一种利用牛粪生产垫料的装置和工艺系统的制作方法

1.本发明属于畜禽粪便处理技术领域，具体地涉及一种利用牛粪生产垫料的装置和工艺系统。


背景技术：

2.根据《2020年中国统计年鉴》，截止2019年，中国畜牧业中牛的饲养数量高达9138.3万头。随着我国养殖牛数量的快速增长和规模化、集约化奶牛养殖场和小区增多，牛所产生的粪污随之增长，其数量高于1.82亿吨，同时牛粪污难以合理处理的问题日益严重，其对养殖场周边的生态坏境和民众生活造成巨大的危害，也制约了国内畜牧业的发展。所以，绿色环保的处理牛粪污是我国畜牧业目前所面临的最为关键的问题之一。
3.另一方面，牛床垫料的质量直接关系到牛的健康问题。但牛床垫料的价格日益上涨，大大增加了养牛的成本。所以，找到低成本高质量牛床垫料的生产方法迫在眉睫。
4.研究指出，通过牛粪再生垫料相较于秸秆、沙子和锯末等更具舒适性，但牛粪中存在大量的细菌，采用未杀菌的牛粪再生垫料增加了奶牛肢蹄病的患病率。同时，牛粪再生垫料的最佳湿度介于40 %-50 %，而经过简单固液分离后的牛粪整体含水率约为75%，但是采用传统牛粪干燥设备，牛粪在干燥过程中，干燥速度快慢受瞬时水分和干燥条件所对应的平衡水分两者差值的影响。理想的干燥过程是牛粪受此差值控制的内部水分扩散速度与热空气干燥势控制的表面水分蒸发速度相等，但在实际干燥过程中，一般热空气干燥势控制的表面水分蒸发速度大于牛粪受此差值控制的内部水分扩散速度，称为内控现象。所以，寻找一种绿色环保高效率的方法处理牛粪对发展牛粪再生垫料技术具有重要的意义。
5.截至目前，国内外众多学者对牛粪再生垫料展开了大量的研究，也发明了许多种工艺和装置生产牛粪再生垫料，其主要分为两种：直接加热和发酵。如专利—《利用奶牛场粪污生产环保型垫料的方法》（cn104557168a），该专利主要是将固液分离后的牛粪通过堆垛和翻堆的形式进行发酵，并通过调节粪渣水分以获得垫料。但是，这种方法由于堆垛量大，所以不易精准监测和控制堆内的温度，进而影响牛粪的发酵效果和再生垫料的质量。专利—《一种生产无菌牛床垫料的牛粪生物干化方法》（cn108901873a）通过将固液分离后的牛粪进行二次物理挤压、向粪渣中加入高温干化菌和营养料、建堆和生物干化等方法将牛粪再生为垫料。但在该方法中，无法实现连续进出料，工作量大，同时生物干化时间较长，效率较低。另一方面，牛粪处理再生垫料过程中的电器件需要外界供电，不能实现能源的自给自足，也是发展新型牛粪再生垫料技术的一大阻碍。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，本发明提供了一种全自动，可实现连续进料，同时零能耗的牛粪再循环生产垫料的装置和工艺系统。
7.本发明采用的技术方案为：一种利用牛粪生产垫料的装置，包括反应器、杀菌调湿系统、温湿度控制系统和进
出料系统；所述杀菌调湿系统包括转动电机、转动轴承、钢架、水箱、抽水水泵、蒸汽发生器、蒸汽输送管道、蒸汽旋转管和喷嘴，所述转动电机位于反应器顶部，转动电机的转轴穿过反应器外壁位于反应器内部，所述钢架借助转动轴承与转轴构成转动连接，所述蒸汽旋转管固定于钢架上，所述喷嘴固定在蒸汽旋转管上；所述水箱、抽水水泵和蒸汽发生器依次连接并位于反应器外部，所述蒸汽发生器的出汽端借助蒸汽输送管道与蒸汽旋转管相连通；所述进出料系统包括传送带组、出料螺旋输送器、储料室和搅拌装置；所述反应器顶部设有进料口、底部设有出料口；所述传送带组从上到下依次包括上传送带、中传送带和下传送带，所述上传送带一端位于进料口下方、靠近反应器中心的一端位于中传送带斜上方，所述中传送带靠近反应器中心的一端位于下传送带斜上方，所述搅拌装置固定在钢架底部，所述出料螺旋输送器位于搅拌装置下方，所述储料室位于反应器底部，所述储料室的两端分别与出料螺旋输送器和反应器出料口相连通；所述温湿度控制系统包括温度传感器、湿度传感器，所述上传送带、中传送带和下传送带的支架上均设有温度传感器、湿度传感器及红外高度探测器。
