劉喜佳，王昱, 2，孫超，曾志雄, 2，呂恩利, 2

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州市，510642；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州市，510642)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，畜禽的養(yǎng)殖規(guī)?；仓饾u轉(zhuǎn)向規(guī)?；痆1]、智能化生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中污染物的無組織排放問題也日漸顯著。這些氣體中含有大量的氨、硫化物和揮發(fā)性有機(jī)物等有毒有害成分，不僅會影響畜禽的正常生長[2]，而且當(dāng)這些有毒有害氣體擴(kuò)散到空氣中，將嚴(yán)重威脅飼養(yǎng)人員及周邊居民的身體健康[3]，惡化人類生存的環(huán)境,因此養(yǎng)殖過程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注廢氣處理的問題。其中氨氣作為有毒有害氣體中最主要的成分之一，氨氣的有效去除可以明顯減少對環(huán)境的污染。

現(xiàn)行的除氨方法包括：活性炭吸附法、生物濾滴法及酸洗噴淋法[4-5]。其中，前兩種除氨方法在材料的制備以及處理上，都有一定的難度，不利于該方法的應(yīng)用推廣。酸洗噴淋法是工業(yè)除臭凈化方法在農(nóng)業(yè)的拓展[6]，具有較高除氨性能，滿足當(dāng)前畜禽養(yǎng)殖末端除臭的各類應(yīng)用場景。同時，該方法使用后的廢水還可轉(zhuǎn)化為液態(tài)氮肥料，可實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用[7]。酸洗噴淋法因技術(shù)方案可行性高、凈化效果穩(wěn)定、后處理方便等特點(diǎn)，成為全球養(yǎng)殖行業(yè)的首選廢氣凈化方案[7]。如何提高該凈化方式的除氨效率受到科研工作者的廣泛關(guān)注[8-11]。

酸洗噴淋法主要以稀硫酸為吸收液，在廢氣排放過程中對廢氣進(jìn)行噴淋，使氨氣和吸收液接觸反應(yīng)，利用酸堿中和反應(yīng)以及氨氣易溶于水的特點(diǎn)來減少氨氣的排放。

Hadlocon等[8, 12]指出在采用酸洗噴淋法的廢氣凈化系統(tǒng)中，吸收液的pH值、霧滴大小、噴嘴類型、霧滴的覆蓋范圍、通風(fēng)風(fēng)速等因素對除氨效果的好壞有重要影響。其中霧滴的大小對是否成功除氨起著關(guān)鍵性的作用，霧滴減小可增大廢氣與吸收液間的接觸面積，從而對除氨效率產(chǎn)生影響[13]。填料結(jié)構(gòu)常被應(yīng)用于污染管理控制[14]，是空氣污染控制技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的裝置。填料結(jié)構(gòu)有利于將吸收液留在填料表面，使得吸收液可以與氨氣充分反應(yīng)，具有吸收液霧化類似的作用。但是這通常會產(chǎn)生較大的壓降，從而產(chǎn)生較大的用電成本[15]。

