CN102030568B

CN102030568B - 堆肥产生的热风循环利用的方法

Info

Publication number: CN102030568B
Application number: CN201010532099.1A
Authority: CN
Inventors: 李国学; 张红玉; 杨帆; 江滔
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: CN102030568A

Abstract

本发明公开了一种堆肥产生的热风循环利用的方法。本发明提供的利用堆肥产生的热量的方法，包括如下步骤：回收在发酵仓组A中堆肥过程中产生的热量，将回收的热量通入发酵仓B中，供发酵仓B中堆肥使用；所述发酵仓组A由至少一个、相互独立的且不同于发酵仓B的发酵仓构成。本发明的实验证明，本方法操作简单、易行，不仅实现了热能的循环利用，减少了资源浪费，而且根据实际情况提出了多仓情形下热能的最佳利用时段，此外也减少了这部分热能的处理费用，降低了生活垃圾堆肥处理的成本，该研究为堆肥技术的优化革新提供了科学的理论依据。

Description

堆肥产生的热风循环利用的方法

技术领域

本发明涉及一种堆肥产生的热风循环利用的方法。

背景技术

高温好氧堆肥技术是实现生活垃圾无害化、减量化和资源化的重要途径，堆肥过程中有机物的分解转化伴随着热量的释放，由于这部分热能携带在堆肥过程排放的废气中，废气在集中处理时热能也随之浪费，。

目前，对堆肥过程产生的热能的研究主要集中在以下几个方面：1、热能的计算，通过计算表明在高温发酵阶段平均有1136kJ/kg的热能产生，这些热能的37.4％来自有机物的氧化分解；2、通过计算堆肥过程中的热能平衡来优化堆肥工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用堆肥产生的热量的方法。

本发明提供的方法，包括如下步骤：回收在发酵仓组A中堆肥过程中产生的热量，将回收的热量通入发酵仓B中，供发酵仓B中堆肥使用；所述发酵仓组A由至少一个、相互独立的且不同于发酵仓B的发酵仓构成。

本发明的另一个目的是提供一种堆肥方法。

本发明提供的方法，包括如下步骤：

1)将堆体进行高温发酵，得到一次堆肥产物；

2)将步骤1)所述一次堆肥产物继续发酵，得到肥料。

步骤1)中，所述堆体进行高温发酵的方法包括如下步骤：

A、将所述堆体布料到发酵仓B中；

B、向所述发酵仓B中通入热气体，一边通入所述热气体，一边将所述堆体进行发酵，发酵至堆体的温度达到65℃；

所述热气体为发酵仓组A中堆肥过程中产生的40℃-55℃的气体；所述发酵仓组A由至少一个且不同于发酵仓B的发酵仓构成；

C、待所述堆体温度达到65℃，停止向所述发酵仓B内通入所述热气体，改为通入空气，一边通入所述空气，一边发酵，得到一次堆肥产物；

步骤2)中，所述继续发酵依次为如下D和E：

D、将步骤1)得到的所述一次堆肥产物堆成条垛，在温度为40℃-50℃、通入空气的条件下进行堆肥，得到后熟化产物；

E、将步骤D得到的所述后熟化产物进行筛分，收集粒径低于25mm的筛下物，将粒径小于等于25mm的筛下物堆成条垛，在温度为20℃-30℃、通入空气的条件下进行堆肥，得到二次堆肥产物。

步骤1)中，所述高温发酵的时间为8天，自所述堆体布料到发酵仓B时记为第0天；

所述步骤2)D中，所述堆肥的时间为12天，自得到一次堆肥产物记作第0天；

E中，所述堆肥的时间为12天，自得到后熟化产物记作第0天。

所述步骤1)的A中，所述堆体布料到发酵仓B形成长为27米，宽为4米，高为3.5米的堆体；发酵仓B所处的环境温度为-4℃-20℃，具体为-4℃、-3℃、0℃、1℃、5℃、10℃、14℃、15℃或20℃；

