基于碳中和理念的蔬菜大棚供暖炉设计_郭天源.pdf

南方论坛302023 年 4 月下South Forum基于碳中和理念的蔬菜大棚供暖炉设计*郭天源，谢梓文，刘雨菡，黄重然，崔有正，谢李傲（齐齐哈尔大学机电工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）摘要：为解决蔬菜大棚冬季供暖、过度燃烧化石燃料导致二氧化碳浓度增加等问题，课题组设计了基于碳中和理念的蔬菜大棚供暖炉。该设备的生物质颗粒成型装置可以对秸秆进行粉碎、压粒成型处理，得到生物质颗粒燃料，使得原料利用率最大化；再燃烧该燃料以提供热源，燃烧后的炉灰可作为草木灰肥得到有效利用，并结合富氧燃烧技术提高燃料燃烧效率；利用尾气处理技术得到高浓度二氧化碳并减少环境污染，使尾气通入蔬菜大棚，由智能二氧化碳浓度控制器控制二氧化碳浓度，为植物提供气体肥料，促进植物光合作用，提高产量，从而减少排放到大气中的二氧化碳，实现碳中和目标。同时，尾气进入大棚的热循环管路，利用尾气的温度达到为蔬菜大棚供暖的目的，最大限度地利用了燃料燃烧产生的热量。仿真结果表明，该储料仓设计合理，符合当今社会发展趋势和人民群众需求，可为实现碳中和目标提供支持。关键词：供暖炉；生物质颗粒燃料；富氧燃烧技术；碳中和；大棚供暖中图分类号：S626；TU832 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.08.009冬季气温寒冷，农村大多采用大棚种植蔬菜，大棚可为蔬菜提供温度适宜的生长环境，保证蔬菜产量，大棚需要热源为其提供持续热量，保持其内部温度。中国宣布2060年前实现碳中和的目标，绿色低碳循环发展的经济体系和清洁低碳安全高效的能源体系全面建立，能源利用效率达到国际先进水平，非化石能源消费比重达到80%以上。而我国冬季供暖大多采用化石能源，导致大气中二氧化碳浓度增加1。同时每逢秋收，大量农作物秸秆等待处理，而直接露天燃烧秸秆会对大气产生污染，秸秆燃烧会导致二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物超标，且产生大量温室气体。为减少二氧化碳排放量，课题组认为科学合理地将秸秆用作供暖的燃料，并对其燃烧尾气进行处理，有效利用其中的温室气体，既可以解决农田秸秆处理问题，又可以减少温室气体排放量，为实现碳中和目标提供解决方案2。1 设计理念概述基于碳中和理念的蔬菜大棚供暖炉是一种既可以降低二氧化碳排放量，又可以合理利用农作物废弃秸秆作为燃料的冬季供暖装置3。在此次供暖炉的设计研发中，课题组以碳中和理念为出发点，在传统上吸式炉子以及气化炉的基础上，改进其火力不易控制、燃烧不充分、焦油污染大等弊端4，增添了生物质颗粒成型机、制氧鼓风机、尾气处理装置等，使生物质颗粒燃料在燃烧炉中富氧燃烧，最终利用尾气处理装置处理燃烧产生的气体。处理后的尾气通入蔬菜大棚内的热循环管路，利用尾气的热量为大棚供暖，极大地利用了燃料燃烧产生的热量，同时尾气也可作为气体肥料通入蔬菜大棚，促进植物光合作用。通过气体浓度传感器智能开关来控制释放到大棚内的二氧化碳浓度，进一步消耗二氧化碳，使排放到大气的二氧化碳浓度降低，以达到碳中和的目标5。2 系统结构示意图及工作流程设计2.1 系统结构示意图一种基于碳中和理念的低碳供暖炉的设计结构示意图，如图1所示。2.2 工作过程分析1）生物质颗粒成型：启动生物质颗粒成型机，将晾晒干燥的秸秆放入投料口，等待片刻即可得到生物质颗粒从出料口产出6。2）收集生物质颗粒：手动将从出料口产出的生物质颗粒收集到储料仓内。3）自动供料：启动燃烧炉后，储料仓底部连接的螺旋输料装置会自动将燃料通过生物质颗粒下料口添加到炉膛中。4）自动富氧供气：启动制氧鼓风机7，富氧空气基金项目：齐齐哈尔大学2021大学生创新创业训练计划项目（x202210232127）作者简介：郭天源（2000），男，黑龙江大庆人，本科，研究方向为机械设计制造及其自动化。通信作者：崔有正（1987），男，黑龙江鸡西人，博士研究生，讲师，研究方向为高速切削加工技术、表面质量控制技术、仿生功能表面及其服役性能。2023 年 4 月下南方论坛31South Forum通入燃烧炉中，由喷口喷出。5）炉灰收集：炉膛采用向内倾斜设计，并在底部进行打孔，可使燃烧后的炉灰自动落下到炉灰收集盒，将收集盒拉出即可清理炉灰。收集的炉灰可作为草木灰肥，得到有效利用。6）大棚供暖及提供气体肥料8：燃烧产生的气体通过尾气处理装置，处理后的尾气通入蔬菜大棚内的供暖热循环管路，通过气体浓度传感器智能开关来控制释放到大棚内的二氧化碳浓度。1.蔬菜大棚；2.尾气处理装置；3.供暖炉箱体；4.炉灰收集盒；5.制氧鼓风机；6.生物质颗粒成型机；7.储料仓。图1设计结构图2.3 储料仓主体结构有限元分析采用SolidWorks Simulation软件9，对储料仓主体结构进行有限元分析，分析内容主要包括等效应力分析、等效应变分析以及总形变分析。