CN112209745B - 一种热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备及方法。该设备包括机架、堆料发酵系统、通气加热系统以及控制系统。堆料发酵系统包括发酵仓、气动搅拌器、曝气管道、排气管道以及除臭装置。发酵罐用于容纳堆料，并为双层结构且夹层中放置有保温材料。气动搅拌器包括气缸、固定横板、转轴以及搅拌叶片。通气加热系统包括气泵、三通接口和加热箱。气泵通过三通接口产生独立的两条通气线路。加热箱用于接收和加热其中一条通气线路输送的气体，并将加热后的热气分散至发酵罐中。其中另一条通气线路用于通过气缸驱使转轴转动。控制系统包括检测装置以及发酵控制器。本发明有利于设备向小型化、高效化和操作简便化发展，提高发酵速率。

Description

一种热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备及方法

技术领域

本发明涉及堆肥技术领域的一种堆肥设备，尤其涉及一种热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，还涉及一种热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥方法。

背景技术

中国畜牧业发展迅速，自20世纪60年代以来，我国畜禽养殖优势地区始终保持高速发展势头，畜禽存栏量逐年增加，随之而来的就是畜禽粪便产生量的快速增长。我国畜禽粪便主要以猪粪、牛粪、羊粪和鸡粪为主，这四类粪便量占总量的90％以上。畜禽粪便污染问题始终困扰着养殖业发展，成为不可避免且急需处理的问题，当前畜禽养殖业所产生的废弃物已经赶超工业废弃物和城镇生活排污，成为不容忽视的重要环境污染源，但同时畜禽粪便又是有机肥源，其是一种具有巨大潜在价值的生物质资源，只是目前尚未被充分利用。

解决畜禽粪便污染问题的关键在于对其进行无害化处理和资源化利用。传统处理方式包括直接还田、就地掩埋、排入河道、自然发酵堆肥等，但存在损害作物、污染土壤与水源、堆肥质量差等问题。其中，使用堆肥设备对其进行肥料化处理是最具经济效益、社会效益和生态效益的一种资源化利用方式，通过堆肥技术生产有机肥是联系种植业与养殖业的一条重要纽带，对我国农业可持续发展具有重要意义，改进堆肥设备、提高堆肥效率是加强种养结合的重要手段。

但是，对于个体农牧户和小规模养殖场而言，目前存在分散化、管控难的问题，对其产出的畜禽粪污进行集中统一处理难度较大，同时让其使用大型自动化堆肥设备不切实际，因此市场上对小型、高效且操作简便的堆肥设备的需求在不断提升。对于畜禽粪便堆肥而言，采用高温好氧堆肥技术，定期通气与加热是有效促进粪便发酵的方法之一，有利于提高堆肥速率和有机肥质量。对畜禽粪便发酵过程的相关研究表明，依靠堆料自然发酵升温，其平均温度一般能够达到40℃～50℃，而在发酵过程中对有机质起主要分解作用的嗜热微生物的最佳活性温度范围在55℃～65℃之间。当堆料温度低于50℃时，有机质分解反应进行缓慢，导致堆肥时间延长，降低堆肥效率，并且在该温度下无法有效杀灭病原菌或使粪便中的植物种子灭活；当堆料温度高于70℃时，会使对发酵有促进作用的有益微生物大量死亡，从而降低发酵速率，影响堆肥效果。同时，自然发酵堆肥由于升温难、散热快、翻动差的问题，常常导致堆体四周温度远低于内部温度，而堆料又无法与氧气充分接触，使得整体发酵效果并不均匀，最终只有部分堆料腐熟成功。因此，现有的堆肥设备存在发酵速率慢、能耗成本高的问题。

发明内容

为解决现有的堆肥设备存在发酵速率慢、能耗成本高的技术问题，本发明提供一种热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备及方法。本发明采用以下技术方案实现：一种热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其包括：

机架；

堆料发酵系统，其包括发酵仓、气动搅拌器、曝气管道、排气管道以及除臭装置；所述发酵仓安装在所述机架上，且包括发酵罐；所述发酵罐用于容纳堆料，并为双层结构且夹层中放置有保温材料；所述发酵罐的侧壁上开设有进料口，底壁上开设有出料口；所述发酵罐的底部开设有进气口，顶部开设有排气口；所述气动搅拌器包括气缸、固定横板、转轴以及至少两组搅拌叶片；所述气缸安装在所述固定横板上，所述固定横板固定在所述发酵罐的顶端上；所述转轴的底端伸入到所述发酵罐中，顶端经所述气缸驱使而转动；每组搅拌叶片安装在所述转轴上，并位于所述发酵罐中；所述曝气管道位于所述发酵罐的内腔底部中，且位于所述搅拌叶片的下方，并具有多个曝气口；所述排气管道安装在所述发酵罐上，且一端与所述排气口连接；所述除臭装置与所述排气管道的另一端连接，并用于对所述发酵罐排出的臭气进行除臭；

通气加热系统，其包括气泵、三通接口和加热箱；所述气泵安装在所述机架上，且通过所述三通接口产生独立的两条通气线路；所述加热箱安装在所述机架上，用于接收和加热其中一条通气线路输送的气体，并将加热后的热气通过多个曝气口分散至所述发酵罐中；其中另一条通气线路与所述气缸连接，并用于通过所述气缸驱使所述转轴转动；

控制系统，其包括检测装置以及发酵控制器；所述检测装置包括温湿度传感器和氧气浓度传感器；所述温湿度传感器安装在所述发酵罐的内侧壁上，且位于所述堆料的中间位置，并用于采集所述堆料的温湿度信息；所述氧气浓度传感器安装在所述发酵罐的内侧壁上，且位于所述堆料的上方，并用于检测所述发酵罐中的含氧量；所述发酵控制器用于根据所述温湿度信息以及所述含氧量，基于预设的加热模式和通气模式对所述加热箱和所述气泵进行控制，实现不同堆肥阶段所述堆料的发酵条件控制。

