智能型好氧堆肥反应器的设计

伍 恒 张 航 李明周 彭冬梅 吕泽鑫 张红美 王子龙 周 岭

(塔里木大学机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)

引言

实验室好氧堆肥反应器以其高效率、低成本、易操作等优点得以广泛发展应用，实验室好氧堆肥反应器对好氧堆肥提供具体的理论基础。王子龙等人设计的带有曝气功能的新型好氧堆肥装置[1-3]可以完成堆肥期间对温度的实时监控，堆体内部曝气处理可缩短堆肥时间，堆肥中PH值的变化较少体现。迟文惠等设计的梨形筒式好氧堆肥反应器[4]增加反应器的灵活性，筒壁上的螺旋导叶使物料混合充分，提高堆肥稳定性，而反应器较少涉及智能化的监控系统。孙晓曦团队发明的智能型膜覆盖好氧堆肥反应器[5]增加了具有选择渗透性的聚四氟乙烯材料 Gore 膜，实现多点温度、氧体积分数、压力、气体监测以及多元反馈实时调控；LASHERME所做的小型智能型好氧堆肥反应器系统[6]可以模拟好氧堆肥的整个发酵过程，实现试验的真实效果。反应器系统只能完成单一形式的堆肥，多用途的实验室好氧堆肥反应器系统较少研究。

设计一种用于实验室的智能型好氧堆肥反应器，结合立式有搅拌轴的反应器系统和卧式滚筒反应器系统两种情况下的实验室好氧堆肥试验。并利用传感器与可编程控制器以智能的方式来对堆肥的过程进行监测和控制。实现多指标，实时性，可控性，记录性，多用途与一体的智能型反应器系统。

1 智能型实验室好氧堆肥反应器装置

智能型实验室好氧堆肥反应器试验装置(如图1)主要由滚筒、气泵箱体、微电脑控制箱与两组电机等部件组成。液压杆作用集料盒的进出以便节省人力的拖拽。装置动力来源为直流伺服电机，传动机构是齿轮，还安装配有控制箱和数字显示屏。

图1 智能型实验室好氧堆肥反应器试验装置

2 主要工作部件

2.1 反应系统

反应系统由一个对称类锥体滚筒(如图2)和一根中空的搅拌轴构成。筒壁为内、外层不锈钢间加注15 mm厚的聚氨酯保温材料复合而成，有利于加强结构并保温；筒内壁设计50 mm拨板，利于滚筒模式下的物料翻堆。滚筒最大直径约为1 000 mm，容积约为70 L。在滚筒的中线处设计可开关的方口，用于进出物料。

图2 对称类锥体滚筒

2.2 爆气装置

独立爆气系统利于确定适宜的通风量且不影响正常情况下的工作要求。曝气使用一根中空的不锈钢主管，在主管的前、中、后三段成120°分布三根不同长度的一端封口的分管，在分管表面与水平面成45°夹角线上分布小孔(如图3搅拌轴简图)。经过温、湿传感器与数据处理系统的运算实时对堆体进行搅拌操作，同时通过曝气系统进行曝气操作，系统选用最大曝气量为80 L/min的变频式气泵，实际工作时可以提供的最大曝气量为20 L/min，曝气精准度可达0. 1 L。流量计的量程选用0. 8～50 L/min，计量精度为0. 1 L/min。不仅满足精确通风供氧的要求还加强了数据采集的精确性[5]。从内部向外对物料进行曝气处理，使空气与物料的反应面积加大，达到减少堆肥时间的目的。

图3 搅拌轴简图

2.3 数据传送系统

数据传送系统包括温/湿度传感器、PH传感器与数据传输线路。畜禽粪便自身具有一定粘度压实效果，利用这个效果将传感器粘贴在搅拌轴的分管上，与气孔对称安装，在气管的前、中、后三段各放置三个。从堆体的内部进行测量，以提高测量的精确性。

PT100热电偶温度传感器，其适用性广，检测便捷，成本低廉等优点，被广泛使用在温度检测方面，所以，智能型好氧堆肥反应器使用PT100热电偶温度传感器(型号MIK-WZP-V1A2B1C1D)，其温度系数(TCR=2 850 ppm/k)，测温幅度(-50～200 ℃)，反应时间(水：2 m/s，t0. 5=0. 05 s；空气：2 m/s，t0. 5=3. 0 s)。HS1100电容型湿度传感器，其具有较宽的测量范围、小巧的外形设计、快速的测量响应、较长的使用寿命、较强的抗污染能力。被测物料温度应小于180 ℃，湿度测量范围为0%～90%，测量精度为±2%～6% RH。采用T255型PH传感器，此传感器较多用于发酵环境下的PH值测量，具有体积小巧、精确度高、操作方便等优点。

