鸡粪中低温干燥特性与干燥模型及参数优化

  第 34 卷 第 10 期 农 业 工 程 学 报 Vol.34 No.10 194 2018 年 5 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May. 2018 鸡粪中低温干燥特性与干燥模型及参数优化 李绚阳1,2 ，李保明 ※ 1,2,3，郑炜超1,2,3 ，魏永祥 1,2 ，张 智 1,2 （1. 中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083；2. 农业部设施农业工程重点实验室，北京 10083； 3. 北京市畜禽健康养殖环境工程中心，北京 10083） 摘 要：为了研究鸡粪的中低温干燥特性，利用恒温鼓风干燥箱，以干燥温度、粪层厚度、风速为因素研究了鸡粪含水率和干燥速率随时间变化的规律，用常见的薄层干燥模型对鸡粪的干燥曲线进行了拟合分析，并用正交试验优化了鸡粪干燥工艺参数。根据结果得出：鸡粪的中低温干燥过程由 2 个降速阶段组成，在拐点处第 2 降速阶段的干燥速率相对于第 1降速阶段下降更快。干燥温度越高，粪层厚度越小，风速越大，干燥速率曲线出现拐点的时间越早，达到干燥平衡所用时间越短；Exponential 模型能较好的模拟鸡粪的干燥过程；在中低温条件下，根据 Fick 定律得到 2～6 cm 粪层厚度鸡粪的有效扩散系数在 2.25×10 7 ～2.35×10 6 m 2 /h 间；用正交试验得到鸡粪中低温干燥时效率最高的工艺为：干燥温度 55 ℃，粪层厚度 6 cm，风速 1.2 m/s，该工艺下鸡粪的干燥效率为 0.47 h/g。 关键词：干燥；粪；模型；中低温；Exponential 模型；有效扩散系数 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.10.024 中图分类号：S210.3 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2018)-10-0194-06 李绚阳，李保明，郑炜超，魏永祥，张 智. 鸡粪中低温干燥特性与干燥模型及参数优化[J]. 农业工程学报，2018，34(10)：194－199. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.10.024 － 199. (in Chinese with English abstract) doi ：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.10.024 引 言  2017 年中国蛋鸡存栏约为 14 亿只，年产鸡粪约 0.56亿 t，大量的鸡粪给环保造成了巨大的压力，鸡粪的处理必然的联系到蛋鸡产业的健康、稳定和持续发展 [1-2] 。鸡粪干燥可以阻断新鲜粪便在发酵过程中产生的异味，当新鲜鸡粪的含水率从 70%降到 20%，臭气浓度能够更好的降低1 000 倍 [3] 。同时鸡粪干燥可杀灭部分细菌，减少病虫害滋生，以及其他对环境和人员带来的损害，还能减少 60%以上的细小粉尘，降低畜禽和工作人员肺病的发生 [4] 。干燥后的鸡粪含有大量的氮元素且适合长期储存，并可大幅度降低运输和储存成本，是加工有机颗粒肥最好的基础材料 [5] 。 鸡粪属于高湿多孔物料。高湿多孔物料含自由水较多，具有非常好的热敏性，很容易达到干燥的目的 [6-8] 。从20 世纪 70 年代开始国外就有较多鸡粪干燥的研究，达尔豪斯大学的 Ghaly 和 MacDonald [9] 研究了温度、粪层厚度对鸡粪干燥特性的影响及温度和粪层厚度对氮素损失和杀菌的影响，并计算出了鸡粪干燥过程中的扩散系数，最终得出了鸡粪的干燥模型。 收稿日期：2017-11-14 修订日期：2018-02-26 基金项目：国家蛋鸡产业技术体系（CARS-40） 作者简介：李绚阳，博士生，主要是做畜禽养殖废弃物资源化利用方面的研究。Email： ※通信作者：李保明，教授，博士生导师，主要是做畜禽设施养殖工艺与环境研究。Email：拉脱维亚大学的 Aboltins1 和 Kic [10] 研究了穿流干燥过程中温度和风速对干燥过程的影响。捷克大学 Kic 等 [11]研究了不同风速对鸡粪对流干燥过程影响并结合费克定理推导出了鸡粪的扩散系数， Liska 与 Kic [12] 研究了鸡粪在不一样的温度下（70～110 ℃）的脱水特性。目前在国内鸡粪的干燥研究中，大多研究的是中高温干燥，如赵广播等 [13] 研究了鸡粪在不同风速（0.5，0.85，1.2 m/s）和不一样的温度（60，90，120 ℃）条件下的干燥特性，韩捷等 [14]利用鸡粪快速烘干成套设备研究了鸡粪在高温下的快速烘干特性。 综上，鸡粪干燥特性已有较多研究，但国内外对于鸡粪中低温干燥特性的研究较少。中低温干燥，例如太阳能干燥技术、鸡舍余热利用技术等都可应用于鸡粪干燥，且太阳能干燥技术已被大范围的应用于烟草、水果、谷物、木材、鲜花、蔬菜等农副产品及污泥、橡胶、陶瓷等高湿物料的干燥 [15-21] 。选择中低温干燥能够大大减少能耗，因此，有必要对鸡粪进行中低温干燥特性的研究，为太阳能干燥技术、鸡舍余热利用技术等中低温干燥技术在鸡粪干燥中的应用提供理论支撑，为后续的利用鸡舍余热干燥鸡粪提供参考。 1 材料与方法 1.1 试验样品与仪器设施 试验用的鸡粪样品取自中国农业大学上庄试验站栖架养殖蛋鸡舍（鸡龄为 55 周）。鸡粪样品为未经任何处理的新鲜鸡粪，含水率约为 76.4%，灰分质量分数约为