本发明通过堆料发酵系统中的气动搅拌器对发酵仓中的堆料进行搅拌，通过通气加热系统的气泵为加热箱和气动搅拌器一同提供气体，并且加热箱产生的加热气体通过曝气管道充分分散在发酵罐中，这样就将加热与搅拌结合，能够有效提高堆料发酵速率和堆肥质量，解决现有的堆肥设备存在发酵速率慢、能耗成本高的技术问题。而且，将传统通气装置、加热装置与搅拌装置结合并辅以控制系统，有利于堆肥设备向小型化、高效化和操作简便化发展，同时可以实现在堆肥过程中对堆料温度和发酵仓含氧量进行调控，以此提高发酵速率，缩短堆肥时间。另外，发酵罐的双层结构的夹层内放置保温材料，能够有效减少堆料热量损耗、延长保温时间。同时，本发明利用曝气管道的多个曝气口向堆料通气，能够使热空气更均匀地通入堆料内部且管道不易堵塞。本发明将气动式搅拌器与气泵结合，既简化了操作流程，又降低了能耗成本，并且通过改进的搅拌叶片搅动堆料，能够改善堆料径向流动性能，使其更充分地与热空气接触，提高发酵效果。

作为上述方案的进一步改进，所述小型畜禽粪便堆肥设备还包括：

电源系统，其包括电源控制器、至少一个蓄电池以及至少一块光伏板；所述电源控制器用于将所述光伏板转化产生的电能储存在所述蓄电池中或向所述小型畜禽粪便堆肥设备的其他用电器供电，还用于将所述蓄电池中的电能供给所述小型畜禽粪便堆肥设备的其他用电器。

进一步地，所述堆料发酵系统还包括螺旋送料器、减速器以及驱动电机；所述螺旋送料器安装在所述机架上，且一端与所述出料口连通，另一端作为出料端；所述驱动电机和所述减速器均安装在所述机架上；所述驱动电机通过所述减速器驱使所述螺旋送料器的螺带式转轴转动，使从所述出料口落下的堆料从所述螺旋送料器的一端传输至另一端并排出。

作为上述方案的进一步改进，所述气动搅拌器还包括至少两组紧固件；两组紧固件分别安装在所述固定横板的相对两侧上，并用于将所述固定横板锁定在所述发酵罐上。

作为上述方案的进一步改进，每组搅拌叶片包括中间段和多个横向主桨叶和分别与多个横向主桨叶对应的多个副桨叶；所述中间段的中部固定在所述转轴上，多个横向主桨叶平行设置并固定在所述中间段上，多个副桨叶平行设置并固定在所述横向主桨叶上；其中，所述横向主桨叶与所述转轴的轴向的夹角为45度，每个横向主桨叶与对应的副桨叶之间的夹角为60度。

进一步地，所述加热箱包括储气箱、进气管道、连接头、出气管道以及干烧电热管；所述储气箱安装在所述机架上；所述连接头的一端通过至少一根软管与所述气泵连通，另一端与所述进气管道连接并连通；所述进气管道安装在所述储气箱的相对一侧上，并连通所述储气箱；所述出气管道的一端连接在所述储气箱的相对另一侧上并与所述储气箱连通，另一端与所述曝气管道连接；所述干烧电热管呈翅片形，且位于所述储气箱中，并用于加热从所述连接头进入的气体。

再进一步地，所述控制系统还包括触摸屏；所述触摸屏用于显示所述温湿度信息以及所述含氧量，并供外部输入用于对所述气泵、所述干烧电热管以及所述驱动电机进行启停的控制指令；

所述堆料的堆肥过程包括升温阶段、高温阶段以及腐熟阶段；其中，

在升温阶段，所述发酵控制器驱使所述气泵通过所述曝气管道向所述发酵罐输入常温空气，并通过所述气动搅拌器对所述堆料进行搅拌，使所述堆料在所述发酵仓中因有机质分解而自然升温至所述高温阶段；

在所述高温阶段，所述发酵控制器判断所述堆料的温度是否达到一个预设温度一；在所述堆料的温度未达到所述预设温度一时，所述发酵控制器驱使所述加热箱进行加热；在所述堆料的温度达到所述预设温度一或所述加热箱进行加热时，所述发酵控制器判断所述堆料的温度是否超过一个预设温度二；在所述堆料的温度超过所述预设温度二时，所述发酵控制器驱使所述加热箱停止加热，使所述堆料的温度位于所述预设温度一与所述预设温度二之间的温度范围内；在所述堆料的温度位于所述温度范围内时，所述发酵控制器还判断所述含氧量是否小于预设的一个氧气浓度下限值；在所述含氧量小于所述氧气浓度下限值时，驱使所述气泵和所述曝气管道向所述发酵罐输入常温空气直至所述含氧量达到预设的一个氧气浓度上限值；

在腐熟阶段，关闭所述发酵控制器使堆料自然降温；观测所述堆料的温度，并观察到一段时间内所述堆料的温度降低至室温或高于室温的温差小于一个预设温度差时，则所述堆料已基本稳定。

进一步地，所述机架包括中部底板、推手、上部底板、框架、多个直角固定件、支撑件一、底部底板、支撑件二以及多个万向轮；所述中部底板安装在所述框架的中部，并用于支撑所述加热箱；所述推手安装在所述框架上；所述上部底板安装在所述框架的上部，并用于支撑所述控制系统、所述电源控制器以及所述蓄电池；所述直角固定件安装在所述框架的直角拐弯处；所述底部底板安装在所述框架的底部，并用于支撑所述气泵、所述支撑件一和所述支撑件二；所述支撑件一用于支撑所述螺旋送料器，所述支撑件二用于支撑所述驱动电机；多个万向轮安装在所述框架的底端上，并用于支撑所述框架。

