糧食烘干機(jī)械高效高品質(zhì)烘干關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

何昌嬌， 潘家保

(1.中聯(lián)重機(jī)股份有限公司，安徽谷王烘干機(jī)械有限公司，安徽蕪湖 241080；2.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000)

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，糧食收獲后，需要經(jīng)過較長時(shí)間的晾曬后才可以入庫儲存，否則將會出現(xiàn)糧食的發(fā)霉、變質(zhì)等不利影響，造成儲存過程糧食的損耗。這使得糧食收獲工作持續(xù)較長，生產(chǎn)效率低。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程已經(jīng)制約了農(nóng)業(yè)的發(fā)展，收獲工作持續(xù)時(shí)間長也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員收入較低的因素之一。

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，農(nóng)村勞動力逐漸向城市轉(zhuǎn)移，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員驟減促使了農(nóng)業(yè)向機(jī)械化方向發(fā)展。近些年，對糧食去水逐漸采用了烘干方法，其烘干核心原理是通過熱空氣促使糧食內(nèi)部的水分蒸發(fā)并隨熱空氣一起排出，并將糧食的含水率降低至可安全儲存的含水率之下。烘干效率高、便于實(shí)現(xiàn)自動化控制，目前已經(jīng)有非常多的產(chǎn)品進(jìn)入市場。特別地，國務(wù)院發(fā)布了《中國制造2025》實(shí)施綱要，農(nóng)機(jī)裝備被列為了未來重點(diǎn)發(fā)展的10個重點(diǎn)領(lǐng)域，農(nóng)機(jī)裝備需要重點(diǎn)提高農(nóng)機(jī)裝備信息收集、智能決策和精準(zhǔn)作業(yè)能力，推進(jìn)形成面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化整體解決方案[1]。這促使糧食烘干技術(shù)及裝備向著更高要求發(fā)展，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化農(nóng)機(jī)裝備向集成化、智能化高端農(nóng)機(jī)裝備轉(zhuǎn)變。

目前，糧食烘干機(jī)主要包括小噸位的批式循環(huán)烘干機(jī)、大噸位的連續(xù)式烘干塔以及適用于散戶的移動式烘干機(jī)。這3類產(chǎn)品面對不同的烘干規(guī)模，三者之間為互補(bǔ)關(guān)系，而非競爭關(guān)系，近些年均得到了一定的發(fā)展，但在烘干過程中出現(xiàn)的烘干缺陷(如爆腰、碎米、焦糊、烘干不均)很難徹底杜絕。糧食烘干機(jī)現(xiàn)場安裝、調(diào)試人員技術(shù)水平對糧食烘干效果影響非常大，如何保證烘干品質(zhì)穩(wěn)定，一直是研究人員孜孜不倦的追求目標(biāo)[2]。筆者首先分析了批式循環(huán)烘干機(jī)、連續(xù)式烘干塔和移動式烘干機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀；進(jìn)一步歸納了影響糧食烘干高效高品質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)因素，分析了現(xiàn)有技術(shù)在提高糧食烘干效率和品質(zhì)方面的應(yīng)用效果；最后，對糧食烘干機(jī)械高效高品質(zhì)烘干關(guān)鍵技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 糧食烘干機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1批式循環(huán)烘干機(jī)批式循環(huán)烘干機(jī)是最早發(fā)展起來的烘干設(shè)備，目前市場上應(yīng)用也最為廣泛[3-4]。批式循環(huán)烘干機(jī)的工作核心步驟包括進(jìn)料—循環(huán)烘干(提升、運(yùn)輸、排糧)—出料。濕糧分批次進(jìn)入烘干機(jī)內(nèi)部，糧食在烘干機(jī)內(nèi)部持續(xù)循環(huán)干燥，直至水分降低至目標(biāo)值，待烘干好的糧食出機(jī)后，進(jìn)行下一批次糧食的烘干。