在前面的研究中，都是基于立式的廢氣凈化系統(tǒng)所得出的結(jié)論。但考慮國內(nèi)規(guī)?；i舍的建筑特點(diǎn)，我國多采用臥式凈化系統(tǒng)，然而現(xiàn)階段卻鮮有針對臥式廢氣凈化系統(tǒng)的相關(guān)研究。因此，本文針對臥式廢氣凈化系統(tǒng)，通過采用酸洗噴淋法，加入填料結(jié)構(gòu)，調(diào)整噴嘴位置，調(diào)節(jié)噴淋液滴大小，控制通風(fēng)風(fēng)速大小的方式，探究該系統(tǒng)中通風(fēng)速度，酸洗泵頻率、噴淋方向關(guān)鍵工藝參數(shù)對除氨效率的影響機(jī)制。旨在通過試驗(yàn)研究摸索出該廢氣凈化系統(tǒng)在凈化效率和成本水平上均表現(xiàn)優(yōu)異的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，為生豬養(yǎng)殖末端除臭凈化設(shè)備的產(chǎn)品化設(shè)計提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的廢氣凈化系統(tǒng)包括模擬末端、壓力室、酸洗室，氨氣發(fā)生裝置，系統(tǒng)控制箱及一臺筆記本上位機(jī)。所用平臺為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院針對豬場廢氣凈化技術(shù)搭建的廢氣凈化試驗(yàn)平臺[16]，試驗(yàn)臺架原理圖如圖1所示。實(shí)物圖如圖2所示，整個試驗(yàn)通過對氨水加熱的方法生成氨氣，由負(fù)壓風(fēng)機(jī)將生成的氨氣吸入試驗(yàn)臺，模擬豬場末端排出的氨氣。穩(wěn)定的氨氣發(fā)生裝置包括一臺帶加熱的磁力攪拌儀及氨水補(bǔ)給裝置。通過酸洗泵將配置好的吸收液噴淋在填料結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)對經(jīng)過填料結(jié)構(gòu)的氨氣進(jìn)行吸收。酸洗泵型號為25FPZ-10的工程塑料自吸泵。試驗(yàn)臺架的進(jìn)出口處裝有4～20 mA信號型氨氣傳感器，對填料結(jié)構(gòu)前后端氨氣濃度進(jìn)行監(jiān)測，臺架電力入口配有功率計量插座，用于檢測試驗(yàn)中的電量消耗。通過PLC控制系統(tǒng)實(shí)時采集凈化系統(tǒng)內(nèi)的氨氣濃度等數(shù)據(jù)。成本也是評價除臭設(shè)備的重要指標(biāo)之一，凈化平臺或產(chǎn)品的成本來源主要包括：硫酸、電、水。但硫酸的消耗和除氨效率相關(guān)聯(lián)，為保證除氨的效率，硫酸的使用必不可少。試驗(yàn)過程中的水的損耗主要是風(fēng)機(jī)帶到空氣中的水霧。但在25 min的試驗(yàn)后，酸洗桶中的水只有細(xì)微的減少，因此通過對風(fēng)機(jī)帶走的水霧可忽略不計，吸收液幾乎都回流到酸洗水箱中。因此耗電量作為成本的評價指標(biāo)[17]。

試驗(yàn)耗材主要包括耐酸防腐蝕的聚四氟乙烯薄膜、45 cm厚度塑料填料機(jī)構(gòu)。試驗(yàn)中主要試劑為氨水及濃硫酸。其中，濃硫酸為標(biāo)準(zhǔn)含量為98%的分析純試劑，氨水為標(biāo)準(zhǔn)含量大于25%的分析純試劑。循環(huán)水箱內(nèi)的吸收液為100 L的市政供水和20 mL的濃硫酸，配置所得的吸收液pH值大小p可通過式(1)計算獲得。

(1)

式中：ρ2——硫酸密度，g/cm3；

V1——市政供水用量，L；

V2——濃硫酸用量，L；

M2——硫酸摩爾質(zhì)量，g/mol。

計算可得p為2.4，符合吸收液的理想pH范圍[8]。

圖1 臥式除氨平臺原理圖

圖2 試驗(yàn)臺架實(shí)物圖

1.2 試驗(yàn)方法

正交試驗(yàn)設(shè)計是研究多因素多水平的一種實(shí)用設(shè)計方法，該方法根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性具備“均勻分散，整齊可比”的組合特點(diǎn)[18]。本試驗(yàn)以噴淋方向A，酸洗泵頻率B，通風(fēng)風(fēng)速C為自變量，將這三個參數(shù)作為設(shè)計變量進(jìn)行正交試驗(yàn)，探究廢氣凈化系統(tǒng)在不同參數(shù)組合下對除氨效果的影響。

5.聯(lián)機(jī)模式下，用戶創(chuàng)建房間，第二個用戶會自動搜尋第一個未滿的房間，來加入到游戲中。進(jìn)入游戲后，通過比目提供的數(shù)據(jù)監(jiān)聽，來對數(shù)據(jù)進(jìn)行更新操作。當(dāng)本方為黑時，下棋結(jié)束后將執(zhí)方繼續(xù)置為黑，知道數(shù)據(jù)更新后才進(jìn)行行棋操作。

為便于填料結(jié)構(gòu)的安裝，在除氨平臺中常常采用方形的管道。因此從安裝的便利性出發(fā)，本次試驗(yàn)將酸洗噴頭的噴淋方向劃分為順流，逆流，錯流。