B中，所述通入热气体的通气量为0.1m³/min/m³堆体；所述发酵中的排气量为0.1m³/min/m³堆体；

C中，所述通入空气的通气量为0.1m³/min/m³堆体；所述发酵中的排气量为0.1m³/min/m³堆体；在通入所述发酵仓B之前，所述空气的温度为-4℃-20℃，具体为-4℃、-3℃、0℃、1℃、5℃、10℃、14℃、15℃或20℃；

步骤2)D中，所述通入空气的通气量为0.02m³/min/m³第一次堆肥产物；

E中，所述通入空气的通气量为0.0005m³/min/m³筛下物。

在所述步骤2)后，还将步骤2)的所述二次堆肥产物进行筛分，收集粒径小于等于12mm的筛下物，即为肥料；

所述D中，所述条垛的大小为长为27米，宽为4米，高为2.5米；

所述E中，所述条垛的大小为长为27米，宽为4米，高为2.0米。

所述堆体为生活垃圾；

所述生活垃圾的粒径为15mm-80mm，含水量为50％-60％(质量百分含量)，碳氮比为(23-26)∶1；

所述生活垃圾含水量具体为55％，碳氮比具体为24∶1。

步骤1)中，所述热气体是通过混合发酵仓组A中不同发酵仓的不同堆肥阶段产生的热气体得到的；

所述发酵仓组A为15个发酵仓，所述通入发酵仓B的热气体为如下1)、2)、3)或4)所示：15个发酵仓大小相同，

1)由发酵仓组A中9个处于高温期的发酵仓内产生的热气体、3个处于升温期的发酵仓内产生的热气体和3个处于常温期的发酵仓内产生的热气体混合得到的；

2)由发酵仓组A中12个处于高温期的发酵仓内产生的热气体和3个处于升温期的发酵仓内产生的热气体混合得到的；

3)由发酵仓组A中15个处于高温期的发酵仓内产生的热气体；

4)由发酵仓组A中12个处于高温期的发酵仓内产生的热气体和3个处于常温期的发酵仓内产生的热气体混合得到的；

所述高温期为发酵仓组A中发酵仓内的堆体温度为55℃-65℃的时期；

所述升温期为发酵仓组A中发酵仓内的堆体温度为40℃-45℃的时期；

所述常温期为发酵仓组A中发酵仓内的堆体温度为20℃-30℃的时期；

所述发酵仓组A中堆肥的方法与所述发酵仓B中堆肥方法相同。

一种由所述的方法得到的肥料也是本发明保护的范围。

本发明的实验证明，本发明基于能量回用的思想，将生活垃圾高温堆肥过程中产生的热能循环利用在堆肥的初期，以促进堆体升温，加快有机物分解，回收热量。根据外界环境温度的变化情况，提出了多仓热能循环利用的最佳开启时间。而且多仓热能循环利用情况下，进行堆肥实验，检测温度，通过分析计算不同时段各个发酵仓所处的温度状态，并以北京市2009年每个月的环境温度为基础，计算热风利用后发酵仓的实际温度和温度的升高率，结果表明一个堆肥周期内的循环热风的平均温度为44.9℃，外界环境温度越低，热风利用效果越明显，多仓热能循环利用的最佳时段是从10月份开始到次年的4月份。本发明的方法操作简单、易行，不仅实现了热能的循环利用，减少了资源浪费，而且根据实际情况提出了多仓热能的最佳利用时段，此外也减少了这部分热能的处理费用，降低了生活垃圾堆肥处理的成本，该研究为堆肥技术的优化革新提供了科学的理论依据。

附图说明

图1为多仓热量循环通风示意图

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1、热能循环利用进行堆肥

1、高温堆肥阶段的热能循环利用

以下实验采用的生活垃圾为马家楼转运站筛分的粒径为15mm-80mm(是堆肥实验单位(南宫堆肥厂)的堆肥原料，是由马家楼转运站筛分后的物料)的混合垃圾，有机物垃圾占60％(质量百分含量)，含水量为55％(质量百分含量)，碳氮比为24∶1。有机垃圾又称湿垃圾，是指生活垃圾中含有有机物成分的废弃物。主要是厨房菜渣、纸、纤维、竹木等。

