于賀春，趙奕翔，王文博，候小飛，王進，劉紅恩

(1.中原工學院機電學院,鄭州市,450007; 2.河南優(yōu)和益牧生物科技有限公司,鄭州市,450040;3.河南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,鄭州市,450002)

0 引言

近年來,隨著集約化畜禽養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展,畜禽糞污產(chǎn)生量增大[1]。為加強生態(tài)文明建設和生態(tài)環(huán)境保護,國家發(fā)布污染防治指導意見,提出種養(yǎng)結(jié)合,推進畜禽糞污資源化利用[2]。好氧發(fā)酵堆肥是畜禽糞污資源化利用的重要方法,主要分為條垛式堆肥、靜態(tài)堆垛堆肥、槽式翻拋堆肥和機械設備堆肥[3-7]。好氧發(fā)酵過程中,堆體溫度在55～80 ℃時,能夠殺滅病原菌,對降解有機物、腐熟物料、蒸發(fā)物料水分等有重要影響,是衡量發(fā)酵腐熟的重要參數(shù)[8-10]。

傳統(tǒng)好氧發(fā)酵方式受氣候和周邊環(huán)境影響大,難以達到殺滅病原菌等堆肥所需的溫度;機械設備在進行好氧發(fā)酵時,由于將物料置于相對密閉的空間內(nèi)處理,具有發(fā)酵溫度高、處理效果好、運行性能穩(wěn)定等特點[11]。遲文慧等[12]研發(fā)了梨形筒式好氧發(fā)酵設備;王玉新等[13]研發(fā)了塔式自然通風好氧發(fā)酵設備;王濤等[14]研發(fā)了多層塔式堆肥反應器;繆宏等[15]研發(fā)了螺帶—螺桿式攪拌好氧發(fā)酵設備,這些設備能夠有效對畜禽糞污進行無害化處理,但在處理物料時主要是依靠微生物降解有機質(zhì)所釋放的熱能,因此物料溫度上升慢,在2～4天后才能達到發(fā)酵所需的溫度,無法滿足大型養(yǎng)殖場快速處理畜禽糞污的需求。

針對上述問題,本文對畜禽糞污高溫快速無害化處理設備的加熱系統(tǒng)進行優(yōu)化設計,對畜禽糞污輔助加熱,使其加快分解發(fā)酵,快速實現(xiàn)畜禽糞污資源化利用。

1 畜禽糞污高溫快速無害化處理設備設計

1.1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

畜禽糞污高溫快速無害化處理設備主要由高溫發(fā)酵倉、攪拌系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、曝風系統(tǒng)、廢氣處理系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等組成,如圖1所示。

圖1 高溫快速無害化處理設備結(jié)構(gòu)示意圖

工作時,先將畜禽糞污、輔料及耐高溫菌種投入高溫發(fā)酵倉內(nèi),攪拌軸充分攪拌、葉片推動物料在倉內(nèi)移動,使物料混合均勻;加熱系統(tǒng)運行,持續(xù)為發(fā)酵倉提供熱量,使倉內(nèi)物料快速升溫至60～90 ℃后,物料開始進行腐熟發(fā)酵;曝氣系統(tǒng)定期鼓風補氧,調(diào)節(jié)物料溫度和濕度,使物料中水分快速蒸發(fā)。設備控制系統(tǒng)通過分布在倉內(nèi)不同位置的傳感器監(jiān)測溫度、濕度及氧氣濃度等,對發(fā)酵過程進行實時調(diào)整;好氧發(fā)酵過程產(chǎn)生的廢氣,通過排氣管道進入廢氣處理系統(tǒng),對有害氣體進行吸附,達到吸收及除臭效果。腐熟發(fā)酵完成后,啟動物料傳送裝置,打開出料口即可將腐熟發(fā)酵的物料排出裝置。

1.2 加熱系統(tǒng)設計

加熱系統(tǒng)采用導熱油加熱方式,可持續(xù)對倉內(nèi)物料提供發(fā)酵所需熱量,以快速達到殺滅病原菌所需溫度。導熱油加熱方式與水介質(zhì)加熱方式不同,其所需要的能量較低,在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應用。與傳統(tǒng)蒸汽加熱相比,導熱油加熱方式是閉環(huán)流動,導熱油釋放的熱量不排出系統(tǒng)之外,損耗能量較少,同時導熱油的蒸汽壓比水的飽和蒸汽壓低,在設備生產(chǎn)中,投資較低,運行維護更加容易安全,可靠度更高[16-18]。

導熱油加熱物料的過程實質(zhì)上是平壁傳熱過程,該傳熱過程由熱流體與平壁表面之間的換熱過程、平壁的導熱過程和冷流體與平壁表面的換熱過程組成[19]。在穩(wěn)態(tài)條件下,平壁的傳遞熱流量計算如式(1)所示。

(1)

式中:Q——傳遞的熱量,W;

F——傳熱面積,m2;

