基于simulink的猪粪好氧堆肥热量平衡仿真模型研究

基于SIMULINK的猪粪好氧堆肥热量平衡仿真研究

王永江 黄光群 韩鲁佳

（中国农业大学工学院，北京 100083）

摘 要：本研究在热量守恒定律的基础上，利用SIMULINK工具箱建立猪粪好氧堆肥过程热量平衡仿真模型，更加直观的对反应器好氧堆肥热量平衡的各个组成部分进行仿真分析。热量平衡仿真模型考虑了进出口气体携带的热量、有机质生物降解产热量和堆肥反应器表面传导热量。利用实验室堆肥反应器进行仿真模型验证试验，结果表明：仿真模型模拟值与堆肥试验实际测量值表现出较好的一致性，在通气量较小的情况下，反应器表面的热传递是主要的热量交换方式；变换试验参数可以进行热量动态仿真分析。所建好氧堆肥过程热量平衡模型有一定的伦理价值和实际意义。 关键词：仿真模型，好氧堆肥，热量平衡，反应器堆肥 中途分类号： S141.4 文献标识码：A

?

0 引 言

随着我国畜禽养殖业得集约化发展，畜

加便捷和直观，以期进一步探究堆肥过程动

力学特征和推动堆肥过程实时控制的实现。

禽粪便年产量约为30亿吨[1]。高温好氧堆肥技术是畜禽粪便无害化，资源化利用的有效途径[2~4]。好氧堆肥过程是一个有堆肥微

生物参与的，复杂的物理和化学变化的过程

[2,5]

１ 好氧堆肥热量平衡模型

根据能量守恒定律，堆肥系的热量平衡可以用方程描述为：热量积累=热量输入+热

量产出-热量输出[8]，上述方程是堆肥过程热量平衡模拟和仿真的理论基础。在能量守恒原理基础上建立的实验室反应器堆肥系统的热量平衡模型[8,9]如下：

mcdTdt?GiHi?GoHo?UA(T?T0)?dVSdtHC (1)

。表现为有机质成分和含量的变化、含水率的变化、温度的变化、气体成分（如氧气、二氧化碳、甲烷、氨气和硫化氢等）的变化及微生物的生长和消亡等现象。堆肥数学模型提供了一种描述堆肥系统中物理学、化学和生物学变量相互制约的关系的方法[3]

。过程模拟技术正越来越多的用来预测堆肥结果和指导工程实践[5~7]。

MATLAB经过长期不断的发展和完善，已经成为当今世界上最优秀的数值计算软件，其自带的SIMULINK工具箱由模块库、模型构造、指令分析和演示程序构成，是模块化和模型化的动态系统仿真环境。本研究在建立数学模型的基础上，利用SIMULINK工具箱实现猪粪好氧堆肥工程中的热量平衡仿真，使得对堆肥过程热量平衡的研究更 收稿日期： 修订日期： 项目基金：“十一五”国家科技支撑计划资助项目（2006BAD10B05）；中国农业大学研究生科研创新专项资助项目。

作者简介：王永江（1985—），男（汉），山东寿光人，博士研究生，主要从事生物质资源与利用研究。北京 海淀区清华东路17号232信箱，100083。Email: purelar@yahoo.cn 通讯作者：韩鲁佳（1964—），女（汉），籍贯，教授，博士，主要从事生物质资源与利用研究。北京 海淀区清华东路17号232信箱，100083。Email:hanlj@cau.edu.cn

G表示进气口或出气口气体质量其中：

流量，kg/d；T0表示实验室环境温度；HU表示堆表示进气口或出气口气体的焓值；

肥反应器的总传热系数，W/㎡·℃；A表示

反应器的总传热面积，m，取

[9]

UA=0.4077W/℃；HC表示生化反应热，

kg；VS表示堆肥过程中VS的含量，KJ/kg；

d。t表示反应时间，m表示堆体质量，kg；

2c表示堆体和反应器的比热，KJ/kg·℃。

假定堆肥过程中有机质的降解符合

Monod一级降解动力学方程形式：

dVSdt??k?(VS)

?1(2) 。

其中：k表示反应速率，d反应速率受温度、含水率、氧浓度和自由空域等因素的影响[3,8]：

k?kT?kM?kO2?kFas

(3)

其中：kTi表示温度对反应速率的影响；

kM表示含水率对反应速率的影响校正，取

kFas?1e(?23.675?Fas?3.4945)?1

O2(7)

值范围：0~1；kO表示氧浓度对反应速率的

2其中：M表示堆体含水率，%；V表示堆体内部氧气体积浓度，%；Fas表示堆体

的自由空域，%。

影响校正，取值范围：0~1；kFas表示自由空域对反应速率的影响校正，取值范围：0~1。

温度对反应速率的影响可用Andrews-Kambhu方程[10]表达如下：

kT?k0?[c1(T?30)2 SIMULINK建模

2.1 输入空气所携带的热量

泵入堆肥反应器的空气所携带的热量为空气质量与输入空气所携带焓值的乘积。空气的焓值是每千克空气及其所携带的水蒸气焓值之和[11]，可表达为： (8) H?(1.01?1.88x)t?2491x