生活垃圾中有机物平均含水率61％(质量百分含量)；有机物中挥发物含量，Vs＝65％；单位体积重量为0.3t/m³；有机物可降解系数，Kv＝50％；环境温度＝20℃，堆肥温度＝60℃；砖瓦煤灰渣含水率＝10％；进料有机物含量95％；预调的混合原料含水率为60％；出料水含量50％；

1t有机物中可降解的部分为1×0.65×0.5＝0.325t，可降解有机物视为(C₆H₁₂O₆)n，根据方程式：

(C₆H₁₂O₆)n+6nO₂＝6nCO₂+6nH₂O+n2817kJ

180n 192n 264n 108n 2817n

250g 267g 367g 150g 3913kJ

0.325t 0.347t 0.477t 0.195t 5086900kJ

0.347t的氧气可以换算为空气为1.637t(O₂为21.2％)，那么1t有机物经堆肥过程有0.325t被降解掉，可以消耗O₂为0.347t或1.637t空气，可产生0.477t CO₂，0.195t H₂O，产生5086900kJ的能量。

以南宫堆肥厂30个隧道发酵仓作为研究对象，分东西两侧各15个发酵仓为一个热量循环单元，将一侧由15个组成的堆肥隧道仓组A的出风主管道和另一侧的一个堆肥隧道仓B的供风主管道加装循环热风连接管，依次完成全部管道连接。15个发酵仓大小相同。隧道发酵仓的长、宽、高分别为27m、4m、4m，底部设有进风槽，进风槽设有多个进风孔，进风槽与进风管道连接，顶部设有一个排风口。

高温发酵为在堆体布料到发酵仓内，且堆体的温度55℃-65℃维持5天-7天。

在环境温度为5℃下，在通入所述热气体之前，发酵仓B所处的环境温度为5℃，进行如下实验：

回收发酵仓组A中的15个发酵仓高温发酵阶段产生的热气体(15个发酵仓均处于高温期)，然后进行如下操作：

1)、将堆肥原料布料到发酵仓B中形成堆体；堆体长27米，宽4米，高3.5米；

2)、向发酵仓B中通入热气体，一边通入所述热气体，一边将所述堆体进行发酵，发酵至堆体的温度达到65℃；；

3)、待堆体温度达到65℃，停止向发酵仓B内通入所述热气体，改为通入空气，一边通入所述空气，一边发酵，得到实验一次堆肥产物。所述空气的温度为5℃。

高温发酵的时间为8天，自所述堆体布料到发酵仓B时记为第0天；

所述向隧道仓B通入热气体的的通气量为0.1m³/min/m³堆体，所述风机鼓风通入空气的通气量为0.1m³/min/m³堆体。高温发酵中的排气量为0.1m³/min/m³堆体。

采用上述的方法，将2009年每个月的平均温度(-4℃、0℃、5℃、14℃、21℃、24℃、26℃、25℃、20℃、14℃、1℃、-3℃)作为环境温度进行高温发酵堆肥，分别得到每个月的一次堆肥产物。

采用上述的方法，唯一不同的是，高温发酵阶段不通入热气体，其余方法与上述堆肥一致，分别得到每个月的对照一次堆肥产物。

2、后熟化阶段

将高温堆肥阶段得到的每个月的一次堆肥产物和每个月的对照一次堆肥产物均开仓通空气进行后熟化阶段，具体为分别将所述一次堆肥产物堆成长为27米，宽为4米，高为2.5米条垛，在温度为40℃-50℃、通入空气的条件下进行堆肥，分别得到后熟化阶段的产物，后熟化的时间为12天，通入空气的通气量为0.02m³/min/m³第一次堆肥产物。

3、最终熟化阶段

将各种后熟化产物进行筛分，收集粒径低于25mm的筛下物，将粒径小于等于25mm的筛下物堆成长为27米，宽为4米，高为2.0米条垛，在温度为20℃-30℃、通入空气的条件下进行堆肥，得到二次堆肥产物。将二次堆肥产物进行12mm筛分，收集粒径小于等于12mm的筛下物，分别得到每个月的实验肥料和每个月的对照肥料。

