CN111072412A - 一种好氧发酵过程的数值模拟试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种好氧发酵过程的数值模拟试验系统，其特征在于，包括发酵罐体、废气处理系统、翻抛装置、曝气系统、喷淋装置、采集装置和控制系统；发酵罐体采用顶部开口的罐体结构，发酵罐体顶部设置有密封盖和废气处理系统；发酵罐体内纵向设置有翻抛装置，发酵罐体内侧的底部设置有斜板，斜板上方设置有筛板；位于斜板与筛板之间，发酵罐体内还设置有曝气系统；发酵罐体一侧的下部设置有渗液管，渗液管一端与斜板的底部末端相对应，渗液管另一端连接集液箱；发酵罐体一侧的上部设置有喷淋装置，发酵罐体的一侧还开设有若干取样口；位于密封盖与筛板之间，发酵罐体另一侧阵列式间隔设置有若干采集装置，本发明可广泛用于模拟试验装置技术领域中。
Description
技术领域
本发明是关于一种好氧发酵过程的数值模拟试验系统，属于模拟试验装置技术领域。
背景技术
据统计，中国2016年畜禽粪便的产量高达38亿吨，秸秆产量高达10.2亿吨，这些农业有机废弃物的不当处理，导致广泛的环境污染与严重的生态破坏。农业有机废弃物富含多种微量元素和营养元素，好氧发酵处理可有效实现有机废弃物的资源化、无害化与减量化处理，生产的有机肥是实现农业绿色发展不可或缺的肥料来源，因此，好氧发酵处理是农业有机废弃物处理利用的主要方式。好氧发酵过程中，物料温度和含水率等理化性质以及气体迁移转化和分布的不均匀，导致不同发酵阶段堆体内物料理化特性、气体迁移转化具有明显空间性，影响发酵物料的腐熟均一性。通过数值模拟和仿真计算，对好氧发酵过程进行分析和预测，对于指导工艺设计和技术、提高研究效率和节约试验成本等具有重要意义。
现有技术公开了一种寒地好氧堆肥发酵环境因子远程监控系统，采用采集装置、AD转换模块换和数据库服务器等，仅实现了堆肥的环境参数数据的采集和监控。现有技术还公开了一种好氧堆肥模型建立及模拟方法，通过建立好氧堆肥模型，实现好氧堆肥反应过程中温度、氧气浓度的空间分布预测。但是，现有技术均未对好氧发酵模拟值和实测值实现可视化，也未对误差进行分析对比，无法确定优化的发酵物料的理化特性。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够对好氧发酵模拟值和实测值实现可视化，并能够确定优化的发酵物料的理化特性的好氧发酵过程的数值模拟试验系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种好氧发酵过程的数值模拟试验系统，其特征在于，包括发酵罐体、废气处理系统、翻抛装置、曝气系统、喷淋装置、采集装置和控制系统；所述发酵罐体采用顶部开口的罐体结构，所述发酵罐体的顶部设置有密封盖和所述废气处理系统；所述发酵罐体内纵向设置有所述翻抛装置，所述发酵罐体内侧的底部设置有斜板，所述斜板的上方设置有筛板；位于所述斜板与所述筛板之间，所述发酵罐体内还设置有所述曝气系统；所述发酵罐体一侧的下部设置有渗液管，所述渗液管的一端与所述斜板的底部末端相对应，所述渗液管的另一端连接集液箱；所述发酵罐体一侧的上部设置有所述喷淋装置，所述发酵罐体的一侧还开设有若干取样口；位于所述密封盖与所述筛板之间，所述发酵罐体的另一侧阵列式间隔设置有若干所述采集装置，所述采集装置用于实时采集所述发酵罐体内对应位置的温度、湿度和/或含氧量数据；所述控制系统分别电连接所述废气处理系统、翻抛装置、曝气系统、喷淋装置和采集装置。
