雞舍換氣余熱干燥雞糞設(shè)備夏季干燥性能研究

李絢陽(yáng)，李保明,3※，鄭煒超,3，王 瓊，童 勤,3

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3. 北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術(shù)研究中心，北京 100083；4. 河南金鳳牧業(yè)設(shè)備有限公司，駐馬店 463900）

0 引 言

目前中國(guó)每年產(chǎn)生畜禽糞污總量達(dá)到近 40億 t，畜禽糞污帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也變得越來(lái)越突出，大量的畜禽糞污給環(huán)保造成了巨大的壓力，畜禽糞污的處理直接關(guān)系到畜牧業(yè)的健康、穩(wěn)定和持續(xù)發(fā)展[1-3]。對(duì)畜禽糞便處理不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致大量的氨排放，這是空氣污染的主要來(lái)源之一，尿酸分解為氨氣的 2個(gè)必要條件是酶和水，因此控制糞便中的水分含量是減少氨排放的關(guān)鍵[4]。雞糞干燥可以有效降低雞糞中的含水量。同時(shí)干燥后的雞糞適合長(zhǎng)期儲(chǔ)存至各個(gè)施肥季節(jié)，并大幅度降低運(yùn)輸和儲(chǔ)存成本，是加工生物質(zhì)顆粒（高檔有機(jī)顆粒肥）最好的基礎(chǔ)材料[5]。但傳統(tǒng)干燥技術(shù)需消耗大量的傳統(tǒng)能源，且傳統(tǒng)能源的使用會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，因此亟待尋找適合于雞糞干燥的“綠色環(huán)保”能源[6]。

雞舍換氣余熱是指由雞舍換氣時(shí)排出的廢氣所帶的熱量，包括大量顯熱和少量潛熱。國(guó)內(nèi)外大部分雞場(chǎng)都直接把這部分熱量排出舍外，造成了能源的浪費(fèi)。如果將雞舍換氣余熱用于雞糞干燥，不但可以達(dá)到余熱再利用的目的還能有效對(duì)雞糞進(jìn)行處理。近年來(lái)，利用雞舍換氣余熱干燥雞糞的技術(shù)在歐洲等國(guó)家已經(jīng)得到較多的推廣，荷蘭的Dorset公司早在2005年就開(kāi)始了雞舍廢氣再利用的研究，其開(kāi)發(fā)的雞糞干燥設(shè)備已遍布全球多個(gè)地區(qū)。德國(guó)的Qalovis公司近年來(lái)一直致力于雞糞干燥的研究，并開(kāi)發(fā)了利用雞舍換氣余熱干燥雞糞和沼渣的節(jié)能環(huán)保設(shè)備[7]。瓦赫寧根大學(xué)建立了利用雞舍換氣余熱干燥雞糞的系統(tǒng)，并通過(guò)測(cè)試得出含水量經(jīng)48 h的干燥后可降到 30%以下[8]。Winkel 等[9]對(duì)荷蘭的多套雞舍換氣余熱干燥系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試比較，發(fā)現(xiàn)換氣速率變大會(huì)增加氨氣的排放。雞舍換氣時(shí)會(huì)排放大量的粉塵[10-12]，雞舍換氣余熱干燥系統(tǒng)可以利用雞糞的吸附性大量減少PM10的排放。目前，中國(guó)已有少部分雞舍換氣余熱干燥系統(tǒng)的應(yīng)用，但中國(guó)大部分地區(qū)夏熱冬冷、春秋季冷空氣影響頻繁，且夏季雞舍排風(fēng)濕度高，該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了較多的問(wèn)題，因此有必要結(jié)合中國(guó)的氣候條件進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)優(yōu)化，開(kāi)發(fā)出適合中國(guó)的雞糞干燥設(shè)備。

該文主要對(duì)雞舍換氣余熱干燥雞糞的原理進(jìn)行了闡述，并針對(duì)中國(guó)的氣候特點(diǎn)，在雞舍換氣余熱干燥雞糞設(shè)備的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種可在夏季利用環(huán)境空氣對(duì)雞糞進(jìn)行干燥的通風(fēng)方式，并對(duì)干燥系統(tǒng)在夏季的應(yīng)用效果進(jìn)行了測(cè)試。

