一种节能的畜禽粪便转化有机肥设备的加热系统结构及工艺设计
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摘要：现畜禽粪便发酵装备中给畜禽粪便加热多应用电阻加热式热介质加热炉提供热源，相对耗能较高，应用空气能+电加热系统可有效降低能耗，通过试验可知，新加热系统比原加热系统节省二分之一能耗。
关键词：畜禽粪便;发酵装备;空气能+电加热系统
中图分类号：S23 文献标识码：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200229021
党的十八大报告中提出，大力推进生态文明建设，坚持节约资源和保护环境的基本国策，坚持节约优先、保护优先、自然恢复为主的方针，着力推进绿色发展、循环发展、低碳发展，形成节约资源和保护环境的空间格局、产业结构、生产方式、生活方式，从源头上扭转生态环境恶化趋势，为人民创造良好生产生活环境，为全球生态安全作出贡献。党的十九大也提到绿色发展的内容。而近年来，随着我国畜禽养殖量不断增加及养殖格局的不断变化，畜禽粪便对一些农村地区污染不断加大，如重金属[1]、细菌 [2]、氮与磷 [3]等，并且畜禽粪便对农村的污染，一直是主要污染源，因此对畜禽粪便无污化、资源化处理，是农村治污的一个重点切入点。
现今，畜禽粪便处理方式多样化，如沼气生成、转化有机肥、生成燃烧质、转化饲料等，其中发酵有机肥作为主要处理方式，被广泛应用。畜禽粪便发酵有机肥采用堆肥方式，方法简单，成本低廉，但需要有较大的场地，并且有二次污染的隐患，随着社会进步和农村集约土地使用的要求，此方法必将逐步退出历史舞台;也有采用集成式发酵装备处理，不需要大场地要求，而且无二次污染的可能性，因此集成式发酵装备应用必将是畜禽粪便处理的主流方向。但该种装备相对结构复杂，投入成本高、运行成本高，尤其是运行成本问题，将制约着这类装备的普及。运行成本高主要是提供给畜禽粪便发酵所需温度方面完全由电阻加热式热介质加热炉提供热源，即加温方面耗电较高。这样，导致畜禽粪便转化有机肥收益率低，养殖户不易接受。长春市农业机械研究院现研制的畜禽粪便发酵装备同样遇到此问题，为提升设备的可用性，使广大养殖户容易接受与使用畜禽粪便处理装备，长春市农业机械研究院该装备项目组对原加热系统进行系统升级，使其运行成本降低，相关情况及相关结构、工艺设计如下。
1原加热系统简介
原加热系统利用PLC控制，电阻加热式热介质加热炉提供热源，4组感温探头采集畜禽粪便发酵装备仓内和加热炉内的温度，循环泵在加热炉和发酵装备之间进行热介质转换。工作方式为先对发酵设备仓内前中后3个点进行温度采集，在未达到发酵温度的时候，电阻加热式热介质加热炉进行区间加热炉中的导热介质，达到所需温度后，由循环泵将电阻加热式热介质加热炉中的导热介质注入到发酵装备的发酵仓内的管路，以加温发酵仓内的畜禽粪便、秸秆及生物菌的混合体，使其快速发酵，而发酵仓内管路中的低温导热介质循返回到热炉内，进行重新加热;此方式工作循环往复，直到发酵设备仓内前、中、后3段中任意1个温度采集点满足所需温度，加热工作停止，待温度采集点（达标温度）回落下限温度后，重新开始以上工作。该加热系统，结构简单，工艺成本低，维修维护容易，但运行成本高。
2新加热系统结构及工艺设计
2.1设计思路来源
2.1.1节能技术简介及本项目节能技术选用
关于节能降耗，我国现主要有4种技术，太阳能节能技术，地热能节能技术、风能节能技术及空气能节能技术。
通过对畜禽粪便发酵装备热能应用方式、被使用地域情况、投入成本情况、效果情况、规模情况、使用人员素质及可操作情况综合考虑，选用空气能节能技术。其中，不使用太阳能技术主要为投入成本高，占地规模大，维修维护成本高，冬季使用效果不佳及可操作性差等原因;不使用地热能技术主要为投入成本高，可操作性差等原因;不使用风能技术主要为本地区可用性较差、投入成本高及可操作性差等原因。
2.1.2空气能加热技术简介
2.1.2.1空气能机工作原理
利用周围低温空气，将发散器内的冷触媒气化，变为低温低压气体;空气能机内的压缩机压缩做功，将低温低压的气体冷触媒转化为高温高压液体冷触媒;通过冷凝器将高温高压的液体冷触媒变为低温高压形式重回到發散器中，循环做功。其中，冷凝器做为发热源，对流性介质加热，完成能量转化。