优选地，所述曝气系统包括布气管、空气泵、加温加湿器和流量计；位于所述斜板上方，所述发酵罐体内设置有若干所述布气管，每一所述布气管的一端均穿出所述发酵罐体与所述空气泵连接；每一所述布气管位于所述发酵罐体内侧的部分均开设有若干出气孔；每一所述布气管位于所述发酵罐体外侧的部分均设置有所述加温加湿器和流量计；所述控制系统分别电连接所述空气泵、加温加湿器和流量计。
优选地，每一所述出气孔内均设置有单向阀。
优选地，所述发酵罐体另一侧的内壁上纵向间隔设置有若干支撑架，每一所述支撑架上均间隔设置有若干所述采集装置。
优选地，所述采集装置包括温度传感器、氧气传感器和/或湿度传感器，所述温度传感器用于采集所述发酵罐体内的温度数据，所述氧气传感器用于采集所述发酵罐体内的含氧量数据，所述湿度传感器用于采集所述发酵罐体内的湿度数据。
优选地，所述废气处理系统包括排气管、气泵、气体分析仪和废气处理器；所述发酵罐体的顶部插设固定所述排气管，所述排气管的一端与所述发酵罐体的内部空腔连通，所述排气管的另一端连接所述废气处理器，所述废气处理器用于吸收发酵过程中产生的有毒有害气体，所述排气管上设置有所述气泵和气体分析仪，且所述气泵和气体分析仪均设置在所述废气处理器的上方，所述气泵用于将所述发酵罐体内物料上方的气体抽出，所述气体分析仪用于分析好氧发酵过程中产生的气体中NH3、H2S和CO2物质的浓度；所述控制系统分别电连接所述气泵和气体分析仪。
优选地，所述控制系统包括信号转换器、气体检测仪、控制器和计算机，其中，所述计算机内设置有参数设定模块、即时数据处理模块、数值模拟数据处理模块、好氧发酵控制模块、显示模块和数据库；所述信号转换器用于将各所述采集装置采集的电信号形式的温度、湿度和/或含氧量指标数据转换为数字信号形式的指标数据；所述气体检测仪用于检测所述发酵罐体内不同采集点位的气体成分；所述参数设定模块用于预先设定好氧发酵初始物料特性和发酵控制参数；所述即时数据处理模块用于根据各所述采集装置采集的指标数据、所述流量计监测的曝气量和所述气体分析仪分析的物质浓度，对所述发酵罐体内各层不同位置的发酵物料进行插值分析，得到所述发酵罐体不同位置的发酵物料理化特性的插值分析结果；所述数值模拟数据处理模块用于预设的根据好氧发酵初始物料特性和发酵控制参数，对所述发酵罐体内各层不同位置的发酵物料理化特性进行模拟预测，得到所述发酵罐体不同位置的发酵物料理化特性的模拟预测结果，并将模拟预测结果与对应插值分析结果进行对比，得到对比结果；所述好氧发酵控制模块用于对各所述采集装置采集的指标数据进行记录和储存，以及根据插值分析结果和发酵控制参数，控制所述翻抛装置、喷淋装置的运行以及通过所述控制器控制所述曝气系统和废气处理系统的运行；所述显示模块用于实时显示插值分析结果、模拟预测结果和对比结果；所述数据库用于实时存储各所述采集装置采集的指标数据、所述流量计监测的曝气量、所述气体分析仪分析的物质浓度、插值分析结果、模拟预测结果以及所述控制系统工作中产生的工作数据。
优选地，所述发酵罐体采用双层式罐体结构，所述发酵罐体的内壁和所述密封盖的内表面均涂覆有耐腐蚀涂层，所述发酵罐体的双层内壁之间和所述密封盖的内部均填充有保温材料。
优选地，所述发酵罐体的底部两侧通过滚轮支撑连接滚轮。