其中：H表示出口或入口气体的焓值，kJ/kg；x表示出口或入口气体的湿含量，又称绝对湿度，表示每千克干空气中含有水蒸

?c2(T?60)] (4)

其中：k0表示不同反应阶段的反应速率常数；c1，c2表示温度系数； T表示堆体温度，℃。

含水率、氧浓度和自由空域对反应速率的影响可用方程[2]分别表达如下：

kM?1e(?17.684?M?7.0622)?1 (5) (6)

气的质量，kg/kg；t表示出口或入口气体的温度，℃。

输入空气所携带热量的SIMULINK模型如图1所示：

kO2?VO2VO2?2

图1输入气体热量的模型框图 Fig.1 Thermal model diagram of input gas

2.2 出口气体所携带的热量

根据堆肥过程气体流动过程分析，环境空气在通风泵作用下进入反应器参与生化反应，反应后可认为其总气体体积近似不变，所以进出口气体体积流量保持不变。气

体在流经高温高湿堆体之后，温度基本上与堆体温度相同，并且基本达到饱和温度，可近似认为出口气体的相对湿度为90%。出口气体所携热量的SIMULINK模型如图2所示。

图2 输出气体热量的模型框图 Fig.2 Thermal model diagram of output gas

2.3 有机质降解反应热

好氧堆肥过程中能够降解的有机物主要有糖类、蛋白类、脂肪类和纤维类，不同的有机质在堆肥过程中的降解呈现梯次性

[12]

时间函数如下：

?1.837?1070?t?3.5?7 HC??(?0.0409t?1.9802)?103.5?t?9(9)

?71.612?109?t?14?有机质降解反应热的SIMULINK模型

，由于不同的降解阶段主要参与降解的有机质的种类不同，有机质降解热系数亦应该是时间的函数，通过堆肥过程取样和文献数据[3,8,12]，得到堆肥过程中降解反应热系数的

如图3所示。

图3 有机质降解反应热的模型框图

Fig.3 Thermal model diagram of organics degradation

2.4 反应器表面热损量

堆肥反应器表面的热损量用总传热系数、总传热面积和温差以乘积UA（T-T0）

的形式表达。取U值为0.4077W/℃。反应器表面热损量的SIMLINK模型如图4所示。

[9]

图4 反应器表面热损失模型框图

Fig.4 Thermal model diagram of heat loss from reactor surface

3 结果和讨论

本研究利用实验室小型堆肥反应器进行猪粪、麦秸混合好氧堆肥试验研究。堆肥反应器有效容积15L，通风方式为连续通风（升温期/高温期/降温期的通风速率分别为0.4/0.3/0.2L/min），堆肥试验和数据采集周期为14d。温度变化的实际测量值与模型仿真值的验证结果如图5所示。温度变化的实际测量值与模型仿真值有一定的差距，这可能是因为在建立仿真模型时忽略了辐射散热的影响，或是因为堆体空间梯度性较大，与模型对堆体均匀性的假设不符，影响了模型的准确性。

图5 温度变化的实测值与模拟值对比 Fig. 5 Predicted and observed values of Temperature

[13]

和通风方式

[14]

，出口气体所携带的热量约占

总热量的17~55%[15]，本仿真结果中出口气体所携带的热量占总热量的比例较小，可能是因为模型没有考虑到水蒸气潜热的影响，也可能与通气量小和气流平缓有关。

图6 进口气体的焓值 Fig.6 Enthalpy value of inlet air

图7 出口气体的焓值 Fig. 7 Enthalpy value of exhaust air

图8 反应器表面所散失的热量 Fig. 8 Thermal loss through conduction during

composting

图6所示为进口输入空气所携带的热量，主要由通风量的大小决定，图7显示了出口气体所携带的热量，图8所示为通过反应器表面所散失的热量，图9显示了有机质降解的产热量，通过比对图6~9可知，有机质的降解是主要的热量来源形式，而热量的散失主要是通过反应器表面的热交换，因此，建造堆肥反应器是要考虑创造有利条件保障有机质的降解和注意保温设计。有机质的有效降解与pH、含水率、调理剂、C/N等诸多因素有关，不作进一步讨论，但热量的散失方式主要取决于堆肥反应器的型式

图9 BVS降解的产热量

Fig. 9 Thermal generation from BVS degradation

4 结束语

随着好氧堆肥技术研究的深入，对堆肥过程机理的研究提出了更高的要求。采用SIMULINK工具箱可以简单快捷的建立好氧堆肥过程动力学仿真模型，直观的分析各个状态变量的变化，得到仿真结果，是进行好氧堆肥过程仿真分析的有力工具。利用小型堆肥反应器对所建好氧堆肥仿真模型进行了验证试验，结果表明仿真结果与实际测