作为上述方案的进一步改进，所述除臭装置包括除臭盒和活性炭颗粒；所述除臭盒与所述排气管道连接，且顶部开设有透气孔；所述活性炭颗粒放置在所述除臭盒中。

本发明还提供一种热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥方法，其应用于上述任意所述的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备中，其包括以下步骤：

采集所述堆料的温湿度信息；

检测所述发酵罐中的含氧量；

根据所述温湿度信息以及所述含氧量，基于预设的加热模式和通气模式对所述加热箱和所述气泵进行控制，实现不同堆肥阶段所述堆料的发酵条件控制；其中，堆料的堆肥过程包括升温阶段、高温阶段以及腐熟阶段；

在升温阶段，驱使所述气泵通过所述曝气管道向所述发酵罐输入常温空气，并通过所述气动搅拌器对所述堆料进行搅拌，使所述堆料在所述发酵仓中因有机质分解而自然升温至所述高温阶段；

在所述高温阶段，判断所述堆料的温度是否达到一个预设温度一；在所述堆料的温度未达到所述预设温度一时，驱使所述加热箱进行加热；在所述堆料的温度达到所述预设温度一或所述加热箱进行加热时，判断所述堆料的温度是否超过一个预设温度二；在所述堆料的温度超过所述预设温度二时，驱使所述加热箱停止加热，使所述堆料的温度位于所述预设温度一与所述预设温度二之间的温度范围内；在所述堆料的温度位于所述温度范围内时，还判断所述含氧量是否小于预设的一个氧气浓度下限值；在所述含氧量小于所述氧气浓度下限值时，驱使所述气泵和所述曝气管道向所述发酵罐输入常温空气直至所述含氧量达到预设的一个氧气浓度上限值；

在腐熟阶段，关闭所述发酵控制器使堆料自然降温；观测所述堆料的温度，并观察到一段时间内所述堆料的温度降低至室温或高于室温的温差小于一个预设温度差时，则所述堆料已基本稳定。

相较于现有的堆肥设备，本发明的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备及方法具有以下有益效果：

1、该热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其堆料发酵系统中的气动搅拌器对发酵仓中的堆料进行搅拌，通过通气加热系统的气泵为加热箱和气动搅拌器一同提供气体，并且加热箱产生的加热气体通过曝气管道充分分散在发酵罐中，这样就将加热与搅拌结合，能够有效提高堆料发酵速率和堆肥质量，解决自然发酵升温难、散热快、翻动差的问题。而且，将传统通气装置、加热装置与搅拌装置结合并辅以控制系统，有利于堆肥设备向小型化、高效化和操作简便化发展，同时可以实现在堆肥过程中对堆料温度和发酵仓含氧量进行调控，以此提高发酵速率，缩短堆肥时间。

2、该热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其堆料发酵系统中的发酵罐的双层结构的夹层内放置保温材料，能够有效减少堆料热量损耗、延长保温时间。同时，设备利用曝气管道的多个曝气口向堆料通气，能够使热空气更均匀地通入堆料内部且管道不易堵塞。

3、该热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其将气动式搅拌器与气泵结合，既简化了操作流程，又降低了能耗成本，并且通过改进的搅拌叶片搅动堆料，能够改善堆料径向流动性能，使其更充分地与热空气接触，提高发酵效果。发酵仓的进出料口的设置以及在出料口处安装电动式驱动的螺旋送料器，能够有效提高进料与取料的效率。

4、该热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其利用高温好氧堆肥技术处理畜禽粪便并生产有机肥，可以有效减少环境污染、提高粪肥资源利用率、加强种养结合，对我国农业和畜牧业可持续发展具有重要意义。

5、该热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其将光伏发电技术与堆肥技术结合，利用光伏发电装置对堆肥设备中的主要用电器供电，实现了设备动力源上的改进，降低了设备使用的能耗成本，提高了整体的经济效益，同时也体现了节能环保的新理念。

6、该热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其将堆肥过程一般分为三个阶段，即升温阶段、高温阶段和腐熟阶段，在各个阶段，控制系统的发酵控制器根据检测装置采集的温湿度信息和含氧量，基于预设的加热模式和通气模式对加热箱和气泵进行控制，实现不同堆肥阶段所述堆料的发酵条件控制。这样，堆料在发酵仓中所处的环境就会按照各个阶段的需求进行变化，使堆料温度尽可能长时间地保持在最佳发酵温度范围和含氧范围内，以此提高发酵速率、缩短堆肥时间。而且，对于外部能量的利用也最大化，进而可以提高资源利用率，降低能耗成本。

7、该热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥方法，其有益效果与上述热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备的有益效果相同，在此不再做赘述。

附图说明

图1为本发明实施例1的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备的立体结构示意图，为便于显示，部分区域做透视处理。

图2为图1中的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备的堆料发酵系统的拆分图，为便于显示，部分区域做透视处理。

图3为图1中的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备的堆料发酵系统的气动搅拌器的立体结构示意图。

图4为图1中的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备的通气加热系统的加热箱的立体结构示意图，为便于显示，部分区域做透视处理。

图5为图1中的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备的电源系统的立体图。

图6为图1中的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备的机架的立体结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1-6，本实施例提供了一种热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，该设备是一种兼具通气、加热与搅拌功能且保温效果较好的小型节能高效堆肥设备。在本实施例中，该设备包括机架13、堆料发酵系统、通气加热系统、控制系统以及电源系统。