8.进一步地，所述上传送带、中传送带和下传送带上部的下方安装有石墨烯加热板，所述上传送带、中传送带和下传送带两侧等间距安装有微波发生器。
9.进一步地，所述上传送带的上方设有隔板，所述隔板一端固定在反应器内壁上。
10.进一步地，所述反应器侧壁还设有蒸汽抽取装置，所述反应器外壁包裹有保温层；所述反应器外还设有抽气泵和空气加热器，所述空气加热器一端与抽气泵相连、另一端借助热空气传输管路与反应器的保温层相连。
11.进一步地，所述装置还包括太阳能电力系统，所述太阳能电力系统包括太阳能板和储能装置，所述太阳能板位于反应器顶部和外壁，所述储能装置位于反应器内部底侧，所述太阳能板借助光电转换装置与储能装置相连。
12.进一步地，所述传送带组数量为四组，四组所述传送带组对称分布在反应器内。
13.进一步地，所述装置还设有中央集成控制系统，所述中央集成控制系统用于控制杀菌调湿系统、温湿度控制系统和进出料系统。
14.一种利用牛粪生产垫料的工艺系统，包括以下步骤：a、在物料进入反应器前，利用质量探测器称量空的反应器质量，记为m0；b、通过中央集成控制系统控制上传送带和中传送带向反应器中心转动、下传送带向反应器内壁转动，同时将固液分离后的物料由进料口输入到反应器内，由上传送带和中传送带将物料运输到下传送带上，并跟随下传送带向反应器内壁移动；当下传送带处的红外高度探测器检测到近内壁处的高度变化时，红外高度探测器将信号传输给中央集成控制系统；中央集成控制系统对信号进行处理并反馈信号给中传送带和下传送带，下传送带完成物料输送停止转动，中传送带改为反方向转动；当中传送带处的红外高度探测器检测到近内壁处的高度变化时，红外高度探测器将信号传输给中央集成控制系统；中央集成控制系统对信号进行处理并反馈信号给中传送带和上传送带，中传送带完成物料输送停止转动，上传送带改为反方向转动；当上传送带处的红外高度探测器检测到近内壁处的高度变化时，红外高度探测器将信号传输给中央集成控制系统，中央集成控制系统对信号进行处理并反馈信号给上传送带，上传送带完成物料输送停止转动，进料完成；物料和反应器总质量，记作m1；
c、进料完成后，启动杀菌调湿系统和温湿度控制系统，利用微波发生器产生的微波对物料进行杀菌，空气加热器和石墨烯加热板对物料进行干燥，蒸汽发生器为反应器内部补水增湿；温度传感器和湿度传感器实时在线检测反应器内的温度和湿度；d、时刻记录物料与反应器质量之和，记作m2，将含水率处于30%-40%的物料和反应器的质量记作m3；当m2等于m3时，杀菌干燥完成，上传送带、中传送带和下传送带均开始向反应器中心转动，物料下落，同时出料螺旋输送器启动，实现自动出料；e、当m2等于m0时，开始重新进料。
15.进一步地，所述物料为畜禽粪便，所述畜禽粪便为牛粪。
16.本发明获得的有益效果为：本发明通过微波杀菌，高温干燥的方法对牛粪进行无危害、零能耗的处理，将牛粪循环利用再生垫料，该工艺解决了牛粪对养殖场周边生态环境污染的问题，同时提供了一种低成本生产高质量垫料的方法。蒸汽发生器在提高介质温度的同时提高介质相对湿度，以维持反应器45%环境湿度，通过调整内部水分扩散速度与热空气干燥时控制表面水分蒸发速度的关系，达到牛粪内外干湿度均一性的目的。当牛粪含水率高于反应器内部湿度时，水分由牛粪向环境输运；当牛粪含水率低于反应器内部湿度时，水分由环境向牛粪内部输运。