從批式循環(huán)烘干機(jī)的工作原理角度來分析，完成一批次糧食烘干，糧食進(jìn)料和出料均占用時(shí)間；同時(shí)需提升機(jī)和輸送設(shè)備才能夠完成糧食的提升、輸送、排糧以達(dá)到循環(huán)的效果，烘干過程中的能源消耗量大，成本也較高。此外，批式循環(huán)烘干機(jī)容易出現(xiàn)碎米、爆腰、烘干不均等烘干缺陷。王發(fā)明[5]分析了批式循環(huán)烘干機(jī)在糧食烘干過程中出現(xiàn)碎米和爆腰等烘干缺陷的原因，對糧食熱物性參數(shù)認(rèn)識不足，在烘干過程工藝設(shè)置不合理將會對糧食烘干品質(zhì)產(chǎn)生重要影響。李留勝等[6]在分析了現(xiàn)有批式循環(huán)烘干機(jī)不足的基礎(chǔ)上，提出了一種兩段混流批式循環(huán)烘干機(jī)，混流效果可提高烘干效率，在較少的循環(huán)次數(shù)下即可實(shí)現(xiàn)糧食的烘干，谷物破碎率也較低。批式循環(huán)烘干機(jī)在技術(shù)原理上均非常成熟，但烘干過程中不可避免循環(huán)模式是出現(xiàn)糧食烘干品質(zhì)降低的重要原因。李留勝等[6]開展的批式循環(huán)烘干機(jī)原理創(chuàng)新將是一個重要技術(shù)思路。

1.2連續(xù)式烘干機(jī)連續(xù)式烘干機(jī)是近幾年發(fā)展起來的一種大噸位的新型糧食烘干機(jī)械，烘干噸位達(dá)到上百噸，甚至是千噸級別。大噸位的連續(xù)式烘干機(jī)又被稱為“烘干塔”，其工作原理是濕糧連續(xù)不斷地通過烘干機(jī)，經(jīng)干燥達(dá)到所要求的含水率后出機(jī)。烘干過程中，糧食經(jīng)過了持續(xù)性的緩蘇—干燥—緩蘇—冷卻，糧食的水分可以被充分地去除。烘干過程中，連續(xù)式烘干塔(機(jī))在烘干過程中，實(shí)現(xiàn)糧溫、濕度的在線監(jiān)測，具備較高的自動化程度。糧食溫度[7]、水分監(jiān)測[8]是連續(xù)式烘干塔(機(jī))2個核心的監(jiān)測指標(biāo)，作為控制連續(xù)式烘干機(jī)(塔)的反饋信號，以評判糧食的烘干程度。連續(xù)式烘干機(jī)烘干效果較好，由于對糧食不需循環(huán)，少去了提升和撥糧工藝，碎米和爆腰的烘干缺陷減少，但是一次烘干時(shí)間較長，在小批量烘干過程中不經(jīng)濟(jì)。因此，連續(xù)式烘干塔主要應(yīng)用在糧庫或大型糧站。

1.3移動式小型烘干機(jī)批式循環(huán)烘干機(jī)、連續(xù)式烘干塔均需要專門安裝在規(guī)定位置，安裝過程中需要設(shè)定固定的底座或地基，無法移動，同時(shí)噸位相對較大。結(jié)合我國國情，雖然農(nóng)業(yè)機(jī)械化得到了充足發(fā)展，但是相當(dāng)一部分的糧食作物還是采用人工收獲，糧食的除水依然采用的是晾曬的方法。針對散戶糧食烘干問題，近年來也誕生了移動式的小型烘干機(jī)[9-11]，其烘干原理與批次循環(huán)烘干機(jī)的原理類似，同時(shí)移動式小型烘干機(jī)底部安裝在工程車底盤上，實(shí)現(xiàn)可移動。然而，這類烘干機(jī)由于要考慮到運(yùn)輸，移動式小型烘干機(jī)在結(jié)構(gòu)上與有固定安裝的批式循環(huán)烘干機(jī)有很大的區(qū)別，導(dǎo)致烘干過程中熱量利用效率低、烘干不均勻。此外，對于散戶糧食烘干，最為關(guān)心的因素是烘干成本問題。目前，移動式烘干機(jī)熱量利用效率低，成本居高不下，將嚴(yán)重制約著此類烘干機(jī)的發(fā)展。因而，目前在市場上移動式小型烘干機(jī)推廣效果并不理想。