2.1.2.2空气能机相关特点及特性
节能情况下，空气能机加热最高可达60℃，一般情况下加热温度达55℃，因此需要电能辅助加热;经与多厂家咨询，空气能机加热比普通电加热节约电能3/4;产热不受外界因素影响，性能稳定;空气能机安装对外界环境要求不十分苛刻;空气能机中流过的加热媒介需要清洁，以免造成内部管路堵塞;安装过程相对简单。
2.2空气能+电加热系统结构设计
空气能+电加热系统由PLC控制系统、自带温控功能的空气能机、电阻加热式热介质加热炉、4组感温探头、内循环泵、外循环泵及一些管件组成组成，其组成方式有3种。空气能与电阻加热式热介质加热炉之间的组成：进口（以空气能机为参照物）由放水阀、循环泵、Y型过滤器、单向阀、球阀、PVC管及连接软管组成;出口（以空气能机为参照物）由放气阀、球阀、PVC管及连接软管组成。电阻加热式热介质加热炉之间的组成：进口（以发酵装备为参照物）由循环泵、单向阀、连接软管组成;出口（以发酵装备为参照物）由单向阀、连接软管组成。温度传感器在电阻加热式热介质加热炉出口安装1个，发酵装备仓内前中后3段各安装1个。空气能+电加热系统结构见图1。
2.3空气能+电加热系统工艺设计
通过多次试验积累的经验与能耗数据分析结果，加热工艺设计上分为高温工艺模式与低温工艺模式（设计上考虑环境温度与加热效率2方面内容）。
2.3.1环境低温情况下工艺模式（环境温度15～-10℃）
工艺上以发酵菌活动需要温度（30～65℃）为特性，PLC整体控制，具体如下。 加热循环上，以发酵设备仓内温度控制为第1条件，即发酵设备仓内第1点的温度未达到65℃，或第2点的温度未达到63℃，或第3点的温度未达到60℃，加热系统按70℃和45℃的回差条件工作;如发酵设备仓内温度任一点达到需要温度，加热系统停止工作。
空气能机与热介质加热炉的循环为内循环，见图1中虚线表示的循环路线。
畜禽粪便发酵设备与热介质加热炉的循环为外循环，见图1中实线表示的循环路线。
热介质加热炉内的热介质温度≤45℃（见图1中F口温感），空气能机和内循环开始工作（步骤4）。
热介质加热炉内的热介质温度≥55℃（见图1中F口温感）， 空气能机和内循环停止工作，热介质加热炉开始加热（步骤5）。
热介质加热炉内的热介质温度≥70℃（见图1中F口温感）， 热介质加热炉停止加热，外循环开始工作，工作1分钟后停止（步骤6）。
当再次热介质加热炉内的热介质温度≤45℃（见图1中F口温感），继续步骤4、5、6如此交替往复工作。
2.3.2环境高温情况下工艺模式（环境温度≥+15℃）
工艺设置上，与环境低温情况下工艺模式的前1～6步相同，第7步不同，具体如下。
1～6同前;
当再次热介质加热炉内的热介质温度≤45℃（见图1中F口温感），继续步骤4、5、6，此形式工作8h;8h后，加热工艺更改为先完成步骤4内容，然后熱介质加热炉内的热介质温度≥55℃（见图1中F口温感）， 空气能机和内循环停止工作， 外循环工作，如此往复2h;2h候后重新4、5、6步骤，如此交替往复工作，重新加料后重计时间。
2.4空气能+电加热系统特点
结构复杂，工艺成本略高，维修维护相比与原加热系统复杂，但使用成本降低，通过试验，空气能+电加热系统比单一电加热系统节省1/2能耗。
3结论
空气能+电加热系统比原电加热系统复杂，前期投入成本略高，但后期使用成本降低，预计通过2a连续运行，将节省本项目中所使用的空气能机1台（功率型号：7P;价格：1万元左右。），同时空气能+电加热系统的加热功能稳定，可作为同类或相似设备配套使用。
参考文献
[1] 董占荣. 猪粪中的重金属对菜园土壤和蔬菜重金属积累的影响[D].杭州：浙江大学，2006.
[2]刁治民，高晓杰，熊亚. 禽畜粪便微生物处理机资源化工程[J].青海草业，2004，13（1）：13-20.
[3]王方浩，马文奇，窦争霞，等. 中国禽畜粪便产生量估算及环境效应[J].中国环境科学，2006，26（5）：614-617.
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