雞糞原料堆肥翻拋機選型及能耗對比

摘 要： 結(jié)合多年堆肥工程探索實踐經(jīng)驗，詳細介紹了鏈板式翻拋機、輪盤式翻拋機和密閉立式堆肥反應(yīng)器的工作原理、結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)參數(shù)和適用范圍，并以處理雞糞原料為例，從占地面積、工作效率、單位能耗等方面，對3 種堆肥方案進行詳細對比分析，以期為實現(xiàn)雞糞工廠化快速處理和優(yōu)化有機肥生產(chǎn)過程提供可靠的技術(shù)途徑和方法。對比結(jié)果表明，輪盤式翻拋機效率較高，維護維修成本低；鏈板式翻拋機堆肥效果好，主輔料保持混合均勻狀態(tài)，物料不易分層；密閉立式堆肥反應(yīng)器自動化程度高，臭氣處理壓力小。

關(guān)鍵詞：雞糞；翻拋機；堆肥；能耗；肥料機械

中圖分類號：S224 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）06-0005-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.06.001

0 引言

近年來我國畜牧業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，集約化養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴大，有力保障了肉蛋奶供給。隨著人們對生活環(huán)境質(zhì)量要求的提高，畜禽養(yǎng)殖污染問題也越來越受到關(guān)注。實現(xiàn)畜禽糞污中的養(yǎng)分從產(chǎn)生到土地合理施用的整個循環(huán)利用過程，不單單降低了對環(huán)境造成的危害，同時還節(jié)約能源、保護環(huán)境[1]。針對畜禽養(yǎng)殖廢棄物，堅持源頭減量、過程控制、末端利用的治理路徑，全面推進畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用是改善農(nóng)村人居環(huán)境的重要任務(wù)，為促進鄉(xiāng)村全面振興提供了有力支撐。培育和發(fā)展畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用產(chǎn)業(yè)，應(yīng)該堅持政府支持、企業(yè)主體、市場化運作的方針，要加大政策支持保障力度，創(chuàng)造良好市場環(huán)境，幫助企業(yè)形成可持續(xù)的商業(yè)模式和盈利模式。

現(xiàn)代化的好氧堆肥技術(shù)發(fā)源于 20 世紀初的歐洲，到20 世紀中葉，現(xiàn)代化的大型有機廢物堆肥廠在發(fā)達國家相繼建立[2]。好氧堆肥技術(shù)因其操作簡便、運行成本低和處理量大等優(yōu)點被廣泛用于農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化處理[3]。通過堆肥化處理，畜禽糞污等農(nóng)業(yè)有機固體廢棄物中對環(huán)境及人類有害的病原微生物、草籽、蟲卵等均能得到有效地殺滅，從而得到養(yǎng)分含量高且穩(wěn)定的堆肥產(chǎn)品，以此實現(xiàn)糞污資源的高效循環(huán)利用[4]。

本研究針對畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用堆肥技術(shù)，以存欄150 萬只蛋雞養(yǎng)殖場為例，對3 種主要堆肥翻拋機的能耗和使用成本進行了分析對比，以期為畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用堆肥設(shè)備的選擇提供一種方法。

1 主要翻拋機機型

好氧堆肥技術(shù)作為一種可有效實現(xiàn)畜禽糞污無害化、減量化和資源化利用的重要技術(shù)途徑，近年來得到廣泛運用并迅速發(fā)展。根據(jù)市場調(diào)查，養(yǎng)殖場或者有機肥廠采用的好氧堆肥方式多種多樣，形式各異。在堆肥工藝和翻拋機的研究方面，發(fā)達國家已具備較成熟的技術(shù)和設(shè)備，堆肥翻拋設(shè)備正向大規(guī)模、高效率、智能化和清潔化方向發(fā)展[5]。我國現(xiàn)有翻拋機的研制存在一些問題：一是較多采用國外機械，系統(tǒng)可靠性和適應(yīng)性較差；二是關(guān)于翻拋機技術(shù)的系統(tǒng)理論性研究較少；三是各地地形地勢不同，產(chǎn)品的通用性和適應(yīng)性有待提高[6]。