优选地，所述翻抛装置采用立式桨叶式翻抛装置。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在发酵罐体内阵列式设置有若干采集装置，可以全面地检测并采集发酵物料不同截面的温度、湿度和/或含氧量等所需数据，全面掌握发酵过程中堆体关键指标的分布，并进行可视化显示。2、本发明将根据各采集装置采集的数据、流量计监测的曝气量和气体分析仪分析的物质浓度得到的数据实测值与模拟值进行比较，得到的对比结果可以用于好氧发酵过程的模拟，提高模拟的精度，指导好氧发酵工艺的实际运行，可以广泛应用于模拟试验装置技术领域中。
附图说明
图1是本发明系统的整体结构示意图；
图2是本发明系统中发酵罐主体的曝气管道结构和曝气孔布置的俯视图；
图3是本发明系统中发酵罐主体的横向监测点分布示意图；
图4是本发明系统中发酵罐主体的纵向监测点分布网示意图；
图5是本发明系统的使用方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供的好氧发酵过程的数值模拟试验系统包括发酵罐体1、翻抛装置2、曝气系统3、集液箱4、喷淋装置5、采集装置6、废气处理系统7和控制系统8。
发酵罐体1为顶部开口的双层式罐体结构，发酵罐体1的底部两侧通过滚轮11支撑连接滚轮11，发酵罐体1的顶部设置有密封盖12。发酵罐体1内纵向设置有翻抛装置2，用于对发酵罐体1内的物料进行翻抛。发酵罐体1内侧的底部设置有斜板13，位于斜板13的上方，发酵罐体1内设置有筛板14，且筛板14的顶部与翻抛装置2的底部贴合。位于斜板13与筛板14之间，发酵罐体1内还设置有曝气系统3，用于为发酵罐体1内的物料供给充足的氧气。发酵罐体1一侧内壁的下部设置有渗液管15，渗液管15的一端与斜板13的底部末端相对应，渗液管15的另一端连接集液箱4，用于测定渗滤液产生量。发酵罐体1一侧内壁的上部设置有喷淋装置5，用于向发酵罐体1内的物料喷淋水分和微生物菌剂等液体。位于喷淋装置5下方，发酵罐体1一侧的内壁还根据物料高度设置多个取样口16，用于快速对发酵罐体1内的物料进行采集。位于密封盖12与筛板14之间，发酵罐体1的另一侧阵列式间隔设置有若干采集装置6，若干采集装置6用于实时采集发酵罐体1内对应位置的温度、湿度和/或含氧量等指标数据。发酵罐体1的顶部设置有废气处理系统7，用于将发酵过程中产生的废气抽出发酵罐体1。
翻抛装置2、曝气系统3、喷淋装置5、采集装置6和废气处理系统7分别电连接控制系统8。
在一个优选的实施例中，如图2所示，曝气系统3包括布气管31、空气泵32、加温加湿器33和流量计34。位于斜板13上方，发酵罐体1内设置有若干条布气管31，每一布气管31的一端均穿出发酵罐体1与空气泵32连接。每一布气管31位于发酵罐体1内侧的部分均开设有若干出气孔311，且出气孔311内设置有单向阀，以防渗液倒流。空气泵32的工作强度和均布在布气管31上的出气孔311密度，可满足不同物料下的工作要求。每一布气管31位于发酵罐体1外侧的部分均设置有加温加湿器33和流量计34，加温加湿器33用于向发酵罐体1内加热及加湿，流量计34用于实时监测发酵罐体1的曝气量。另外，空气泵32、加温加湿器33和流量计34分别电连接控制系统8。
在一个优选的实施例中，采集装置6包括温度传感器、氧气传感器和/或湿度传感器，温度传感器用于采集发酵罐体1内的温度数据，氧气传感器用于采集发酵罐体1内的含氧量数据，湿度传感器用于采集发酵罐体1内的湿度数据。