在酸洗泵頻率水平選取的試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)酸洗泵頻率f在20～40 Hz的區(qū)間時，酸洗室噴嘴的壓力適中，噴射出的溶液易于覆蓋整個酸洗簾，凈化效果較好。綜合分析酸洗泵頻率f對凈化效率的波動影響，確定以20 Hz、30 Hz及40 Hz作為酸洗泵頻率f的3個水平劃分。

由于試驗(yàn)平臺配備風(fēng)機(jī)扇葉半徑為0.5 m，通風(fēng)截面為0.64 m2，對云南某大型豬舍調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，在一個含有140頭豬的豬舍中內(nèi)常配有3臺風(fēng)機(jī)。因此在有3臺風(fēng)機(jī)的除氨平臺系統(tǒng)中，則總的通風(fēng)截面為1.92 m2。通過查詢《規(guī)?；i場環(huán)境參數(shù)及環(huán)境管理》(GB/T 17824.3—2008)得知豬舍的平均所需通風(fēng)量，將豬舍總通風(fēng)量除該截面積與時間，可計算出豬舍屋頂風(fēng)機(jī)的瞬時通風(fēng)風(fēng)速。由于冬季中豬舍廢氣產(chǎn)生較少，選取春秋季及夏季的通風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算。綜合設(shè)定試驗(yàn)平臺模擬末端的風(fēng)機(jī)風(fēng)速為1 m/s，1.43 m/s，1.89 m/s。

因此本次試驗(yàn)中主要因素的對應(yīng)水平分級為：噴淋方向(錯流，順流，逆流)，酸洗泵頻率f(20 Hz、30 Hz、40 Hz)，通風(fēng)風(fēng)速v(1 m/s、1.43 m/s、1.89 m/s)。其中，噴淋方向因素的各水平的描述是相對于通風(fēng)風(fēng)向確定的。酸洗泵頻率為20 Hz時，可保證填料結(jié)構(gòu)被浸濕。由上述的因素水平建立正交試驗(yàn)的正交因素水平表，如表1所示。

表1 正交因素水平表Tab. 1 Orthogonal factor level table

根據(jù)已經(jīng)建立的正交因素表，借助統(tǒng)計分析軟件SPSS生成混合水平正交表L9(33)[19]，如表2所示。

表2 混合水平正交試驗(yàn)表Tab. 2 Orthogonal test of mixed level

規(guī)定每組試驗(yàn)時長為25 min，各組之間間隔25 min，以減少組間的干擾?？刂迫肟诎睔鉂舛缺３衷?0～45 g/m3內(nèi)波動。分別記錄每組試驗(yàn)的“耗電kW·h”、“每時刻進(jìn)出口氨氣濃度大小”。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)完成后計算各組在入口氨氣濃度在30～45 g/m3內(nèi)的除氨效率η的變化，其中除氨效率η計算如式(2)所示。

(2)

式中：CNH3,in——入口氨氣濃度，g/m3；

CNH3,out——出口氨氣濃度，g/m3。

均勻選取30～45 g/m3之間的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計各個組合的平均凈化效率，結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)統(tǒng)計表Tab. 3 Statistical table of orthogonal test

通過試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計后進(jìn)行正交試驗(yàn)，再根據(jù)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做相應(yīng)的方差分析，從而得到各參數(shù)對于質(zhì)量目標(biāo)的影響程度，最后對各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析后得到最佳參數(shù)組合。

(a) 組合1 (b) 組合2 (c) 組合3

(d) 組合4 (e) 組合5 (f) 組合6

(g) 組合7 (h) 組合8 (i) 組合9

2.2 試驗(yàn)分析

2.2.1 極差分析

極差分析法是通過計算每一個因素的極差來分析問題，極差大小反映了該因素在不同水平下對目標(biāo)的影響大小。在正交試驗(yàn)中，極差是在每個水平之和中由最大值減去最小值，極差大說明此因素的不同水平產(chǎn)生的差異較大，是重要因素，對試驗(yàn)結(jié)果影響明顯。下面通過極差分析法對試驗(yàn)中三種因素對除氨效率的影響進(jìn)行敏感度分析。