好氧堆肥技術(shù)模式主要包括條垛式堆肥、靜態(tài)堆垛堆肥、槽式堆肥和反應(yīng)器堆肥4 類[7]。目前規(guī)模蛋雞養(yǎng)殖場使用鏈板式翻拋機、輪盤式翻拋機和立式堆肥反應(yīng)器進行好氧發(fā)酵堆肥處理的項目較多。其中，鏈板式翻拋機和輪盤式翻拋機都屬于槽式翻拋，區(qū)別于條垛翻拋機；立式堆肥反應(yīng)器屬于立式結(jié)構(gòu)筒倉式發(fā)酵，區(qū)別于臥式反應(yīng)器。

1.1 鏈板式翻拋機

1.1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

鏈板式翻拋機由翻拋部件、橫向移動裝置、縱向移動裝置、電控系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等組成，如圖1 所示，適用于采用槽式發(fā)酵的場合。

工作原理：整機工作架置于發(fā)酵槽上，可沿槽上軌道縱向前后行走。翻拋小車整體放置于工作架上，翻拋部件和液壓系統(tǒng)安裝在翻拋小車上。工作架到達指定的翻拋位置時，翻拋部件經(jīng)由液壓系統(tǒng)操縱緩慢下降到指定位置，此時翻拋部件（鏈板）開始連續(xù)轉(zhuǎn)動，并隨工作架整體沿槽向前移動。翻拋齒刀和刮板不斷攫取槽內(nèi)發(fā)酵物料并斜向輸送到工作架后方自由落下，落下的物料重新置堆發(fā)酵[8]。如果采用寬槽發(fā)酵，翻拋小車橫向向左或者向右移動一個鏈板幅寬的距離，在液壓系統(tǒng)的操控下將翻拋部件整體抬升到不與物料干涉的高度，然后放下翻拋部件深入槽中，開始另一幅物料的翻拋作業(yè)行程。待翻拋機沿槽完成一個行程的作業(yè)后，工作架整體連同小車后退至發(fā)酵槽翻拋作業(yè)的初始端（出料端）。通過電動傳動裝置，翻拋機可以實現(xiàn)滾筒升降、帶動翻拋機滾筒轉(zhuǎn)動。翻拋機通過移行車實現(xiàn)從一個發(fā)酵槽到另一個發(fā)酵槽的移行，設(shè)備在環(huán)境溫度為?20～50 °C 的條件下均可使用。對發(fā)酵物料的特性也有較強的適應(yīng)性[9]。

1.1.2 技術(shù)參數(shù)及適用特點

鏈板式翻拋機主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示，有以下4 方面特點。

（1）鏈板式翻拋機取料機構(gòu)采用優(yōu)化的多齒刮板式結(jié)構(gòu)設(shè)計，特殊的齒板外形結(jié)構(gòu)設(shè)計和組織排列方式，使翻拋部件運行阻力降低，適合深槽條件作業(yè)并滿足雞糞黏濕特性物料的特殊翻拋要求。翻拋機通過橫向和縱向移位裝置，可使翻拋部件在同一個發(fā)酵槽內(nèi)實現(xiàn)任意位置作業(yè)，提高了配置及操作的靈活性，降低了配套電機裝機容量要求。

（2）槽內(nèi)物料經(jīng)鏈條帶動的刮板輸送到較高位置后向下向后連續(xù)拋落，物料水平位移距離較大，使翻拋過程中物料運動軌跡變長，與空氣長時間充分接觸，既提高了物料供氧時間，利于充分補充氧氣，又便于水分散發(fā)，快速降低物料水分含量，促進好氧發(fā)酵快速完成，非常適合處理量大、氣候潮濕、連續(xù)發(fā)酵的工作場合。

