機械通風豬舍臥式末端廢氣凈化系統除氨效率試驗研究*

劉喜佳，王昱, 2，孫超，曾志雄, 2，呂恩利, 2

(1. 華南農業大學工程學院，廣州市，510642；2. 華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州市，510642)

0 引言

隨著我國經濟由高速增長階段轉向高質量發展階段，畜禽的養殖規?；仓饾u轉向規?；痆1]、智能化生產，生產過程中污染物的無組織排放問題也日漸顯著。這些氣體中含有大量的氨、硫化物和揮發性有機物等有毒有害成分，不僅會影響畜禽的正常生長[2]，而且當這些有毒有害氣體擴散到空氣中，將嚴重威脅飼養人員及周邊居民的身體健康[3]，惡化人類生存的環境,因此養殖過程中應重點關注廢氣處理的問題。其中氨氣作為有毒有害氣體中最主要的成分之一，氨氣的有效去除可以明顯減少對環境的污染。

現行的除氨方法包括：活性炭吸附法、生物濾滴法及酸洗噴淋法[4-5]。其中，前兩種除氨方法在材料的制備以及處理上，都有一定的難度，不利于該方法的應用推廣。酸洗噴淋法是工業除臭凈化方法在農業的拓展[6]，具有較高除氨性能，滿足當前畜禽養殖末端除臭的各類應用場景。同時，該方法使用后的廢水還可轉化為液態氮肥料，可實現資源的循環利用[7]。酸洗噴淋法因技術方案可行性高、凈化效果穩定、后處理方便等特點，成為全球養殖行業的首選廢氣凈化方案[7]。如何提高該凈化方式的除氨效率受到科研工作者的廣泛關注[8-11]。

酸洗噴淋法主要以稀硫酸為吸收液，在廢氣排放過程中對廢氣進行噴淋，使氨氣和吸收液接觸反應，利用酸堿中和反應以及氨氣易溶于水的特點來減少氨氣的排放。

Hadlocon等[8, 12]指出在采用酸洗噴淋法的廢氣凈化系統中，吸收液的pH值、霧滴大小、噴嘴類型、霧滴的覆蓋范圍、通風風速等因素對除氨效果的好壞有重要影響。其中霧滴的大小對是否成功除氨起著關鍵性的作用，霧滴減小可增大廢氣與吸收液間的接觸面積，從而對除氨效率產生影響[13]。填料結構常被應用于污染管理控制[14]，是空氣污染控制技術中應用最廣泛的裝置。填料結構有利于將吸收液留在填料表面，使得吸收液可以與氨氣充分反應，具有吸收液霧化類似的作用。但是這通常會產生較大的壓降，從而產生較大的用電成本[15]。

在前面的研究中，都是基于立式的廢氣凈化系統所得出的結論。但考慮國內規?；i舍的建筑特點，我國多采用臥式凈化系統，然而現階段卻鮮有針對臥式廢氣凈化系統的相關研究。因此，本文針對臥式廢氣凈化系統，通過采用酸洗噴淋法，加入填料結構，調整噴嘴位置，調節噴淋液滴大小，控制通風風速大小的方式，探究該系統中通風速度，酸洗泵頻率、噴淋方向關鍵工藝參數對除氨效率的影響機制。旨在通過試驗研究摸索出該廢氣凈化系統在凈化效率和成本水平上均表現優異的關鍵設計參數，為生豬養殖末端除臭凈化設備的產品化設計提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用的廢氣凈化系統包括模擬末端、壓力室、酸洗室，氨氣發生裝置，系統控制箱及一臺筆記本上位機。所用平臺為華南農業大學工程學院針對豬場廢氣凈化技術搭建的廢氣凈化試驗平臺[16]，試驗臺架原理圖如圖1所示。實物圖如圖2所示，整個試驗通過對氨水加熱的方法生成氨氣，由負壓風機將生成的氨氣吸入試驗臺，模擬豬場末端排出的氨氣。穩定的氨氣發生裝置包括一臺帶加熱的磁力攪拌儀及氨水補給裝置。通過酸洗泵將配置好的吸收液噴淋在填料結構上，實現對經過填料結構的氨氣進行吸收。酸洗泵型號為25FPZ-10的工程塑料自吸泵。試驗臺架的進出口處裝有4～20 mA信號型氨氣傳感器，對填料結構前后端氨氣濃度進行監測，臺架電力入口配有功率計量插座，用于檢測試驗中的電量消耗。通過PLC控制系統實時采集凈化系統內的氨氣濃度等數據。成本也是評價除臭設備的重要指標之一，凈化平臺或產品的成本來源主要包括：硫酸、電、水。但硫酸的消耗和除氨效率相關聯，為保證除氨的效率，硫酸的使用必不可少。試驗過程中的水的損耗主要是風機帶到空氣中的水霧。但在25 min的試驗后，酸洗桶中的水只有細微的減少，因此通過對風機帶走的水霧可忽略不計，吸收液幾乎都回流到酸洗水箱中。因此耗電量作為成本的評價指標[17]。