T——換熱時間,s;

tf1——熱流體的溫度,℃;

tf2——冷流體的溫度,℃;

α1——熱流體對平壁的換熱系數(shù),W/(m2·℃);

α2——冷流體對平壁的換熱系數(shù),W/(m2·℃);

δ——平壁的厚度,mm;

λ——平壁的導熱系數(shù),W/(m2·℃);

K——綜合導熱系數(shù),W/(m2·℃)。

通過式(1)可知,增加傳熱面積和換熱時間可增大傳遞的熱量。從設備整體角度分析,若增大換熱面積,需要調(diào)整設備整體結(jié)構(gòu)及尺寸;從加熱系統(tǒng)角度分析,可通過在導熱油路內(nèi)增加一定數(shù)量的擋板,改進導熱油路結(jié)構(gòu),以此增加導熱油在油路內(nèi)的流動距離和時間,即可增大傳遞的熱量,提高換熱效率。

2 數(shù)值模型與模擬方法

通過上述分析,由于設備整體結(jié)構(gòu)及尺寸與物料處理量相關(guān),因此在不改變設備尺寸的前提下,對加熱系統(tǒng)的導熱油路進行優(yōu)化設計。利用Fluent軟件對導熱油路建立模型。導熱油路1區(qū)、2區(qū)(圖2)具有典型的對稱結(jié)構(gòu),為提高仿真分析效率,僅對導熱油路1區(qū)建立0、6、12和18個油路擋板四種導熱油路模型。四種導熱油路內(nèi)網(wǎng)格數(shù)量和節(jié)點數(shù)量如表1所示,導熱油路模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

表1 導熱油路模型的網(wǎng)格數(shù)量

圖2 高溫快速無害化處理設備剖面圖

(a) 無擋板

采用流體仿真,分析不同油路內(nèi)導熱油的流動軌跡、導熱油溫度以及油路壁面溫度分布等。導熱油路及擋板材料為Steel,流體材料為Oil,兩種材料的物性參數(shù)如表2所示。

表2 材料物性參數(shù)

根據(jù)加熱系統(tǒng)運行相關(guān)參數(shù)設置導熱油入口速度為0.2 m/s,入口溫度為125 ℃,出口處壓力為環(huán)境壓力。

3 模擬結(jié)果與分析

根據(jù)上述材料物性參數(shù)及運行條件,對不同導熱油路進行模擬并分析模擬結(jié)果。對比不同油路內(nèi)導熱油流動軌跡,導熱油溫度以及油路壁面溫度等,選擇合適的導熱油路,提高加熱系統(tǒng)的加熱效率。

3.1 導熱油流動軌跡模擬結(jié)果

當導熱油入口速度為0.2 m/s時,導熱油在四種油路內(nèi)的流動軌跡如圖4所示。

(a) 無擋板

可以看出,在無擋板油路內(nèi),導熱油從入口處直接走最短路徑流向出口處;通過添加擋板,導熱油在油路內(nèi)運動受到限制,需要更長的路程才能從出口流出,隨著擋板數(shù)量增加,導熱油在油路內(nèi)流動時間更長,增長了換熱時間。

3.2 導熱油溫度模擬結(jié)果

當導熱油入口速度為0.2 m/s時,四種油路內(nèi)導熱油溫度分布結(jié)果如圖5所示。在無擋板油路內(nèi),出口處溫度為117 ℃,導熱油進出口溫度差小。通過添加擋板,導熱油的溫度有明顯的變化,隨著流動長度增大而逐漸降低。在6個擋板油路內(nèi),出口處溫度為116 ℃,在12個擋板油路內(nèi),出口溫度為114 ℃,在18個擋板油路內(nèi),出口處溫度為112 ℃。在無擋板油路中,由于導熱油走最短路徑流向出口,傳熱時間較短,隨著擋板數(shù)量的增加,導熱油有充足的時間在油路內(nèi)進行熱量傳遞,因此在18個擋板油路的出口溫度較低。

(a) 無擋板

3.3 導熱油路壁面溫度模擬結(jié)果

導熱油路壁面溫度間接反映了導熱油在油路內(nèi)不同位置處換熱量的大小,通過壁面持續(xù)為設備內(nèi)發(fā)酵物料進行加熱。不同導熱油路內(nèi)壁面溫度分布如圖6所示。從圖6可以看出,在無擋板油路內(nèi),靠近進口的區(qū)域溫度在100 ℃左右,靠近出口的區(qū)域溫度在70 ℃左右,壁面不同位置處溫度差異較大;在添加擋板后,壁面溫度分布有比較大的改善,在添加18個擋板后,被分隔的各個區(qū)域溫度在80 ℃左右,壁面溫度差異較小,表明多擋板油路可以更加均勻地向外界傳熱。

