鸡舍换气余热干燥鸡粪设备夏季干燥性能研究

2019-05-21李绚阳李保明郑炜超

农业工程学报 2019年7期

李绚阳，李保明,3※，郑炜超,3，王琼，童勤,3

（1. 中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；2. 农业农村部设施农业工程重点实验室，北京 100083；3. 北京市畜禽健康养殖环境工程技术研究中心，北京 100083；4. 河南金凤牧业设备有限公司，驻马店 463900）

0 引言

目前中国每年产生畜禽粪污总量达到近 40亿 t，畜禽粪污带来的环境问题也变得越来越突出，大量的畜禽粪污给环保造成了巨大的压力，畜禽粪污的处理直接关系到畜牧业的健康、稳定和持续发展[1-3]。对畜禽粪便处理不当会导致大量的氨排放，这是空气污染的主要来源之一，尿酸分解为氨气的 2个必要条件是酶和水，因此控制粪便中的水分含量是减少氨排放的关键[4]。鸡粪干燥可以有效降低鸡粪中的含水量。同时干燥后的鸡粪适合长期储存至各个施肥季节，并大幅度降低运输和储存成本，是加工生物质颗粒（高档有机颗粒肥）最好的基础材料[5]。但传统干燥技术需消耗大量的传统能源，且传统能源的使用会对环境造成污染，因此亟待寻找适合于鸡粪干燥的“绿色环保”能源[6]。

鸡舍换气余热是指由鸡舍换气时排出的废气所带的热量，包括大量显热和少量潜热。国内外大部分鸡场都直接把这部分热量排出舍外，造成了能源的浪费。如果将鸡舍换气余热用于鸡粪干燥，不但可以达到余热再利用的目的还能有效对鸡粪进行处理。近年来，利用鸡舍换气余热干燥鸡粪的技术在欧洲等国家已经得到较多的推广，荷兰的Dorset公司早在2005年就开始了鸡舍废气再利用的研究，其开发的鸡粪干燥设备已遍布全球多个地区。德国的Qalovis公司近年来一直致力于鸡粪干燥的研究，并开发了利用鸡舍换气余热干燥鸡粪和沼渣的节能环保设备[7]。瓦赫宁根大学建立了利用鸡舍换气余热干燥鸡粪的系统，并通过测试得出含水量经48 h的干燥后可降到 30%以下[8]。Winkel 等[9]对荷兰的多套鸡舍换气余热干燥系统进行了测试比较，发现换气速率变大会增加氨气的排放。鸡舍换气时会排放大量的粉尘[10-12]，鸡舍换气余热干燥系统可以利用鸡粪的吸附性大量减少PM10的排放。目前，中国已有少部分鸡舍换气余热干燥系统的应用，但中国大部分地区夏热冬冷、春秋季冷空气影响频繁，且夏季鸡舍排风湿度高，该技术在实际应用中出现了较多的问题，因此有必要结合中国的气候条件进行适当的参数优化，开发出适合中国的鸡粪干燥设备。

该文主要对鸡舍换气余热干燥鸡粪的原理进行了阐述，并针对中国的气候特点，在鸡舍换气余热干燥鸡粪设备的基础上设计了一种可在夏季利用环境空气对鸡粪进行干燥的通风方式，并对干燥系统在夏季的应用效果进行了测试。

1 鸡舍换气余热干燥鸡粪设备

鸡舍换气余热是指由鸡舍换气时排出废气所带的热量[13]。鸡粪干燥系统（manure drying system，MDS）安装在鸡舍尾端，用来对鸡舍废气进行余热再利用（利用废气余热对鸡粪进行脱水干燥）。本干燥系统（Pollo-D）具有4层干燥板，由2台同步电机（1.1 kW）驱动。进料传送带的驱动功率为 0.5 kW，匀料器的驱动功率为0.3 kW，螺旋式传送机（出粪装置）的功率为0.5 kW。干燥层的长度为27 m，宽度为2 m，粪层厚度16 cm，净容积34.56 m3。