堆肥的时间为12天。通空气的通气量为0.0005m³/min/m³筛下物。

4、检测热能循环利用率

通过检测混合气体温度上升比率，看出热能循环利用率，二者为直接的正相关。混合气体为将通入发酵仓B的回收的热空气和布料时带入的自然空气(即环境温度)混合得到的温度，此混合气体温度促进了发酵仓B内堆体温度的升高，促进发酵仓B高温发酵的进行。

之所以要分析发酵仓所处的状态，目的就是要计算发酵仓处于各种状态时循环热风的平均温度，随后不管发酵仓所处什么状态，所有发酵仓排出来的热风的混合平均温度就是开始计算的平均值，即通过一个管道连接15个发酵仓收集热风，然后在另外一个发酵仓布料完成后马上通入从管道收集的热风。当通入循环热风的堆体温度上升到65℃以后，马上通入新鲜空气，热风和新鲜空气的流量均为0.1m³/min.m³.

将北京市2009年每个月的平均温度作为环境温度，计算：

每天发酵仓的使用数量为3个，按照(常温期、升温期、高温期)分析15个发酵仓(发酵仓组A)在不同堆置时间段所处的温度状态，结果表明15个发酵仓在整个高温发酵阶段共存在7种状态如下所示，并且按照这7种状态不断循环。

状态1：9个高温期仓+3个升温期仓+3个常温期仓；(同状态1)

状态2：12个高温期仓+3个升温期仓；(同状态2)

状态3：15个高温期仓；(同状态3)

状态4：3个常温期仓+12个高温期仓；(同状态4)

状态5：9个高温期仓+3个升温期仓+3个常温期仓；(同状态1)

状态6：9个高温期仓+3个升温期仓+3个常温期仓；(同状态1)

状态7：9个高温期仓+3个升温期仓+3个常温期仓；(同状态1)

7种状态，共四种收集热空气的方式。

每种环境温度下，从发酵仓组A收集热气体，通入发酵仓B中进行堆肥，具体方法同上。

以状态1为例计算循环热风的温度：

设15个仓温度分别为t₁，t₂，t₃...，比热分别为c₁，c₂，c₃...，密度分别为ρ₁，ρ₂，ρ₃...，体积分别为V₁，V₂，V₃...，15个仓中的热气通入堆体原料中后的堆体原料的温度为T(℃)(混合气体温度)，t1＝t2＝t3＝...t9＝55℃，t₁₀＝t₁₁＝t₁₂＝40℃，t₁₃＝t₁₄＝t₁₅＝15℃，又假设c₁＝c₂＝c₃...，ρ₁＝ρ₂＝ρ₃...，V₁＝V₂＝...V₁₅。

则：

c₁ρ₁V₁(T-t₁)+c₁ρ₂V₂(T-t₂)...+c₉ρ₉V₉(T-t₉)+c₁₀ρ₁₀V₁₀(T-t₁₀)+c₁₁ρ₁₁V₁₁(T-t₁₁)+c₁₂ρ₁₂V₁₂(T-t₁₂)+c₁₃ρ₁₃V₁₃(T-t₁₃)+c₁₄ρ₁₄V₁₄(T-t₁₄)+c₁₅ρ₁₅V₁₅(T-t₁₅)＝0

得出T＝40℃。

以状态1为例计算环境温度和循环热风的混合温度：

循环气体温度为40℃，以新鲜空气5℃为例，设新鲜空气和循环气体的比热分别为c₁’和c₂’，密度分别为ρ₁’和ρ₂’，温度分别为t₁’和t₂’，体积分别为V₁’和V₂’，氧气浓度分别为21％和15％，混合气体温度为T，(℃)，又假设c₁’＝c₂’，ρ₁’＝ρ₂’，t₁’＝5℃，t₂’＝40℃。

依据公式c₁’·ρ₁’·V₁’·(T’-t₁’)+c₂’·ρ₂’·V₂’·(T’-t₂’)＝0

有

T^{,} = \frac{40 V_{2}^{,} + 5 V_{1}^{,}}{V_{1}^{,} + V_{2}^{,}}

(式3)

假设混合空气氧气最低浓度控制为18％，根据氧气物料平衡，则有：

V₁’·21％+V₂’·15％＝(V₁’+V₂’)·18％

即V₁’＝V₂’ (式4)