試驗耗材主要包括耐酸防腐蝕的聚四氟乙烯薄膜、45 cm厚度塑料填料機構。試驗中主要試劑為氨水及濃硫酸。其中，濃硫酸為標準含量為98%的分析純試劑，氨水為標準含量大于25%的分析純試劑。循環水箱內的吸收液為100 L的市政供水和20 mL的濃硫酸，配置所得的吸收液pH值大小p可通過式(1)計算獲得。

(1)

式中：ρ2——硫酸密度，g/cm3；

V1——市政供水用量，L；

V2——濃硫酸用量，L；

M2——硫酸摩爾質量，g/mol。

計算可得p為2.4，符合吸收液的理想pH范圍[8]。

圖1 臥式除氨平臺原理圖

圖2 試驗臺架實物圖

1.2 試驗方法

正交試驗設計是研究多因素多水平的一種實用設計方法，該方法根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性具備“均勻分散，整齊可比”的組合特點[18]。本試驗以噴淋方向A，酸洗泵頻率B，通風風速C為自變量，將這三個參數作為設計變量進行正交試驗，探究廢氣凈化系統在不同參數組合下對除氨效果的影響。

5.聯機模式下，用戶創建房間，第二個用戶會自動搜尋第一個未滿的房間，來加入到游戲中。進入游戲后，通過比目提供的數據監聽，來對數據進行更新操作。當本方為黑時，下棋結束后將執方繼續置為黑，知道數據更新后才進行行棋操作。

為便于填料結構的安裝，在除氨平臺中常常采用方形的管道。因此從安裝的便利性出發，本次試驗將酸洗噴頭的噴淋方向劃分為順流，逆流，錯流。

在酸洗泵頻率水平選取的試驗過程中發現，當酸洗泵頻率f在20～40 Hz的區間時，酸洗室噴嘴的壓力適中，噴射出的溶液易于覆蓋整個酸洗簾，凈化效果較好。綜合分析酸洗泵頻率f對凈化效率的波動影響，確定以20 Hz、30 Hz及40 Hz作為酸洗泵頻率f的3個水平劃分。

由于試驗平臺配備風機扇葉半徑為0.5 m，通風截面為0.64 m2，對云南某大型豬舍調查中發現，在一個含有140頭豬的豬舍中內常配有3臺風機。因此在有3臺風機的除氨平臺系統中，則總的通風截面為1.92 m2。通過查詢《規?；i場環境參數及環境管理》(GB/T 17824.3—2008)得知豬舍的平均所需通風量，將豬舍總通風量除該截面積與時間，可計算出豬舍屋頂風機的瞬時通風風速。由于冬季中豬舍廢氣產生較少，選取春秋季及夏季的通風量標準進行計算。綜合設定試驗平臺模擬末端的風機風速為1 m/s，1.43 m/s，1.89 m/s。

因此本次試驗中主要因素的對應水平分級為：噴淋方向(錯流，順流，逆流)，酸洗泵頻率f(20 Hz、30 Hz、40 Hz)，通風風速v(1 m/s、1.43 m/s、1.89 m/s)。其中，噴淋方向因素的各水平的描述是相對于通風風向確定的。酸洗泵頻率為20 Hz時，可保證填料結構被浸濕。由上述的因素水平建立正交試驗的正交因素水平表，如表1所示。

表1 正交因素水平表Tab. 1 Orthogonal factor level table

根據已經建立的正交因素表，借助統計分析軟件SPSS生成混合水平正交表L9(33)[19]，如表2所示。

表2 混合水平正交試驗表Tab. 2 Orthogonal test of mixed level

規定每組試驗時長為25 min，各組之間間隔25 min，以減少組間的干擾?？刂迫肟诎睔鉂舛缺３衷?0～45 g/m3內波動。分別記錄每組試驗的“耗電kW·h”、“每時刻進出口氨氣濃度大小”。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

試驗完成后計算各組在入口氨氣濃度在30～45 g/m3內的除氨效率η的變化，其中除氨效率η計算如式(2)所示。

(2)

