物的排放量低于无烟煤燃烧时的排放量，再经过采暖炉的三级除尘机构，可以保证在正常工作的情况下，采暖炉的污染物排放量符合有关要求。

　　③该采暖炉的创新性在于智能控制系统主要是通过单片机进行控制，可通过手机移动端、PC终端、机身触控、红外线遥控查看采暖炉的各项参数，并根据需求控制采暖炉的启停和调节燃烧情况。

　　因为本设计重在研发智能型多功能生物质采暖炉，只是简单地通过实验研究玉米秸秆成型颗粒在采暖炉中的适应性燃烧，探讨设计的采暖炉能否满足生产需求，并没有对原料进行长期实验，因此，没有对现存的碱金属导致的结渣问题进行研究。结渣是通过不断燃烧沉积积累而形成的，因此，短期实验的结渣问题并不是很明显。但是，市面上现有的生物质采暖炉大部分存在长期燃烧的结渣性问题，因此，建议从源头解决结渣问题，即从燃料成分上加以改进，对原料中的碱金属采用化学分馏法进行初步测定，并采用添加剂的方式改善生物质成型燃料的结渣问题。在此基础上对采暖炉进行不断地优化设计，以适应我国国情。

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