第 34 卷   第 10 期                        農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào)                              Vol.34  No.10 194    2018 年    5 月          Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering          May. 2018      雞糞中低溫干燥動(dòng)力學(xué)特性與參數(shù)優(yōu)化李絢陽1,2，李保明1,2,3，鄭煒超1,2,3，魏永祥1,2，張  智1,2（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 3. 北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術(shù)研究中心，北京 100083） 摘   要： 為了研究雞糞的中低溫干燥特性，利用恒溫鼓風(fēng)干燥箱，以干燥溫度、糞層厚度、風(fēng)速為因素研究了雞糞含水率和干燥速率隨時(shí)間變化的規(guī)律，用常見的薄層干燥模型對(duì)雞糞的干燥曲線進(jìn)行了擬合分析，并用正交試驗(yàn)優(yōu)化了雞糞干燥工藝參數(shù)。結(jié)果表明：雞糞的中低溫干燥過程由 2 個(gè)降速階段組成，第 2 降速階段的干燥速率相對(duì)于第 1 降速階段下降更快。干燥溫度越高，糞層厚度越小，風(fēng)速越大，干燥速率曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間越早，達(dá)到干燥平衡所用時(shí)間越短；Exponential 模型能較好的模擬雞糞的干燥過程；在中低溫條件下，根據(jù) Fick 定律得到 26 cm 糞層厚度雞糞的有效擴(kuò)散系數(shù)在 2.251072.35106m2/h 間；用正交試驗(yàn)得到雞糞中低溫干燥時(shí)效率最高的工藝為：干燥溫度 55 ，糞層厚度6 cm，風(fēng)速 1.2 m/s，該工藝下雞糞的干燥效率為 0.47 h/g。 關(guān)鍵詞：干燥；糞；模型；中低溫；Exponential 模型；有效擴(kuò)散系數(shù) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.10.024 中圖分類號(hào)：S210.3           文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A           文章編號(hào)：1002-6819(2018) -10-0194-06 李絢陽，李保明，鄭煒超，魏永祥，張  智. 雞糞中低溫干燥動(dòng)力學(xué)特性與參數(shù)優(yōu)化J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(10)：194199.    doi ：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.10.024    http:/www.tcsae.org  Li Xuanyang, Li Baoming, Zheng Weichao, Wei Yongxiang, Zhang Zhi. Middle-low temperature drying dynamic characteristics for poultry manure and its parameter optimizationJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(10): 194 199. (in Chinese with English abstract)    doi ：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.10.024    http:/www.tcsae.org 0  引  言2017 年中國(guó)蛋雞存欄約為 14 億只，年產(chǎn)雞糞約 0.56億 t，大量的雞糞給環(huán)保造成了巨大的壓力，雞糞的處理直接關(guān)系到蛋雞產(chǎn)業(yè)的健康、穩(wěn)定和持續(xù)發(fā)展1-2。雞糞干燥可以阻斷新鮮糞便在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的異味，當(dāng)新鮮雞糞的含水率從 70%降到 20%，臭氣濃度可以降低1 000 倍3。同時(shí)雞糞干燥可殺滅部分細(xì)菌，減少病蟲害滋生，以及其他對(duì)環(huán)境和人員帶來的損害，還能減少 60%以上的細(xì)小粉塵，降低畜禽和工作人員肺病的發(fā)生4。干燥后的雞糞含有大量的氮元素且適合長(zhǎng)期儲(chǔ)存，并可大幅度降低運(yùn)輸和儲(chǔ)存成本，是加工有機(jī)顆粒肥最好的基礎(chǔ)材料5。 雞糞屬于高濕多孔物料。高濕多孔物料含自由水較多，具有很好的熱敏性，很容易達(dá)到干燥的目的6-8。