机架13包括中部底板131、推手132、上部底板133、框架134、多个直角固定件135、支撑件一136、底部底板137、支撑件二138以及多个万向轮139。中部底板131安装在框架134的中部，上部底板133安装在框架134的上部。底部底板137安装在框架134的底部，并用于支撑气动搅拌器7、支撑件一136和支撑件二138。推手132安装在框架134上，可供人员推拉。直角固定件135安装在框架134的直角拐弯处，能够加强框架134的牢固性和稳定性。多个万向轮139安装在框架134的底端上，并用于支撑框架134。万向轮139带有自锁装置，通过螺栓和螺母固定在底部底板137的下方。这样，人员可以通过推手132推动或拉动框架134在地面上移动。在本实施例中，提供机架13的一种尺寸，其中该机架13的主体结构尺寸约为：长1.3m、宽0.7m、高1.145m。当然，在其他实施例中，该机架13的尺寸可以不同。支撑件上均开有对应通孔，用于后续各组件的安装固定。各铝合金型材之间以及各底板与铝合金型材之间均由直角固定件135、螺栓、螺母进行固定。

堆料发酵系统包括发酵仓、气动搅拌器7、曝气管道9、排气管道14以及除臭装置6，在本实施例中，还包括螺旋送料器10、减速器11以及驱动电机12。堆料发酵系统主要用于对堆料进行堆肥处理，为堆肥设备的反应装置。在本实施例中，堆料发酵系统使用群体的平均养殖量估计其相应的目标堆肥量，以此确定相应的发酵仓容积，进而推算出堆料所需的通气量，并进行气动式搅拌器选型。

发酵仓安装在机架13上，而且包括发酵罐8。发酵罐8用于容纳堆料，并为双层结构且夹层83中放置有保温材料。发酵罐8的侧壁上开设有进料口84，底壁上开设有出料口85。发酵罐8的底部开设有进气口，顶部开设有排气口。在本实施例中，发酵罐8的顶部具有罐盖81和罐体82，而保温材料则采用软质聚氨酯泡沫塑料。本实施例考虑到目标群体的实际使用需求，在发酵罐8上部位置的侧壁面设置有进料口84，该进料口84包含开闭式仓门和斜坡式进料通道，能够避免在进料时影响搅拌器工作，可以实现进料与搅拌的同步进行，提高堆料(畜禽粪便与碎秸秆等)混合效率。

气动搅拌器7包括气缸71、固定横板72、转轴74以及至少两组搅拌叶片75，还可以包括至少两组紧固件73。气缸71安装在固定横板72上，固定横板72固定在发酵罐8的顶端上。转轴74的底端伸入在发酵罐8中，顶端经气缸71驱使而转动。每组搅拌叶片75安装在转轴74上，并位于发酵罐8中。两组紧固件73分别安装在固定横板72的相对两侧上，并用于将固定横板72锁定在发酵罐8上。

在本实施例中，每组搅拌叶片75包括中间段和多个横向主桨叶和分别与多个横向主桨叶对应的多个副桨叶。中间段的中部固定在转轴74上，多个横向主桨叶平行设置并固定在中间段上，多个副桨叶平行设置并固定在横向主桨叶上。其中，横向主桨叶与转轴74的轴向的夹角为45度，每个横向主桨叶与对应的副桨叶之间的夹角为60度。

曝气管道9位于发酵罐8的内腔底部中，且位于搅拌叶片75的下方，并具有多个曝气口。排气管道14安装在发酵罐8上，且一端与排气口连接。本实施例对传统曝气管道进行改进，重新设计的曝气管道9两侧均设有斜向下的副管道，透气孔向下设置且副管道末端不封闭，可以防止堆料堵塞管道(进入管道的堆料会由于重力和气流作用自然向下滚落)。

除臭装置6与排气管道14的另一端连接，并用于对发酵罐8排出的臭气进行除臭。在本实施例中，除臭装置6包括除臭盒和活性炭颗粒。除臭盒与排气管道14连接，而且顶部开设有透气孔。活性炭颗粒放置在除臭盒中，用于过滤发酵过程中产生的臭气。

螺旋送料器10安装在机架13上，且一端与出料口85连通，另一端作为出料端。支撑件一136用于支撑螺旋送料器10，即螺旋送料器10安置在支撑件一136上。驱动电机12和减速器11均安装在机架13上，支撑件二138用于支撑驱动电机12。驱动电机12通过减速器11驱使螺旋送料器10的螺带式转轴转动，使从出料口85落下的堆料从螺旋送料器10的一端传输至另一端并排出。发酵罐8底部的出料口85与螺旋送料器10相连，通过电机驱动螺旋送料器10中的螺带式转轴转动，能够实现轴向推动效果，以提高堆肥设备的取料效率，该驱动电机12由控制系统控制启停。

通气加热系统包括气泵1、三通接口和加热箱2。气泵1安装在机架13上，且通过三通接口产生独立的两条通气线路。加热箱2安装在机架13上，用于接收和加热其中一条通气线路输送的气体，并将加热后的热气通过多个曝气口分散至发酵罐8中。其中另一条通气线路与气缸71连接，并用于通过气缸71驱使转轴74转动。三通接口可以为Y形三通接口，并且形成两条通气线路。这样，可以实现通气与搅拌这两个操作步骤的联动，简化操作流程，同时改用气动式搅拌器可以进一步降低堆肥设备的能耗成本。