在一个优选的实施例中，如图3所示，发酵罐体1另一侧的内壁上纵向间隔设置有若干支撑架17，每一支撑架17上均间隔设置有采集点位a1、b1、c1和d1，每一采集点位上均设置有一采集装置6。如图4所示，在发酵罐体1纵向监测点分布网示意图中，在纵向上等距确定a1～a5五个采集点位，沿发酵罐体1的半径方向等距设置四个监测点，用于布设支撑架17，可形成采集点位网(a1～d5共20个采集点位)采集发酵罐体1的各层数据(设定发酵罐体1内每两个支撑架17之间为一层，发酵罐体1从下向上为第1层～第n层)，进而控制系统8能够采用插值法确定纵向截面上其它采集点位的相关指标数据。
在一个优选的实施例中，废气处理系统7包括排气管71、废气处理器72、气泵73和气体分析仪74。发酵罐体1的顶部插设固定排气管71，排气管71的一端与发酵罐体1的内部空腔连通，排气管71的另一端连接废气处理器72，排气管71上设置有气泵73和气体分析仪74，且气泵73和气体分析仪74均设置在废气处理器72的上方，气泵73用于将发酵罐体1内物料上方的气体抽出，气体分析仪74用于采用电化学传感器方法，分析好氧发酵过程中产生的气体中NH3、H2S和CO2等物质的浓度，废气处理器72用于采用滤料例如活性炭，吸收发酵过程中产生的气体中NH3和H2S等有毒有害气体，确保实用性。气泵73和气体分析仪74分别电连接控制系统8。
在一个优选的实施例中，控制系统8包括信号转换器81、气体检测仪82、控制器83和计算机84，其中，计算机84分别电连接信号转换器81、气体检测仪82和控制器83，计算机84内设置有参数设定模块、即时数据处理模块、数值模拟数据处理模块、好氧发酵控制模块、显示模块和数据库。
信号转换器81用于将各采集装置6采集的电信号形式的温度、湿度和/或含氧量等指标数据转换为数字信号形式的指标数据。
气体检测仪82用于检测发酵罐体1内不同采集点位的气体成分。
参数设定模块用于预先设定好氧发酵初始物料特性(包括物料种类及配比、初始含水率、pH和挥发性固体等参数)和发酵控制参数(包括通风和翻抛等参数)。
即时数据处理模块用于根据各采集装置6采集的温度、湿度和/或含氧量等指标数据、流量计34监测的曝气量和气体分析仪74分析的物质浓度，对发酵罐体1内各层不同位置的发酵物料理化特性进行插值分析，得到发酵罐体1不同位置的发酵物料理化特性的插值分析结果，即发酵物料的真实理化特性。
数值模拟数据处理模块用于根据预设的好氧发酵初始物料特性和发酵控制参数，对发酵罐体1内各层不同位置的发酵物料理化特性进行模拟预测，得到发酵罐体1不同位置的发酵物料理化特性的模拟预测结果，即发酵物料的模拟理化特性，并将模拟预测结果与对应插值分析结果进行对比，得到对比结果，即预测值与实测值之间的差值和相对误差，其中，数值模拟数据处理模块进行模拟预测可以采用现有技术公开的模拟方法或程序，具体过程在此不多做赘述。
好氧发酵控制模块用于对各采集装置6采集的温度、湿度和/或含氧量等指标数据进行记录和储存，好氧发酵控制模块还用于根据插值分析结果和发酵控制参数，控制翻抛装置2、喷淋装置5的运行以及通过控制器83控制曝气系统3和废气处理系统7的运行。
显示模块用于实时显示插值分析结果、模拟预测结果和对比结果。
数据库用于实时存储各采集装置6采集的指标数据、流量计34监测的曝气量、气体分析仪74分析的物质浓度、插值分析结果、模拟预测结果以及控制系统8工作中产生的工作数据等。
