伍 恒 張 航 李明周 彭冬梅 呂澤鑫 張紅美 王子龍 周 嶺

(塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)

引言

實(shí)驗(yàn)室好氧堆肥反應(yīng)器以其高效率、低成本、易操作等優(yōu)點(diǎn)得以廣泛發(fā)展應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)室好氧堆肥反應(yīng)器對好氧堆肥提供具體的理論基礎(chǔ)。王子龍等人設(shè)計的帶有曝氣功能的新型好氧堆肥裝置[1-3]可以完成堆肥期間對溫度的實(shí)時監(jiān)控，堆體內(nèi)部曝氣處理可縮短堆肥時間，堆肥中PH值的變化較少體現(xiàn)。遲文惠等設(shè)計的梨形筒式好氧堆肥反應(yīng)器[4]增加反應(yīng)器的靈活性，筒壁上的螺旋導(dǎo)葉使物料混合充分，提高堆肥穩(wěn)定性，而反應(yīng)器較少涉及智能化的監(jiān)控系統(tǒng)。孫曉曦團(tuán)隊(duì)發(fā)明的智能型膜覆蓋好氧堆肥反應(yīng)器[5]增加了具有選擇滲透性的聚四氟乙烯材料 Gore 膜，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度、氧體積分?jǐn)?shù)、壓力、氣體監(jiān)測以及多元反饋實(shí)時調(diào)控；LASHERME所做的小型智能型好氧堆肥反應(yīng)器系統(tǒng)[6]可以模擬好氧堆肥的整個發(fā)酵過程，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的真實(shí)效果。反應(yīng)器系統(tǒng)只能完成單一形式的堆肥，多用途的實(shí)驗(yàn)室好氧堆肥反應(yīng)器系統(tǒng)較少研究。

設(shè)計一種用于實(shí)驗(yàn)室的智能型好氧堆肥反應(yīng)器，結(jié)合立式有攪拌軸的反應(yīng)器系統(tǒng)和臥式滾筒反應(yīng)器系統(tǒng)兩種情況下的實(shí)驗(yàn)室好氧堆肥試驗(yàn)。并利用傳感器與可編程控制器以智能的方式來對堆肥的過程進(jìn)行監(jiān)測和控制。實(shí)現(xiàn)多指標(biāo)，實(shí)時性，可控性，記錄性，多用途與一體的智能型反應(yīng)器系統(tǒng)。

1 智能型實(shí)驗(yàn)室好氧堆肥反應(yīng)器裝置

智能型實(shí)驗(yàn)室好氧堆肥反應(yīng)器試驗(yàn)裝置(如圖1)主要由滾筒、氣泵箱體、微電腦控制箱與兩組電機(jī)等部件組成。液壓桿作用集料盒的進(jìn)出以便節(jié)省人力的拖拽。裝置動力來源為直流伺服電機(jī)，傳動機(jī)構(gòu)是齒輪，還安裝配有控制箱和數(shù)字顯示屏。

圖1 智能型實(shí)驗(yàn)室好氧堆肥反應(yīng)器試驗(yàn)裝置

2 主要工作部件

2.1 反應(yīng)系統(tǒng)

反應(yīng)系統(tǒng)由一個對稱類錐體滾筒(如圖2)和一根中空的攪拌軸構(gòu)成。筒壁為內(nèi)、外層不銹鋼間加注15 mm厚的聚氨酯保溫材料復(fù)合而成，有利于加強(qiáng)結(jié)構(gòu)并保溫；筒內(nèi)壁設(shè)計50 mm撥板，利于滾筒模式下的物料翻堆。滾筒最大直徑約為1 000 mm，容積約為70 L。在滾筒的中線處設(shè)計可開關(guān)的方口，用于進(jìn)出物料。