從表3中可以看出，A因素的極差RA=19.12，表明噴淋方向因素對除氨的效果影響最大。B因素的極差RB=9.25，說明酸洗泵頻率對除氨的效果有影響，但影響程度不大。C因素的極差RC=6.49，說明通風(fēng)風(fēng)速對除氨的效果影響不大。為了更加直觀起見，用作圖的方法表示因素和水平的變動情況。將各因素的水平做橫坐標(biāo)，各水平的平均值為縱坐標(biāo)，作因素水平效應(yīng)圖。如圖4所示，噴淋方向在水平上有明顯的差異。這是由于在臥式廢氣凈化系統(tǒng)中，錯流噴淋方式保證填料結(jié)構(gòu)的充分濕潤，使的氨氣氣體在填料中得到充分反應(yīng)。通風(fēng)風(fēng)速和酸洗泵頻率在1水平到2水平時有較大的變化，但2水平到3水平?jīng)]有明顯的差異。

圖4 因素水平效應(yīng)圖

2.2.2 方差分析

方差分析，又稱變量分析，是一種統(tǒng)計假設(shè)檢驗(yàn)方法，不僅是試驗(yàn)研究中分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重要方法，還是對正交試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確分析的保證[20]。它可以將引起變異的各個因素作用逐一分析出來，做出量的估計，進(jìn)而分析是哪些因素起主要作用，哪些因素起次要作用。下面對表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4～表7所示。

表4 除氨影響因素方差分析Tab. 4 Analysis of variance of influencing factorsof ammonia removal

表5 噴淋方向因素對除氨效率影響的Duncan多重分析表Tab. 5 Duncan multiple analysis of the effect of spraydirection on ammonia removal efficiency

表6 酸洗泵頻率因素對除氨效率影響的Duncan多重分析表Tab. 6 Duncan multiple analysis table of influence of picklingpump frequency on ammonia removal efficiency

表7 通風(fēng)風(fēng)速因素對除氨效率影響的Duncan多重分析表Tab. 7 Duncan multiple analysis of the effect of ventilationwind speed on ammonia removal efficiency

從方差分析表4中，噴淋方向的顯著性概率為0.047，小于0.05。說明在本試驗(yàn)中，噴淋方向是影響除氨效率顯著因素。酸洗泵頻率、通風(fēng)風(fēng)速因素的顯著性概率均大于0.05，對除氨效率的影響不顯著。從Duncan多重分析表5～表7比較中得出，噴淋方向因素的3水平除氨效率與1、2水平的除氨效率有顯著差異，并且3水平的除氨效果最差。在噴淋方向因素1、2水平之間的除氨效率差異不顯著。在通風(fēng)風(fēng)速與酸洗泵因素上，三個水平差異均不顯著。不顯著的水平差異可根據(jù)操作、成本方面出現(xiàn)，進(jìn)行水平的選擇。綜上，A1B2C1作為適宜的除氨方案。

3 結(jié)論

本文通過正交試驗(yàn)的方法，對帶有填料結(jié)構(gòu)的臥式廢氣凈化系統(tǒng)中主要的三種設(shè)計參數(shù)對除氨效率的影響進(jìn)行試驗(yàn)探究。將正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析和方差分析發(fā)現(xiàn)臥式除氨平臺與傳統(tǒng)的廢氣凈化系統(tǒng)的除氨影響因素的不同。在臥式除氨平臺中，噴淋方向?qū)Τ毙实挠绊懽畲?，在錯流、順流、逆流三個噴淋方向上的平均除氨效率分別為52.61%，45.74%，33.73%。通風(fēng)風(fēng)速次之，在1 m/s，1.43 m/s，1.89 m/s三個風(fēng)速上的平均除氨效率為50.48%，41.23%，43.99%。最后是酸洗泵頻率，其在20 Hz，30 Hz，40 Hz三個水平上的平均除氨效率為41.15%，47.64%，47%。并對該凈化系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化選擇，得出臥式廢氣凈化系統(tǒng)中A1B2C1組合的除氨效率理論上較優(yōu)。但從節(jié)能的角度出發(fā)，由于在可保證填料結(jié)構(gòu)被浸濕時，由于酸洗泵頻率對除氨效率的影響不顯著，A1B1C1也可作為備選組合作為試驗(yàn)臺架的設(shè)計參數(shù)。相對于第一種方案可減少0.046 kW·h的電量。所得的設(shè)計參數(shù)可以使該平臺的達(dá)到較高的除氨效率，并具有較低的用電成本。