雞糞中低溫干燥動力學特性與參數優化

李絢陽，李保明※,3，鄭煒超,3，魏永祥，張 智

（1. 中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083；2. 農業農村部設施農業工程重點實驗室，北京 100083；3. 北京市畜禽健康養殖環境工程技術研究中心，北京 100083）

0 引 言

2017年中國蛋雞存欄約為14億只，年產雞糞約0.56億t，大量的雞糞給環保造成了巨大的壓力，雞糞的處理直接關系到蛋雞產業的健康、穩定和持續發展[1-2]。雞糞干燥可以阻斷新鮮糞便在發酵過程中產生的異味，當新鮮雞糞的含水率從 70%降到 20%，臭氣濃度可以降低1 000倍[3]。同時雞糞干燥可殺滅部分細菌，減少病蟲害滋生，以及其他對環境和人員帶來的損害，還能減少60%以上的細小粉塵，降低畜禽和工作人員肺病的發生[4]。干燥后的雞糞含有大量的氮元素且適合長期儲存，并可大幅度降低運輸和儲存成本，是加工有機顆粒肥最好的基礎材料[5]。

雞糞屬于高濕多孔物料。高濕多孔物料含自由水較多，具有很好的熱敏性，很容易達到干燥的目的[6-8]。從20世紀70年代開始國外就有較多雞糞干燥的研究，達爾豪斯大學的Ghaly和MacDonald[9]研究了溫度、糞層厚度對雞糞干燥特性的影響及溫度和糞層厚度對氮素損失和殺菌的影響，并計算出了雞糞干燥過程中的擴散系數，最終得出了雞糞的干燥模型。

拉脫維亞大學的Aboltins1和Kic[10]研究了穿流干燥過程中溫度和風速對干燥過程的影響。捷克大學Kic等[11]研究了不同風速對雞糞對流干燥過程影響并結合費克定理推導出了雞糞的擴散系數， Liska與Kic[12]研究了雞糞在不同溫度下（70～110 ℃）的脫水特性。目前在國內雞糞的干燥研究中，大多研究的是中高溫干燥，如趙廣播等[13]研究了雞糞在不同風速（0.5，0.85，1.2 m/s）和不同溫度（60，90，120 ℃）條件下的干燥特性，韓捷等[14]利用雞糞快速烘干成套設備研究了雞糞在高溫下的快速烘干特性。

綜上，雞糞干燥特性已有較多研究，但國內外對于雞糞中低溫干燥特性的研究較少。中低溫干燥，例如太陽能干燥技術、雞舍余熱利用技術等都可應用于雞糞干燥，且太陽能干燥技術已被廣泛應用于煙草、水果、谷物、木材、鮮花、蔬菜等農副產品及污泥、橡膠、陶瓷等高濕物料的干燥[15-21]。選擇中低溫干燥可以減少能耗，因此，有必要對雞糞進行中低溫干燥特性的研究，為太陽能干燥技術、雞舍余熱利用技術等中低溫干燥技術在雞糞干燥中的應用提供理論支撐，為后續的利用雞舍余熱干燥雞糞提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗樣品與儀器設備

試驗用的雞糞樣品取自中國農業大學上莊試驗站棲架養殖蛋雞舍（雞齡為 55周）。雞糞樣品為未經任何處理的新鮮雞糞，含水率約為 76.4%，灰分質量分數約為27.2%，揮發性固體質量分數約為72.8%，pH值為8.1。取完樣后立即裝進保鮮袋送往中國農業大學能源增值試驗室進行冷凍保存（儲存溫度為–20 ℃）。

試驗儀器：DHG-9013A型風速可控電熱鼓風干燥箱(上海一恒科學儀器有限公司)；ME104E型電子天平(塞多利斯科學儀器有限公司)；直徑 6 cm 的不銹鋼圓形托盤（杰域廚具公司）；175H1型溫濕度傳感器(德國德圖儀器公司)；QDF-2B型熱球式風速儀(上海億歐儀表設備有限公司)。

1.2 試驗方法

在電熱鼓風干燥箱中分別對干燥溫度、糞層厚度、風速進行單因素干燥試驗，試驗分為3組進行。1）固定糞層厚度4 cm，風速0.8 m/s，調整干燥溫度為35，45，55 ℃；2）固定干燥溫度45 ℃，風速0.8 m/s，調整糞層厚度為2，4，6 cm。3）固定糞層厚度4 cm，干燥溫度45 ℃，調整風速為0.4，0.8，1.2 m/s。

為了確定雞糞中低溫干燥的最佳工藝參數，在上述單因素試驗結果的基礎上，設計三因素三水平的正交試驗：干燥溫度（35，45，55 ℃）、糞層厚度（2，4，6 cm）、風速（0.4，0.8，1.2 m/s），具體試驗參數設置按照L9正交試驗表進行。