式中：CNH3,in——入口氨氣濃度，g/m3；

CNH3,out——出口氨氣濃度，g/m3。

均勻選取30～45 g/m3之間的數據，統計各個組合的平均凈化效率，結果如表3所示。

表3 正交試驗統計表Tab. 3 Statistical table of orthogonal test

通過試驗參數的設計后進行正交試驗，再根據得到的試驗數據做相應的方差分析，從而得到各參數對于質量目標的影響程度，最后對各參數進行優化分析后得到最佳參數組合。

(a) 組合1 (b) 組合2 (c) 組合3

(d) 組合4 (e) 組合5 (f) 組合6

(g) 組合7 (h) 組合8 (i) 組合9

2.2 試驗分析

2.2.1 極差分析

極差分析法是通過計算每一個因素的極差來分析問題，極差大小反映了該因素在不同水平下對目標的影響大小。在正交試驗中，極差是在每個水平之和中由最大值減去最小值，極差大說明此因素的不同水平產生的差異較大，是重要因素，對試驗結果影響明顯。下面通過極差分析法對試驗中三種因素對除氨效率的影響進行敏感度分析。

從表3中可以看出，A因素的極差RA=19.12，表明噴淋方向因素對除氨的效果影響最大。B因素的極差RB=9.25，說明酸洗泵頻率對除氨的效果有影響，但影響程度不大。C因素的極差RC=6.49，說明通風風速對除氨的效果影響不大。為了更加直觀起見，用作圖的方法表示因素和水平的變動情況。將各因素的水平做橫坐標，各水平的平均值為縱坐標，作因素水平效應圖。如圖4所示，噴淋方向在水平上有明顯的差異。這是由于在臥式廢氣凈化系統中，錯流噴淋方式保證填料結構的充分濕潤，使的氨氣氣體在填料中得到充分反應。通風風速和酸洗泵頻率在1水平到2水平時有較大的變化，但2水平到3水平沒有明顯的差異。

圖4 因素水平效應圖

2.2.2 方差分析

方差分析，又稱變量分析，是一種統計假設檢驗方法，不僅是試驗研究中分析試驗數據的重要方法，還是對正交試驗結果準確分析的保證[20]。它可以將引起變異的各個因素作用逐一分析出來，做出量的估計，進而分析是哪些因素起主要作用，哪些因素起次要作用。下面對表3的試驗數據進行方差分析，結果如表4～表7所示。

表4 除氨影響因素方差分析Tab. 4 Analysis of variance of influencing factorsof ammonia removal

表5 噴淋方向因素對除氨效率影響的Duncan多重分析表Tab. 5 Duncan multiple analysis of the effect of spraydirection on ammonia removal efficiency

表6 酸洗泵頻率因素對除氨效率影響的Duncan多重分析表Tab. 6 Duncan multiple analysis table of influence of picklingpump frequency on ammonia removal efficiency

表7 通風風速因素對除氨效率影響的Duncan多重分析表Tab. 7 Duncan multiple analysis of the effect of ventilationwind speed on ammonia removal efficiency

從方差分析表4中，噴淋方向的顯著性概率為0.047，小于0.05。說明在本試驗中，噴淋方向是影響除氨效率顯著因素。酸洗泵頻率、通風風速因素的顯著性概率均大于0.05，對除氨效率的影響不顯著。從Duncan多重分析表5～表7比較中得出，噴淋方向因素的3水平除氨效率與1、2水平的除氨效率有顯著差異，并且3水平的除氨效果最差。在噴淋方向因素1、2水平之間的除氨效率差異不顯著。在通風風速與酸洗泵因素上，三個水平差異均不顯著。不顯著的水平差異可根據操作、成本方面出現，進行水平的選擇。綜上，A1B2C1作為適宜的除氨方案。

3 結論

本文通過正交試驗的方法，對帶有填料結構的臥式廢氣凈化系統中主要的三種設計參數對除氨效率的影響進行試驗探究。將正交試驗的數據進行極差分析和方差分析發現臥式除氨平臺與傳統的廢氣凈化系統的除氨影響因素的不同。在臥式除氨平臺中，噴淋方向對除氨效率的影響最大，在錯流、順流、逆流三個噴淋方向上的平均除氨效率分別為52.61%，45.74%，33.73%。通風風速次之，在1 m/s，1.43 m/s，1.89 m/s三個風速上的平均除氨效率為50.48%，41.23%，43.99%。最后是酸洗泵頻率，其在20 Hz，30 Hz，40 Hz三個水平上的平均除氨效率為41.15%，47.64%，47%。并對該凈化系統的設計參數組合進行優化選擇，得出臥式廢氣凈化系統中A1B2C1組合的除氨效率理論上較優。但從節能的角度出發，由于在可保證填料結構被浸濕時，由于酸洗泵頻率對除氨效率的影響不顯著，A1B1C1也可作為備選組合作為試驗臺架的設計參數。相對于第一種方案可減少0.046 kW·h的電量。所得的設計參數可以使該平臺的達到較高的除氨效率，并具有較低的用電成本。