在本实施例中，加热箱2包括储气箱23、进气管道22、连接头21、出气管道25以及干烧电热管26。中部底板131用于支撑加热箱2，即加热箱2放置在中部底板131上。储气箱23安装在机架13上，具体安装在中部底板131上，并且顶部设有可开合的顶盖24。连接头的一端通过至少一根软管与气泵1连通，另一端与进气管道22连接并连通。进气管道22安装在储气箱23的相对一侧上，并连通储气箱23。出气管道25(S形管道)的一端连接在储气箱23的相对另一侧上并与储气箱23连通，另一端与曝气管道9连接。干烧电热管26呈翅片形，而且位于储气箱23中，并用于加热从连接头21进入的气体。该干烧电热管26处于加热箱2整体的中间位置且正对进出气口，能够增大与流动空气的接触面积，有效提高对空气的加热效果，其是根据通气量与热空气目标加热温度进行选型。在本实施例中，综合考虑堆料与气动式搅拌器所需的通气量以及热空气目标温度，再对气泵1和干烧电热管26进行选型，以此确定加热箱2的结构尺寸。在发酵仓和加热箱2的设计基础上，确定通气管道和整体机架13的结构尺寸。

控制系统包括检测装置以及发酵控制器，还可以包括触摸屏、空气开关、24V开关电源、控制开关、继电器、交流接触器等。检测装置包括温湿度传感器和氧气浓度传感器。温湿度传感器安装在发酵罐8的内侧壁上，且位于堆料的中间位置，并用于采集堆料的温湿度信息。氧气浓度传感器安装在发酵罐8的内侧壁上，且位于堆料的上方，并用于检测发酵罐8中的含氧量。发酵控制器用于根据温湿度信息以及含氧量，基于预设的加热模式和通气模式对加热箱2和气泵1进行控制，实现不同堆肥阶段堆料的发酵条件控制。

控制系统的硬件部分安装于气泵1和发酵仓之间，通过温湿度传感器和氧气浓度传感器反馈的信息，根据不同的控制模式(通气加热模式和通气模式)，对堆料温度以及发酵仓含氧量进行调节——当堆料温度低于设定下限值时，控制系统先启动干烧电热管26对加热箱2进行预热，再启动气泵1向发酵仓通入热空气，直至堆料温度达到设定上限值。当发酵仓氧气浓度低于设定下限值而堆料温度仍处于最佳温度范围时，控制系统只启动气泵1，向发酵仓通入常温空气直至氧气浓度达到设定上限值。其中，通气加热模式只在堆肥高温阶段应用，而通气模式在堆肥升温阶段和高温阶段均有应用。

在本实施例中，触摸屏用于显示温湿度信息以及含氧量，并供外部输入用于对气泵1、干烧电热管26以及驱动电机12进行启停的控制指令。触摸屏内嵌于控制箱5门上，还显示其他装置以及驱动电机12的启停，同时还具备计时功能，能够准确反映和记录堆肥时长。各控制元器件的工作电压可以均为24V直流电，发酵控制器可以为PLC及其扩展模块，是整个控制系统中最重要的部分。温湿度传感器、氧气浓度传感器、触摸屏等其他元器件都与发酵控制器相连，通过其实现基于堆料温度和氧气浓度变化的气泵1与干烧电热管26控制以及取料器控制。将控制系统各组成元件安装于控制箱5或发酵仓中，再将控制箱5固定在机架13底板上，以完成控制系统硬件部分的整体搭建。

在本实施例中，控制系统包含自动控制和人工控制两种方式。在自动控制方式下，PLC接收到温湿度传感器和氧气浓度传感器实时反馈的信息后，根据编写的程序控制气泵1与干烧电热管26动作，即根据不同情况采用通气加热模式或通气模式；在人工控制方式下，可以通过触摸屏对气泵1、干烧电热管26以及驱动电机12的启停进行控制。

电源系统包括电源控制器4、蓄电池3以及光伏板15，其中上部底板133用于支撑控制系统、电源控制器4以及蓄电池3。蓄电池3和光伏板15的数量至少为一个，具体的数量可以各有不同。所述电源控制器用于将所述光伏板转化产生的电能储存在所述蓄电池中或向所述小型畜禽粪便堆肥设备的其他用电器供电，还用于将所述蓄电池中的电能供给所述小型畜禽粪便堆肥设备的其他用电器。光伏板15为多晶硅材质，阴天发电效果较好，且配备专用支架。电源控制器4可同时提供交流电与直流电，能够满足本实施例中主要用电器的用电需求。蓄电池3用于存储电能，并向堆料发酵系统、通气加热系统以及控制系统供电。本实施例将光伏发电技术与堆肥技术结合，旨在利用太阳能发电装置为设备主要用电器供电，以降低能耗成本，提高堆肥经济效益。在该堆肥设备实际使用中，光伏板15独立放置于设备之外，通过两个蓄电池3的交替使用，能够满足气泵1、干烧电热管26以及控制元器件的用电需求。由于本实施例所设计的发酵仓具有保温结构，能够减少堆料的热量损耗，延长堆料处于最佳发酵温度范围的持续时间，因此在堆肥的高温阶段热气装置只需间歇式工作，故综合考虑所用光伏板15的充电效率以及该堆肥设备的用电频率和用电量，最终确定用单个蓄电池3供电能够满足需求。

综上所述，相较于现有的堆肥设备，本实施例的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备具有以下优点：

1、该热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其堆料发酵系统中的气动搅拌器7对发酵仓中的堆料进行搅拌，通过通气加热系统的气泵1为加热箱2和气动搅拌器7一同提供气体，并且加热箱2产生的加热气体通过曝气管道9充分分散在发酵罐8中，这样就将加热与搅拌结合，能够有效提高堆料发酵速率和堆肥质量，解决自然发酵升温难、散热快、翻动差的问题。而且，将传统通气装置、加热装置与搅拌装置结合并辅以控制系统，有利于堆肥设备向小型化、高效化和操作简便化发展，同时可以实现在堆肥过程中对堆料温度和发酵仓含氧量进行调控，以此提高发酵速率，缩短堆肥时间。