在夏季鸡舍湿帘开启时鸡舍所排废气湿度过大，不利于鸡粪的干燥。同时，考虑到中国夏季大部分地区太阳能辐射比较充足，外界环境空气温度较高，设计了一种如图1所示的通风方式。该设备可在不同的气候条件下采取不同的通风方式来对鸡粪进行干燥。冬季，采用图1a所示的鸡舍余热干燥模式，卷拉门打开，天窗关闭，利用鸡舍换气余热进行干燥。夏季，采用图1b所示的结合环境空气干燥模式，天窗打开，利用外界环境空气和鸡舍废气进行干燥。

图1 鸡粪干燥设备及干燥模式Fig.1 Airflow of poultry manure drying system (MDS)

鸡粪干燥设备设计4个干燥层，2个干燥通道，干燥风机（功率2.2 kW，压力150 Pa，风量2×104m3/h）安装在干燥装置的末端，当干燥风机运转时可在干燥装置内部形成负压，鸡舍废气或外界环境空气在负压的作用下进入干燥设备后，可经上通道或下通道对鸡粪进行穿流干燥后由干燥风机排出。每层干燥板（由带孔粪板和链条组成）上粪层的厚度控制在15～18 cm。鸡粪的干燥周期为48 h，进粪方式为连续式进粪，每天进粪2次，保证整个鸡舍48 h内产生的鸡粪都能进入干燥设备，以避免鸡粪在舍内堆积时间过长。

1.1 鸡粪干燥过程的热量计算方法

鸡粪干燥过程示意图如图2所示。外界环境空气进入鸡舍进行一系列热交换后从风机端排出废气，部分废气送入干燥设备，与鸡粪进行热质交换后，排出干燥设备，在这个干燥过程中，对进出干燥设备的水分进行计算，则有：

图2 鸡粪干燥过程示意图Fig.2 Schematic diagram of poultry manure drying system

除水量（kg/h）

则，干燥设备中干空气的消耗量G（kg/h）

除去1 kg水所需干空气的量g（kg/h）

由式（3）可见：除去1 kg水所需干空气的量只与空气的最初和最终湿度有关，而与干燥过程所经过的途径无关[14-15]。

除去1 kg水鸡舍可提供的热量q（kJ/h）

式中H1为鸡舍废气（有环境空气混入时，为混合空气）的热焓，kJ/kg。

鸡粪蒸发1 kg水消耗的热量Δ（kJ/h）

式中H2为干燥废气的热焓，kJ/kg。

1.2 干燥过程鸡粪的去水量

在鸡粪的干燥过程中，鸡粪与干燥介质进行物质和能量交换，在干燥过程中一直保持恒定不变的为介质中绝干空气的质量和进入、输出干燥设备的绝干鸡粪质量[16]，以M1，M2表示干燥前后鸡粪的质量流量，kg/h；以Mc表示绝干鸡粪的质量流量，kg/h；以 M表示干燥过程除去水的质量流量，kg/h；以W1，W2表示干燥前后鸡粪的湿基含水率，%；则有

则

2 夏季应用效果测试分析

2.1 测试内容与方法

测试样机为Pollo-D型4层鸡粪干燥设备，试验地点为湖北省应城市湖北溶豪生态养殖有限公司，鸡舍存栏39周龄海兰褐粉壳蛋鸡7万只，舍内布局为4列5走道，笼具为4层层叠式鸡笼，冬季采取侧窗进风、纵向通风的环境控制方式。每天上午08:00和下午16:00湿鸡粪由鸡舍传送到匀料器，将鸡粪反复均匀分散在最上层（第1层）粪板上，同时随着粪板的往前移动，最上层的鸡粪落至下层（第2层）粪板上，第2层的鸡粪落至第3层粪板上，第3层的鸡粪落至第4层粪板上，第4层的鸡粪传送至螺旋传送机并由之输出，直至湿粪铺满最上层粪板，设备停止运行。干燥设备每次运行，鸡舍每列的粪带向前传送25 m（每列鸡笼总长度的1/4），每次传送至最上层粪板的鸡粪质量约为48 h内所产鸡粪总量的1/4（约4 t）。为了防止湿鸡粪的湿度过高，第4层约20%干粪可通过回料装置进入匀料装置与来自鸡舍的湿粪混合，混合后的鸡粪含水率在65%～71%间(湿基)。