從20 世紀(jì) 70 年代開始國(guó)外就有較多雞糞干燥的研究， 達(dá)爾豪斯大學(xué)的 Ghaly 和 MacDonald9研究了溫度、糞層厚度對(duì)雞糞干燥特性的影響及溫度和糞層厚度對(duì)氮素?fù)p失和殺菌的影響，并計(jì)算出了雞糞干燥過程中的擴(kuò)散系數(shù)，最終得出了雞糞的干燥模型。 收稿日期：2017-11-14    修訂日期：2018-02-26 基金項(xiàng)目：國(guó)家蛋雞產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-40 ） 作者簡(jiǎn)介：李絢陽，博士生，主要從事畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化利用方面的研究。Email ：541533870qq.com 通信作者：李保明，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事畜禽設(shè)施養(yǎng)殖工藝與環(huán)境研究。Email ：libmcau.edu.cn 拉脫維亞大學(xué)的 Aboltins1 和 Kic10研究了穿流干燥過程中溫度和風(fēng)速對(duì)干燥過程的影響。捷克大學(xué) Kic 等11研究了不同風(fēng)速對(duì)雞糞對(duì)流干燥過程影響并結(jié)合費(fèi)克定理推導(dǎo)出了雞糞的擴(kuò)散系數(shù)，  Liska 與 Kic12研究了雞糞在不同溫度下（70 110 ）的脫水特性。目前在國(guó)內(nèi)雞糞的干燥研究中，大多研究的是中高溫干燥，如趙廣播等13研究了雞糞在不同風(fēng)速（0.5 ，0.85 ，1.2 m/s ）和不同溫度（ 60， 90， 120 ）條件下的干燥特性，韓捷等14利用雞糞快速烘干成套設(shè)備研究了雞糞在高溫下的快速烘干特性。 綜上，雞糞干燥特性已有較多研究，但國(guó)內(nèi)外對(duì)于雞糞中低溫干燥特性的研究較少。中低溫干燥，例如太陽能干燥技術(shù)、雞舍余熱利用技術(shù)等都可應(yīng)用于雞糞干燥，且太陽能干燥技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于煙草、水果、谷物、木材、鮮花、蔬菜等農(nóng)副產(chǎn)品及污泥、橡膠、陶瓷等高濕物料的干燥15-21。選擇中低溫干燥可以減少能耗，因此，有必要對(duì)雞糞進(jìn)行中低溫干燥特性的研究，為太陽能干燥技術(shù)、雞舍余熱利用技術(shù)等中低溫干燥技術(shù)在雞糞干燥中的應(yīng)用提供理論支撐，為后續(xù)的利用雞舍余熱干燥雞糞提供參考。 1  材料與方法 1.1  試驗(yàn)樣品與儀器設(shè)備 試驗(yàn)用的雞糞樣品取自中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊試驗(yàn)站棲架養(yǎng)殖蛋雞舍（雞齡為 55 周）。雞糞樣品為未經(jīng)任何處理的新鮮雞糞，含水率約為 76.4%，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為第 10 期  李絢陽等：雞糞中低溫干燥動(dòng)力學(xué)特性與參數(shù)優(yōu)化 195 27.2%，揮發(fā)性固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為 72.8%，pH 值為 8.1。取完樣后立即裝進(jìn)保鮮袋送往中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)能源增值試驗(yàn)室進(jìn)行冷凍保存（儲(chǔ)存溫度為20 ）。 試驗(yàn)儀器： DHG-9013A 型風(fēng)速可控電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司) ； ME104E 型電子天平( 塞多利斯科學(xué)儀器有限公司 )；直徑 6 cm 的不銹鋼圓形托盤（杰域廚具公司）； 175H1 型溫濕度傳感器 (德國(guó)德圖儀器公司) ；QDF-2B 型熱球式風(fēng)速儀 (上海億歐儀表設(shè)備有限公司) 。 1.2  試驗(yàn)方法 在電熱鼓風(fēng)干燥箱中分別對(duì)干燥溫度、糞層厚度、風(fēng)速進(jìn)行單因素干燥試驗(yàn)，試驗(yàn)分為 3 組進(jìn)行。 1）固定糞層厚度 4 cm，風(fēng)速 0.8 m/s，調(diào)整干燥溫度為 35，45 ，55 ； 2）固定干燥溫度 45 ，風(fēng)速 0.8 m/s，調(diào)整糞層厚度為 2， 4，6 cm 。3 ）固定糞層厚度 4 cm，干燥溫度45 ，調(diào)整風(fēng)速為 0.4，0.8 ，1.2 m/s 。 