一種節(jié)能的畜禽糞便轉化有機肥設備的加熱系統結構及工藝設計

張玉良 趙國 龍東海

摘要：現畜禽糞便發(fā)酵裝備中給畜禽糞便加熱多應用電阻加熱式熱介質加熱爐提供熱源，相對耗能較高，應用空氣能+電加熱系統可有效降低能耗，通過試驗可知，新加熱系統比原加熱系統節(jié)省二分之一能耗。

關鍵詞：畜禽糞便;發(fā)酵裝備;空氣能+電加熱系統

中圖分類號：S23? 文獻標識碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200229021

黨的十八大報告中提出，大力推進生態(tài)文明建設，堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策，堅持節(jié)約優(yōu)先、保護優(yōu)先、自然恢復為主的方針，著力推進綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展，形成節(jié)約資源和保護環(huán)境的空間格局、產業(yè)結構、生產方式、生活方式，從源頭上扭轉生態(tài)環(huán)境惡化趨勢，為人民創(chuàng)造良好生產生活環(huán)境，為全球生態(tài)安全作出貢獻。黨的十九大也提到綠色發(fā)展的內容。而近年來，隨著我國畜禽養(yǎng)殖量不斷增加及養(yǎng)殖格局的不斷變化，畜禽糞便對一些農村地區(qū)污染不斷加大，如重金屬[1]、細菌 [2]、氮與磷 [3]等，并且畜禽糞便對農村的污染，一直是主要污染源，因此對畜禽糞便無污化、資源化處理，是農村治污的一個重點切入點。

現今，畜禽糞便處理方式多樣化，如沼氣生成、轉化有機肥、生成燃燒質、轉化飼料等，其中發(fā)酵有機肥作為主要處理方式，被廣泛應用。畜禽糞便發(fā)酵有機肥采用堆肥方式，方法簡單，成本低廉，但需要有較大的場地，并且有二次污染的隱患，隨著社會進步和農村集約土地使用的要求，此方法必將逐步退出歷史舞臺;也有采用集成式發(fā)酵裝備處理，不需要大場地要求，而且無二次污染的可能性，因此集成式發(fā)酵裝備應用必將是畜禽糞便處理的主流方向。但該種裝備相對結構復雜，投入成本高、運行成本高，尤其是運行成本問題，將制約著這類裝備的普及。運行成本高主要是提供給畜禽糞便發(fā)酵所需溫度方面完全由電阻加熱式熱介質加熱爐提供熱源，即加溫方面耗電較高。這樣，導致畜禽糞便轉化有機肥收益率低，養(yǎng)殖戶不易接受。長春市農業(yè)機械研究院現研制的畜禽糞便發(fā)酵裝備同樣遇到此問題，為提升設備的可用性，使廣大養(yǎng)殖戶容易接受與使用畜禽糞便處理裝備，長春市農業(yè)機械研究院該裝備項目組對原加熱系統進行系統升級，使其運行成本降低，相關情況及相關結構、工藝設計如下。

1原加熱系統簡介

原加熱系統利用PLC控制，電阻加熱式熱介質加熱爐提供熱源，4組感溫探頭采集畜禽糞便發(fā)酵裝備倉內和加熱爐內的溫度，循環(huán)泵在加熱爐和發(fā)酵裝備之間進行熱介質轉換。工作方式為先對發(fā)酵設備倉內前中后3個點進行溫度采集，在未達到發(fā)酵溫度的時候，電阻加熱式熱介質加熱爐進行區(qū)間加熱爐中的導熱介質，達到所需溫度后，由循環(huán)泵將電阻加熱式熱介質加熱爐中的導熱介質注入到發(fā)酵裝備的發(fā)酵倉內的管路，以加溫發(fā)酵倉內的畜禽糞便、秸稈及生物菌的混合體，使其快速發(fā)酵，而發(fā)酵倉內管路中的低溫導熱介質循返回到熱爐內，進行重新加熱;此方式工作循環(huán)往復，直到發(fā)酵設備倉內前、中、后3段中任意1個溫度采集點滿足所需溫度，加熱工作停止，待溫度采集點（達標溫度）回落下限溫度后，重新開始以上工作。該加熱系統，結構簡單，工藝成本低，維修維護容易，但運行成本高。

2新加熱系統結構及工藝設計

2.1設計思路來源

2.1.1節(jié)能技術簡介及本項目節(jié)能技術選用

關于節(jié)能降耗，我國現主要有4種技術，太陽能節(jié)能技術，地熱能節(jié)能技術、風能節(jié)能技術及空氣能節(jié)能技術。

通過對畜禽糞便發(fā)酵裝備熱能應用方式、被使用地域情況、投入成本情況、效果情況、規(guī)模情況、使用人員素質及可操作情況綜合考慮，選用空氣能節(jié)能技術。其中，不使用太陽能技術主要為投入成本高，占地規(guī)模大，維修維護成本高，冬季使用效果不佳及可操作性差等原因;不使用地熱能技術主要為投入成本高，可操作性差等原因;不使用風能技術主要為本地區(qū)可用性較差、投入成本高及可操作性差等原因。

2.1.2空氣能加熱技術簡介

2.1.2.1空氣能機工作原理

利用周圍低溫空氣，將發(fā)散器內的冷觸媒氣化，變?yōu)榈蜏氐蛪簹怏w;空氣能機內的壓縮機壓縮做功，將低溫低壓的氣體冷觸媒轉化為高溫高壓液體冷觸媒;通過冷凝器將高溫高壓的液體冷觸媒變?yōu)榈蜏馗邏盒问街鼗氐桨l(fā)散器中，循環(huán)做功。其中，冷凝器做為發(fā)熱源，對流性介質加熱，完成能量轉化。