圖2 對稱類錐體滾筒

2.2 爆氣裝置

獨(dú)立爆氣系統(tǒng)利于確定適宜的通風(fēng)量且不影響正常情況下的工作要求。曝氣使用一根中空的不銹鋼主管，在主管的前、中、后三段成120°分布三根不同長度的一端封口的分管，在分管表面與水平面成45°夾角線上分布小孔(如圖3攪拌軸簡圖)。經(jīng)過溫、濕傳感器與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的運(yùn)算實(shí)時對堆體進(jìn)行攪拌操作，同時通過曝氣系統(tǒng)進(jìn)行曝氣操作，系統(tǒng)選用最大曝氣量為80 L/min的變頻式氣泵，實(shí)際工作時可以提供的最大曝氣量為20 L/min，曝氣精準(zhǔn)度可達(dá)0. 1 L。流量計的量程選用0. 8～50 L/min，計量精度為0. 1 L/min。不僅滿足精確通風(fēng)供氧的要求還加強(qiáng)了數(shù)據(jù)采集的精確性[5]。從內(nèi)部向外對物料進(jìn)行曝氣處理，使空氣與物料的反應(yīng)面積加大，達(dá)到減少堆肥時間的目的。

圖3 攪拌軸簡圖

2.3 數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)包括溫/濕度傳感器、PH傳感器與數(shù)據(jù)傳輸線路。畜禽糞便自身具有一定粘度壓實(shí)效果，利用這個效果將傳感器粘貼在攪拌軸的分管上，與氣孔對稱安裝，在氣管的前、中、后三段各放置三個。從堆體的內(nèi)部進(jìn)行測量，以提高測量的精確性。

PT100熱電偶溫度傳感器，其適用性廣，檢測便捷，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用在溫度檢測方面，所以，智能型好氧堆肥反應(yīng)器使用PT100熱電偶溫度傳感器(型號MIK-WZP-V1A2B1C1D)，其溫度系數(shù)(TCR=2 850 ppm/k)，測溫幅度(-50～200 ℃)，反應(yīng)時間(水：2 m/s，t0. 5=0. 05 s；空氣：2 m/s，t0. 5=3. 0 s)。HS1100電容型濕度傳感器，其具有較寬的測量范圍、小巧的外形設(shè)計、快速的測量響應(yīng)、較長的使用壽命、較強(qiáng)的抗污染能力。被測物料溫度應(yīng)小于180 ℃，濕度測量范圍為0%～90%，測量精度為±2%～6% RH。采用T255型PH傳感器，此傳感器較多用于發(fā)酵環(huán)境下的PH值測量，具有體積小巧、精確度高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

由于好氧堆肥為腐蝕性環(huán)境，在傳感器和攪拌軸上覆蓋涂層保護(hù)，使金屬制品與腐蝕環(huán)境隔離，以便保護(hù)材料。保護(hù)涂層抗腐蝕等級0. 01-V-0. 1(耐腐蝕材料)[7]。

2.4 控制系統(tǒng)

2.4.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)由兩個獨(dú)立的電機(jī)組、電機(jī)驅(qū)動器、氣泵組成，一個與攪拌軸相連執(zhí)行動作；一個與滾筒外壁相連執(zhí)行動作。滾筒作為固定容器，將畜禽糞便與調(diào)節(jié)劑放入到滾筒內(nèi)?？删幊炭刂破髦性O(shè)定溫度閥值，攪拌軸上的傳感器檢測到堆體的溫度變化時，產(chǎn)生小幅的電壓變化，信號輸入可編程控制器進(jìn)行分析，電機(jī)驅(qū)動器使電機(jī)啟動并帶動攪拌軸進(jìn)行順時針轉(zhuǎn)動，同時氣泵開啟對堆體內(nèi)部進(jìn)行曝氣操作，使堆體恢復(fù)到預(yù)定環(huán)境溫度后停止工作并繼續(xù)堆肥。數(shù)據(jù)監(jiān)控器記錄發(fā)生的過程中傳感器變化數(shù)據(jù)。

可編程控制器的主程序在傳感器變化時程序進(jìn)行轉(zhuǎn)化，對監(jiān)測溫度與設(shè)定溫度比較，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行中斷操作。子程序是控制電機(jī)與氣泵的啟停，中間有3秒鐘的延遲響應(yīng)。設(shè)定35～45 ℃時每24小時攪拌并曝氣，45～55 ℃時每12小時攪拌并曝氣，55 ℃時每8小時攪拌并曝氣，其過程用定時器進(jìn)行計時。