為了確定雞糞中低溫干燥的最佳工藝參數(shù)，在上述單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)三因素三水平的正交試驗(yàn)：干燥溫度（35， 45， 55 ） 、糞層厚度（ 2， 4， 6 cm） 、風(fēng)速 （0.4 ， 0.8， 1.2 m/s），具體試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置按照 L9 正交試驗(yàn)表進(jìn)行。 干燥方法：將雞糞從冰箱取出后先在常溫下解凍 6 h，按照上述不同試驗(yàn)分組的參數(shù)要求設(shè)定干燥溫度、糞層厚度和風(fēng)速，用不銹鋼圓形托盤盛放雞糞，然后待電熱鼓風(fēng)干燥箱的溫度和風(fēng)速穩(wěn)定后將雞糞放入，開始進(jìn)行干燥，每隔 2 h 測(cè) 1 次干燥箱內(nèi)雞糞的質(zhì)量，記錄雞糞干基含水率隨時(shí)間的變化情況，直至雞糞的干基含水率降至 0.1 以下，停止試驗(yàn)。 1.3  雞糞干燥參數(shù)的計(jì)算 雞糞干基含水率（ X） ，是指雞糞中的水分質(zhì)量與干雞糞質(zhì)量之比，即 0/X mm  （1 ） 式中 X 為雞糞的干基含水率，g/g；m 為雞糞中水分的質(zhì)量，g ；m0為絕干雞糞的質(zhì)量，g 。 雞糞水分比（MR ）的表達(dá)式為 0MR /te eX XXX （2 ） 式中 MR 為雞糞水分比；tX 為干燥過程中 t 時(shí)刻雞糞的干基含水率， g/g；eX 為干燥平衡時(shí)（雞糞質(zhì)量不再變化時(shí)）雞糞的干基含水率， g/g；0X 為雞糞的初始干基含水率，g/g。 由于eX 相對(duì)于tX 和0X 很小，可以忽略不計(jì)，因此式（2 ）可簡(jiǎn)化為 0MR /tX X  （3 ） 雞糞干燥速率（RM ）是指單位質(zhì)量干雞糞在單位時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)的水分質(zhì)量，即 ()/RtttM XXt  （4 ） 式中RM 為雞糞的干燥速率， g/（ gh）；ttX、tX 分別是單位質(zhì)量雞糞在 t 時(shí)間間隔開始和結(jié)束時(shí)雞糞的質(zhì)量，g/g； t 為干燥時(shí)間間隔，h 。 2  干燥特性分析 2.1  溫度對(duì)雞糞干燥特性的影響 圖 1 中的 a、b 分別是厚度為 4 cm 的雞糞在風(fēng)速0.8 m/s、干燥溫度為 35， 45， 55 條件下的干燥曲線和干燥速率曲線。從圖 1a 可以看出，干燥曲線呈現(xiàn)指數(shù)式衰減的趨勢(shì)，在同一糞層厚度和風(fēng)速的條件下，溫度越高達(dá)到干燥平衡所需的時(shí)間越短。 4 cm 雞糞的干基含水率由 3.237（濕基含水率 76.4%）降至 0.43（濕基含水率為 30.0%，在該狀態(tài)下大部分微生物失去活性，易于存儲(chǔ)和運(yùn)輸）所用時(shí)間分別為： 35 用時(shí)約 22 h， 45 用時(shí)約 14 h， 55 用時(shí)約 11 h。 35 用時(shí)約為 45 的 1.6倍， 55 的 2 倍。達(dá)到干燥平衡所用的時(shí)間分別為： 35 用 42 h、 45 用 30 h、 55 用 22 h。分析可以看出溫度升高可以大幅度縮短干燥時(shí)間，這是因?yàn)闇囟仍礁撸瑐鳠嵬苿?dòng)力越大，干燥速率越快，水分的去除率也就越快，說明溫度是影響雞糞中低溫干燥的主要因素。從圖 1b 可以看出，干燥速率曲線只有降速時(shí)段，沒有加速和恒速時(shí)段。這是因?yàn)檎麄€(gè)雞糞的干燥過程屬于內(nèi)部遷移控制，即水分?jǐn)U散速率決定干燥速率。另外，當(dāng)干基含水率降到一定程度時(shí)，干燥速率曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，因而整個(gè)干燥過程可以分為 2 個(gè)階段，即第 1 降速干燥階段和第 2 降速干燥階段，35 ，45 ， 55 的干燥速率曲線拐點(diǎn)分別出現(xiàn)在干燥過程中的第 16， 10， 4 小時(shí)，干燥溫度越高，拐點(diǎn)出現(xiàn)的越早，干燥速率降低幅度越大。第 1 降速干燥階段 （ 拐點(diǎn) 左側(cè)），自由水快速蒸發(fā)，雞糞淺層的自由水因遷移距離短而擴(kuò)散阻力小，能較快傳遞到雞糞表面并蒸發(fā)，隨著內(nèi)層水分遷移距離增加，雞糞干燥速率緩慢降低；當(dāng)干燥進(jìn)入第 2 降速干燥階段（拐點(diǎn)右側(cè)） ，自由水大幅度減少，雞糞中的毛細(xì)管水、吸附水及結(jié)合水逐漸變成自由態(tài)后擴(kuò)散至表層并蒸發(fā)，由于毛細(xì)管水、吸附水及結(jié)合水需要較長(zhǎng)時(shí)間才能變成自由態(tài)，干燥后期雞糞干燥速率迅速降低，直至趨近于 0。同時(shí)可以看出，溫度越低，第 2 階段所需時(shí)間越長(zhǎng)，這是因?yàn)槊?xì)管水、吸附水及結(jié)合水需要足夠的熱量才可以去除。 