17.本装置中的太阳能电力系统可以实现将太阳能转化为电能，并将电能存储在储能装置中，供设备中电器件使用。该系统实现了装置耗能的“自给自足”，无外部能源供给。同时太阳能光电转换过程中不产生气体污染物和固体污染物，实现了清洁生产的要求。通过利用中央集成控制系统结合质量传感器、温湿传感器、红外高度探测器等，实现了牛粪再生垫料过程中的全自动化，降低了生产的人工成本，增加了养殖场的收益。另一方面，通过温度传感器结合中央集成控制系统可以精确的控制反应器中的温度和湿度，保证了牛粪在杀菌和干燥过程中自身的含水率，提高了牛粪再生垫料的质量。
18.微波杀菌-高温干燥相较于通过发酵生产垫料的方法用时更短，降低了牛粪再生垫料投入的时间成本；同时，采用转动电机带动钢架上的蒸汽喷嘴转动，使得反应器中不同位置的牛粪都处于相同的湿度场内，保证了不同位置的牛粪具有相同的含水率。微波杀菌-高温加热相较于发酵池，占地面积小，养殖场改造成本低，设备操作简单。
附图说明
19.图1为本发明结构示意图；图2为本发明中传送带横截面图；其中，1代表太阳能板、2代表保温层、3代表进料口、4代表中央集成控制系统、5代表储能装置、6代表储料室、7代表出料口、8代表出料螺旋输送器、9-1代表上传送带、9-2代表中传送带、9-3代表下传送带、10代表微波发生器、11代表石墨烯加热板、12代表温度传感器、13代表湿度传感器、14代表隔板、15代表转动电机、16代表转动轴承、17代表喷嘴、18代表转轴、19代表钢架、20代表、21代表水箱、22代表抽水水泵、23代表蒸汽发生器、24代表蒸汽旋转管、24-1代表蒸汽输送管道、25代表抽气泵、26代表空气加热器、27代表热空气传输管路、28代表汽抽取装置。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
21.如图1-2所示，一种利用牛粪用生产垫料的装置，包括反应器、杀菌调湿系统、温湿度控制系统和进出料系统；所述杀菌调湿系统包括转动电机15、转动轴承16、钢架19、水箱21、抽水水泵22、蒸汽发生器23、蒸汽输送管道24-1、蒸汽旋转管24和喷嘴17，所述转动电机15位于反应器顶部，转动电机15的转轴18穿过反应器外壁位于反应器内部，所述钢架19借助转动轴承16与转轴18构成转动连接，所述蒸汽旋转管21固定于钢架19上，所述喷嘴17固定在蒸汽旋转管21上；所述水箱21、抽水水泵22和蒸汽发生器23依次连接并位于反应器外部，所述蒸汽发生器23的出汽端借助蒸汽输送管道24-1与蒸汽旋转管21相连通；所述进出料系统包括传送带组、出料螺旋输送器8、储料室6和搅拌装置20；所述反应器顶部设有进料口3、底部设有出料口7；所述传送带组从上到下依次包括上传送带9-1、中传送带9-2和下传送带9-3，所述上传送带9-1一端位于进料口3下方、靠近反应器中心的一端位于中传送带9-2斜上方，所述中传送带9-2靠近反应器中心的一端位于下传送带9-3斜上方，所述搅拌装置20固定在钢架19底部，所述出料螺旋输送器8位于搅拌装置20下方，所述储料室6位于反应器底部，所述储料室6的两端分别与出料螺旋输送器8和反应器出料口7相连通；所述温湿度控制系统包括温度传感器12、湿度传感器13，所述上传送带9-1、中传送带9-2和下传送带9-3的支架上均设有温度传感器12、湿度传感器13及红外高度探测器。
22.所述上传送带9-1、中传送带9-2和下传送带9-3上部的下方安装有石墨烯加热板11，所述上传送带9-1、中传送带9-2和下传送带9-3两侧等间距安装有微波发生器10。所述上传送带9-1的上方设有隔板14，所述隔板14一端固定在反应器内壁上。所述反应器侧壁还设有蒸汽抽取装置28，所述反应器外壁包裹有保温层2；所述反应器外还设有抽气泵25和空气加热器26，所述空气加热器26一端与抽气泵25相连、另一端借助热空气传输管路27与反应器的保温层2相连。