2.3.1等效应力分析储料仓主体的等效应力分布云图，如图2所示，应力的最大值1.018105 N/m2集中在储料仓箱体与支撑架接触的部位，接触固定处的等效应力都小于材料（合金钢）的屈服极限6.204108 N/m2。因此，该结构符合强度要求。2.3.2等效应变分析储料仓主体的等效应变分布云图，如图3所示，应变的最大值2.98510-7 mm/mm集中在储料仓箱体与支撑架接触的部位。接触固定处的等效应变数值很小，能够满足储料仓对应变的要求。2.3.3总形变分析储料仓主体总形变分布云图，如图4所示，最大整体变形达到了1.510-4 mm，变形集中在储料仓箱体底部，与储料仓主体的变形趋势相符合，变形量较小，符合储料仓主体的强度和刚度要求。图2应力分布云图图3应变分布云图图4总形变分布云图3 结束语基于碳中和理念的蔬菜大棚供暖炉具有如下优点：1）功能丰富，将使用者可能遇到问题的解决方南方论坛322023 年 4 月下South Forum案集中到该供暖炉项目中，方便用户的使用，优化用户的使用体验。2）采用生物质颗粒成型机，将经过处理后的生物质颗粒进行焚烧，具有占用炉内体积小、燃烧效率高、单位体积热值高等优点10。3）产品将二氧化碳治理与冬季供暖相结合，解决了使用者的环境问题和生活问题，使得原料利用率最大化。4）设计简约，仅需要人工投送原材料，多余的研磨后的原料也可储存在储料仓中，方便了日后的使用，并且减少了原料的储存空间。5）对储料仓进行了有限元分析，经过应力、应变、总形变全方面分析后可知该储料仓设计合理。由功能和有限元分析两个方面可以得出，此产品能够解决当代家庭式碳中和面临的问题，为人们的设计开发以及碳中和目标的实现提供新方向，具有广阔的市场前景和巨大的现实意义。参考文献：1 曹春旺，刘凌，权朝艳，等.严寒地区民用建筑多能互补供暖系统应用研究J.青海科技，2022，29(3)：187-192.2 方海.碳达峰、碳中和：中国卫生健康系统的战略机遇J.中华医学杂志，2022，102(2)：90-93.3 陈劼.秸秆固化燃料技术现状与应用前景 J.南方农机，2019，50(9)：71.4 刘春元，罗永浩，张睿智，等.上吸式生物质气化炉焦油成分的分析J.环境科学与技术，2011，34(S2)：256-260.5 刘晓龙，崔磊磊，李彬，等.碳中和目标下中国能源高质量发展路径研究J.北京理工大学学报（社会科学版），2021，23(3)：1-8.6 张彦民，于振文，王冠.生物质颗粒成型机理与环模性能研究J.农机化研究，2013，35(10)：210-212+241.7 郭少波，郭淑萍，杨金彭，等.模块化制氧机控制系统的设计与开发J.今日制造与升级，2022(5)：34-36.8 张壮壮，冯帅，刘璐，等.CO2捕集技术及其经济效益综述J.山西农经，2017(11)：148-149.9 田享忻，郭天源，那雯雯，等.一种基于 SOLIDWORKS Simulation带注射泵的家用多功能医疗箱的设计与关键部位有限元分析J.现代盐化工，2022，49(1)：128-129.10 焦其帅，黄永茂，张志华，等.生物质颗粒燃料理化特性研究J.煤炭与化工，2019，42(2)：143-146.续发展提供技术基础和科学保证。4 小结随着设施栽培技术在北方果树葡萄上的推广和应用，利用温室、塑料大棚等为葡萄的生长发育创造优质的环境条件，从而实现葡萄产业的高效收益生产目标。设施农业技术不受地域和气候因子限制，具有成本低、产投比高、管理科学和方便等优点，该栽培技术已成为北方葡萄产业发展的新亮点。课题组通过对中国北方设施葡萄现状的调查和分析，发现北方地区设施葡萄产业取得了较大发展，实现了从产量效益型向果实质量效益型的转变，但仍存在一些问题，课题组针对这些问题提出了相应的对策措施，以期推动北方设施葡萄产业专业化、多元化、可持续发展。参考文献：1 于伟.葡萄设施栽培技术J.现代园艺，2014(6)：32.2 栗学平，包月侠.设施葡萄栽培技术 J.现代农业科技，2011(9)：118-119.3 王世平，李勃.中国设施葡萄发展概况J.落叶果树，2019，51(1)：1-5.4 王海波，刘凤之，王孝娣，等.设施葡萄促早栽培的品种选择J.果农之友，2016(12)：6-7.5 雷晓英.中国北方设施葡萄产业发展现状及对策研究J.农业与技术，2017，37(12)：160.6 齐维娟.探究葡萄设施栽培技术的应用要点J.农民致富之友，2017(14)：156.7 刘芝莲.红提葡萄设施栽培技术研究J.南方农机，2017，48(23)：48-49.8 张现青，邢顺林，宋璇紫，等.拉萨地区葡萄栽培现状分析及对策J.黑龙江农业科学，2019(11)：132-134.9 陈倩，刘航宁，任昊奎，等.湖北省建始县关口葡萄产业分析及其发展路径研究J.南方农机，2022，53(4)：96-98+115.10 刘凤之.中国葡萄栽培现状与发展趋势J.落叶果树，2017，49(1)：1-4.11 满保德.新疆吐鲁番地区葡萄产业发展对策研究D.石河子：石河子大学，2017.（上接第19页）