(a) 無擋板

當油路內(nèi)無擋板時,導熱油在油路內(nèi)流動路程較短,還來不及將熱量通過壁面?zhèn)鬟f給設備內(nèi)物料就已經(jīng)離開油路。在油路內(nèi)添加擋板后,導熱油流動路程增加,且導熱油均勻地分布在油路內(nèi),使導熱油有較充足的時間將熱量均勻地傳遞給設備內(nèi)物料,可以增強加熱效果,提高換熱效率。

4 試驗與分析

基于仿真模擬分析,畜禽糞污高溫快速無害化處理設備的加熱系統(tǒng)采用18個擋板導熱油路,并以雞糞、桐木糠為試驗原料進行堆肥試驗。將雞糞、桐糠按質(zhì)量比2∶1混合均勻后裝入設備內(nèi),體積約為30 m3,環(huán)境溫度為26 ℃,單區(qū)導熱油加熱器運行功率為72 kW,記錄油路內(nèi)導熱油的溫度、設備內(nèi)物料及空氣的溫度。

4.1 導熱油進出口溫度

在好氧發(fā)酵過程中油路進出口的導熱油溫度變化曲線如圖7所示。

在試驗周期內(nèi),在設備曝氣系統(tǒng)影響下,導熱油溫度出現(xiàn)規(guī)律性的波動,但一直保持在100 ℃以上。在兩個導熱油路區(qū)域內(nèi),導熱油的進出口溫度溫差均在8 ℃左右,表明設備采用導熱油加熱方式傳熱比較穩(wěn)定,能夠持續(xù)提供好氧發(fā)酵所需熱量。

4.2 設備內(nèi)物料及空氣溫度

在好氧發(fā)酵過程中設備內(nèi)物料和空氣的溫度變化曲線如圖8所示。在導熱油的作用下,物料在2 h之內(nèi)快速升溫至50 ℃以上;6 h之后,由于曝氣系統(tǒng)運行,溫度在60～90 ℃內(nèi)規(guī)律性的波動。三次試驗中,物料溫度均能夠長期維持在60 ℃以上,達到殺滅病原菌溫度,且高于國家糞便無害化衛(wèi)生要求中的溫度標準[20]。

(a) 第一次試驗

由圖7和圖8可以看出,在試驗前期,物料均處于升溫階段,快速吸收導熱油傳遞的熱量,因此導熱油溫度較低。隨著物料升溫至50 ℃以上,物料溫度以及導熱油進出口溫度相對穩(wěn)定;在曝氣系統(tǒng)影響下,出現(xiàn)規(guī)律性波動。在這段時期內(nèi),導熱油1區(qū)進出口平均溫度分別為122 ℃和114 ℃,導熱油2區(qū)進出口平均溫度分別為124 ℃和117 ℃,進出口溫度差分別為8 ℃和7 ℃;在導熱油的仿真模擬中,進出口溫度分別為125 ℃和112 ℃,進出口溫差為13 ℃,仿真進出口溫差大于試驗結(jié)果,其原因在于此期間物料處于分解發(fā)酵階段,有機質(zhì)分解會產(chǎn)生熱量,減少了導熱油向外傳遞的熱量,因此實際進出口溫度差比仿真結(jié)果較小,在一定程度上驗證了導熱油仿真模擬的合理性。

4.3 有機質(zhì)及養(yǎng)分含量

設備處理后物料(圖9)經(jīng)陳化后,在中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)村產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心進行檢驗,主要物質(zhì)含量如表3所示。有機質(zhì)、氮、磷、鉀含量均高于中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部有機肥料標準,表明該設備能夠快速實現(xiàn)畜禽糞污資源化利用。

表3 主要物質(zhì)含量

圖9 好氧堆肥后的物料

5 結(jié)論

本文對畜禽糞污高溫快速無害化處理設備的加熱系統(tǒng)進行設計,通過分析平壁傳熱過程,利用Fluent軟件對油路內(nèi)導熱油流場進行模擬,分析導熱油和油路壁面溫度變化,優(yōu)化了導熱油路結(jié)構(gòu),并開展試驗研究。

1) 通過增加擋板改變了導熱油路結(jié)構(gòu),導熱油流動狀態(tài)得到改善,且導熱油路的壁面溫度分布更加均勻,進出口溫度差較大,提高了傳熱效率,加熱效果更佳。

2) 設備加熱系統(tǒng)采用18個擋板結(jié)構(gòu)并進行了好氧堆肥試驗。三次試驗中,導熱油溫度保持在100 ℃以上,且兩個導熱油路區(qū)域內(nèi)進出口溫度差在8 ℃左右,傳熱穩(wěn)定,能夠持續(xù)提供好氧發(fā)酵所需的熱量。

3) 設備內(nèi)物料在兩小時內(nèi)快速升溫至50 ℃,并長時間保持在60 ℃以上,達到殺滅病原菌的溫度,且高于國家糞便無害化衛(wèi)生要求中溫度標準。處理后物料中的有機質(zhì)及養(yǎng)分含量均達到國家有機肥料標準,快速實現(xiàn)了畜禽糞污資源化利用。