（3）鏈板式翻拋機配備可靠穩(wěn)定的液壓泵站系統(tǒng)精確升降翻拋部件，在翻堆的開始和結(jié)束時，通過遙控或觸摸屏操作精確、輕松地實現(xiàn)翻拋部件的升降，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，可靠快捷。

（4）采用控制柜集中控制整機操作，手動控制和自動控制相結(jié)合，現(xiàn)場操作工人不必隨機作業(yè)，只需在集中控制室或遠程遙控即可完成全部操作，大大改善了作業(yè)環(huán)境。

1.2 輪盤式翻拋機

1.2.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

輪盤式翻拋機由翻拋部件、橫向移動裝置、縱向移動裝置、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和擋料板等組成，如圖2 所示。傳動系統(tǒng)由電機、主軸、嵌入式硬齒面變向弧齒多級齒輪組等部分組成，是為翻拋輪提供動力的裝置；行走系統(tǒng)由行走電機、傳動齒輪、變頻調(diào)速系統(tǒng)等組成；翻堆部件由動力支撐臂、翻拋輪、軟啟動和翻拋智能控制系統(tǒng)等組成；輪盤裝配雙級4 層空間立體結(jié)構(gòu)刀片，可實現(xiàn)對物料的梯次遞進式切削和長距離拋送，翻拋速度快，物料與空氣接觸充分，以保證發(fā)酵效果。

翻拋機工作時依靠橫向和縱向移動裝置帶動翻拋部件按照設(shè)定的進給量切削、拋送物料，實現(xiàn)充分脫水和提高孔隙率的目的，也可改善原料的通透性，使原料變得蓬松有彈性，同時吸收大量的空氣，滿足物料發(fā)酵氧氣需求，更好地發(fā)揮超嗜熱微生物的作用，提高畜禽糞便處理效率，縮短腐熟周期，提升肥堆溫度，促使堆肥物料快速發(fā)酵腐熟[10]。

1.2.2 技術(shù)參數(shù)及適用特點

輪盤式翻拋機主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示，具有以下6 方面特點。

（1）針對農(nóng)業(yè)廢棄物好氧發(fā)酵原料特性不穩(wěn)定的特點，采用高適應(yīng)性、大功率儲備能力的能量輸出機構(gòu)，確保全年全物料可靠作業(yè)。

（2）集中控制，一鍵操控，翻拋機自動化程度高，操作人員無須在發(fā)酵車間內(nèi)工作；可選高配智能控制系統(tǒng)，采集溫度、負載等工藝大數(shù)據(jù)庫，形成系統(tǒng)化、可進化生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

（3）大跨度發(fā)酵槽，槽寬可達30 m，無須移行，操作便捷、效率高，節(jié)省占地面積，大幅度減少發(fā)酵槽墻體建造成本。

（4）傳動變速系統(tǒng)全密閉，采用軸和齒輪組直傳，全部傳動齒輪嚴格按照鍛造、制坯、正火、機加、淬火和回火等高等工業(yè)齒輪工藝加工，全程嚴格檢測；傳動系統(tǒng)抗沖擊載荷能力強，前端采用浸潤式油浴潤滑，維護成本低、安全性高、故障率低、使用壽命長及可靠性高。

（5）4 級空間曲面切削翻拋撥齒，梯次漸進式切削，使得拋刀在工作時受到最小的振動和沖擊，切料取料能力強，曝氣效果好；可更換耐磨齒刀，物料破碎和抓取能力強，使用成本低[11]。

（6）縱向和橫向移位，翻拋無死角，可實現(xiàn)槽內(nèi)任意位置翻拋作業(yè)，機動靈活、翻拋速度快；翻拋機構(gòu)可完全抬起，發(fā)酵槽內(nèi)無須設(shè)置回程通道，高效利用發(fā)酵槽空間。