2.1.2.2空氣能機相關特點及特性

節(jié)能情況下，空氣能機加熱最高可達60℃，一般情況下加熱溫度達55℃，因此需要電能輔助加熱;經與多廠家咨詢，空氣能機加熱比普通電加熱節(jié)約電能3/4;產熱不受外界因素影響，性能穩(wěn)定;空氣能機安裝對外界環(huán)境要求不十分苛刻;空氣能機中流過的加熱媒介需要清潔，以免造成內部管路堵塞;安裝過程相對簡單。

2.2空氣能+電加熱系統結構設計

空氣能+電加熱系統由PLC控制系統、自帶溫控功能的空氣能機、電阻加熱式熱介質加熱爐、4組感溫探頭、內循環(huán)泵、外循環(huán)泵及一些管件組成組成，其組成方式有3種。空氣能與電阻加熱式熱介質加熱爐之間的組成：進口（以空氣能機為參照物）由放水閥、循環(huán)泵、Y型過濾器、單向閥、球閥、PVC管及連接軟管組成;出口（以空氣能機為參照物）由放氣閥、球閥、PVC管及連接軟管組成。電阻加熱式熱介質加熱爐之間的組成：進口（以發(fā)酵裝備為參照物）由循環(huán)泵、單向閥、連接軟管組成;出口（以發(fā)酵裝備為參照物）由單向閥、連接軟管組成。溫度傳感器在電阻加熱式熱介質加熱爐出口安裝1個，發(fā)酵裝備倉內前中后3段各安裝1個?？諝饽?電加熱系統結構見圖1。

2.3空氣能+電加熱系統工藝設計

通過多次試驗積累的經驗與能耗數據分析結果，加熱工藝設計上分為高溫工藝模式與低溫工藝模式（設計上考慮環(huán)境溫度與加熱效率2方面內容）。

2.3.1環(huán)境低溫情況下工藝模式（環(huán)境溫度15～-10℃）

工藝上以發(fā)酵菌活動需要溫度（30～65℃）為特性，PLC整體控制，具體如下。

加熱循環(huán)上，以發(fā)酵設備倉內溫度控制為第1條件，即發(fā)酵設備倉內第1點的溫度未達到65℃，或第2點的溫度未達到63℃，或第3點的溫度未達到60℃，加熱系統按70℃和45℃的回差條件工作;如發(fā)酵設備倉內溫度任一點達到需要溫度，加熱系統停止工作。

空氣能機與熱介質加熱爐的循環(huán)為內循環(huán)，見圖1中虛線表示的循環(huán)路線。

畜禽糞便發(fā)酵設備與熱介質加熱爐的循環(huán)為外循環(huán)，見圖1中實線表示的循環(huán)路線。

熱介質加熱爐內的熱介質溫度≤45℃（見圖1中F口溫感），空氣能機和內循環(huán)開始工作（步驟4）。

熱介質加熱爐內的熱介質溫度≥55℃（見圖1中F口溫感）， 空氣能機和內循環(huán)停止工作，熱介質加熱爐開始加熱（步驟5）。

熱介質加熱爐內的熱介質溫度≥70℃（見圖1中F口溫感）， 熱介質加熱爐停止加熱，外循環(huán)開始工作，工作1分鐘后停止（步驟6）。

當再次熱介質加熱爐內的熱介質溫度≤45℃（見圖1中F口溫感），繼續(xù)步驟4、5、6如此交替往復工作。

2.3.2環(huán)境高溫情況下工藝模式（環(huán)境溫度≥+15℃）

工藝設置上，與環(huán)境低溫情況下工藝模式的前1～6步相同，第7步不同，具體如下。

1～6同前;

當再次熱介質加熱爐內的熱介質溫度≤45℃（見圖1中F口溫感），繼續(xù)步驟4、5、6，此形式工作8h;8h后，加熱工藝更改為先完成步驟4內容，然后熱介質加熱爐內的熱介質溫度≥55℃（見圖1中F口溫感）， 空氣能機和內循環(huán)停止工作， 外循環(huán)工作，如此往復2h;2h候后重新4、5、6步驟，如此交替往復工作，重新加料后重計時間。

2.4空氣能+電加熱系統特點

結構復雜，工藝成本略高，維修維護相比與原加熱系統復雜，但使用成本降低，通過試驗，空氣能+電加熱系統比單一電加熱系統節(jié)省1/2能耗。

3結論

空氣能+電加熱系統比原電加熱系統復雜，前期投入成本略高，但后期使用成本降低，預計通過2a連續(xù)運行，將節(jié)省本項目中所使用的空氣能機1臺（功率型號：7P;價格：1萬元左右。），同時空氣能+電加熱系統的加熱功能穩(wěn)定，可作為同類或相似設備配套使用。

參考文獻

[1] 董占榮. 豬糞中的重金屬對菜園土壤和蔬菜重金屬積累的影響[D].杭州：浙江大學，2006.

[2]刁治民，高曉杰，熊亞. 禽畜糞便微生物處理機資源化工程[J].青海草業(yè)，2004，13（1）：13-20.

[3]王方浩，馬文奇，竇爭霞，等. 中國禽畜糞便產生量估算及環(huán)境效應[J].中國環(huán)境科學，2006，26（5）：614-617.