在一个优选的实施例中，发酵罐体1的内壁和密封盖12的内表面均涂覆有耐腐蚀涂层，发酵罐体1的双层内壁之间和密封盖12的内部均填充有保温材料，以避免环境温度对发酵物料的影响，保证好氧发酵顺利进行。
在一个优选的实施例中，翻抛装置2可以采用立式桨叶式翻抛装置。
如图5所示，下面通过具体实施例详细说明本发明好氧发酵过程的数值模拟试验系统的使用过程：
1)计算机84预先设定好氧发酵初始物料特性和发酵控制参数。
2)控制系统8根据预先设定的发酵控制参数，控制翻抛装置2、空气泵32、加温加湿器33、喷淋装置5和废气处理器72工作。
3)每一采集装置6均实时采集其位置的温度、湿度和/或含氧量等指标数据，流量计34实时监测发酵罐体1的曝气量，气体分析仪74实时分析发酵过程中产生的气体中NH3、H2S和CO2等物质的浓度；同时，计算机84根据好氧发酵初始物料特性和预设的发酵控制参数，对发酵罐体1内不同位置发酵物料的理化特性分别进行模拟预测，得到模拟预测结果，并进行显示。
4)计算机84对各采集装置6、流量计34和气体分析仪74获取的数据分别进行插值分析，得到插值分析结果，并进行显示。
5)计算机84将得到的模拟预测结果与插值分析结果进行对比，得到对比结果，并进行显示。
6)若对比结果在预先设定的阈值内，则重新设定好氧发酵初始物料特性和发酵控制参数，进入步骤2)，筛选出最小的对比结果(即预测值与实测值之间的差值和相对误差最小)，该最小的对比结果对应的真实理化特性即为最优的发酵工艺参数，该最优的发酵工艺参数可以用于好氧发酵的模拟过程，提高好氧发酵的模拟精度；若对比结果在预先设定的阈值外，则重新设定数值模拟数据处理模块采用的模拟方法或程序的参数，进入步骤2)。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (10)
1.一种好氧发酵过程的数值模拟试验系统，其特征在于，包括发酵罐体、废气处理系统、翻抛装置、曝气系统、喷淋装置、采集装置和控制系统；
所述发酵罐体采用顶部开口的罐体结构，所述发酵罐体的顶部设置有密封盖和所述废气处理系统；所述发酵罐体内纵向设置有所述翻抛装置，所述发酵罐体内侧的底部设置有斜板，所述斜板的上方设置有筛板；位于所述斜板与所述筛板之间，所述发酵罐体内还设置有所述曝气系统；
所述发酵罐体一侧的下部设置有渗液管，所述渗液管的一端与所述斜板的底部末端相对应，所述渗液管的另一端连接集液箱；所述发酵罐体一侧的上部设置有所述喷淋装置，所述发酵罐体的一侧还开设有若干取样口；
位于所述密封盖与所述筛板之间，所述发酵罐体的另一侧阵列式间隔设置有若干所述采集装置，所述采集装置用于实时采集所述发酵罐体内对应位置的温度、湿度和/或含氧量数据；
所述控制系统分别电连接所述废气处理系统、翻抛装置、曝气系统、喷淋装置和采集装置。
2.如权利要求1所述的一种好氧发酵过程的数值模拟试验系统，其特征在于，所述曝气系统包括布气管、空气泵、加温加湿器和流量计；
位于所述斜板上方，所述发酵罐体内设置有若干所述布气管，每一所述布气管的一端均穿出所述发酵罐体与所述空气泵连接；每一所述布气管位于所述发酵罐体内侧的部分均开设有若干出气孔；每一所述布气管位于所述发酵罐体外侧的部分均设置有所述加温加湿器和流量计；
所述控制系统分别电连接所述空气泵、加温加湿器和流量计。
3.如权利要求2所述的一种好氧发酵过程的数值模拟试验系统，其特征在于，每一所述出气孔内均设置有单向阀。