1.3 立式堆肥反應(yīng)器

1.3.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

密閉立式好氧發(fā)酵反應(yīng)器由生物濾池、倉體、液壓驅(qū)動系統(tǒng)、攪拌曝氣系統(tǒng)、機架、上料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成，如圖3 所示[12]。原料直接投入位于地面的上料斗內(nèi)，由上料系統(tǒng)送入反應(yīng)器，定期翻拌和曝氣后在內(nèi)部發(fā)酵，發(fā)酵后的物料從下方的出料口卸出，作為產(chǎn)品出售，實現(xiàn)無害化處理和資源化利用[13]。

反應(yīng)器工作時，先開啟卸料口，卸出發(fā)酵好的物料，卸料同時，啟動主軸攪拌系統(tǒng)，便于物料均勻卸出，物料卸出需要量后，關(guān)閉卸料口；然后打開進料門，將含水率40%～60% 原料投入上料斗，開啟上料機將物料提升到反應(yīng)器內(nèi)，反應(yīng)器達到進料量后，關(guān)閉進料門，開始發(fā)酵。反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)有攪拌軸和攪拌葉片， 攪拌葉片上布有曝氣管道，反應(yīng)器中底部攪拌槳葉上設(shè)有供風氣孔，由風機通過管道將新鮮空氣引入到反應(yīng)器內(nèi)底部的物料中[14]。設(shè)備啟動后，攪拌主軸、曝氣風機等按程序設(shè)定的參數(shù)自動運行，運行時間和停止時間可以根據(jù)實際需要在一定范圍內(nèi)按需設(shè)置，便于控制。反應(yīng)器罐體上設(shè)置上中下3 個溫度傳感器，可以實時顯示發(fā)酵溫度。定期翻拌和曝氣后在內(nèi)部進行生物發(fā)酵，發(fā)酵好的物料從下方的出料口卸出，再由無軸螺旋輸送機輸出。

1.3.2 技術(shù)參數(shù)及適用特點

密閉立式堆肥反應(yīng)器主要參數(shù)如表3 所示，具有以下6 方面特點。

（1）連續(xù)發(fā)酵，隨時接料，集廢棄物日常收集、存貯和發(fā)酵處理于一體。

（2）反應(yīng)器密閉，需處理的尾氣量大幅度下降，配置尾氣生物除臭系統(tǒng)。

（3）曝氣系統(tǒng)集成于攪拌器內(nèi)，在槳葉翻拌處及時準確供氧，曝氣充足，效率更高。

（4）結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，不需建設(shè)廠房，固定投資小。

（5）操作簡便，定時翻料與曝氣，自動化程度高，一臺設(shè)備相當于一座工廠。

（6）配置計算機進行自動控制，按程序自動翻料、曝氣與除臭。

2 方案選擇對比

以150 萬只蛋雞養(yǎng)殖規(guī)模計算雞糞處理量，分別采用鏈板式翻拋機、輪盤式翻拋機和密閉立式堆肥反應(yīng)器3 種好氧堆肥發(fā)酵方式處理糞污，對占地面積、工作效率和處理能力進行對比分析。

2.1 物料平衡計算

（1）主料。蛋雞存欄量150 萬只；每只雞產(chǎn)生糞污0.1 kg/d，雞場產(chǎn)生糞污150 t/d，平均含水率75%。

（2）輔料。采用碳源類物質(zhì)如稻殼、鋸末、秸稈粉等，平均含水率15%。

主料與輔料混合后，數(shù)量和水分含量如表4 所示。

2.2 發(fā)酵占地面積

根據(jù)表4 物料平衡計算，雞糞與輔料混合后，需要進行發(fā)酵處理的物料總量是308 m3。按照此處理量，結(jié)合鏈板式翻拋機、輪盤式翻拋機和立式堆肥反應(yīng)器的技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)適用特點，計算3 種方式發(fā)酵的占地面積如表5 所示。