圖 1  4 cm 厚雞糞在風(fēng)速 0.8 ms1下不同干燥溫度的 干燥曲線和干燥速率曲線 Fig.1  Drying curve and drying rate curves of 4 cm manure at different temperatures under air speed of 0.8 ms12.2  糞層厚度對(duì)雞糞干燥特性的影響 圖 2 中的 a、 b 分別是厚度為 2、 4、 6 cm 的雞糞在干農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org ）                                2018 年   196燥溫度 45 、 風(fēng)速 0.8 m/s 條件下的干燥曲線和干燥速率曲線。從圖 2 中可以看出，在同一干燥溫度和風(fēng)速的條件下，糞層厚度越小達(dá)到干燥平衡所需的時(shí)間越短。雞糞的干基含水率由 3.237（濕基含水率 76.4%）降至 0.43（濕基含水率為 30.0%）所用時(shí)間分別為：2 cm 用時(shí)約11 h， 4 cm 用時(shí)約 14 h， 6 cm 用時(shí)約 18 h。 6 cm 用時(shí)約為 4 cm 的 1.3 倍， 2 cm 的 1.6 倍。達(dá)到干燥平衡所用的時(shí)間分別為： 2 cm 用時(shí)約 22 h， 4 cm 用時(shí)約 30 h，6 cm用時(shí)約 36 h。糞層厚度越大，熱質(zhì)遷移距離越長(zhǎng)，擴(kuò)散阻力越大，干燥效率越低。不同糞層厚度下雞糞的中低溫干燥過程也分為 2 個(gè)降速階段。 2、 4、6 cm 的干燥速率曲線拐點(diǎn)分別出現(xiàn)在干燥過程中的第 8、 10、 12 小時(shí)。糞層厚度越小，干燥速率降低幅度越大。  圖 2  不同厚度雞糞在干燥溫度 45、風(fēng)速 0.8 ms1條件下的干燥曲線和干燥速率曲線 Fig.2  Drying curve and drying rate curves of manure at different thicknesses under air temperature of 45 and air speed of 0.8 ms12.3  風(fēng)速對(duì)雞糞干燥特性的影響 圖 3 中的 a、 b 分別是厚度為 4 cm 的雞糞在干燥溫度為 45 、風(fēng)速為 0.4， 0.8，1.2 m/s 條件下的干燥曲線和干燥速率曲線。在同一溫度和糞層厚度的條件下，風(fēng)速越大，干燥時(shí)間越短。雞糞的干基含水率由 3.237 g/g（濕基含水率 76.4%）降至 0.43 g/g（濕基含水率為 30.0%）所用時(shí)間分別為： 0.4 m/s用時(shí)約 18 h， 0.8 m/s用時(shí)約 14 h，1.2 m/s 用時(shí)約 12 h。 0.4 m/s 用時(shí)約為 0.8 m/s 的 1.3 倍，1.2 m/s 的 1.5 倍。達(dá)到干燥平衡所用的時(shí)間分別為：0.4 m/s 用時(shí)約 38 h， 0.8 m/s 用時(shí)約 30 h， 1.2 m/s 用時(shí)約26 h。因此，增加風(fēng)速能有效提高雞糞的干燥速率，這是因?yàn)轱L(fēng)速越大，單位時(shí)間內(nèi)流過雞糞表面的空氣越多，流動(dòng)邊界層越薄，降低了空氣中的含濕量，減小了雞糞表面水蒸氣向空氣擴(kuò)散的阻力，因此水分蒸發(fā)越快，干燥時(shí)間越短。另外從圖 3a 可以看出，在干燥中期，隨著風(fēng)速的增加，干燥曲線之間的間距減小，這是因?yàn)轱L(fēng)速增加到一定程度后，已足以帶走雞糞蒸發(fā)的水分，此時(shí)，內(nèi)部因素為影響干燥速率的主要因素，再增加風(fēng)速，對(duì)干燥速率影響的作用減小。同樣，從圖 3b 可以看出不同風(fēng)速下雞糞的中低溫干燥過程也分為 2 個(gè)降速階段。 0.4，0.8， 1.2 m/s 的干燥速率曲線拐點(diǎn)分別出現(xiàn)在干燥過程中的第 14，10，8 小時(shí)。風(fēng)速越大，干燥速率降低幅度越大。干燥后期，1.2 m/s 風(fēng)速的干燥速率最低。 圖 3  4 cm 厚雞糞在干燥溫度 45 下不同風(fēng)速的 干燥曲線和干燥速率曲線 Fig.3  Drying curves and drying rate curves of 4 cm manure at different air speed under temperature of 45 2.4  干燥模型分析 干燥是一個(gè)復(fù)雜的傳熱、傳質(zhì)過程，干燥過程中內(nèi)部水分的遷移過程涉及液相流動(dòng)、毛細(xì)流動(dòng)、蒸汽流動(dòng)、液相擴(kuò)散、蒸汽擴(kuò)散等諸多傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象22-23，雞糞的干燥過程可能包含上述多種現(xiàn)象，因此其干燥過程不能用特定的理論來分析，需要根據(jù)其失水規(guī)律建立干燥模型來預(yù)測(cè)干燥時(shí)間、干燥速率等參數(shù)。干燥模型的建立對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)具有理論指導(dǎo)意義。 