鸡粪中低温干燥动力学特性与参数优化

李绚阳，李保明※,3，郑炜超,3，魏永祥，张 智

（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）

0 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，鸡粪的处理直接关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%，臭气浓度可以降低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，具有很好的热敏性，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。

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]研究了鸡粪在不同温度下（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）和不同温度（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广泛应用于烟草、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]。选择中低温干燥可以减少能耗，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 试验样品与仪器设备

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27.2%，挥发性固体质量分数约为72.8%，pH值为8.1。取完样后立即装进保鲜袋送往中国农业大学能源增值试验室进行冷冻保存（储存温度为–20 ℃）。

试验仪器：DHG-9013A型风速可控电热鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)；ME104E型电子天平(塞多利斯科学仪器有限公司)；直径 6 cm 的不锈钢圆形托盘（杰域厨具公司）；175H1型温湿度传感器(德国德图仪器公司)；QDF-2B型热球式风速仪(上海亿欧仪表设备有限公司)。

1.2 试验方法

在电热鼓风干燥箱中分别对干燥温度、粪层厚度、风速进行单因素干燥试验，试验分为3组进行。1）固定粪层厚度4 cm，风速0.8 m/s，调整干燥温度为35，45，55 ℃；2）固定干燥温度45 ℃，风速0.8 m/s，调整粪层厚度为2，4，6 cm。3）固定粪层厚度4 cm，干燥温度45 ℃，调整风速为0.4，0.8，1.2 m/s。

为了确定鸡粪中低温干燥的最佳工艺参数，在上述单因素试验结果的基础上，设计三因素三水平的正交试验：干燥温度（35，45，55 ℃）、粪层厚度（2，4，6 cm）、风速（0.4，0.8，1.2 m/s），具体试验参数设置按照L9正交试验表进行。

干燥方法：将鸡粪从冰箱取出后先在常温下解冻6 h，按照上述不同试验分组的参数要求设定干燥温度、粪层厚度和风速，用不锈钢圆形托盘盛放鸡粪，然后待电热鼓风干燥箱的温度和风速稳定后将鸡粪放入，开始进行干燥，每隔2 h测1次干燥箱内鸡粪的质量，记录鸡粪干基含水率随时间的变化情况，直至鸡粪的干基含水率降至0.1以下，停止试验。

1.3 鸡粪干燥参数的计算

鸡粪干基含水率（X），是指鸡粪中的水分质量与干鸡粪质量之比，即

式中X为鸡粪的干基含水率，g/g；m为鸡粪中水分的质量，g；m0为绝干鸡粪的质量，g。

鸡粪水分比（MR）的表达式为

式中MR为鸡粪水分比；tX为干燥过程中t时刻鸡粪的干基含水率，g/g；eX为干燥平衡时（鸡粪质量不再变化时）鸡粪的干基含水率，g/g；0X为鸡粪的初始干基含水率，g/g。

由于eX相对于tX和0X很小，可以忽略不计，因此式（2）可简化为

鸡粪干燥速率（RM ）是指单位质量干鸡粪在单位时间内蒸发的水分质量，即

式中RM 为鸡粪的干燥速率，g/（g·h）；ttX+Δ、tX 分别是单位质量鸡粪在Δt时间间隔开始和结束时鸡粪的质量，g/g；Δt为干燥时间间隔，h。

2 干燥特性分析

2.1 温度对鸡粪干燥特性的影响

图 1中的 a、b分别是厚度为 4 cm的鸡粪在风速0.8 m/s、干燥温度为35，45，55 ℃条件下的干燥曲线和干燥速率曲线。从图1a可以看出，干燥曲线呈现指数式衰减的趋势，在同一粪层厚度和风速的条件下，温度越高达到干燥平衡所需的时间越短。4 cm鸡粪的干基含水率由3.237（湿基含水率76.4%）降至0.43（湿基含水率为30.0%，在该状态下大部分微生物失去活性，易于存储和运输）所用时间分别为：35 ℃用时约22 h，45 ℃用时约14 h，55 ℃用时约11 h。35 ℃用时约为45 ℃的1.6倍，55 ℃的2倍。达到干燥平衡所用的时间分别为：35 ℃用42 h、45 ℃用30 h、55 ℃用22 h。分析可以看出温度升高可以大幅度缩短干燥时间，这是因为温度越高，传热推动力越大，干燥速率越快，水分的去除率也就越快，说明温度是影响鸡粪中低温干燥的主要因素。从图1b可以看出，干燥速率曲线只有降速时段，没有加速和恒速时段。这是因为整个鸡粪的干燥过程属于内部迁移控制，即水分扩散速率决定干燥速率。另外，当干基含水率降到一定程度时，干燥速率曲线出现拐点，因而整个干燥过程可以分为2个阶段，即第1降速干燥阶段和第2降速干燥阶段，35，45，55 ℃的干燥速率曲线拐点分别出现在干燥过程中的第 16，10，4小时，干燥温度越高，拐点出现的越早，干燥速率降低幅度越大。第 1降速干燥阶段（拐点左侧），自由水快速蒸发，鸡粪浅层的自由水因迁移距离短而扩散阻力小，能较快传递到鸡粪表面并蒸发，随着内层水分迁移距离增加，鸡粪干燥速率缓慢降低；当干燥进入第2降速干燥阶段（拐点右侧），自由水大幅度减少，鸡粪中的毛细管水、吸附水及结合水逐渐变成自由态后扩散至表层并蒸发，由于毛细管水、吸附水及结合水需要较长时间才能变成自由态，干燥后期鸡粪干燥速率迅速降低，直至趋近于0。同时可以看出，温度越低，第2阶段所需时间越长，这是因为毛细管水、吸附水及结合水需要足够的热量才可以去除。