由表5 可知，采用鏈板翻拋和輪盤翻拋方式進行堆肥發(fā)酵占地面積基本相同，采用立式反應(yīng)器形式占地面積最小，其相應(yīng)的土建成本也最低。

2.3 翻拋工作效率

翻拋工作效率是堆肥方式選擇的重要衡量指標。一般用工作時間和單位時間翻拋能力來衡量翻拋工作效率。根據(jù)上述計算的處理量，結(jié)合鏈板式翻拋機、輪盤式翻拋機和立式堆肥反應(yīng)器的技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)適用特點，對3 種堆肥方式進行對比，結(jié)果如表6 所示。

由表6 可知，輪盤式翻拋機與鏈板式翻拋機相比，翻拋能力強，工作時間短，效率明顯較高。

3 能耗對比分析

能耗是重要的經(jīng)濟指標，直接關(guān)系堆肥生產(chǎn)的效益。為更直觀了解設(shè)備性能，從電力消耗方面對3 種堆肥方式進行對比，結(jié)果如表7 所示。

鏈板式翻拋機和輪盤式翻拋機都是好氧堆肥發(fā)酵過程中常見的翻拋設(shè)備，輪盤式翻拋機屬于轉(zhuǎn)子式翻拋機，利用旋轉(zhuǎn)輪盤的高轉(zhuǎn)速將堆肥物料拋到空中并落下，在物料堆高較高的情況下，輪盤的半徑都在1 m 以上，這就需要驅(qū)動電機有較大的儲備功率，所以，能耗高于鏈板式翻拋機。另外，物料在空氣中停留時間2～4 s，相較于鏈板式翻拋機，曝氧時間短，在同樣的發(fā)酵周期內(nèi)，腐熟度和脫水效果弱于鏈板式翻拋機。立式堆肥反應(yīng)器工作過程中主要靠曝氣系統(tǒng)連續(xù)不間斷工作來保證供氧量，發(fā)酵腐熟和脫水也是依靠曝氣系統(tǒng)的工作，因此能耗較高。目前，我國堆肥翻拋機已有多種產(chǎn)品，但存在問題較多，只有加強理論研究，建立翻拋機的研究技術(shù)平臺，對于不同的有機廢棄物，要研究其機械翻拋的特性，才能開發(fā)出高質(zhì)量且適應(yīng)性強的翻拋機[15]。

4 結(jié)束語

我國各地利用雞糞等原料通過好氧堆肥技術(shù)生產(chǎn)有機肥的積極性較高，不少規(guī)?；B(yǎng)殖場陸續(xù)興建了一批有機肥廠，在雞糞堆肥處理工程方案中，鏈板式翻拋機、輪盤式翻拋機和立式堆肥反應(yīng)器都被廣泛使用，工藝設(shè)備各有優(yōu)缺點?？傮w來說，輪盤式翻拋機效率較高，維護維修成本低；鏈板式翻拋機堆肥效果好，主輔料保持混合均勻狀態(tài)，物料不易分層；密閉立式反應(yīng)器自動化程度高，臭氣處理壓力小。但是，好氧堆肥技術(shù)目前還存在一些問題，如忽視發(fā)酵原料預(yù)處理環(huán)節(jié)的作用，碳氮比調(diào)配不夠科學(xué)，為合理發(fā)酵埋下隱患；缺乏與機械翻拋結(jié)合的靜態(tài)通風曝氣系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，堆肥周期長，腐熟不徹底。因此，在國內(nèi)外現(xiàn)有加工工藝的基礎(chǔ)上，充分探究畜禽糞污堆肥物料物理特性，優(yōu)化好氧堆肥技術(shù)，提高系統(tǒng)可靠性，降低運行成本，探索適合我國當前有機肥行業(yè)加工生產(chǎn)實際需要的養(yǎng)殖廢棄物資源化利用生產(chǎn)有機肥成套裝備工藝技術(shù)。

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基金項目： 國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFD1900303）