热辐射式秸秆炭化炉及其控制系统的研究

【摘要】：农作物秸秆如水稻秆、小麦秆和玉米秆等是农业生产中的主要副产品,全球每年农作物秸秆产量上千亿吨,目前,中国是一个以农业为主的国家,各种农作物秸秆资源丰富。近年来,为了推动国民经济的快速发展,我国政府出台了多个有利的农业政策,随之而来的是粮食产量和秸秆产量的增加。我国很多地方尝试了多种秸秆回收综合利用的方法,但是由于诸多社会问题的存在,大面积露天焚烧秸秆的现象还处处存在,这不仅浪费了宝贵的秸秆资源,而且也加重了空气的污染,还增加了很多社会安全隐患。农作物秸秆含有丰富的有机质,对其进行炭化处理,能充分有效地利用这些农业废弃物。而农作物秸秆的直径较木材来说要小很多,若采用直接将其点燃烧炭的方式,容易烧成灰烬,生成的炭粉含炭量偏低,在这些问题的基础上,本文研制出了一种热辐射式农作物秸秆炭化炉及其控制单元。论文完成的主要工作如下：1.根据秸秆燃烧的特性,提出了一种热辐射式农作物秸秆炭化炉结构。农作物秸秆用螺杆推送进入固定不动的炉腔内,进入炉腔的秸秆不与火源直接接触,而是在腔体上部生物质气燃烧提供的高温辐射下促成热解并完成炭化。该炭化炉分为上腔和下腔,上腔装有烟囱,下腔有进料槽和出料槽。除了炉体本身,外围部件还包含点火、输送、通风和喷水装置。分析了炉腔内部的气体流动方向;通过试验,得到炭化炉处于稳定工作状态时炉腔内的温度范围。2.根据农作物秸秆炭化炉的工作原理和控制要求,设计了炭化控制系统的硬件部分。硬件部分由温度数据采集模块,继电器、电磁阀控制模块以及与触摸屏的通信模块等组成。详细分析了ATmega16芯片的特点,设计了电源电路、温度信号采集电路、功率驱动电路、通信接口电路,并分析了PCB板设计中各种抗干扰的措施。3.根据炭化炉的工作流程,设计了炭化炉控制系统的软件,它包括控制系统的下位机程序和上位机应用程序,两个模块之间采用Modbus通讯协议。下位机程序实现了炭化炉内各监控点温度的自动采集、温度的PID控制、与上位机的通讯等功能;以MCGS触摸屏作为上位机的开发平台,对五大模块进行了组态设计,分别是主控窗口、设备窗口、用户窗口、运行策略和实时数据库。触摸屏面向用户,具备良好的人机交互性能。整个系统能实现对整个炭化炉环境参数的多点检测和控制,上位机也接受下位机传送的数据并显示到实时数据库中,下位机也能够接收上位机的请求,修改参数的上限和下限。4.对秸秆炭化炉及其控制系统进行了试验,根据不同控制温度下的产炭量和含炭率,分析了温度对炭化结果的影响。试验表明：该控制系统运行稳定可靠,能满足农作物秸秆连续炭化过程的控制要求。 【关键词】：农作物秸秆 炭化 控制系统 AVR MCGS
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S216.2
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 研究背景和意义10-13
• 1.2 国内外研究现状13-17
• 1.2.1 国外生物质炭化技术13-16
• 1.2.2 国内生物质炭化技术16-17
• 1.3 论文研究的内容17-19
• 第二章 农作物秸秆炭化特性分析19-25
• 2.1 农作物秸秆的热裂解过程19
• 2.2 农作物秸秆的热裂解动力学分析19-23
• 2.2.1 纤维素热裂解动力学20-21
• 2.2.2 半纤维素热裂解动力学21-22
• 2.2.3 木质素热裂解动力学22-23
• 2.3 农作物秸秆炭化工艺23-25
• 第三章 农作物秸秆炭化炉的设计25-35
• 3.1 农作物秸秆炭化炉的总体设计方案25-27
• 3.1.1 炭化炉整体技术参数25-26
• 3.1.2 农作物秸秆炭化炉的总体结构26-27
• 3.2 炭化炉各部分的设计27-33
• 3.2.1 炭化炉输送装置27-30
• 3.2.2 炭化炉送风装置30-32
• 3.2.3 炭化炉送水装置32
• 3.2.4 炭化炉点火装置32-33
• 3.3 炭化炉整体三维造型与实物图33-35
• 第四章 农作物秸秆炭化炉控制系统硬件设计35-46
• 4.1 炭化炉控制系统总体结构设计35-36
• 4.2 控制系统的上位机36
• 4.3 ATmega16单片机36-38
• 4.4 电源电路设计38-40
• 4.4.1 15V直流电源设计39
• 4.4.2 5V直流电源设计39-40
• 4.5 温度采集电路的设计40-42
• 4.5.1 热电偶的工作原理40
• 4.5.2 热电偶冷端补偿40
• 4.5.3 热电偶信号调理电路的设计40-42
• 4.6 功率驱动电路的设计42
• 4.7 通信接口电路的设计42-43
• 4.8 PCB板设计中的抗干扰措施43-46
• 4.8.1 抑制电源线和地线阻抗噪声43-44
• 4.8.2 印制电路板的布线原则44-46
• 第五章 农作物秸秆炭化炉控制系统软件设计46-63
• 5.1 系统软件总体设计46
• 5.2 ATmega16控制系统程序设计46-53
• 5.2.1 ICC AVR集成开发环境46-47
• 5.2.2 系统主程序设计47-49
• 5.2.3 风机调速控温程序设计49-51
• 5.2.4 通信程序设计51-53
• 5.3 触摸屏应用程序设计53-61
• 5.3.1 MCGS组态软件53-54
• 5.3.2 主控窗口设计54-55
• 5.3.3 设备窗口设计55-56
• 5.3.4 用户窗口设计56-59
• 5.3.5 运行策略设计59-61
• 5.3.6 实时数据库设计61
• 5.4 农作物秸秆炭化炉软件系统调试61-63
• 第六章 试验与结果分析63-68
• 6.1 试验63-65
• 6.2 结果分析65-68
• 第七章 结论与建议68-69
• 7.1 结论68
• 7.2 建议68-69
• 参考文献69-74
• 致谢74-75
• 附录A 电路图75-76
• 附录B 部分源程序76-82
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文82

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