23.所述装置还包括太阳能电力系统，所述太阳能电力系统包括太阳能板1和储能装置5，所述太阳能板1位于反应器顶部和外壁，所述储能装置5位于反应器内部底侧，所述太阳能板1借助光电转换装置与储能装置5相连。所述传送带组数量为四组，四组所述传送带组对称分布在反应器内。
24.所述装置还设有中央集成控制系统4，所述中央集成控制系统用于控制杀菌调湿系统、温湿度控制系统和进出料系统。
25.具体实施时：一种利用牛粪循环利用生产垫料的工艺系统，包括以下步骤：a、在牛粪物料进入反应器前，利用质量探测器称量空的反应器质量，记为m0；b、通过中央集成控制系统4控制上传送带9-1和中传送带9-2向反应器中心转动、下传送带9-3向反应器内壁转动，同时将固液分离后的牛粪物料由进料口输入到反应器内，由上传送带9-1和中传送带9-2将牛粪物料运输到下传送带9-3上，并跟随下传送9-3带向反应器内壁移动；当下传送带9-3处的红外高度探测器检测到近内壁处的高度变化时，红外高度探测器将信号传输给中央集成控制系统4；中央集成控制系统4对信号进行处理并反馈信号给中传送带9-2和下传送带9-3，下传送带9-3完成牛粪物料输送停止转动，中传送带9-2改为反方向转动；当中传送带9-2处的红外高度探测器检测到近内壁处的高度变化时，红外
高度探测器将信号传输给中央集成控制系统4；中央集成控制系统4对信号进行处理并反馈信号给中传送带9-2和上传送带9-1，中传送带9-2完成牛粪物料输送停止转动，上传送带9-1改为反方向转动；当上传送带9-1处的红外高度探测器检测到近内壁处的高度变化时，红外高度探测器将信号传输给中央集成控制系统4，中央集成控制系统4对信号进行处理并反馈信号给上传送带9-1，上传送带9-1完成牛粪物料输送停止转动，进料完成；含水率为70%的物料和反应器总质量，记作m1；c、进料完成后，启动杀菌调湿系统和温湿度控制系统，利用微波发生器10产生的微波对牛粪物料进行杀菌，空气加热器26和石墨烯加热板11对牛粪物料进行干燥，蒸汽发生器23为反应器内部补水增湿；温度传感器12和湿度传感器13实时在线检测反应器内的温度和湿度；d、时刻记录物料与反应器质量之和，记作m2，将含水率处于30%-40%的物料和反应器的质量记作m3；当m2等于m3时，杀菌干燥完成，上传送带9-1、中传送带9-2和下传送带9-3均开始向反应器中心转动，物料下落，同时出料螺旋输送器8启动，实现自动出料；e、当m2等于m0时，开始重新进料。
26.一部分太阳能板1安装于反应器的南侧，主要对传送带组、抽气泵25、抽水水泵22等供电；另一部分太阳能板1安装于反应器顶部，通过旋转轴承和活动支架实现太阳能板1的倾斜角度，使其始终处于太阳的直射面，保证太阳能板1可以有最高的光能利用率，主要对旋转电机15、蒸汽喷嘴17和中央集成控制系统4进行供电。
27.蒸汽输送管道24-1和热空气传输管路27外均包裹有保温装置，可防止管道内的蒸汽和热空气与管道外界空气发生对流换热，导致水蒸气冷凝或热空气温度降低。
28.在进料口3处设置隔板14，以确保传送带组上的牛粪厚度适宜，且均匀的平铺在传送带上，或者通过校准螺旋给料器，保证给料器对牛粪的持续线性给料；调节螺旋给料器和传送带的速度。保证微波对牛粪的杀菌效果和加热板对牛粪的干燥效果。石墨烯加热板11可实现快速升温，且在恒温阶段温度稳定。微波发生器10按固定间距安装在传输带两侧，使得传送带不同位置的牛粪都有良好的杀菌效果。传送带组通过继电器控制，以此实现传送带的转动轮可根据不同情况而改变转动方向，确保牛粪的自动化和连续进出料。
29.蒸汽喷嘴17安装在钢架19上，钢架19的转动可以使得蒸汽喷嘴17喷出的蒸汽在反应器内分布的更均匀，以保证牛粪在杀菌灭火过程中的含水率；蒸汽喷嘴17应为不锈钢材料，在反应器的潮湿环境中可不易生锈，不易腐蚀，确保喷嘴的使用寿命。转轴18和钢架19为耐腐蚀材料，如氟塑钢、不锈钢等，以确保其在反应器的潮湿环境中可不被腐蚀和生锈；蒸汽喷嘴17和微波发生器10外表面应涂抹防腐材料，同样保证其在反应器的潮湿环境中可不被腐蚀和生锈，确保设备的寿命。