主要测试内容包括，鸡舍风机端的温度、MDS的进气温度、各个粪层的温度、MDS的排气温度、环境温度，另外测试期间分别选取了晴天天气和阴雨天气进行了鸡粪含水率变化的测试，测试期间天窗和卷拉门都为打开的状态，其结构图如图3所示。由于鸡粪进入MDS最上层（第1层）后，每进1次新粪，鸡粪就会往下移动1层，直至移出MDS，所以含水量测试采用跟踪测试特定批次鸡粪的办法，从一批新粪进入最上层开始，每4个小时测试鸡粪含水率1次（每次测3个样，取均值），直至鸡粪移出MDS。温湿度传感器采用HOBO（U23-001）温湿度采集记录仪（±0.21℃；±2.5%RH），该记录仪每5 min自动记录1次数据。鸡粪含水率由菁海SH-10A型自动快速水分测定仪（±0.5%）手动测定。HOBO温湿度记录仪在MDS内部分布的位置如图3所示。

现场测试时间为2018年6月7日－6月25日，期间连续记录了各个测试位置的温湿度并测试了每次干燥设备运行时进入设备湿粪和输出干粪的含水率。为准确、客观地分析干燥设备的干燥性能，选取了阴雨天气（2018年6月19日－21日）和晴天天气（2018年6月22日－24日）进行了鸡粪含水率变化的测试。阴雨测试从2018年6月19日早上08:00开始，持续48 h，含水量每4 h测试1次。晴天测试从2018年6月23日早上08:00开始，36 h后含水率停止变化。

图3 温湿度测试位置分布示意图Fig.3 Diagram of temperature and humidity test location distribution

2.2 测试结果与分析

2.2.1 阴雨天气测试结果

为准确、客观地分析阴雨天气下干燥系统内部的温湿度分布特征及评价鸡舍换气余热是否满足干燥需求，各个测试点的温湿度数据按每4 h一阶段求平均值，结果如表1所示。由表1可看出各干燥阶段鸡舍末端的温度浮动较小且高于环境温度，且两者的相对湿度都较高，阴雨天气下鸡舍末端的温湿度相对于环境空气更适合用来鸡粪的干燥。同时由于干燥过程的热损失和鸡粪自身的吸热，热空气由下进气口和上进气口进入MDS，然后由下排气口和上排气口排出的过程中，热空气的温度逐渐减小，相对湿度逐渐增高，但热空气的降温幅度较小，下干燥通道进出风口温差的最大值为2.07 ℃，上干燥通道进出风口温差的最大值为1.65 ℃。

同时，测试过程中发现测试点2与测试点3的温湿度相差不大，这可能与MDS最下层（第4层）的鸡粪含水率较低有关，最下层的鸡粪是经过干燥时间最长的一层鸡粪，含水率在20%～45%（湿基）左右，这部分鸡粪的孔隙率较高，利于热空气的穿流。另外，从表 1可看出，MDS上排气口（测试点6）的相对湿度大部分时间都达到了100%，这可能与MDS最上层（第1层）的鸡粪含水率高有关系，干燥过程中鸡粪中的水分逐渐蒸发造成排气口湿度过高，第2个可能的原因是MDS上层干燥风机较少且外界环境空气湿度大，造成排湿不及时。

以4 h为一阶段计算除去1 kg水鸡舍可提供的热量q及鸡粪蒸发1 kg水消耗的热量Δ。计算数据表明在夏季阴雨天气下，鸡舍余热可满足鸡粪干燥各阶段鸡粪中水分蒸发所消耗的热量。但在干燥初始阶段出现了Δ＜0的情况，即鸡舍废气的焓值高于进气口热风的焓值，出现这种情况的可能原因是干燥初始阶段鲜鸡粪产生了好氧发酵或厌氧发酵，具体原因会在后续研究中进一步验证。