图1 4 cm厚鸡粪在风速0.8 m·s–1下不同干燥温度的干燥曲线和干燥速率曲线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 粪层厚度对鸡粪干燥特性的影响

图2 中的a、b分别是厚度为2、4、6 cm的鸡粪在干燥温度45 ℃、风速0.8 m/s条件下的干燥曲线和干燥速率曲线。从图 2中可以看出，在同一干燥温度和风速的条件下，粪层厚度越小达到干燥平衡所需的时间越短。鸡粪的干基含水率由3.237（湿基含水率76.4%）降至0.43（湿基含水率为 30.0%）所用时间分别为：2 cm用时约11 h，4 cm用时约14 h，6 cm用时约18 h。6 cm用时约为4 cm的1.3倍，2 cm的1.6倍。达到干燥平衡所用的时间分别为：2 cm用时约22 h，4 cm用时约30 h，6 cm用时约 36 h。粪层厚度越大，热质迁移距离越长，扩散阻力越大，干燥效率越低。不同粪层厚度下鸡粪的中低温干燥过程也分为2个降速阶段。2、4、6 cm的干燥速率曲线拐点分别出现在干燥过程中的第8、10、12小时。粪层厚度越小，干燥速率降低幅度越大。

图2 不同厚度鸡粪在干燥温度45℃、风速0.8 m·s–1条件下的干燥曲线和干燥速率曲线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 风速对鸡粪干燥特性的影响

图3 中的a、b分别是厚度为4 cm的鸡粪在干燥温度为45 ℃、风速为0.4，0.8，1.2 m/s条件下的干燥曲线和干燥速率曲线。在同一温度和粪层厚度的条件下，风速越大，干燥时间越短。鸡粪的干基含水率由3.237 g/g（湿基含水率76.4%）降至0.43 g/g（湿基含水率为30.0%）所用时间分别为：0.4 m/s用时约18 h，0.8 m/s用时约14 h，1.2 m/s用时约12 h。0.4 m/s用时约为0.8 m/s的1.3倍，1.2 m/s的 1.5倍。达到干燥平衡所用的时间分别为：0.4 m/s用时约38 h，0.8 m/s用时约30 h，1.2 m/s用时约26 h。因此，增加风速能有效提高鸡粪的干燥速率，这是因为风速越大，单位时间内流过鸡粪表面的空气越多，流动边界层越薄，降低了空气中的含湿量，减小了鸡粪表面水蒸气向空气扩散的阻力，因此水分蒸发越快，干燥时间越短。另外从图3a可以看出，在干燥中期，随着风速的增加，干燥曲线之间的间距减小，这是因为风速增加到一定程度后，已足以带走鸡粪蒸发的水分，此时，内部因素为影响干燥速率的主要因素，再增加风速，对干燥速率影响的作用减小。同样，从图3b可以看出不同风速下鸡粪的中低温干燥过程也分为2个降速阶段。0.4，0.8，1.2 m/s的干燥速率曲线拐点分别出现在干燥过程中的第 14，10，8小时。风速越大，干燥速率降低幅度越大。干燥后期，1.2 m/s风速的干燥速率最低。

图3 4 cm厚鸡粪在干燥温度45 ℃下不同风速的干燥曲线和干燥速率曲线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

干燥是一个复杂的传热、传质过程，干燥过程中内部水分的迁移过程涉及液相流动、毛细流动、蒸汽流动、液相扩散、蒸汽扩散等诸多传热传质现象[22-23]，鸡粪的干燥过程可能包含上述多种现象，因此其干燥过程不能用特定的理论来分析，需要根据其失水规律建立干燥模型来预测干燥时间、干燥速率等参数。干燥模型的建立对于实际生产具有理论指导意义。

常用的薄层干燥模型Page模型，Lewis模型，单项扩散模型，Exponential模型等[24-25]，常用于模拟红枣、荔枝、核桃、紫薯、玉米、烟叶等农产品及污泥、皮革等高湿物料的薄层干燥。

在Origin中绘制不同试验组的MR-t曲线（干燥速率低于0.01 g/(g·h)时，以MR停止变化来计算），并分别用上述模型进行拟合，比较各个拟合曲线的残差平方和、相关系数等反应拟合度的参数后发现，Exponential模型拟合出的曲线与原曲线的相关系数最高（均高于 0.99，拟合结果见表1）。