1 雞舍換氣余熱干燥雞糞設(shè)備

雞舍換氣余熱是指由雞舍換氣時(shí)排出廢氣所帶的熱量[13]。雞糞干燥系統(tǒng)（manure drying system，MDS）安裝在雞舍尾端，用來(lái)對(duì)雞舍廢氣進(jìn)行余熱再利用（利用廢氣余熱對(duì)雞糞進(jìn)行脫水干燥）。本干燥系統(tǒng)（Pollo-D）具有4層干燥板，由2臺(tái)同步電機(jī)（1.1 kW）驅(qū)動(dòng)。進(jìn)料傳送帶的驅(qū)動(dòng)功率為 0.5 kW，勻料器的驅(qū)動(dòng)功率為0.3 kW，螺旋式傳送機(jī)（出糞裝置）的功率為0.5 kW。干燥層的長(zhǎng)度為27 m，寬度為2 m，糞層厚度16 cm，凈容積34.56 m3。

在夏季雞舍濕簾開(kāi)啟時(shí)雞舍所排廢氣濕度過(guò)大，不利于雞糞的干燥。同時(shí)，考慮到中國(guó)夏季大部分地區(qū)太陽(yáng)能輻射比較充足，外界環(huán)境空氣溫度較高，設(shè)計(jì)了一種如圖1所示的通風(fēng)方式。該設(shè)備可在不同的氣候條件下采取不同的通風(fēng)方式來(lái)對(duì)雞糞進(jìn)行干燥。冬季，采用圖1a所示的雞舍余熱干燥模式，卷拉門(mén)打開(kāi)，天窗關(guān)閉，利用雞舍換氣余熱進(jìn)行干燥。夏季，采用圖1b所示的結(jié)合環(huán)境空氣干燥模式，天窗打開(kāi)，利用外界環(huán)境空氣和雞舍廢氣進(jìn)行干燥。

圖1 雞糞干燥設(shè)備及干燥模式Fig.1 Airflow of poultry manure drying system (MDS)

雞糞干燥設(shè)備設(shè)計(jì)4個(gè)干燥層，2個(gè)干燥通道，干燥風(fēng)機(jī)（功率2.2 kW，壓力150 Pa，風(fēng)量2×104m3/h）安裝在干燥裝置的末端，當(dāng)干燥風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可在干燥裝置內(nèi)部形成負(fù)壓，雞舍廢氣或外界環(huán)境空氣在負(fù)壓的作用下進(jìn)入干燥設(shè)備后，可經(jīng)上通道或下通道對(duì)雞糞進(jìn)行穿流干燥后由干燥風(fēng)機(jī)排出。每層干燥板（由帶孔糞板和鏈條組成）上糞層的厚度控制在15～18 cm。雞糞的干燥周期為48 h，進(jìn)糞方式為連續(xù)式進(jìn)糞，每天進(jìn)糞2次，保證整個(gè)雞舍48 h內(nèi)產(chǎn)生的雞糞都能進(jìn)入干燥設(shè)備，以避免雞糞在舍內(nèi)堆積時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

1.1 雞糞干燥過(guò)程的熱量計(jì)算方法

雞糞干燥過(guò)程示意圖如圖2所示。外界環(huán)境空氣進(jìn)入雞舍進(jìn)行一系列熱交換后從風(fēng)機(jī)端排出廢氣，部分廢氣送入干燥設(shè)備，與雞糞進(jìn)行熱質(zhì)交換后，排出干燥設(shè)備，在這個(gè)干燥過(guò)程中，對(duì)進(jìn)出干燥設(shè)備的水分進(jìn)行計(jì)算，則有：

圖2 雞糞干燥過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of poultry manure drying system

除水量（kg/h）

則，干燥設(shè)備中干空氣的消耗量G（kg/h）

除去1 kg水所需干空氣的量g（kg/h）

由式（3）可見(jiàn)：除去1 kg水所需干空氣的量只與空氣的最初和最終濕度有關(guān)，而與干燥過(guò)程所經(jīng)過(guò)的途徑無(wú)關(guān)[14-15]。

除去1 kg水雞舍可提供的熱量q（kJ/h）

式中H1為雞舍廢氣（有環(huán)境空氣混入時(shí)，為混合空氣）的熱焓，kJ/kg。

雞糞蒸發(fā)1 kg水消耗的熱量Δ（kJ/h）

式中H2為干燥廢氣的熱焓，kJ/kg。

1.2 干燥過(guò)程雞糞的去水量

在雞糞的干燥過(guò)程中，雞糞與干燥介質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，在干燥過(guò)程中一直保持恒定不變的為介質(zhì)中絕干空氣的質(zhì)量和進(jìn)入、輸出干燥設(shè)備的絕干雞糞質(zhì)量[16]，以M1，M2表示干燥前后雞糞的質(zhì)量流量，kg/h；以Mc表示絕干雞糞的質(zhì)量流量，kg/h；以 M表示干燥過(guò)程除去水的質(zhì)量流量，kg/h；以W1，W2表示干燥前后雞糞的濕基含水率，%；則有