图 4为阴雨天气下鸡粪含水率的变化曲线，从图 4可看出鸡粪在MDS最上层的干燥时长为8 h，鸡粪含水率从最初的 67%（湿基）下降至58%（湿基）左右。经过48 h的干燥后，鸡粪含水率降至28%（湿基）左右，共失水约1.89×103kg，最后由出粪口排出。鸡粪在该状态下大部分微生物失去活性，易于存储和运输[17]。同时，我们还发现鸡粪在第1层和第4层的干燥速率稍高于第2层和第3层，第1层干燥速率高的原因是初始鸡粪含的自由水较多，利于蒸发，但随着自由水逐渐的蒸发完毕，毛细管水、吸附水及结合水开始蒸发[18-19]，这类水分需要较长时间才能变成自由态。第4层干燥速率高的原因是该层鸡粪的孔隙率较高，热空气穿过鸡粪的风速较大，单位时间内流过鸡粪表面的空气多，利于鸡粪中水分的蒸发。

图4 阴雨天气鸡粪含水率随时间的变化Fig.4 Variations of manure moisture over time in rainy weather

2.2.2 晴天天气测试结果

由表2可看出晴天天气下，环境空气多个阶段的温度均值超过了30 ℃，且相对湿度未超过85%，从MDS上进气口和下进气口进入MDS的热空气为鸡舍废气和外界环境空气的混合空气，混合空气相对于外界环境空气，温度降低了2 ℃左右，相对湿度增加了10%左右，这在一定程度上会降低鸡粪的干燥速率，在白天的同一干燥阶段，相比阴雨天气，晴天天气下的干燥通道进出风口温差较大，最大值可达3.18 ℃。这是由于晴天天气下白天环境温度高，相对湿度小，造成进风口温度升高，相对湿度减小，利于鸡粪的传热传质过程。如果此时关闭卷拉门，只利用环境空气，可进一步提高鸡粪的干燥速率。从图5可看出晴天下鸡粪含水率从最初的66%（湿基）降至28%（湿基）耗时只需28 h左右，比阴雨天气下缩短了20 h。干燥36 h后鸡粪的含水率降至18%（湿基）左右，干燥过程共失水约2.05×103kg，此时鸡粪达到干燥平衡状态，含水量不再下降。

表2 晴天天气下各干燥阶段不同测试点的温湿度均值及供需热量计算Table 2 Temperature and relative humidity at different test points and calculation of heat between supply and demand in different dryperiods under sunny day

图5 晴天天气鸡粪含水率随时间的变化Fig.5 Variations of manure moisture over time in sunny clay

同样，以4 h为一阶段计算除去1 kg水鸡舍换气余热可提供的热量q及鸡粪蒸发1 kg水所消耗的热量Δ，但在夏季晴天天气下，湿帘在大部分时段处于开启状态，环境空气进入鸡舍从风机排出后焓值下降（q＜0），干燥能力降低，即环境空气在鸡舍经历了一个降温增湿的过程。因此，在夏季晴天天气下，外界环境空气自身具备的焓值较高，且高于阴雨天气下经鸡舍排出废气的焓值，环境空气自身热焓可满足各个干燥阶段的热量需求，可直接用来干燥鸡粪。

2.2.3 连续干燥效果

表 3记录了试验期间每次干燥设备运行时进入设备最上层湿鸡粪和由设备底层输出干鸡粪的含水率，每次进入最上层湿鸡粪的含水率在64.9%～70.8%间浮动，输出干鸡粪的含水率在17.6%～31.2%间。由表3可看出在48 h的干燥周期期间，干燥设备所输出干鸡粪的含水率受外界环境温湿度的影响较大，经历阴雨天气后输出的干鸡粪含水率较高，在 30%左右。经历晴天天气后输出的干鸡粪含水率较低，在 20%左右。在夏季，阴雨天气会降低鸡粪的干燥速率，在后期的工作中可研究动态干燥时间的可行性，根据天气情况对干燥时间进行动态调控，增加阴雨天气的干燥时间，减少晴天天气的干燥时间以保证每天所输出干鸡粪含水率的一致性。