一種節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省二分之一能耗。

關鍵詞：畜禽糞便;發酵裝備;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，大力推進生態文明建設，堅持節約資源和保護環境的基本國策，堅持節約優先、保護優先、自然恢復為主的方針，著力推進綠色發展、循環發展、低碳發展，形成節約資源和保護環境的空間格局、產業結構、生產方式、生活方式，從源頭上扭轉生態環境惡化趨勢，為人民創造良好生產生活環境，為全球生態安全作出貢獻。黨的十九大也提到綠色發展的內容。而近年來，隨著我國畜禽養殖量不斷增加及養殖格局的不斷變化，畜禽糞便對一些農村地區污染不斷加大，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，其中發酵有機肥作為主要處理方式，被廣泛應用。畜禽糞便發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，養殖戶不易接受。長春市農業機械研究院現研制的畜禽糞便發酵裝備同樣遇到此問題，為提升設備的可用性，使廣大養殖戶容易接受與使用畜禽糞便處理裝備，長春市農業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酵裝備倉內和加熱爐內的溫度，循環泵在加熱爐和發酵裝備之間進行熱介質轉換。工作方式為先對發酵設備倉內前中后3個點進行溫度采集，在未達到發酵溫度的時候，電阻加熱式熱介質加熱爐進行區間加熱爐中的導熱介質，達到所需溫度后，由循環泵將電阻加熱式熱介質加熱爐中的導熱介質注入到發酵裝備的發酵倉內的管路，以加溫發酵倉內的畜禽糞便、秸稈及生物菌的混合體，使其快速發酵，而發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;此方式工作循環往復，直到發酵設備倉內前、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節能技術簡介及本項目節能技術選用

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

通過對畜禽糞便發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，選用空氣能節能技術。其中，不使用太陽能技術主要為投入成本高，占地規模大，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，將發散器內的冷觸媒氣化，變為低溫低壓氣體;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為低溫高壓形式重回到發散器中，循環做功。其中，冷凝器做為發熱源，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約電能3/4;產熱不受外界因素影響，性能穩定;空氣能機安裝對外界環境要求不十分苛刻;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、內循環泵、外循環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（以發酵裝備為參照物）由循環泵、單向閥、連接軟管組成;出口（以發酵裝備為參照物）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，發酵裝備倉內前中后3段各安裝1個。空氣能+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（設計上考慮環境溫度與加熱效率2方面內容）。

2.3.1環境低溫情況下工藝模式（環境溫度15～-10℃）

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

加熱循環上，以發酵設備倉內溫度控制為第1條件，即發酵設備倉內第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為內循環，見圖1中虛線表示的循環路線。

畜禽糞便發酵設備與熱介質加熱爐的循環為外循環，見圖1中實線表示的循環路線。

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），繼續步驟4、5、6如此交替往復工作。

2.3.2環境高溫情況下工藝模式（環境溫度≥+15℃）

工藝設置上，與環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）， 空氣能機和內循環停止工作， 外循環工作，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連續運行，將節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，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境效應[J].中國環境科學，2006，26（5）：614-617.