2、该热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其堆料发酵系统中的发酵罐8的双层结构的夹层内放置保温材料，能够有效减少堆料热量损耗、延长保温时间。同时，设备利用曝气管道9的多个曝气口向堆料通气，能够使热空气更均匀地通入堆料内部且管道不易堵塞。

3、该热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其将气动式搅拌器与气泵1结合，既简化了操作流程，又降低了能耗成本，并且通过改进的搅拌叶片75搅动堆料，能够改善堆料径向流动性能，使其更充分地与热空气接触，提高发酵效果。发酵仓的进出料口85的设置以及在出料口85处安装电动式驱动的螺旋送料器10，能够有效提高进料与取料的效率。

4、该热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其利用高温好氧堆肥技术处理畜禽粪便并生产有机肥，可以有效减少环境污染、提高粪肥资源利用率、加强种养结合，对我国农业和畜牧业可持续发展具有重要意义。

5、该热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其将光伏发电技术与堆肥技术结合，利用光伏发电装置对堆肥设备中的主要用电器供电，实现了设备动力源上的改进，降低了设备使用的能耗成本，提高了整体的经济效益，同时也体现了节能环保的新理念。

实施例2

本实施例提供了一种热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其在实施例1的基础上对发酵控制器在堆肥过程中的控制方式进行描述。其中，堆料的堆肥过程包括升温阶段、高温阶段以及腐熟阶段(也叫降温阶段)。其中高温阶段对堆料腐熟度的影响最大，本实施例的堆肥技术为高温好氧堆肥技术，即在堆肥过程中需要使堆料与空气接触并且堆料温度需要达到一定的范围才能有效杀灭病原菌并使植物种子灭活，以此提高堆料腐熟度与有机肥质。接下来，本实施例分别对这三个过程进行介绍。

在升温阶段，发酵控制器驱使气泵1通过曝气管道9向发酵罐8输入常温空气，并通过气动搅拌器7对堆料进行搅拌，使堆料在发酵仓中因有机质分解而自然升温至高温阶段。先将经过预处理的堆料(与碎秸秆混合并添加适量微生物菌剂)放入发酵仓中，在堆料自然发酵的过程中，由于有机质分解反应会释放热量，因此堆料温度会逐渐升高，此阶段即为堆料的自然升温阶段。在堆料自然升温阶段，只需定时通入常温空气并搅动堆料即可，不需要启动干烧电热管26。当堆料温度不再有明显提升时，此时堆肥已进入高温阶段，需要利用热气进行加热，并通过气动式搅拌器搅动堆料，使其能够与热空气充分接触，以此提高加热效果。

在高温阶段，由于热量损耗问题，难以继续依靠有机质分解反应来提升温度，而此时的温度值并未使嗜热微生物的活性达到最大，因此需要通过外源加热的方式来使堆料温度尽可能长时间地保持在最佳发酵温度范围内，以此提高发酵速率、缩短堆肥时间。本实施例利用光伏发电装置为堆肥设备中的气泵1、干烧电热管26以及各控制元器件供电，并通过温湿度传感器、氧气浓度传感器、PLC和触摸屏等实时监测堆料温湿度与发酵仓氧气浓度。同时，PLC还能基于堆料温度与发酵仓含氧量的变化来控制气泵1与干烧电热管26工作，以此实现不同堆肥阶段的发酵条件控制。

在高温阶段，发酵控制器判断堆料的温度是否达到一个预设温度一。在堆料的温度未达到预设温度一时，发酵控制器驱使加热箱2进行加热。在堆料的温度达到预设温度一或加热箱2进行加热时，发酵控制器判断堆料的温度是否超过一个预设温度二。在堆料的温度超过预设温度二时，发酵控制器驱使加热箱2停止加热，使堆料的温度位于预设温度一与预设温度二之间的温度范围内。在堆料的温度位于温度范围内时，发酵控制器还判断含氧量是否小于预设的一个氧气浓度下限值。在含氧量小于氧气浓度下限值时，驱使气泵1和曝气管道9向发酵罐8输入常温空气直至含氧量达到预设的一个氧气浓度上限值。

在腐熟阶段，关闭所述发酵控制器使堆料自然降温；观测所述堆料的温度，并观察到一段时间内所述堆料的温度降低至室温或高于室温的温差小于一个预设温度差时，则所述堆料已基本稳定。具体而言，当堆料温度提升至65℃时，热气加热停止，由于存在多种形式的热量损耗，堆料温度会随时间逐渐降低，利用保温层可以减少堆料的热量损耗，延长保温时间，从而降低热气装置的工作频率，能够有效节约能耗成本，提高经济效益。当堆料温度降低至55℃时，控制系统再次启动热气加热，仍然按照上述方式进行通气加热，如此循环重复直至堆肥高温阶段结束。当堆肥进入腐熟阶段后，可通过控制系统监测堆料降温情况，若堆料温度在室温附近上下波动或略高于室温，则可认为堆料已基本完成腐熟。

因此，本实施例的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其将堆肥过程一般分为三个阶段，即升温阶段、高温阶段和腐熟阶段，在各个阶段，控制系统的发酵控制器根据检测装置采集的温湿度信息和含氧量，基于预设的加热模式和通气模式对加热箱2和气泵1进行控制，实现不同堆肥阶段堆料的发酵条件控制。这样，堆料在发酵仓中所处的环境就会按照各个阶段的需求进行变化，使堆料温度尽可能长时间地保持在最佳发酵温度范围和含氧范围内，以此提高发酵速率、缩短堆肥时间。而且，对于外部能量的利用也最大化，进而可以提高资源利用率，降低能耗成本。