干燥方法：將雞糞從冰箱取出后先在常溫下解凍6 h，按照上述不同試驗分組的參數要求設定干燥溫度、糞層厚度和風速，用不銹鋼圓形托盤盛放雞糞，然后待電熱鼓風干燥箱的溫度和風速穩定后將雞糞放入，開始進行干燥，每隔2 h測1次干燥箱內雞糞的質量，記錄雞糞干基含水率隨時間的變化情況，直至雞糞的干基含水率降至0.1以下，停止試驗。

1.3 雞糞干燥參數的計算

雞糞干基含水率（X），是指雞糞中的水分質量與干雞糞質量之比，即

式中X為雞糞的干基含水率，g/g；m為雞糞中水分的質量，g；m0為絕干雞糞的質量，g。

雞糞水分比（MR）的表達式為

式中MR為雞糞水分比；tX為干燥過程中t時刻雞糞的干基含水率，g/g；eX為干燥平衡時（雞糞質量不再變化時）雞糞的干基含水率，g/g；0X為雞糞的初始干基含水率，g/g。

由于eX相對于tX和0X很小，可以忽略不計，因此式（2）可簡化為

雞糞干燥速率（RM ）是指單位質量干雞糞在單位時間內蒸發的水分質量，即

式中RM 為雞糞的干燥速率，g/（g·h）；ttX+Δ、tX 分別是單位質量雞糞在Δt時間間隔開始和結束時雞糞的質量，g/g；Δt為干燥時間間隔，h。

2 干燥特性分析

2.1 溫度對雞糞干燥特性的影響

圖 1中的 a、b分別是厚度為 4 cm的雞糞在風速0.8 m/s、干燥溫度為35，45，55 ℃條件下的干燥曲線和干燥速率曲線。從圖1a可以看出，干燥曲線呈現指數式衰減的趨勢，在同一糞層厚度和風速的條件下，溫度越高達到干燥平衡所需的時間越短。4 cm雞糞的干基含水率由3.237（濕基含水率76.4%）降至0.43（濕基含水率為30.0%，在該狀態下大部分微生物失去活性，易于存儲和運輸）所用時間分別為：35 ℃用時約22 h，45 ℃用時約14 h，55 ℃用時約11 h。35 ℃用時約為45 ℃的1.6倍，55 ℃的2倍。達到干燥平衡所用的時間分別為：35 ℃用42 h、45 ℃用30 h、55 ℃用22 h。分析可以看出溫度升高可以大幅度縮短干燥時間，這是因為溫度越高，傳熱推動力越大，干燥速率越快，水分的去除率也就越快，說明溫度是影響雞糞中低溫干燥的主要因素。從圖1b可以看出，干燥速率曲線只有降速時段，沒有加速和恒速時段。這是因為整個雞糞的干燥過程屬于內部遷移控制，即水分擴散速率決定干燥速率。另外，當干基含水率降到一定程度時，干燥速率曲線出現拐點，因而整個干燥過程可以分為2個階段，即第1降速干燥階段和第2降速干燥階段，35，45，55 ℃的干燥速率曲線拐點分別出現在干燥過程中的第 16，10，4小時，干燥溫度越高，拐點出現的越早，干燥速率降低幅度越大。第 1降速干燥階段（拐點左側），自由水快速蒸發，雞糞淺層的自由水因遷移距離短而擴散阻力小，能較快傳遞到雞糞表面并蒸發，隨著內層水分遷移距離增加，雞糞干燥速率緩慢降低；當干燥進入第2降速干燥階段（拐點右側），自由水大幅度減少，雞糞中的毛細管水、吸附水及結合水逐漸變成自由態后擴散至表層并蒸發，由于毛細管水、吸附水及結合水需要較長時間才能變成自由態，干燥后期雞糞干燥速率迅速降低，直至趨近于0。同時可以看出，溫度越低，第2階段所需時間越長，這是因為毛細管水、吸附水及結合水需要足夠的熱量才可以去除。

圖1 4 cm厚雞糞在風速0.8 m·s–1下不同干燥溫度的干燥曲線和干燥速率曲線Fig.1 Drying curve and drying rate curves of 4 cm manure at different temperatures under air speed of 0.8 m·s–1

