姜戌雅，張昌超，李余康，于文凡，蔡紅珍

（山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東淄博255049）

　　摘要：針對傳統生物質采暖爐熱效率不高、智能化程度較低等問題，文章設計了一種新型戶用智能采暖爐。該采暖爐采用了發條機構的設計，在發條蓄積能量后，通過傳動系統和螺旋送料器將燃料送入燃燒室；基于STM32單片機的控制系統，能夠對傳感器實時反饋的溫度做出反應，從而實現智能化進料，并控溫保溫；采用三級除塵裝置的除塵系統，可實現煙氣和顆粒物的低污染排放。以玉米秸稈成型顆粒為燃料對設計的采暖爐進行燃燒實驗，實驗結果表明，在日運轉14h的情況下，大約需要39.9kg的玉米秸稈成型顆粒，采暖爐的額定發熱量為1620kJ，熱效率為63%。

　　0前言

　　戶用智能多功能生物質采暖爐的使用可以有效地加強農村供暖能源設施的建設，在農村地區推廣以生物質顆粒為燃料的供暖模式，并使用配套的節能環保爐具，可同步解決炊事、取暖和洗浴所需的能源，從而降低燃料使用成本，實現清潔供暖^[1]。

　　生物質鍋爐是將生物質作為燃料進行燃燒，從而產生熱量，目前，生物質鍋爐的主要用途是將燃燒產生的熱量用于發電^[2]。國外有關生物質采暖爐技術的研究日趨成熟，我國在生物質燃燒技術和設備上也有了一些新的突破^[3]~[7]。羅冰研制的小型生物質鍘碎料直燃熱水鍋爐和劉慶玉研制的戶用生物質采暖爐，均在炊事上和機械結構上進行了改進，但并未實現自動化和多功能化^[8]，[9]。

　　戶用智能多功能生物質采暖爐的自動化程度占整個工作流程的85%以上，基本上實現了送料、送風、送水、輸水、自動點火、智能控溫等功能，并且在滿足以上基本功能外實現了手機APP智能控制^[10]。從能源利用率和自動化程度考慮，戶用智能多功能生物質采暖爐能夠提升農村供暖的污染治理水平，調整優化農村供熱能源結構。本文對一種戶用智能多功能生物質采暖爐的能源利用機構和自動化控制系統進行研究，以實現節能供暖、環保供暖、智能供暖。

　　1整機結構和工作原理

　　1.1整機結構

　　采暖爐的總體結構如圖1所示。

　　由圖1可知，采用螺旋送料器將料倉和采暖爐連接起來，由發條機構驅動。鼓風機直接連接采暖爐，通過鼓風機頭部的閥門調節風量的大小。控制系統位于采暖爐上部，連接自動送料系統、點火系統以及自動控溫系統。控制面板位于電氣控制系統的外部，以便控制采暖爐進行工作。水箱和水管位于采暖爐的四周，以便實現換熱功能，灶臺位于采暖爐的上方，通過燃燒罩控制火焰的大小。

　　1.2工作原理

　　采暖爐工作時，用戶通過控制系統設置溫度和啟動時間，到達設定時間后，控制系統啟動發條送料機構，發條機構將料倉中的燃料送至燃料預處理倉，通過噴嘴將燃料噴入爐膛內，控制系統控制打火器將燃料點燃。利用燃料燃燒產生的熱量加熱水箱中的水，滿足供暖與洗浴需求，利用上部火焰可以滿足炊事需求。溫度傳感器可實時反饋溫度，當室溫低于設定溫度時，控制系統加快送料系統的送料速度和鼓風機的進風速度，加速燃燒，提高發熱量和室溫；當室溫高于設定溫度時，控制系統減慢送料與進風的速度，降低發熱量和室溫，從而實現智能控溫。

　　2關鍵部件的設計

　　2.1發條送料機構

　　自動送料機構的核心需要足夠的輸出力矩使螺旋送料器能夠正常運轉，并且輸出力矩要均勻，其次要有一定的工作圈數和足夠高的疲勞強度以及較好的抗彈性疲勞性能。綜合以上情況，本文選取發條機構作為自動送料機構的核心部件^[11]。發條憑借著操作簡單的優點，被廣泛地應用于各個領域。發條聚集能量后把能量輸送給擒縱機構，擒縱機構把能量均勻地分開，通過傳動系統和螺旋送料器將生物質燃料送到燃燒室中。發條送料機構的結構如圖2所示。