实施例3

本实施例提供了一种热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥方法，该方法应用于实施例1或2中的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备中。该堆肥方法根据不同情况采用通气加热模式或通气模式，以此对堆料温度和发酵仓含氧量进行调节。其中，该小型畜禽粪便堆肥方法包括以下步骤。

(1)采集堆料的温湿度信息。

(2)检测发酵罐8中的含氧量。

(3)根据温湿度信息以及含氧量，基于预设的加热模式和通气模式对加热箱2和气泵1进行控制，实现不同堆肥阶段堆料的发酵条件控制；其中，堆料的堆肥过程包括升温阶段、高温阶段以及腐熟阶段。

在升温阶段，驱使气泵1通过曝气管道9向发酵罐8输入常温空气，并通过气动搅拌器7对堆料进行搅拌，使堆料在发酵仓中因有机质分解而自然升温至高温阶段。

在高温阶段，判断堆料的温度是否达到一个预设温度一；在堆料的温度未达到预设温度一时，驱使加热箱2进行加热；在堆料的温度达到预设温度一或加热箱2进行加热时，判断堆料的温度是否超过一个预设温度二；在堆料的温度超过预设温度二时，驱使加热箱2停止加热，使堆料的温度位于预设温度一与预设温度二之间的温度范围内；在堆料的温度位于温度范围内时，还判断含氧量是否小于预设的一个氧气浓度下限值；在含氧量小于氧气浓度下限值时，驱使气泵1和曝气管道9向发酵罐8输入常温空气直至含氧量达到预设的一个氧气浓度上限值。

在腐熟阶段，关闭所述发酵控制器使堆料自然降温；观测所述堆料的温度，并观察到一段时间内所述堆料的温度降低至室温或高于室温的温差小于一个预设温度差时，则所述堆料已基本稳定。

实施例4

本实施例提供一种计算机终端，其包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序。处理器执行程序时实现实施例3的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥方法的步骤。

实施例3的方法在应用时，可以软件的形式进行应用，如设计成独立运行的程序，安装在计算机终端上，计算机终端可以是电脑、智能手机、控制系统以及其他物联网设备等。实施例3的方法也可以设计成嵌入式运行的程序，安装在计算机终端上，如安装在单片机上。

实施例5

本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序。程序被处理器执行时，实现实施例3的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥方法的步骤。

实施例3的方法在应用时，可以软件的形式进行应用，如设计成计算机可读存储介质可独立运行的程序，计算机可读存储介质可以是U盘，设计成U盾，通过U盘设计成通过外在触发启动整个方法的程序。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其特征在于，其包括：

机架；

堆料发酵系统，其包括发酵仓、气动搅拌器、曝气管道、排气管道以及除臭装置；所述发酵仓安装在所述机架上，且包括发酵罐；所述发酵罐用于容纳堆料，并为双层结构且夹层中放置有保温材料；所述发酵罐的侧壁上开设有进料口，底壁上开设有出料口；所述发酵罐的底部开设有进气口，顶部开设有排气口；所述气动搅拌器包括气缸、固定横板、转轴以及至少两组搅拌叶片；所述气缸安装在所述固定横板上，所述固定横板固定在所述发酵罐的顶端上；所述转轴的底端伸入到所述发酵罐中，顶端经所述气缸驱使而转动；每组搅拌叶片安装在所述转轴上，并位于所述发酵罐中；所述曝气管道位于所述发酵罐的内腔底部中，且位于所述搅拌叶片的下方，并具有多个曝气口；所述排气管道安装在所述发酵罐上，且一端与所述排气口连接；所述除臭装置与所述排气管道的另一端连接，并用于对所述发酵罐排出的臭气进行除臭；

通气加热系统，其包括气泵、三通接口和加热箱；所述气泵安装在所述机架上，且通过所述三通接口产生独立的两条通气线路；所述加热箱安装在所述机架上，用于接收和加热其中一条通气线路输送的气体，并将加热后的热气通过多个曝气口分散至所述发酵罐中；其中另一条通气线路与所述气缸连接，并用于通过所述气缸驱使所述转轴转动；

控制系统，其包括检测装置以及发酵控制器；所述检测装置包括温湿度传感器和氧气浓度传感器；所述温湿度传感器安装在所述发酵罐的内侧壁上，且位于所述堆料的中间位置，并用于采集所述堆料的温湿度信息；所述氧气浓度传感器安装在所述发酵罐的内侧壁上，且位于所述堆料的上方，并用于检测所述发酵罐中的含氧量；所述发酵控制器用于根据所述温湿度信息以及所述含氧量，基于预设的加热模式和通气模式对所述加热箱和所述气泵进行控制，实现不同堆肥阶段所述堆料的发酵条件控制。

2.如权利要求1所述的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其特征在于，所述小型畜禽粪便堆肥设备还包括：

电源系统，其包括电源控制器、至少一个蓄电池以及至少一块光伏板；所述电源控制器用于将所述光伏板转化产生的电能储存在所述蓄电池中或向所述小型畜禽粪便堆肥设备的其他用电器供电，还用于将所述蓄电池中的电能供给所述小型畜禽粪便堆肥设备的其他用电器。

3.如权利要求2所述的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其特征在于，所述堆料发酵系统还包括螺旋送料器、减速器以及驱动电机；所述螺旋送料器安装在所述机架上，且一端与所述出料口连通，另一端作为出料端；所述驱动电机和所述减速器均安装在所述机架上；所述驱动电机通过所述减速器驱使所述螺旋送料器的螺带式转轴转动，使从所述出料口落下的堆料从所述螺旋送料器的一端传输至另一端并排出。

4.如权利要求1所述的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其特征在于，所述气动搅拌器还包括至少两组紧固件；两组紧固件分别安装在所述固定横板的相对两侧上，并用于将所述固定横板锁定在所述发酵罐上。