由不同试验组的拟合方程（表1）可判断Exponential模型方程中的A、K和C随干燥温度（T，℃），风度（V，m/s）和粪层厚度（L，m）的变化而发生变化，即Exponential模型中的常数A、K和C是温度T，风度V和粪层厚L的函数。通过多元线性回归分析分别得到A、K、C与T、V和L的函数关系，然后代入Exponential模型公式，得到本研究的Exponential模型公式如下：

为了验证所得Exponential模型公式的准确性，随机选取试验条件为干燥温度45 ℃、风速0.8 m/s、粪层厚度4 cm的试验组进行试验值和模拟值的比较。拟合曲线如图 4所示，试验曲线和模拟曲线的拟合度很高，拟合曲线的决定系数R2为0.989，均方根误差RMSE为0.027。因此，Exponential模型能较好的模拟鸡粪的干燥过程。

图4 Exponential模型验证Fig.4 Verification of Exponential model

表1 鸡粪干燥过程Exponential模型拟合结果Table 1 Exponential model fitting results of poultry manure drying process

2.5 有效扩散系数

鸡粪干燥过程中MR值的变化符合Exponential模型说明鸡粪干燥主要是受水分扩散的影响。鸡粪中低温干燥过程主要为水分从内向外的扩散过程，可以通过费克第二定律描述鸡粪内部水分的扩散规律[26]，其计算公式为：

式中D为有效扩散系数（脱水能力），m2/h；n为数据记录次数；L为鸡粪样本的粪层厚度，m；t为干燥时间，s。

对上式两端求对数，简化后得，

该方程为关于 t和 ln(MR)的一次方程。方程斜率为

由式（6）可知，鸡粪干燥时间与粪层厚度的平方(L2)成正比，与有效扩散系数(D)成反比，在鸡粪的干燥过程中，粪层越厚，所需的干燥时间越长。

分别绘制不同影响因子下鸡粪干燥过程中的ln(MR)-t曲线（图 5），并用一元线性方程对曲线进行拟合。拟合曲线的相关系数R2均大于0.98，说明拟合情况较好，ln(MR)与t大致符合线性的关系。

图5 鸡粪干燥ln(MR)-t曲线及拟合曲线图Fig.5 ln(MR)-t curves and fitted curves of poultry manure drying

从图 5可进一步计算得出拟合直线的斜率（近似等于ln(MR)-t曲线的斜率）[27]，再由公式(6)引导出的斜率公式计算出鸡粪的有效扩散系数。不同干燥温度、粪层厚度、风速下鸡粪的有效扩散系数如表 2所示。由表 2可知，鸡粪在不同因素条件下的有效扩散系数在2.25×10–7～2.35×10–6m2/h 间，有效扩散系数随温度和风速的增大而增大。

表2 鸡粪干燥过程中的有效扩散系数Table 2 Effective diffusion coefficient during poultry manure drying process

3 正交试验结果分析

为了优化鸡粪中低温干燥的工艺参数，在上述单因素试验结果的基础上，设计了三因素三水平的正交试验，分析干燥温度、粪层厚度、风速 3个影响因素的主次关系。试验结果以干燥效率为评价指标，干燥效率不同于干燥速率，它是指干燥时间与干燥过程中去除水分质量的比值，单位为h/g。

试验结果如表3所示，可以看出温度因子影响下的k值极差最大，粪层厚度其次，风速最小。因此，影响因素的主次为：干燥温度＞粪层厚度＞风速。干燥效率最高的干燥工艺为：T3L3V3，即干燥温度 55 ℃，粪层厚度6 cm，风速1.2 m/s。验证试验表明该工艺下鸡粪的干燥效率为0.47 h/g。因此，鸡粪在中低温干燥时应尽可能保持较高的温度，粪层较厚的时候，可通过提高风速增加鸡粪的干燥效率。同时，风速也非越大越好，需找到粪层厚度和风速的最佳耦合值，因为风速过大不仅会增加能耗，还会增加氨气的排放，这在接下来的相关试验中会做进一步研究。

表3 正交试验结果与分析Table 3 Results and analysis of orthogonal tests

4 结 论

1）鸡粪的中低温干燥过程由2个降速阶段组成，即第1降速阶段和第2降速阶段，且第2降速阶段的干燥速率相对于第 1降速阶段下降的更快。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，达到干燥平衡所用的时间越短。在干燥过程的中后期，风速对干燥速率的影响较小。

2）Exponential模型能较好的模拟鸡粪的干燥过程，在中低温条件下 2～6 cm粪层厚度鸡粪的有效扩散系数为 2.25×10–7～2.35×10–6m2/h，有效扩散系数随温度和风速的增大而增大。

3）采用正交试验得到干燥效率最高的工艺为：干燥温度55 ℃，粪层厚度6c m，风速1.2 m/s, 该工艺下鸡粪的干燥效率为0.47 h/g。极差分析得到影响鸡粪干燥因素的主次为：干燥温度＞粪层厚度＞风速。

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