　　2.2控制系統

　　送料系統、燃燒系統、換熱系統、除灰系統和智能控制系統共同組成戶用智能多功能生物質采暖爐，其中，智能控制系統是送料系統的重要組成部分，具有智能控制送料、溫度檢測、自動點火、智能控溫、遠程手機控制等功能。以STM32單片機為設計核心，單片機與室內溫度傳感器通過無線模塊實現通信，根據室內溫度傳感器的信號，單片機控制下料電機的轉動。通過紅外線傳感器探測料倉內的燃料余量并傳輸給單片機，當燃料余量較低時，語音模塊會發出警報。因此，將控制系統從功能上分為溫度檢測、送料控制、遠程控制3個功能模塊。控制系統的結構框圖見圖3。控制系統的載體為控制柜，設計其外形尺寸為200mm×150mm×400mm，控制系統的工作電壓為220V。

　　戶用多功能采暖爐正常工作時，通過控制鼓風機的吹風量來改變燃料的燃燒程度，通過控制發條機構來改變送料速度。當室溫高于設定溫度時，鼓風機和發條機停止或減速工作；當室溫等于設定溫度時，鼓風機和發條機構正常工作；當室溫低于設定溫度時，鼓風機和發條機加速工作。

　　2.3除塵機構

　　除塵機構如圖4所示。除塵機構由一級除塵裝置、二級除塵裝置和三級除塵裝置組成，其中，一級除塵裝置連接有靜電除塵裝置和煙灰收集室，一級除塵裝置能夠對灰分進行一級分離，將灰分送入灰分收集室。靜電除塵裝置內設有煙灰分離室，煙灰分離室的下半部分設有灰分分離室，灰分分離室通過一定角度的灰分管道與灰分收集室連接；灰分分離室的上半部分連接有煙氣分離室，煙氣分離室通過一定角度的煙氣管道與二級除塵裝置連接。二級除塵裝置中設有靜電除塵裝置和振動裝置，靜電除塵裝置和振動裝置設置在管道內部。靜電除塵裝置可以吸附煙氣中的灰塵，振動裝置可以震落靜電除塵裝置上的灰塵，落入灰分收集室。二級除塵裝置連接三級除塵裝置，三級除塵裝置設有過濾系統，過濾系統可以實現煙氣的最終過濾，去除煙氣中存在的大氣污染物。

　　2.4懸浮燃燒機構

　　懸浮燃燒機構可以將生物質燃料與空氣在燃燒室內充分混合，使生物質燃料燃燒得更充分，產生的熱量更多，同時避免有害氣體的產生和燃料的浪費。懸浮燃燒機構如圖5所示。從圖5可以看出，懸浮燃燒機構的結構特點為在燃燒裝置一側設有料倉，料倉下部為送料機構，連接燃料預處理室，燃料預處理室兩側連接鼓風機與燃燒室，預處理室的下部為點火系統，燃燒室布置有氣旋式風場。

　　生物質燃料經送料機構，在燃料預處理室與空氣混合，經噴頭噴入燃燒室，在風場作用下與空氣充分混合，由點火系統點燃。燃料的預處理室包括燃料混合室和噴射裝置。燃料混合室通過閥門與鼓風機連接，將燃料與空氣混合，并通過出料閥與送料機構相連。燃料混合室通過高壓送料管和閥門與噴頭相連，噴頭連接燃燒室[11]。在爐體下部設有通風口，通過進氣管道連接鼓風機，可以為燃料的充分燃燒提供足量空氣。

　　點火裝置設置在燃料預處理室下側，由燃油噴射裝置和電子打火器組成，燃油油箱通過閥門與底部的進氣管道相連，控制單元控制閥門開閉從而為燃油增壓。點火時燃油噴射裝置噴出燃油與生物質燃料混合，由電子打火器產生的高能電火花引燃。