則

2 夏季應(yīng)用效果測(cè)試分析

2.1 測(cè)試內(nèi)容與方法

測(cè)試樣機(jī)為Pollo-D型4層雞糞干燥設(shè)備，試驗(yàn)地點(diǎn)為湖北省應(yīng)城市湖北溶豪生態(tài)養(yǎng)殖有限公司，雞舍存欄39周齡海蘭褐粉殼蛋雞7萬(wàn)只，舍內(nèi)布局為4列5走道，籠具為4層層疊式雞籠，冬季采取側(cè)窗進(jìn)風(fēng)、縱向通風(fēng)的環(huán)境控制方式。每天上午08:00和下午16:00濕雞糞由雞舍傳送到勻料器，將雞糞反復(fù)均勻分散在最上層（第1層）糞板上，同時(shí)隨著糞板的往前移動(dòng)，最上層的雞糞落至下層（第2層）糞板上，第2層的雞糞落至第3層糞板上，第3層的雞糞落至第4層糞板上，第4層的雞糞傳送至螺旋傳送機(jī)并由之輸出，直至濕糞鋪滿最上層糞板，設(shè)備停止運(yùn)行。干燥設(shè)備每次運(yùn)行，雞舍每列的糞帶向前傳送25 m（每列雞籠總長(zhǎng)度的1/4），每次傳送至最上層糞板的雞糞質(zhì)量約為48 h內(nèi)所產(chǎn)雞糞總量的1/4（約4 t）。為了防止?jié)耠u糞的濕度過(guò)高，第4層約20%干糞可通過(guò)回料裝置進(jìn)入勻料裝置與來(lái)自雞舍的濕糞混合，混合后的雞糞含水率在65%～71%間(濕基)。

主要測(cè)試內(nèi)容包括，雞舍風(fēng)機(jī)端的溫度、MDS的進(jìn)氣溫度、各個(gè)糞層的溫度、MDS的排氣溫度、環(huán)境溫度，另外測(cè)試期間分別選取了晴天天氣和陰雨天氣進(jìn)行了雞糞含水率變化的測(cè)試，測(cè)試期間天窗和卷拉門(mén)都為打開(kāi)的狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。由于雞糞進(jìn)入MDS最上層（第1層）后，每進(jìn)1次新糞，雞糞就會(huì)往下移動(dòng)1層，直至移出MDS，所以含水量測(cè)試采用跟蹤測(cè)試特定批次雞糞的辦法，從一批新糞進(jìn)入最上層開(kāi)始，每4個(gè)小時(shí)測(cè)試雞糞含水率1次（每次測(cè)3個(gè)樣，取均值），直至雞糞移出MDS。溫濕度傳感器采用HOBO（U23-001）溫濕度采集記錄儀（±0.21℃；±2.5%RH），該記錄儀每5 min自動(dòng)記錄1次數(shù)據(jù)。雞糞含水率由菁海SH-10A型自動(dòng)快速水分測(cè)定儀（±0.5%）手動(dòng)測(cè)定。HOBO溫濕度記錄儀在MDS內(nèi)部分布的位置如圖3所示。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)間為2018年6月7日－6月25日，期間連續(xù)記錄了各個(gè)測(cè)試位置的溫濕度并測(cè)試了每次干燥設(shè)備運(yùn)行時(shí)進(jìn)入設(shè)備濕糞和輸出干糞的含水率。為準(zhǔn)確、客觀地分析干燥設(shè)備的干燥性能，選取了陰雨天氣（2018年6月19日－21日）和晴天天氣（2018年6月22日－24日）進(jìn)行了雞糞含水率變化的測(cè)試。陰雨測(cè)試從2018年6月19日早上08:00開(kāi)始，持續(xù)48 h，含水量每4 h測(cè)試1次。晴天測(cè)試從2018年6月23日早上08:00開(kāi)始，36 h后含水率停止變化。

圖3 溫濕度測(cè)試位置分布示意圖Fig.3 Diagram of temperature and humidity test location distribution