4.如权利要求1所述的一种好氧发酵过程的数值模拟试验系统，其特征在于，所述发酵罐体另一侧的内壁上纵向间隔设置有若干支撑架，每一所述支撑架上均间隔设置有若干所述采集装置。
5.如权利要求1所述的一种好氧发酵过程的数值模拟试验系统，其特征在于，所述采集装置包括温度传感器、氧气传感器和/或湿度传感器，所述温度传感器用于采集所述发酵罐体内的温度数据，所述氧气传感器用于采集所述发酵罐体内的含氧量数据，所述湿度传感器用于采集所述发酵罐体内的湿度数据。
6.如权利要求2所述的一种好氧发酵过程的数值模拟试验系统，其特征在于，所述废气处理系统包括排气管、气泵、气体分析仪和废气处理器；
所述发酵罐体的顶部插设固定所述排气管，所述排气管的一端与所述发酵罐体的内部空腔连通，所述排气管的另一端连接所述废气处理器，所述废气处理器用于吸收发酵过程中产生的有毒有害气体，所述排气管上设置有所述气泵和气体分析仪，且所述气泵和气体分析仪均设置在所述废气处理器的上方，所述气泵用于将所述发酵罐体内物料上方的气体抽出，所述气体分析仪用于分析好氧发酵过程中产生的气体中NH3、H2S和CO2物质的浓度；
所述控制系统分别电连接所述气泵和气体分析仪。
7.如权利要求6所述的一种好氧发酵过程的数值模拟试验系统，其特征在于，所述控制系统包括信号转换器、气体检测仪、控制器和计算机，其中，所述计算机内设置有参数设定模块、即时数据处理模块、数值模拟数据处理模块、好氧发酵控制模块、显示模块和数据库；
所述信号转换器用于将各所述采集装置采集的电信号形式的温度、湿度和/或含氧量指标数据转换为数字信号形式的指标数据；
所述气体检测仪用于检测所述发酵罐体内不同采集点位的气体成分；
所述参数设定模块用于预先设定好氧发酵初始物料特性和发酵控制参数；
所述即时数据处理模块用于根据各所述采集装置采集的指标数据、所述流量计监测的曝气量和所述气体分析仪分析的物质浓度，对所述发酵罐体内各层不同位置的发酵物料进行插值分析，得到所述发酵罐体不同位置的发酵物料理化特性的插值分析结果；
所述数值模拟数据处理模块用于预设的根据好氧发酵初始物料特性和发酵控制参数，对所述发酵罐体内各层不同位置的发酵物料理化特性进行模拟预测，得到所述发酵罐体不同位置的发酵物料理化特性的模拟预测结果，并将模拟预测结果与对应插值分析结果进行对比，得到对比结果；
所述好氧发酵控制模块用于对各所述采集装置采集的指标数据进行记录和储存，以及根据插值分析结果和发酵控制参数，控制所述翻抛装置、喷淋装置的运行以及通过所述控制器控制所述曝气系统和废气处理系统的运行；
所述显示模块用于实时显示插值分析结果、模拟预测结果和对比结果；
所述数据库用于实时存储各所述采集装置采集的指标数据、所述流量计监测的曝气量、所述气体分析仪分析的物质浓度、插值分析结果、模拟预测结果以及所述控制系统工作中产生的工作数据。
8.如权利要求1所述的一种好氧发酵过程的数值模拟试验系统，其特征在于，所述发酵罐体采用双层式罐体结构，所述发酵罐体的内壁和所述密封盖的内表面均涂覆有耐腐蚀涂层，所述发酵罐体的双层内壁之间和所述密封盖的内部均填充有保温材料。
9.如权利要求1所述的一种好氧发酵过程的数值模拟试验系统，其特征在于，所述发酵罐体的底部两侧通过滚轮支撑连接滚轮。
10.如权利要求1所述的一种好氧发酵过程的数值模拟试验系统，其特征在于，所述翻抛装置采用立式桨叶式翻抛装置。
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