2.2 糞層厚度對雞糞干燥特性的影響

圖2 中的a、b分別是厚度為2、4、6 cm的雞糞在干燥溫度45 ℃、風速0.8 m/s條件下的干燥曲線和干燥速率曲線。從圖 2中可以看出，在同一干燥溫度和風速的條件下，糞層厚度越小達到干燥平衡所需的時間越短。雞糞的干基含水率由3.237（濕基含水率76.4%）降至0.43（濕基含水率為 30.0%）所用時間分別為：2 cm用時約11 h，4 cm用時約14 h，6 cm用時約18 h。6 cm用時約為4 cm的1.3倍，2 cm的1.6倍。達到干燥平衡所用的時間分別為：2 cm用時約22 h，4 cm用時約30 h，6 cm用時約 36 h。糞層厚度越大，熱質遷移距離越長，擴散阻力越大，干燥效率越低。不同糞層厚度下雞糞的中低溫干燥過程也分為2個降速階段。2、4、6 cm的干燥速率曲線拐點分別出現在干燥過程中的第8、10、12小時。糞層厚度越小，干燥速率降低幅度越大。

圖2 不同厚度雞糞在干燥溫度45℃、風速0.8 m·s–1條件下的干燥曲線和干燥速率曲線Fig.2 Drying curve and drying rate curves of manure at different thicknesses under air temperature of 45 ℃ and air speed of 0.8 m·s–1

2.3 風速對雞糞干燥特性的影響

圖3 中的a、b分別是厚度為4 cm的雞糞在干燥溫度為45 ℃、風速為0.4，0.8，1.2 m/s條件下的干燥曲線和干燥速率曲線。在同一溫度和糞層厚度的條件下，風速越大，干燥時間越短。雞糞的干基含水率由3.237 g/g（濕基含水率76.4%）降至0.43 g/g（濕基含水率為30.0%）所用時間分別為：0.4 m/s用時約18 h，0.8 m/s用時約14 h，1.2 m/s用時約12 h。0.4 m/s用時約為0.8 m/s的1.3倍，1.2 m/s的 1.5倍。達到干燥平衡所用的時間分別為：0.4 m/s用時約38 h，0.8 m/s用時約30 h，1.2 m/s用時約26 h。因此，增加風速能有效提高雞糞的干燥速率，這是因為風速越大，單位時間內流過雞糞表面的空氣越多，流動邊界層越薄，降低了空氣中的含濕量，減小了雞糞表面水蒸氣向空氣擴散的阻力，因此水分蒸發越快，干燥時間越短。另外從圖3a可以看出，在干燥中期，隨著風速的增加，干燥曲線之間的間距減小，這是因為風速增加到一定程度后，已足以帶走雞糞蒸發的水分，此時，內部因素為影響干燥速率的主要因素，再增加風速，對干燥速率影響的作用減小。同樣，從圖3b可以看出不同風速下雞糞的中低溫干燥過程也分為2個降速階段。0.4，0.8，1.2 m/s的干燥速率曲線拐點分別出現在干燥過程中的第 14，10，8小時。風速越大，干燥速率降低幅度越大。干燥后期，1.2 m/s風速的干燥速率最低。

圖3 4 cm厚雞糞在干燥溫度45 ℃下不同風速的干燥曲線和干燥速率曲線Fig.3 Drying curves and drying rate curves of 4 cm manure at different air speed under temperature of 45 ℃

2.4 干燥模型分析

干燥是一個復雜的傳熱、傳質過程，干燥過程中內部水分的遷移過程涉及液相流動、毛細流動、蒸汽流動、液相擴散、蒸汽擴散等諸多傳熱傳質現象[22-23]，雞糞的干燥過程可能包含上述多種現象，因此其干燥過程不能用特定的理論來分析，需要根據其失水規律建立干燥模型來預測干燥時間、干燥速率等參數。干燥模型的建立對于實際生產具有理論指導意義。

常用的薄層干燥模型Page模型，Lewis模型，單項擴散模型，Exponential模型等[24-25]，常用于模擬紅棗、荔枝、核桃、紫薯、玉米、煙葉等農產品及污泥、皮革等高濕物料的薄層干燥。

在Origin中繪制不同試驗組的MR-t曲線（干燥速率低于0.01 g/(g·h)時，以MR停止變化來計算），并分別用上述模型進行擬合，比較各個擬合曲線的殘差平方和、相關系數等反應擬合度的參數后發現，Exponential模型擬合出的曲線與原曲線的相關系數最高（均高于 0.99，擬合結果見表1）。

由不同試驗組的擬合方程（表1）可判斷Exponential模型方程中的A、K和C隨干燥溫度（T，℃），風度（V，m/s）和糞層厚度（L，m）的變化而發生變化，即Exponential模型中的常數A、K和C是溫度T，風度V和糞層厚L的函數。通過多元線性回歸分析分別得到A、K、C與T、V和L的函數關系，然后代入Exponential模型公式，得到本研究的Exponential模型公式如下：