2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.2.1 陰雨天氣測(cè)試結(jié)果

為準(zhǔn)確、客觀地分析陰雨天氣下干燥系統(tǒng)內(nèi)部的溫濕度分布特征及評(píng)價(jià)雞舍換氣余熱是否滿足干燥需求，各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)按每4 h一階段求平均值，結(jié)果如表1所示。由表1可看出各干燥階段雞舍末端的溫度浮動(dòng)較小且高于環(huán)境溫度，且兩者的相對(duì)濕度都較高，陰雨天氣下雞舍末端的溫濕度相對(duì)于環(huán)境空氣更適合用來(lái)雞糞的干燥。同時(shí)由于干燥過(guò)程的熱損失和雞糞自身的吸熱，熱空氣由下進(jìn)氣口和上進(jìn)氣口進(jìn)入MDS，然后由下排氣口和上排氣口排出的過(guò)程中，熱空氣的溫度逐漸減小，相對(duì)濕度逐漸增高，但熱空氣的降溫幅度較小，下干燥通道進(jìn)出風(fēng)口溫差的最大值為2.07 ℃，上干燥通道進(jìn)出風(fēng)口溫差的最大值為1.65 ℃。

同時(shí)，測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)測(cè)試點(diǎn)2與測(cè)試點(diǎn)3的溫濕度相差不大，這可能與MDS最下層（第4層）的雞糞含水率較低有關(guān)，最下層的雞糞是經(jīng)過(guò)干燥時(shí)間最長(zhǎng)的一層雞糞，含水率在20%～45%（濕基）左右，這部分雞糞的孔隙率較高，利于熱空氣的穿流。另外，從表 1可看出，MDS上排氣口（測(cè)試點(diǎn)6）的相對(duì)濕度大部分時(shí)間都達(dá)到了100%，這可能與MDS最上層（第1層）的雞糞含水率高有關(guān)系，干燥過(guò)程中雞糞中的水分逐漸蒸發(fā)造成排氣口濕度過(guò)高，第2個(gè)可能的原因是MDS上層干燥風(fēng)機(jī)較少且外界環(huán)境空氣濕度大，造成排濕不及時(shí)。

以4 h為一階段計(jì)算除去1 kg水雞舍可提供的熱量q及雞糞蒸發(fā)1 kg水消耗的熱量Δ。計(jì)算數(shù)據(jù)表明在夏季陰雨天氣下，雞舍余熱可滿足雞糞干燥各階段雞糞中水分蒸發(fā)所消耗的熱量。但在干燥初始階段出現(xiàn)了Δ＜0的情況，即雞舍廢氣的焓值高于進(jìn)氣口熱風(fēng)的焓值，出現(xiàn)這種情況的可能原因是干燥初始階段鮮雞糞產(chǎn)生了好氧發(fā)酵或厭氧發(fā)酵，具體原因會(huì)在后續(xù)研究中進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖 4為陰雨天氣下雞糞含水率的變化曲線，從圖 4可看出雞糞在MDS最上層的干燥時(shí)長(zhǎng)為8 h，雞糞含水率從最初的 67%（濕基）下降至58%（濕基）左右。經(jīng)過(guò)48 h的干燥后，雞糞含水率降至28%（濕基）左右，共失水約1.89×103kg，最后由出糞口排出。雞糞在該狀態(tài)下大部分微生物失去活性，易于存儲(chǔ)和運(yùn)輸[17]。同時(shí)，我們還發(fā)現(xiàn)雞糞在第1層和第4層的干燥速率稍高于第2層和第3層，第1層干燥速率高的原因是初始雞糞含的自由水較多，利于蒸發(fā)，但隨著自由水逐漸的蒸發(fā)完畢，毛細(xì)管水、吸附水及結(jié)合水開(kāi)始蒸發(fā)[18-19]，這類水分需要較長(zhǎng)時(shí)間才能變成自由態(tài)。第4層干燥速率高的原因是該層雞糞的孔隙率較高，熱空氣穿過(guò)雞糞的風(fēng)速較大，單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)雞糞表面的空氣多，利于雞糞中水分的蒸發(fā)。

圖4 陰雨天氣雞糞含水率隨時(shí)間的變化Fig.4 Variations of manure moisture over time in rainy weather