5.如权利要求1所述的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其特征在于，每组搅拌叶片包括中间段和多个横向主桨叶和分别与多个横向主桨叶对应的多个副桨叶；所述中间段的中部固定在所述转轴上，多个横向主桨叶平行设置并固定在所述中间段上，多个副桨叶平行设置并固定在所述横向主桨叶上；其中，所述横向主桨叶与所述转轴的轴向的夹角为45度，每个横向主桨叶与对应的副桨叶之间的夹角为60度。

6.如权利要求3所述的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其特征在于，所述加热箱包括储气箱、进气管道、连接头、出气管道以及干烧电热管；所述储气箱安装在所述机架上；所述连接头的一端通过至少一根软管与所述气泵连通，另一端与所述进气管道连接并连通；所述进气管道安装在所述储气箱的相对一侧上，并连通所述储气箱；所述出气管道的一端连接在所述储气箱的相对另一侧上并与所述储气箱连通，另一端与所述曝气管道连接；所述干烧电热管呈翅片形，且位于所述储气箱中，并用于加热从所述连接头进入的气体。

7.如权利要求6所述的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其特征在于，所述控制系统还包括触摸屏；所述触摸屏用于显示所述温湿度信息以及所述含氧量，并供外部输入用于对所述气泵、所述干烧电热管以及所述驱动电机进行启停的控制指令；

所述堆料的堆肥过程包括升温阶段、高温阶段以及腐熟阶段；其中，

在升温阶段，所述发酵控制器驱使所述气泵通过所述曝气管道向所述发酵罐输入常温空气，并通过所述气动搅拌器对所述堆料进行搅拌，使所述堆料在所述发酵仓中因有机质分解而自然升温至所述高温阶段；

在所述高温阶段，所述发酵控制器判断所述堆料的温度是否达到一个预设温度一；在所述堆料的温度未达到所述预设温度一时，所述发酵控制器驱使所述加热箱进行加热；在所述堆料的温度达到所述预设温度一或所述加热箱进行加热时，所述发酵控制器判断所述堆料的温度是否超过一个预设温度二；在所述堆料的温度超过所述预设温度二时，所述发酵控制器驱使所述加热箱停止加热，使所述堆料的温度位于所述预设温度一与所述预设温度二之间的温度范围内；在所述堆料的温度位于所述温度范围内时，所述发酵控制器还判断所述含氧量是否小于预设的一个氧气浓度下限值；在所述含氧量小于所述氧气浓度下限值时，驱使所述气泵和所述曝气管道向所述发酵罐输入常温空气直至所述含氧量达到预设的一个氧气浓度上限值；

在腐熟阶段，关闭所述发酵控制器使堆料自然降温；观测所述堆料的温度，并观察到一段时间内所述堆料的温度降低至室温或高于室温的温差小于一个预设温度差时，则所述堆料已基本稳定。

8.如权利要求3所述的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其特征在于，所述机架包括中部底板、推手、上部底板、框架、多个直角固定件、支撑件一、底部底板、支撑件二以及多个万向轮；所述中部底板安装在所述框架的中部，并用于支撑所述加热箱；所述推手安装在所述框架上；所述上部底板安装在所述框架的上部，并用于支撑所述控制系统、所述电源控制器以及所述蓄电池；所述直角固定件安装在所述框架的直角拐弯处；所述底部底板安装在所述框架的底部，并用于支撑所述气泵、所述支撑件一和所述支撑件二；所述支撑件一用于支撑所述螺旋送料器，所述支撑件二用于支撑所述驱动电机；多个万向轮安装在所述框架的底端上，并用于支撑所述框架。

9.如权利要求1所述的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备，其特征在于，所述除臭装置包括除臭盒和活性炭颗粒；所述除臭盒与所述排气管道连接，且顶部开设有透气孔；所述活性炭颗粒放置在所述除臭盒中。

10.一种热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥方法，其应用于如权利要求1-9中任意一项所述的热气加热且节能高效的小型畜禽粪便堆肥设备中，其特征在于，其包括以下步骤：

采集所述堆料的温湿度信息；

检测所述发酵罐中的含氧量；

根据所述温湿度信息以及所述含氧量，基于预设的加热模式和通气模式对所述加热箱和所述气泵进行控制，实现不同堆肥阶段所述堆料的发酵条件控制；其中，堆料的堆肥过程包括升温阶段、高温阶段以及腐熟阶段；

在升温阶段，驱使所述气泵通过所述曝气管道向所述发酵罐输入常温空气，并通过所述气动搅拌器对所述堆料进行搅拌，使所述堆料在所述发酵仓中因有机质分解而自然升温至所述高温阶段；

在所述高温阶段，判断所述堆料的温度是否达到一个预设温度一；在所述堆料的温度未达到所述预设温度一时，驱使所述加热箱进行加热；在所述堆料的温度达到所述预设温度一或所述加热箱进行加热时，判断所述堆料的温度是否超过一个预设温度二；在所述堆料的温度超过所述预设温度二时，驱使所述加热箱停止加热，使所述堆料的温度位于所述预设温度一与所述预设温度二之间的温度范围内；在所述堆料的温度位于所述温度范围内时，还判断所述含氧量是否小于预设的一个氧气浓度下限值；在所述含氧量小于所述氧气浓度下限值时，驱使所述气泵和所述曝气管道向所述发酵罐输入常温空气直至所述含氧量达到预设的一个氧气浓度上限值；

在腐熟阶段，关闭所述发酵控制器使堆料自然降温；观测所述堆料的温度，并观察到一段时间内所述堆料的温度降低至室温或高于室温的温差小于一个预设温度差时，则所述堆料已基本稳定。

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