机械通风猪舍卧式末端废气净化系统除氨效率试验研究*

刘喜佳，王昱, 2，孙超，曾志雄, 2，吕恩利, 2

(1. 华南农业大学工程学院，广州市，510642；2. 华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州市，510642)

0 引言

随着我国经济由高速增长阶段转向高质量发展阶段，畜禽的养殖规模化也逐渐转向规模化[1]、智能化生产，生产过程中污染物的无组织排放问题也日渐显著。这些气体中含有大量的氨、硫化物和挥发性有机物等有毒有害成分，不仅会影响畜禽的正常生长[2]，而且当这些有毒有害气体扩散到空气中，将严重威胁饲养人员及周边居民的身体健康[3]，恶化人类生存的环境,因此养殖过程中应重点关注废气处理的问题。其中氨气作为有毒有害气体中最主要的成分之一，氨气的有效去除可以明显减少对环境的污染。

现行的除氨方法包括：活性炭吸附法、生物滤滴法及酸洗喷淋法[4-5]。其中，前两种除氨方法在材料的制备以及处理上，都有一定的难度，不利于该方法的应用推广。酸洗喷淋法是工业除臭净化方法在农业的拓展[6]，具有较高除氨性能，满足当前畜禽养殖末端除臭的各类应用场景。同时，该方法使用后的废水还可转化为液态氮肥料，可实现资源的循环利用[7]。酸洗喷淋法因技术方案可行性高、净化效果稳定、后处理方便等特点，成为全球养殖行业的首选废气净化方案[7]。如何提高该净化方式的除氨效率受到科研工作者的广泛关注[8-11]。

酸洗喷淋法主要以稀硫酸为吸收液，在废气排放过程中对废气进行喷淋，使氨气和吸收液接触反应，利用酸碱中和反应以及氨气易溶于水的特点来减少氨气的排放。

Hadlocon等[8, 12]指出在采用酸洗喷淋法的废气净化系统中，吸收液的pH值、雾滴大小、喷嘴类型、雾滴的覆盖范围、通风风速等因素对除氨效果的好坏有重要影响。其中雾滴的大小对是否成功除氨起着关键性的作用，雾滴减小可增大废气与吸收液间的接触面积，从而对除氨效率产生影响[13]。填料结构常被应用于污染管理控制[14]，是空气污染控制技术中应用最广泛的装置。填料结构有利于将吸收液留在填料表面，使得吸收液可以与氨气充分反应，具有吸收液雾化类似的作用。但是这通常会产生较大的压降，从而产生较大的用电成本[15]。

在前面的研究中，都是基于立式的废气净化系统所得出的结论。但考虑国内规模化猪舍的建筑特点，我国多采用卧式净化系统，然而现阶段却鲜有针对卧式废气净化系统的相关研究。因此，本文针对卧式废气净化系统，通过采用酸洗喷淋法，加入填料结构，调整喷嘴位置，调节喷淋液滴大小，控制通风风速大小的方式，探究该系统中通风速度，酸洗泵频率、喷淋方向关键工艺参数对除氨效率的影响机制。旨在通过试验研究摸索出该废气净化系统在净化效率和成本水平上均表现优异的关键设计参数，为生猪养殖末端除臭净化设备的产品化设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用的废气净化系统包括模拟末端、压力室、酸洗室，氨气发生装置，系统控制箱及一台笔记本上位机。所用平台为华南农业大学工程学院针对猪场废气净化技术搭建的废气净化试验平台[16]，试验台架原理图如图1所示。实物图如图2所示，整个试验通过对氨水加热的方法生成氨气，由负压风机将生成的氨气吸入试验台，模拟猪场末端排出的氨气。稳定的氨气发生装置包括一台带加热的磁力搅拌仪及氨水补给装置。通过酸洗泵将配置好的吸收液喷淋在填料结构上，实现对经过填料结构的氨气进行吸收。酸洗泵型号为25FPZ-10的工程塑料自吸泵。试验台架的进出口处装有4～20 mA信号型氨气传感器，对填料结构前后端氨气浓度进行监测，台架电力入口配有功率计量插座，用于检测试验中的电量消耗。通过PLC控制系统实时采集净化系统内的氨气浓度等数据。成本也是评价除臭设备的重要指标之一，净化平台或产品的成本来源主要包括：硫酸、电、水。但硫酸的消耗和除氨效率相关联，为保证除氨的效率，硫酸的使用必不可少。试验过程中的水的损耗主要是风机带到空气中的水雾。但在25 min的试验后，酸洗桶中的水只有细微的减少，因此通过对风机带走的水雾可忽略不计，吸收液几乎都回流到酸洗水箱中。因此耗电量作为成本的评价指标[17]。