常用的薄層干燥模型 Page 模型，Lewis 模型，單項(xiàng)擴(kuò)散模型， Exponential 模型等24-25，常用于模擬紅棗、荔枝、核桃、紫薯、玉米、煙葉等農(nóng)產(chǎn)品及污泥、皮革等高濕物料的薄層干燥。 在 Origin 中繪制不同試驗(yàn)組的 MR-t 曲線 （干燥速率低于 0.01 g/(gh)時(shí)，以 MR 停止變化來計(jì)算） ，并分別用上述模型進(jìn)行擬合，比較各個(gè)擬合曲線的殘差平方和、相關(guān)系數(shù)等反應(yīng)擬合度的參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，Exponential 模型擬合出的曲線與原曲線的相關(guān)系數(shù)最高（均高于 0.99，擬合結(jié)果見表 1）。  由不同試驗(yàn)組的擬合方程（表 1）可判斷 Exponential模型方程中的 A、 K 和 C 隨干燥溫度（ T，） ，風(fēng)度（ V，m/s）和糞層厚度（L ， m）的變化而發(fā)生變化，即 Exponential模型中的常數(shù) A、K 和 C 是溫度 T，風(fēng)度 V 和糞層厚 L的函數(shù)。通過多元線性回歸分析分別得到 A、 K、 C 與 T、V 和 L 的函數(shù)關(guān)系，然后代入 Exponential 模型公式，得到本研究的 Exponential 模型公式如下： MR=（1.38360.0047 T0.0801V0.37L） exp(0.1723+ 0.324T+0.0612V0.0709L)t0.2583+0.0035T+ 0.0375V+ 0.2467L 為了驗(yàn)證所得 Exponential 模型公式的準(zhǔn)確性，隨機(jī)選取試驗(yàn)條件為干燥溫度 45 、 風(fēng)速 0.8 m/s、糞層厚度4 cm 的試驗(yàn)組進(jìn)行試驗(yàn)值和模擬值的比較。擬合曲線如圖 4 所示，試驗(yàn)曲線和模擬曲線的擬合度很高，擬合曲線的決定系數(shù) R2為 0.989，均方根誤差 RMSE 為 0.027。因此，Exponential 模型能較好的模擬雞糞的干燥過程。 第 10 期  李絢陽等：雞糞中低溫干燥動(dòng)力學(xué)特性與參數(shù)優(yōu)化 197 注：試驗(yàn)條件為干燥溫度 45 ，風(fēng)速 0.8 ms1，糞層厚度 4 cm。 Note： Experimental was conducted at temperature of 45 , air speed of 0.8 ms1and manure thickness of 4 cm. 圖 4  Exponential 模型驗(yàn)證 Fig.4  Verification of Exponential model 表 1 雞糞干燥過程 Exponential 模型擬合結(jié)果 Table 1  Exponential model fitting results of poultry  manure drying process 溫度 Temp-erature/ 風(fēng)速 Air speed/ (ms1) 厚度 Thickness/ cm 擬合方程 Fitted equation 殘差平方和SSE 決定系數(shù)R22 MR=1.1458exp (0.0899t)0.1227 6.468 91040.993 94 MR=1.1079exp (0.0721t)0.0767 4.029 61040.995 835 0.8 6 MR=1.0755exp (0.0638t)0.0559 1.126 31040.998 72 MR=1.0977exp (0.1359t)0.0691 8.186 81040.992 84 MR=1.1319exp (0.1064t)0.0915 1.115 01040.990 145 0.8 6 MR=1.1068exp (0.0888t)0.1227 6.552 61040.993 62 MR=1.0127exp (0.2885t)0.0284 8.315 41040.993 84 MR=1.0075exp (0.2206t)0.0072 2.538 91040.997 555 0.8 6 MR=1.0295exp (0.1488t)0.0120 1.305 01040.998 70.4 MR=1.0873exp (0.0878t)0.0498 8.573 11040.991 245 1.2 4 MR=1.0232exp (0.1490t)0.0198 2.016 81040.997 9注：MR 為水分比，t 為干燥時(shí)間。 Note: MR is moisture ratio, t is drying time. 2.5  有效擴(kuò)散系數(shù) 雞糞干燥過程中 MR 值的變化符合 Exponential 模型說明雞糞干燥主要是受水分?jǐn)U散的影響。