　　為了使生物質燃料與空氣能夠在燃燒室內充分混合，實現充分燃燒，燃燒室內布置有多個噴頭。以燃燒室中心為圓心，噴頭與燃燒室中心的距離為燃燒室直徑的一半，噴頭方向向上，與水平面的夾角為30~50°，與燃燒室徑向的夾角為25~45°，噴頭數量為4~8個，均勻分布，噴頭通過閥門與送料管道相連。

　　采暖爐的底部設有4個呈圓周分布的出風口，風口方向與燃燒室徑向的夾角為30~45°，氣流以螺旋的方式進入燃燒室^[12]，[13]。噴射出的燃料沿燃燒室內壁形成高速氣旋，與底部氣流共同作用使燃料與空氣充分混合，為燃燒做好準備。

　　3采暖爐燃燒試驗

　　燃燒實驗的目的是檢驗采暖爐的熱效率、理論煙氣排放情況，以及采暖爐是否符合設計要求。燃燒實驗結果的評價指標有熱能轉化效率、理論煙氣排放量，以及能否實現人工智能管理控制。

　　3.1實驗方法與結果

　　燃燒實驗以玉米秸稈成型顆粒為燃料，玉米秸稈的工業分析和元素分析結果如表2所示。實驗過程中，先采用FC380型粉碎機將玉米秸稈粉碎，然后篩選粒徑小于80目的顆粒，將篩選后的顆粒在105℃的溫度下干燥24h；稱取1g干燥后的樣品放入C2000型量熱儀的坩堝中，檢測玉米秸稈的熱值；將粉碎后的玉米秸稈通過成型機擠壓成型，最終將成型顆粒放入采暖爐中進行燃燒實驗。

　　3.1.1熱效率計算

　　由表3可知，采暖爐以成型玉米秸稈為燃料時，成型玉米秸稈燃燒所需的理論空氣量小于無煙煤的燃燒，產生的理論煙氣量也小于無煙煤的燃燒，說明以生物質顆粒為燃料的生物質采暖爐可以減少污染物的排放量，具有推廣使用的價值。

　　3.1.3智能控制檢測

　　采暖爐上設有控制面板，可以控制送料系統和自動點火功能，采暖爐內的溫度傳感器測量室溫后，經過藍牙模塊傳入單片機控制模塊；設置手機APP使用功能，可以通過藍牙模塊向手機APP發送室溫、水溫、料量等信息，手機APP接收并顯示上述信息；通過手機APP在10m之內向藍牙模塊發送溫度和轉數等指令，中央處理器經過運算，將指令反饋給動力部件實現相應的輸水、送水、下料、送風功能，從而基本實現采暖爐的智能化控制。

　　4結論

　　①通過調整進料速度和配風量可以提高采暖爐的熱效率，其中，進料速度可以根據燃燒的物料不同加以調整。

　　②利用采暖爐進行生物質燃燒實驗時，煙氣等污染物的排放量低于無煙煤燃燒時的排放量，再經過采暖爐的三級除塵機構，可以保證在正常工作的情況下，采暖爐的污染物排放量符合有關要求。

　　③該采暖爐的創新性在于智能控制系統主要是通過單片機進行控制，可通過手機移動端、PC終端、機身觸控、紅外線遙控查看采暖爐的各項參數，并根據需求控制采暖爐的啟停和調節燃燒情況。

　　因為本設計重在研發智能型多功能生物質采暖爐，只是簡單地通過實驗研究玉米秸稈成型顆粒在采暖爐中的適應性燃燒，探討設計的采暖爐能否滿足生產需求，并沒有對原料進行長期實驗，因此，沒有對現存的堿金屬導致的結渣問題進行研究。結渣是通過不斷燃燒沉積積累而形成的，因此，短期實驗的結渣問題并不是很明顯。但是，市面上現有的生物質采暖爐大部分存在長期燃燒的結渣性問題，因此，建議從源頭解決結渣問題，即從燃料成分上加以改進，對原料中的堿金屬采用化學分餾法進行初步測定，并采用添加劑的方式改善生物質成型燃料的結渣問題。在此基礎上對采暖爐進行不斷地優化設計，以適應我國國情。

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