式4代入式3可得，混合空气温度T，＝27.5℃。

按照上述方法测定15个仓温度分别为t₁，t₂，t₃...，比热分别为c₁，c₂，c₃...，密度分别为ρ₁，ρ₂，ρ₃...，体积分别为V₁，V₂，V₃...，北京市2009年每个月的平均温度作为环境温度，计算环境温度下，状态3的热风多仓循环后发酵仓的温度(混合气体温度)，并根据公式：

其中：p-温度上升比率，

T_m-混合空气的温度，

T_e-环境温度。

计算在不同环境温度下收集不同状态下的热气体的后的混合气体温度具体结果如下表1所示。

表1北京1～12月环境平均温度条件下循环气体和混合空气温度表

按照上述方法将北京市2009年每个月的平均温度作为环境温度，计算温度上升比率，结果见表2所示，可以看出在北京市2009年从10月份开始到次年的4月份(环境温度为-4℃-20℃)，温度上升比率较明显，而5-9月份循环热风使用的效果相对不明显(环境温度大于20℃)，热能利用模式如图1所示。

表2.北京1-12月循环热风和混合空气温度

从上述结果可以看出，环境温度越低，温度上升比率就越高，在环境温度为-4℃、-3℃、0℃、1℃、5℃、10℃、14℃、15℃或20℃下表明热能的循环利用越高。

5、检测肥料

从上述可以看出，环境温度不高于20℃，热能循环利用高，因此对按上述方法1-3在2009年环境温度为-4℃、-3℃、0℃、1℃、5℃、10℃、14℃、15℃或20℃得到的实验肥料和对照肥料进行检测，实验肥料堆肥中通入的热气体是回收15个处于高温期发酵仓产生的热气体。

1)、温度检测高温发酵阶段堆肥周期

高温发酵阶段的天数通过温度检测，检测高温发酵阶段的各天的温度。结果为：环境温度为-4℃、-3℃、0℃、1℃、5℃、10℃、14℃、15℃或20℃得到的实验一次堆肥产物过程中，在堆肥的第2天堆肥温度就达到55℃以上，并在55℃以上65℃以下的温度条件下维持了7天；

环境温度为-4℃、-3℃、0℃、1℃、5℃、10℃、14℃、15℃或20℃得到的对照一次堆肥产物过程中，在堆肥的第4天堆体温度才达到55℃以上，并在55℃以上65℃以下的温度条件下维持到高温发酵结束(维持5天)，基本满足生活垃圾堆肥厂运行管理规范的要求(DB11/T 272～2005：55℃以上65℃以下的温度条件下维持5-7天)；因此按照DB11/T 272～2005的要求实验组比对照组更快达到55℃，在55℃以上65℃以下高温发酵维持时间更长，更利于肥料的发酵。而且可以看出得到实验一次堆肥产物可以缩短为7天。

2)、检测肥料GI值(种子发芽指数)

利用GI值(种子发芽指数)检测肥料，具体方法如下：

GI(％)：将垃圾样品按1∶10(m∶V)浸提过滤，取5mL浸提液于铺有滤纸的9cm培养皿内，播20粒饱满的小青菜种子，放置20℃培养箱中培养，第48h测种子发芽率指数GI，GI＝(浸提液培养种子发芽率×根长)/(对照种子发芽率×根长)×100％。

环境温度为-4℃、-3℃、0℃、1℃、5℃、10℃、14℃、15℃或20℃堆肥后分别得到的实验肥料的发芽率指数分别为80％，81％，83％，85％，88％，86％，90％，93％和97％，相应的对照试验的发芽率指数分别为77％，79％，80％，80％，82％，84％，86％，87％和88％。