雞糞中低溫干燥過程主要為水分從內(nèi)向外的擴(kuò)散過程，可以通過費(fèi)克第二定律描述雞糞內(nèi)部水分的擴(kuò)散規(guī)律26，其計(jì)算公式為：  2222081 (21)MR exp(2 1) 4nntDnL（5 ） 式中 D 為有效擴(kuò)散系數(shù)（脫水能力）， m2/h；n 為數(shù)據(jù)記錄次數(shù)； L 為雞糞樣本的糞層厚度， m； t 為干燥時(shí)間， s。  對(duì)上式兩端求對(duì)數(shù)，簡(jiǎn)化后得， 2228 ln(MR) ln 4DtL     （6 ） 該方程為關(guān)于 t 和 ln(MR)的一次方程。方程斜率為  224DL ；方程截距為28ln。 由式（ 6）可知，雞糞干燥時(shí)間與糞層厚度的平方 (L2) 成正比，與有效擴(kuò)散系數(shù)( D)成反比，在雞糞的干燥過程中，糞層越厚，所需的干燥時(shí)間越長(zhǎng)。 分別繪制不同影響因子下雞糞干燥過程中的ln(MR)-t 曲線（圖 5），并用一元線性方程對(duì)曲線進(jìn)行擬合。擬合曲線的相關(guān)系數(shù) R2均大于 0.98，說明擬合情況較好，ln(MR) 與 t 大致符合線性的關(guān)系。 圖 5  雞糞干燥 ln(MR)-t 曲線及擬合曲線圖 Fig.5  ln(MR)-t curves and fitted curves of poultry manure drying 從圖 5 可進(jìn)一步計(jì)算得出擬合直線的斜率（近似等于 ln(MR)-t 曲線的斜率）27，再由公式 (6)引導(dǎo)出的斜率公式計(jì)算出雞糞的有效擴(kuò)散系數(shù)。不同干燥溫度、糞層厚度、風(fēng)速下雞糞的有效擴(kuò)散系數(shù)如表 2 所示。由表 2可知，雞糞在不同因素條件下的有效擴(kuò)散系數(shù)在2.251072.35106 m2/h 間，有效擴(kuò)散系數(shù)隨溫度和風(fēng)速的增大而增大。 表 2  雞糞干燥過程中的有效擴(kuò)散系數(shù) Table 2  Effective diffusion coefficient during poultry  manure drying process 溫度 Temperature/風(fēng)速 Air speed/(ms1)厚度 Thickness/cm 斜率 Slope 有效擴(kuò)散系數(shù)D/(m2h1) 2 0.139 2.251074 0.097 6.2910735 0.8 6 0.081 1.181062 0.183 2.961074 0.155 1.0110645 0.8 6 0.120 1.751062 0.322 5.211074 0.193 1.2510655 0.8 6 0.161 2.351060.4 0.103 6.6810745 1.2 4 0.162 1.051063  正交試驗(yàn)結(jié)果分析 為了優(yōu)化雞糞中低溫干燥的工藝參數(shù)，在上述單因農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（http:/www.tcsae.org ）                                2018 年   198素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三因素三水平的正交試驗(yàn)，分析干燥溫度、糞層厚度、風(fēng)速 3 個(gè)影響因素的主次關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果以干燥效率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，干燥效率不同于干燥速率，它是指干燥時(shí)間與干燥過程中去除水分質(zhì)量的比值，單位為 h/g。  試驗(yàn)結(jié)果如表 3 所示，可以看出溫度因子影響下的 k值極差最大，糞層厚度其次，風(fēng)速最小。因此，影響因素的主次為：干燥溫度糞層厚度風(fēng)速。干燥效率最高的干燥工藝為：T 3L3V3，即干燥溫度 55 ，糞層厚度 6 cm，風(fēng)速 1.2 m/s。驗(yàn)證試驗(yàn)表明該工藝下雞糞的干燥效率為 0.47 h/g。因此，雞糞在中低溫干燥時(shí)應(yīng)盡可能保持較高的溫度，糞層較厚的時(shí)候，可通過提高風(fēng)速增加雞糞的干燥效率。同時(shí)，風(fēng)速也非越大越好，需找到糞層厚度和風(fēng)速的最佳耦合值，因?yàn)轱L(fēng)速過大不僅會(huì)增加能耗，還會(huì)增加氨氣的排放，這在接下來的相關(guān)試驗(yàn)中會(huì)做進(jìn)一步研究。 