表1 I/O分配表

2.4.2 可編程控制器

可編程控制器是西門子公司制造的S7-200CPU224XPCN型邏輯控制器，內(nèi)部嵌有存儲程序列，邏輯運(yùn)算功能，計數(shù)與計算操作，面向用戶的操作指令，使用數(shù)字或模擬式的輸入和輸出來控制各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動，控制器操作方便，程序簡易，功能強(qiáng)大，穩(wěn)定性高[8]。

PLC產(chǎn)品自身帶有模擬量的輸入和輸出通道，在一定程度上降低了元器件的購置成本。 CPU224XP模擬量輸入通道分為電壓和電流兩種，模擬量輸出通道只電壓一種。(如表1)：

表2 模擬量I/O規(guī)格

溫度傳感器與PLC串接的電阻把電流信號轉(zhuǎn)化成0～10 V的電壓信號后再傳送至PLC模擬量輸入通道[9]。利用編制好的程序與傳感器相互配合，對堆體進(jìn)行有序攪拌、曝氣、溫度調(diào)節(jié)(如圖4 PLC溫度調(diào)節(jié)流程圖)。

圖4 PLC溫度調(diào)節(jié)流程圖

2.4.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)

數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)監(jiān)控界面與電子觸摸屏。數(shù)據(jù)監(jiān)控界面(如圖5)可與編程邏輯控制器相互兼容，并嵌入一塊一體式的電子觸摸屏來實(shí)現(xiàn)對堆肥進(jìn)度的實(shí)時檢測和調(diào)控，內(nèi)部軟件與可編程邏輯控制器間可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，電子觸摸屏上可以顯示發(fā)酵過程中的數(shù)據(jù)變化情況。電子觸摸屏上進(jìn)行指令操作，設(shè)定或調(diào)節(jié)所需參數(shù)設(shè)置，能夠查詢當(dāng)前堆肥進(jìn)度和溫度變化曲線，或者調(diào)用歷史曲線進(jìn)行對比。利用人機(jī)交互功能，達(dá)到機(jī)、電、訊息的高度集成化，使好氧堆肥反應(yīng)器自動化、智能化。數(shù)據(jù)監(jiān)控單元中有監(jiān)視和控制系統(tǒng)，可以對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的采集，實(shí)現(xiàn)端前數(shù)據(jù)的處理和控制，具有較小的容量、較快的反應(yīng)速度、低廉的成本、簡便的操作得以較廣泛的應(yīng)用。利用這個系統(tǒng)能夠?qū)υ囼?yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控和實(shí)時變化的數(shù)據(jù)整合處理。

圖5 數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖6 溫度與堆肥時間對比圖

由圖6可以看出堆肥過程堆體溫度的變化，在堆肥過程中，所有處理溫度隨時間呈周期性變化，即每次翻堆溫度呈下降趨勢，翻堆后，溫度呈小幅上升趨勢，隨著堆肥的進(jìn)行最終所有處理溫度趨于穩(wěn)定接近環(huán)境溫度。

圖7 容重的變化曲線圖

由圖7可以看出隨著反應(yīng)的進(jìn)行，堆體有機(jī)物被分解，如碳元素轉(zhuǎn)化為二氧化碳，氮元素轉(zhuǎn)化為氨氣等通過氣體或滲透液的形式損失，其次隨著堆肥進(jìn)程的持續(xù)，堆體含水率下降，堆體更易結(jié)團(tuán)，容重曲線波動下降。

4 結(jié)論

設(shè)計一種智能型好氧堆肥反應(yīng)器系統(tǒng)，主要由反應(yīng)系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與控制系統(tǒng)四大部分組成。好氧堆肥裝置加裝簡單的人機(jī)交互功能，既可以滿足不同實(shí)驗(yàn)室堆肥要求的控制過程，又可做到堆肥過程直觀化與可設(shè)計化。為堆肥工藝的精確化、高效化，堆肥產(chǎn)品的無害化、科學(xué)化，資源利用的循環(huán)和綠色提供了更好的技術(shù)支持。