30.首先，由于向心力的原因，蒸汽喷嘴17所喷出的的蒸汽可以传播到较远的地方，保证各处的牛粪都可以达到所要求的含水率效果。其次，由于钢架19的转动，使得反应器内的温度场和湿度场分布较均匀，以此保证不同层传送带上的牛粪和同一层不同位置的牛粪处于相同的环境中，使得经过杀菌-干燥处理后的牛粪具有无差别性。
31.搅拌装置20伸入牛粪内部，以防止杀菌-干燥后的牛粪在储料室6中发生表面壳化现象，避免牛粪内部由于传热受阻，温度升高，同时缺氧而导致厌氧菌的滋生，同时也避免了杀菌-干燥完成后的牛粪不会产生臭味。
32.微波杀菌阶段中温度传感器12和湿度传感器13实时在线检测反应器内的温度和湿度。如温度过低，温度传感器13将传递信号给控制系统，控制系统对其进行处理，并反馈信号给石墨烯加热10板控制器，开启石墨烯加热板10，直至到达目标温度，温度传感器12再向控制系统传递信号，控制系统对其处理，关闭石墨烯加热板10。而湿度传感器13在监测过程中，若检测到反应器内的湿度高于要求湿度，则将信号传递给控制系统，控制系统对其处理，并反馈信号给蒸汽抽取装置28控制器，开启蒸汽抽取装置28，进行水蒸气排除；如果湿度传感器13检测到反应器内湿度低于要求湿度，湿度传感器13将发送信号给控制系统，控制系统对其进行处理，并发送反馈信号给抽水水泵22和蒸汽发生器23，二者开始工作。抽水水泵22将水抽入蒸汽发生器23中，水受热变为水蒸气，并通过蒸汽输送管道24-1到达每一层钢架19的水蒸汽喷嘴17处，为反应器内补水增湿。直至微波杀菌结束，微波发生器11控制器将信号传递给控制系统，控制系统对其进行处理，并将反馈信号传递给微波发生器11控制器，关闭微波发生器11。至此，微波杀菌阶段结束。
33.微波杀菌完成后，控制系统发送信号至石墨烯加热板控制器，激发石墨烯加热板10对位于传送带组上的牛粪进行加热。此时，工艺进入第三个阶段-高温加热阶段。石墨烯加热板10开始工作，对传送带组上的牛粪进行加热，在达到要求温度后，温度传感器12向控制系统发出信号，控制系统对其进行处理，并将反馈信号发送至石墨烯加热板控制器，石墨烯加热板10不再升温，保持恒温状态。在高温干燥的过程中，温度传感器12和湿度传感器13的工作模式和微波杀菌阶段相同，实时监测反应器内的温湿度，对反应器内的温湿度进行调整。同时，安装于支架和反应器之间的质量传感器实时监测反应器的质量，记作m2。同时，将含水率处于30%-40%的牛粪质量和反应器的质量记作m3。通过计算机对比m2和m3的数值大小，判断干燥是否完成。若m2接近m3，那么计算机将信号发送给石墨烯加热板控制器，停止石墨烯加热板10工作。至此，高温干燥完成。
34.在质量传感器向控制系统发送信号，控制系统对其处理，并发送反馈信号至传送带组的控制器、石墨烯加热板控制器、转动电机控制器和底部的螺旋送料器控制器。石墨烯加热板控制器和转动电机控制器停止对应的设备工作，传送带组控制器开启传送带组工作。此时，进入第4个阶段-出料。首先激发下传送带9-3转动，将第三层牛粪倒至储料室6中；随后中传送带9-2掉落的牛粪在下传送带9-3短暂停留后，落入储料室6中；最后开启上传送带9-1，以相同的方法将上传送带9-1中的牛粪倒入储料室6中。最后，在质量传感器的检测质量m2接近反应器质量m0且持续一段时间不变后，向计算机发送指令，控制系统对其进行处理，将反馈信号发送至传送带组控制器，停止传送带组工作，并开始新一轮的生产流程。
35.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。