表 3  正交試驗(yàn)結(jié)果與分析 Table 3  Results and analysis of orthogonal tests 雞糞質(zhì)量 Manure weight/g 試驗(yàn) 編號(hào) Test No 干燥 溫度 Temp-erature T/ 厚度 Thick-ness L/cm 風(fēng)速 Air  speed V/ (ms1) 時(shí)間 Time /h 鮮雞糞 Initial 干雞糞 Final 去除水分質(zhì)量Removed moisture/g 干燥效率Drying effectiv-eness/ (hg-1) 1 1 (35) 1 (2) 1 (0.4) 36 25.35 6.36 18.99 1.90 2 1 (35) 2 (4) 2 (0.8) 42 49.54 13.35 36.19 1.16 3 1 (35) 3 (6) 3 (1.2) 50 72.76 20.37 52.39 0.95 4 2 (45) 1 (2) 2 (0.8) 22 26.19 6.08 20.11 1.09 5 2 (45) 2 (4) 3 (1.2) 28 50.55 12.17 38.38 0.73 6 2(45) 3 (6) 1 (0.4) 40 78.03 19.03 59.00 0.68 7 3(55) 1 (2) 3 (1.2) 14 24.07 6.19 17.88 0.78 8 3(55) 2 (4) 1 (0.4) 24 49.15 12.73 36.42 0.66 9 3(55) 3 (6) 2 (0.8) 28 75.14 19.91 55.23 0.51 k11.34 1.26 1.08 k20.83 0.85 0.92 k3 0.65 0.71 0.82 極差 R 0.69 0.55 0.26 因素主次：T L V  干燥效率最高工藝 T3 L3V3 4  結(jié)  論 1）雞糞的中低溫干燥過程由 2 個(gè)降速階段組成，即第 1 降速階段和第 2 降速階段，且第 2 降速階段的干燥速率相對(duì)于第 1 降速階段下降的更快。干燥溫度越高，糞層厚度越小，風(fēng)速越大，干燥速率曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間越早，達(dá)到干燥平衡所用的時(shí)間越短。在干燥過程的中后期，風(fēng)速對(duì)干燥速率的影響較小。 2）Exponential 模型能較好的模擬雞糞的干燥過程，在中低溫條件下 2 6 cm 糞層厚度雞糞的有效擴(kuò)散系數(shù)為 2.251072.35106m2/h，有效擴(kuò)散系數(shù)隨溫度和風(fēng)速的增大而增大。 3）采用正交試驗(yàn)得到干燥效率最高的工藝為：干燥溫度 55 ，糞層厚度 6c m，風(fēng)速 1.2 m/s, 該工藝下雞糞的干燥效率為 0.47 h/g。極差分析得到影響雞糞干燥因素的主次為：干燥溫度糞層厚度風(fēng)速。 參  考  文  獻(xiàn) 1 廖新俤，吳銀寶，李有建. 我國(guó)蛋雞糞處理主要工藝分析J.中國(guó)家禽，2010，32(21)：3739.  Liao Xindi, Wu Yinbao, Li Youjian. The main technologic analysis of poultry manure treatment in our countryJ. China Poultry, 2010, 32(21): 37 39. (in Chinese with English abstract) 2 車立軍，毛文智，石春軍，等. 淺談雞糞干燥的必要性與可行性J. 畜牧獸醫(yī)科技信息，2012(10) ：2223. Che Lijun, Mao Wenzhi, Shi Chunjun, etal. Introduction to the necessity and feasibility of chicken manure dryingJ. Chinese Journal of Animal Husbandry and Veterinary Medicine, 2012(10): 22 23. (in Chinese with English abstract) 3 陳斌. 降低雞糞含水率的兩項(xiàng)措施J. 當(dāng)代畜牧， 1991(2)：4950. Chen Bin. Two measures of reducing moisture content of chicken manureJ. Contemporary Animal Husbandry, 1991(2): 4950. (in Chinese with English abstract) 4 Winkel A, Mosquera J, Aarnink A J A, et al. Evaluation of manure drying tunnels to serve as dust filters in the exhaust of laying hen houses: Emissions of particulate matter, ammonia, and odour J. Biosystems Engineering, 2017, 16(2): 8198. 5 Ghaly. Drying poultry manure for pollution potential reduction and production of organic fertilizerJ. American Journal of Environmental Sciences, 2013, 9(2): 88102. 6 費(fèi)輝盈，常志州，王世梅，等. 畜禽糞便水分特征研究J. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，13(9)：599603. Fei Huiying, Chang Zhizhou, Wang Shimei, et al. Characterization of moisture in three livestock manuresJ. Journal of Agro-Environment Science, 2006, 13(9): 599603. (in Chinese with English abstract) 7 Stanish M A, Schajer G S, Kayihan F. A mathematical model of drying for hygroscopic porous mediaJ. Aiche Journal, 2010, 32(8): 13011311. 8 Bonneau P, Puiggali J R. Influence of heartwood-sapwood proportions on the drying kinetics of a boardJ. Wood Science   2. Key Lab of Agricultural Engineering in Structure and Environment, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100083, China;  3. Beijing Engineering Research Center for Livestock and Poultry Healthy Environment, Beijing 100083, China) Abstract: The poultry industry in China is developing. The estimated flock in 2017 was over 1.4 billion hens with a yearly manure output of 56 million tons. Such a large amount of poultry manure has a tremendous pressure on environment because of the associated air, water and soil pollution. Environmental and health problems such as odor and pathogens can be eliminated by decreasing the moisture content of poultry manure. Thermal drying has been proven to be an effective method to remove moisture. Drying at middle-low temperature can not only save energy but also reduce the emission of ammonia compared with traditional drying method at high temperature. Middle-low temperature heat sources, such as solar energy and warm weather in-house, can be used to dry poultry manure. Furthermore, dried manure can be utilized as a raw material to produce organic fertilizer. In order to study the drying characteristics of poultry manure at middle-low temperature, drying experiments of poultry manure were carried out in a temperature-controlled drying oven. The effects of drying temperature, manure thickness and air speed on manure moisture ratio and drying rate were examined. After that, common drying models were applied to simulate the drying process. The optimization of the middle-low temperature drying parameters was also performed by orthogonal test. The result showed that the middle-low temperature drying process of poultry manure could be divided into 2 falling rate periods: The first falling rate period and the second falling rate period. The removed water in