為了驗證所得Exponential模型公式的準確性，隨機選取試驗條件為干燥溫度45 ℃、風速0.8 m/s、糞層厚度4 cm的試驗組進行試驗值和模擬值的比較。擬合曲線如圖 4所示，試驗曲線和模擬曲線的擬合度很高，擬合曲線的決定系數R2為0.989，均方根誤差RMSE為0.027。因此，Exponential模型能較好的模擬雞糞的干燥過程。

圖4 Exponential模型驗證Fig.4 Verification of Exponential model

表1 雞糞干燥過程Exponential模型擬合結果Table 1 Exponential model fitting results of poultry manure drying process

2.5 有效擴散系數

雞糞干燥過程中MR值的變化符合Exponential模型說明雞糞干燥主要是受水分擴散的影響。雞糞中低溫干燥過程主要為水分從內向外的擴散過程，可以通過費克第二定律描述雞糞內部水分的擴散規律[26]，其計算公式為：

式中D為有效擴散系數（脫水能力），m2/h；n為數據記錄次數；L為雞糞樣本的糞層厚度，m；t為干燥時間，s。

對上式兩端求對數，簡化后得，

該方程為關于 t和 ln(MR)的一次方程。方程斜率為

由式（6）可知，雞糞干燥時間與糞層厚度的平方(L2)成正比，與有效擴散系數(D)成反比，在雞糞的干燥過程中，糞層越厚，所需的干燥時間越長。

分別繪制不同影響因子下雞糞干燥過程中的ln(MR)-t曲線（圖 5），并用一元線性方程對曲線進行擬合。擬合曲線的相關系數R2均大于0.98，說明擬合情況較好，ln(MR)與t大致符合線性的關系。

圖5 雞糞干燥ln(MR)-t曲線及擬合曲線圖Fig.5 ln(MR)-t curves and fitted curves of poultry manure drying

從圖 5可進一步計算得出擬合直線的斜率（近似等于ln(MR)-t曲線的斜率）[27]，再由公式(6)引導出的斜率公式計算出雞糞的有效擴散系數。不同干燥溫度、糞層厚度、風速下雞糞的有效擴散系數如表 2所示。由表 2可知，雞糞在不同因素條件下的有效擴散系數在2.25×10–7～2.35×10–6m2/h 間，有效擴散系數隨溫度和風速的增大而增大。

表2 雞糞干燥過程中的有效擴散系數Table 2 Effective diffusion coefficient during poultry manure drying process

3 正交試驗結果分析

為了優化雞糞中低溫干燥的工藝參數，在上述單因素試驗結果的基礎上，設計了三因素三水平的正交試驗，分析干燥溫度、糞層厚度、風速 3個影響因素的主次關系。試驗結果以干燥效率為評價指標，干燥效率不同于干燥速率，它是指干燥時間與干燥過程中去除水分質量的比值，單位為h/g。

試驗結果如表3所示，可以看出溫度因子影響下的k值極差最大，糞層厚度其次，風速最小。因此，影響因素的主次為：干燥溫度＞糞層厚度＞風速。干燥效率最高的干燥工藝為：T3L3V3，即干燥溫度 55 ℃，糞層厚度6 cm，風速1.2 m/s。驗證試驗表明該工藝下雞糞的干燥效率為0.47 h/g。因此，雞糞在中低溫干燥時應盡可能保持較高的溫度，糞層較厚的時候，可通過提高風速增加雞糞的干燥效率。同時，風速也非越大越好，需找到糞層厚度和風速的最佳耦合值，因為風速過大不僅會增加能耗，還會增加氨氣的排放，這在接下來的相關試驗中會做進一步研究。

表3 正交試驗結果與分析Table 3 Results and analysis of orthogonal tests

4 結 論

1）雞糞的中低溫干燥過程由2個降速階段組成，即第1降速階段和第2降速階段，且第2降速階段的干燥速率相對于第 1降速階段下降的更快。干燥溫度越高，糞層厚度越小，風速越大，干燥速率曲線出現拐點的時間越早，達到干燥平衡所用的時間越短。在干燥過程的中后期，風速對干燥速率的影響較小。

2）Exponential模型能較好的模擬雞糞的干燥過程，在中低溫條件下 2～6 cm糞層厚度雞糞的有效擴散系數為 2.25×10–7～2.35×10–6m2/h，有效擴散系數隨溫度和風速的增大而增大。

3）采用正交試驗得到干燥效率最高的工藝為：干燥溫度55 ℃，糞層厚度6c m，風速1.2 m/s, 該工藝下雞糞的干燥效率為0.47 h/g。極差分析得到影響雞糞干燥因素的主次為：干燥溫度＞糞層厚度＞風速。

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