从上述可以看出，环境温度为-4℃、-3℃、0℃、1℃、5℃、10℃、14℃、15℃或20℃下的实验肥料发芽率均比对照肥料高。

3)检测肥料养分含量：

检测环境温度为-4℃、-3℃、0℃、1℃、5℃、10℃、14℃、15℃或20℃得到的实验肥料和对照肥料中的有机质、N、P、K的含量。

有机质是指堆肥产品中以各种形式存在的含碳有机化合物的检测方法NY/T304～1995有机肥料有机物总量的测定；

N的检测方法NY/T297～1995(有机肥料全氮的测定)；

P的检测方法NY/T298～1995(有机肥料全磷的测定)；

K的检测方法NY/T299～1995(有机肥料全钾的测定)；

实验肥料的养分含量(全氮N+干基P₂O₅+干基K₂O)分别为2.7％，2.5％，2.6％，2.0％，2.6％，2.6％，2.9％，2.3％和2.7％，相应的对照肥料的养分含量分别为2.5％，2.2％，2.4％，1.7％，2.2％，2.3％，2.6％，2.0％和2.3％.

从上述可以看出，环境温度为-4℃、-3℃、0℃、1℃、5℃、10℃、14℃、15℃或20℃下的实验肥料养分含量(全氮N+干基P₂O₅+干基K₂O)均比对照肥料高。

Claims

1.一种堆肥方法，包括如下步骤：

1）、将堆体进行高温发酵，得到一次堆肥产物；所述堆体进行高温发酵的方法包括如下步骤：

A、将所述堆体布料到发酵仓B中；

2）、将步骤1）所述一次堆肥产物继续发酵，得到肥料；所述继续发酵依次为如下D和E：

D、将所述一次堆肥产物堆成条垛，在温度为40℃-50℃、通入空气的条件下进行堆肥，得到后熟化产物；

E、将步骤D得到的所述后熟化产物进行筛分，收集粒径低于25mm的筛下物，将粒径小于等于25mm的筛下物堆成条垛，在温度为20℃-30℃、通入空气的条件下进行堆肥，得到二次堆肥产物；

所述通入发酵仓B的热气体为由发酵仓组A中15个处于高温期的发酵仓内产生的热气体；所述高温期为：发酵仓组A中发酵仓内的堆体温度为55℃-65℃的时期；

所述热气体为发酵仓组A中堆肥过程中产生的40℃-55℃的气体；所述发酵仓组A由15个不同于发酵仓B的发酵仓构成；

所述堆体为生活垃圾；

发酵仓B所处的环境温度为-4℃-20℃。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1）中，所述高温发酵的时间为8天，自所述堆体布料到发酵仓B时记为第0天；

所述步骤D中，所述堆肥的时间为12天，自得到一次堆肥产物记作第0天；

所述步骤E中，所述堆肥的时间为12天，自得到后熟化产物记作第0天。

3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤A中，所述堆体布料到发酵仓B形成长为27米，宽为4米，高为3.5米的堆体；

所述步骤A中，发酵仓B所处的环境温度为-4℃、-3℃、0℃、1℃、5℃、10℃、14℃、15℃或20℃；

所述步骤B中，所述通入热气体的通气量为0.1m³/min/m³堆体；所述发酵中的排气量为0.1m³/min/m³堆体；

所述步骤C中，所述通入空气的通气量为0.1m³/min/m³堆体；所述发酵中的排气量为0.1m³/min/m³堆体；在通入所述发酵仓B之前，所述空气的温度为-4℃-20℃；

所述步骤D中，所述通入空气的通气量为0.02 m³/min/m³第一次堆肥产物；

所述步骤E中，所述通入空气的通气量为0.0005 m³/min/m³筛下物。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在通入所述发酵仓B之前，所述空气的温度为-4℃、-3℃、0℃、1℃、5℃、10℃、14℃、15℃或20℃。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在所述步骤2）后，还将步骤2）的所述二次堆肥产物进行筛分，收集粒径小于等于12mm的筛下物，即为肥料；

所述步骤D中，所述条垛的大小为长为27米，宽为4米，高为2.5米；

所述步骤E中，所述条垛的大小为长为27米，宽为4米，高为2.0米。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述生活垃圾的粒径为15 mm -80mm，含水量为50%-60%（质量百分含量），碳氮比为（23-26）：1。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述生活垃圾的含水量为55%，碳氮比为24:1。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述发酵仓组A中堆肥的方法与所述发酵仓B中堆肥方法相同。

9.一种由权利要求1-8任一所述的方法得到的肥料。