试验耗材主要包括耐酸防腐蚀的聚四氟乙烯薄膜、45 cm厚度塑料填料机构。试验中主要试剂为氨水及浓硫酸。其中，浓硫酸为标准含量为98%的分析纯试剂，氨水为标准含量大于25%的分析纯试剂。循环水箱内的吸收液为100 L的市政供水和20 mL的浓硫酸，配置所得的吸收液pH值大小p可通过式(1)计算获得。

(1)

式中：ρ2——硫酸密度，g/cm3；

V1——市政供水用量，L；

V2——浓硫酸用量，L；

M2——硫酸摩尔质量，g/mol。

计算可得p为2.4，符合吸收液的理想pH范围[8]。

图1 卧式除氨平台原理图

图2 试验台架实物图

1.2 试验方法

正交试验设计是研究多因素多水平的一种实用设计方法，该方法根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性具备“均匀分散，整齐可比”的组合特点[18]。本试验以喷淋方向A，酸洗泵频率B，通风风速C为自变量，将这三个参数作为设计变量进行正交试验，探究废气净化系统在不同参数组合下对除氨效果的影响。

5.联机模式下，用户创建房间，第二个用户会自动搜寻第一个未满的房间，来加入到游戏中。进入游戏后，通过比目提供的数据监听，来对数据进行更新操作。当本方为黑时，下棋结束后将执方继续置为黑，知道数据更新后才进行行棋操作。

为便于填料结构的安装，在除氨平台中常常采用方形的管道。因此从安装的便利性出发，本次试验将酸洗喷头的喷淋方向划分为顺流，逆流，错流。

在酸洗泵频率水平选取的试验过程中发现，当酸洗泵频率f在20～40 Hz的区间时，酸洗室喷嘴的压力适中，喷射出的溶液易于覆盖整个酸洗帘，净化效果较好。综合分析酸洗泵频率f对净化效率的波动影响，确定以20 Hz、30 Hz及40 Hz作为酸洗泵频率f的3个水平划分。

由于试验平台配备风机扇叶半径为0.5 m，通风截面为0.64 m2，对云南某大型猪舍调查中发现，在一个含有140头猪的猪舍中内常配有3台风机。因此在有3台风机的除氨平台系统中，则总的通风截面为1.92 m2。通过查询《规模化猪场环境参数及环境管理》(GB/T 17824.3—2008)得知猪舍的平均所需通风量，将猪舍总通风量除该截面积与时间，可计算出猪舍屋顶风机的瞬时通风风速。由于冬季中猪舍废气产生较少，选取春秋季及夏季的通风量标准进行计算。综合设定试验平台模拟末端的风机风速为1 m/s，1.43 m/s，1.89 m/s。

因此本次试验中主要因素的对应水平分级为：喷淋方向(错流，顺流，逆流)，酸洗泵频率f(20 Hz、30 Hz、40 Hz)，通风风速v(1 m/s、1.43 m/s、1.89 m/s)。其中，喷淋方向因素的各水平的描述是相对于通风风向确定的。酸洗泵频率为20 Hz时，可保证填料结构被浸湿。由上述的因素水平建立正交试验的正交因素水平表，如表1所示。

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

根据已经建立的正交因素表，借助统计分析软件SPSS生成混合水平正交表L9(33)[19]，如表2所示。

表2 混合水平正交试验表Tab. 2 Orthogonal test of mixed level

规定每组试验时长为25 min，各组之间间隔25 min，以减少组间的干扰。控制入口氨气浓度保持在30～45 g/m3内波动。分别记录每组试验的“耗电kW·h”、“每时刻进出口氨气浓度大小”。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

试验完成后计算各组在入口氨气浓度在30～45 g/m3内的除氨效率η的变化，其中除氨效率η计算如式(2)所示。

(2)