由于好氧堆肥为腐蚀性环境，在传感器和搅拌轴上覆盖涂层保护，使金属制品与腐蚀环境隔离，以便保护材料。保护涂层抗腐蚀等级0. 01-V-0. 1(耐腐蚀材料)[7]。

2.4 控制系统

2.4.1 执行机构

执行机构由两个独立的电机组、电机驱动器、气泵组成，一个与搅拌轴相连执行动作；一个与滚筒外壁相连执行动作。滚筒作为固定容器，将畜禽粪便与调节剂放入到滚筒内。可编程控制器中设定温度阀值，搅拌轴上的传感器检测到堆体的温度变化时，产生小幅的电压变化，信号输入可编程控制器进行分析，电机驱动器使电机启动并带动搅拌轴进行顺时针转动，同时气泵开启对堆体内部进行曝气操作，使堆体恢复到预定环境温度后停止工作并继续堆肥。数据监控器记录发生的过程中传感器变化数据。

可编程控制器的主程序在传感器变化时程序进行转化，对监测温度与设定温度比较，根据比较结果进行中断操作。子程序是控制电机与气泵的启停，中间有3秒钟的延迟响应。设定35～45 ℃时每24小时搅拌并曝气，45～55 ℃时每12小时搅拌并曝气，55 ℃时每8小时搅拌并曝气，其过程用定时器进行计时。

表1 I/O分配表

2.4.2 可编程控制器

可编程控制器是西门子公司制造的S7-200CPU224XPCN型逻辑控制器，内部嵌有存储程序列，逻辑运算功能，计数与计算操作，面向用户的操作指令，使用数字或模拟式的输入和输出来控制各部分机械结构的运动，控制器操作方便，程序简易，功能强大，稳定性高[8]。

PLC产品自身带有模拟量的输入和输出通道，在一定程度上降低了元器件的购置成本。 CPU224XP模拟量输入通道分为电压和电流两种，模拟量输出通道只电压一种。(如表1)：

表2 模拟量I/O规格

温度传感器与PLC串接的电阻把电流信号转化成0～10 V的电压信号后再传送至PLC模拟量输入通道[9]。利用编制好的程序与传感器相互配合，对堆体进行有序搅拌、曝气、温度调节(如图4 PLC温度调节流程图)。

图4 PLC温度调节流程图

2.4.3 数据监控系统

数据监控系统包含数据监控界面与电子触摸屏。数据监控界面(如图5)可与编程逻辑控制器相互兼容，并嵌入一块一体式的电子触摸屏来实现对堆肥进度的实时检测和调控，内部软件与可编程逻辑控制器间可进行数据传送，电子触摸屏上可以显示发酵过程中的数据变化情况。电子触摸屏上进行指令操作，设定或调节所需参数设置，能够查询当前堆肥进度和温度变化曲线，或者调用历史曲线进行对比。利用人机交互功能，达到机、电、讯息的高度集成化，使好氧堆肥反应器自动化、智能化。数据监控单元中有监视和控制系统，可以对现场数据进行快速的采集，实现端前数据的处理和控制，具有较小的容量、较快的反应速度、低廉的成本、简便的操作得以较广泛的应用。利用这个系统能够对试验数据的实时监控和实时变化的数据整合处理。

图5 数据监控界面

3 实验验证

图6 温度与堆肥时间对比图

由图6可以看出堆肥过程堆体温度的变化，在堆肥过程中，所有处理温度随时间呈周期性变化，即每次翻堆温度呈下降趋势，翻堆后，温度呈小幅上升趋势，随着堆肥的进行最终所有处理温度趋于稳定接近环境温度。

图7 容重的变化曲线图

由图7可以看出随着反应的进行，堆体有机物被分解，如碳元素转化为二氧化碳，氮元素转化为氨气等通过气体或渗透液的形式损失，其次随着堆肥进程的持续，堆体含水率下降，堆体更易结团，容重曲线波动下降。

4 结论

设计一种智能型好氧堆肥反应器系统，主要由反应系统、曝气系统、数据处理系统与控制系统四大部分组成。好氧堆肥装置加装简单的人机交互功能，既可以满足不同实验室堆肥要求的控制过程，又可做到堆肥过程直观化与可设计化。为堆肥工艺的精确化、高效化，堆肥产品的无害化、科学化，资源利用的循环和绿色提供了更好的技术支持。