2.2.2 晴天天氣測(cè)試結(jié)果

由表2可看出晴天天氣下，環(huán)境空氣多個(gè)階段的溫度均值超過(guò)了30 ℃，且相對(duì)濕度未超過(guò)85%，從MDS上進(jìn)氣口和下進(jìn)氣口進(jìn)入MDS的熱空氣為雞舍廢氣和外界環(huán)境空氣的混合空氣，混合空氣相對(duì)于外界環(huán)境空氣，溫度降低了2 ℃左右，相對(duì)濕度增加了10%左右，這在一定程度上會(huì)降低雞糞的干燥速率，在白天的同一干燥階段，相比陰雨天氣，晴天天氣下的干燥通道進(jìn)出風(fēng)口溫差較大，最大值可達(dá)3.18 ℃。這是由于晴天天氣下白天環(huán)境溫度高，相對(duì)濕度小，造成進(jìn)風(fēng)口溫度升高，相對(duì)濕度減小，利于雞糞的傳熱傳質(zhì)過(guò)程。如果此時(shí)關(guān)閉卷拉門(mén)，只利用環(huán)境空氣，可進(jìn)一步提高雞糞的干燥速率。從圖5可看出晴天下雞糞含水率從最初的66%（濕基）降至28%（濕基）耗時(shí)只需28 h左右，比陰雨天氣下縮短了20 h。干燥36 h后雞糞的含水率降至18%（濕基）左右，干燥過(guò)程共失水約2.05×103kg，此時(shí)雞糞達(dá)到干燥平衡狀態(tài)，含水量不再下降。

表2 晴天天氣下各干燥階段不同測(cè)試點(diǎn)的溫濕度均值及供需熱量計(jì)算Table 2 Temperature and relative humidity at different test points and calculation of heat between supply and demand in different dryperiods under sunny day

圖5 晴天天氣雞糞含水率隨時(shí)間的變化Fig.5 Variations of manure moisture over time in sunny clay

同樣，以4 h為一階段計(jì)算除去1 kg水雞舍換氣余熱可提供的熱量q及雞糞蒸發(fā)1 kg水所消耗的熱量Δ，但在夏季晴天天氣下，濕簾在大部分時(shí)段處于開(kāi)啟狀態(tài)，環(huán)境空氣進(jìn)入雞舍從風(fēng)機(jī)排出后焓值下降（q＜0），干燥能力降低，即環(huán)境空氣在雞舍經(jīng)歷了一個(gè)降溫增濕的過(guò)程。因此，在夏季晴天天氣下，外界環(huán)境空氣自身具備的焓值較高，且高于陰雨天氣下經(jīng)雞舍排出廢氣的焓值，環(huán)境空氣自身熱焓可滿足各個(gè)干燥階段的熱量需求，可直接用來(lái)干燥雞糞。

2.2.3 連續(xù)干燥效果

表 3記錄了試驗(yàn)期間每次干燥設(shè)備運(yùn)行時(shí)進(jìn)入設(shè)備最上層濕雞糞和由設(shè)備底層輸出干雞糞的含水率，每次進(jìn)入最上層濕雞糞的含水率在64.9%～70.8%間浮動(dòng)，輸出干雞糞的含水率在17.6%～31.2%間。由表3可看出在48 h的干燥周期期間，干燥設(shè)備所輸出干雞糞的含水率受外界環(huán)境溫濕度的影響較大，經(jīng)歷陰雨天氣后輸出的干雞糞含水率較高，在 30%左右。經(jīng)歷晴天天氣后輸出的干雞糞含水率較低，在 20%左右。在夏季，陰雨天氣會(huì)降低雞糞的干燥速率，在后期的工作中可研究動(dòng)態(tài)干燥時(shí)間的可行性，根據(jù)天氣情況對(duì)干燥時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，增加陰雨天氣的干燥時(shí)間，減少晴天天氣的干燥時(shí)間以保證每天所輸出干雞糞含水率的一致性。

表3 連續(xù)干燥效果Table 3 Continuous drying effect

3 結(jié) 論

1）本文所給出的雞糞干燥過(guò)程熱量的計(jì)算方法，可計(jì)算雞糞干燥所需的熱量及雞舍廢氣可提供的熱量，以判斷雞舍廢氣是否滿足雞糞干燥的需求，為干燥工藝的設(shè)計(jì)提供理論參考。

2）夏季不同天氣條件下干燥設(shè)備的干燥速率差異很大。晴天天氣下由于外界環(huán)境空氣的混入，雞糞含水率從初始含水率降至28%（濕基）耗時(shí)只需28 h左右，比陰雨天氣下縮短了20 h。

3）夏季陰雨天氣下雞舍換氣余熱可滿足48 h內(nèi)把雞糞含水率降至 30%以下的熱量需求，但陰雨天氣會(huì)降低雞糞的干燥速率。晴天天氣下由于濕簾的影響，雞舍所排廢氣濕度過(guò)大，此時(shí)可結(jié)合環(huán)境熱空氣對(duì)雞糞進(jìn)行干燥，提高雞糞干燥速率。