式中：CNH3,in——入口氨气浓度，g/m3；

CNH3,out——出口氨气浓度，g/m3。

均匀选取30～45 g/m3之间的数据，统计各个组合的平均净化效率，结果如表3所示。

表3 正交试验统计表Tab. 3 Statistical table of orthogonal test

通过试验参数的设计后进行正交试验，再根据得到的试验数据做相应的方差分析，从而得到各参数对于质量目标的影响程度，最后对各参数进行优化分析后得到最佳参数组合。

(a) 组合1 (b) 组合2 (c) 组合3

(d) 组合4 (e) 组合5 (f) 组合6

(g) 组合7 (h) 组合8 (i) 组合9

2.2 试验分析

2.2.1 极差分析

极差分析法是通过计算每一个因素的极差来分析问题，极差大小反映了该因素在不同水平下对目标的影响大小。在正交试验中，极差是在每个水平之和中由最大值减去最小值，极差大说明此因素的不同水平产生的差异较大，是重要因素，对试验结果影响明显。下面通过极差分析法对试验中三种因素对除氨效率的影响进行敏感度分析。

从表3中可以看出，A因素的极差RA=19.12，表明喷淋方向因素对除氨的效果影响最大。B因素的极差RB=9.25，说明酸洗泵频率对除氨的效果有影响，但影响程度不大。C因素的极差RC=6.49，说明通风风速对除氨的效果影响不大。为了更加直观起见，用作图的方法表示因素和水平的变动情况。将各因素的水平做横坐标，各水平的平均值为纵坐标，作因素水平效应图。如图4所示，喷淋方向在水平上有明显的差异。这是由于在卧式废气净化系统中，错流喷淋方式保证填料结构的充分湿润，使的氨气气体在填料中得到充分反应。通风风速和酸洗泵频率在1水平到2水平时有较大的变化，但2水平到3水平没有明显的差异。

图4 因素水平效应图

2.2.2 方差分析

方差分析，又称变量分析，是一种统计假设检验方法，不仅是试验研究中分析试验数据的重要方法，还是对正交试验结果准确分析的保证[20]。它可以将引起变异的各个因素作用逐一分析出来，做出量的估计，进而分析是哪些因素起主要作用，哪些因素起次要作用。下面对表3的试验数据进行方差分析，结果如表4～表7所示。

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

表5 喷淋方向因素对除氨效率影响的Duncan多重分析表Tab. 5 Duncan multiple analysis of the effect of spraydirection on ammonia removal efficiency

表6 酸洗泵频率因素对除氨效率影响的Duncan多重分析表Tab. 6 Duncan multiple analysis table of influence of picklingpump frequency on ammonia removal efficiency

表7 通风风速因素对除氨效率影响的Duncan多重分析表Tab. 7 Duncan multiple analysis of the effect of ventilationwind speed on ammonia removal efficiency

从方差分析表4中，喷淋方向的显著性概率为0.047，小于0.05。说明在本试验中，喷淋方向是影响除氨效率显著因素。酸洗泵频率、通风风速因素的显著性概率均大于0.05，对除氨效率的影响不显著。从Duncan多重分析表5～表7比较中得出，喷淋方向因素的3水平除氨效率与1、2水平的除氨效率有显著差异，并且3水平的除氨效果最差。在喷淋方向因素1、2水平之间的除氨效率差异不显著。在通风风速与酸洗泵因素上，三个水平差异均不显著。不显著的水平差异可根据操作、成本方面出现，进行水平的选择。综上，A1B2C1作为适宜的除氨方案。

3 结论

本文通过正交试验的方法，对带有填料结构的卧式废气净化系统中主要的三种设计参数对除氨效率的影响进行试验探究。将正交试验的数据进行极差分析和方差分析发现卧式除氨平台与传统的废气净化系统的除氨影响因素的不同。在卧式除氨平台中，喷淋方向对除氨效率的影响最大，在错流、顺流、逆流三个喷淋方向上的平均除氨效率分别为52.61%，45.74%，33.73%。通风风速次之，在1 m/s，1.43 m/s，1.89 m/s三个风速上的平均除氨效率为50.48%，41.23%，43.99%。最后是酸洗泵频率，其在20 Hz，30 Hz，40 Hz三个水平上的平均除氨效率为41.15%，47.64%，47%。并对该净化系统的设计参数组合进行优化选择，得出卧式废气净化系统中A1B2C1组合的除氨效率理论上较优。但从节能的角度出发，由于在可保证填料结构被浸湿时，由于酸洗泵频率对除氨效率的影响不显著，A1B1C1也可作为备选组合作为试验台架的设计参数。相对于第一种方案可减少0.046 kW·h的电量。所得的设计参数可以使该平台的达到较高的除氨效率，并具有较低的用电成本。