2 糧食高效高品質(zhì)烘干關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1烘干過程的自動化控制技術(shù)隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，糧食烘干機(jī)械在烘干過程必然要實(shí)現(xiàn)自動化，烘干過程的自動化控制技術(shù)也被廣泛研究。張虎等[12]開發(fā)了以PLC和觸摸屏相結(jié)合的糧食烘干機(jī)組合控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了變頻器和現(xiàn)場各工作單元的控制，并通過觸摸屏對機(jī)器的工作狀態(tài)進(jìn)行顯示。吳峰等[13]基于PLC開發(fā)了糧食烘干機(jī)燃油爐的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)燃燒無極調(diào)節(jié)、風(fēng)溫自動控制，對提高烘干質(zhì)量和效率具有較好的應(yīng)用效果。程樂等[14]基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、嵌入式等技術(shù)，開發(fā)了一套糧食烘干機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了糧食烘干機(jī)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測、控制，相對于傳統(tǒng)的自動化，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。祝國武[15]系統(tǒng)地分析了我國烘干機(jī)控制系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀，爐溫、原糧水分、供料系統(tǒng)等因素在工作過程中均表現(xiàn)出高度的不穩(wěn)定性和時(shí)變性，并給出了相應(yīng)的解決方案。

糧食烘干機(jī)中廣泛采用的控制算法為經(jīng)典的PID控制算法，但不同谷物需要調(diào)節(jié)的參數(shù)不一樣，谷物物性參數(shù)也對控制提出了要求，這使得PID控制在烘干機(jī)控制的應(yīng)用中受到一定的限制。陳洪軍等[16]基于模糊控制理論的魯棒性和控制穩(wěn)定性優(yōu)勢，將模糊控制引入烘干機(jī)的控制系統(tǒng)，可較為方便地對不同對象進(jìn)行控制，取得了較好的效果。蔡有杰等[17]通過抗飽和PID控制算法，以溫度數(shù)據(jù)為反饋進(jìn)而控制熱風(fēng)機(jī)的供風(fēng)情況，進(jìn)而達(dá)到控制過程中恒溫調(diào)節(jié)的目標(biāo)。

由此可見，糧食烘干機(jī)已實(shí)現(xiàn)了較好的自動化程度，普遍均采用糧食濕度(評判烘干程度的直接指標(biāo))作為反饋信號。然而，糧食濕度本身在烘干過程中也是受多重因素影響。

2.2糧食濕度的在線監(jiān)測技術(shù)糧食烘干評價(jià)的重要指標(biāo)為含水率，針對糧食的含水率測定方法GB/T 5497—1985給出了具體的測定方法。標(biāo)準(zhǔn)中，對糧食的烘干采用多次復(fù)烘方法可以達(dá)到降低含水率的目標(biāo)。實(shí)際上，采用連續(xù)式烘干也能夠達(dá)到類似的應(yīng)用效果，陸漢雙等[18]對小麥、小麥粉、大米及大豆4個品種的樣品進(jìn)行了水分測試，發(fā)現(xiàn)采用連續(xù)式烘干方式也能夠達(dá)到較好的糧食去水效果，測試誤差值小于GB/T 5497—1985規(guī)定的要求。

在烘干機(jī)糧食烘干過程中，含水是動態(tài)變化的，對糧食烘干過程中的濕度動態(tài)在線監(jiān)測顯得尤為必要。孫繼衛(wèi)等[19]基于復(fù)阻抗測量原理，研制了糧食烘干用的水分含量在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了糧食烘干過程中的在線、實(shí)時(shí)監(jiān)測。紀(jì)立波等[20]比較了高溫短時(shí)烘干與定溫定時(shí)烘干效果，發(fā)現(xiàn)高溫短時(shí)烘干也能夠達(dá)到定溫定時(shí)烘干的效果。吳志東等[21]針對順流式烘干塔采用單點(diǎn)濕度監(jiān)測以及開關(guān)信號在烘干過程控制中的不足，提出了采用多點(diǎn)測試方法，并將濕度信息用于控制熱風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和排糧機(jī)構(gòu)，達(dá)到風(fēng)量與排糧速度匹配的效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)較高品質(zhì)的烘干效果。

由此可見，實(shí)現(xiàn)糧食烘干過程中的濕度在線監(jiān)測，準(zhǔn)確地反饋給控制系統(tǒng)，并相應(yīng)地調(diào)整烘干機(jī)工作系統(tǒng)的參數(shù)(風(fēng)量、排糧速度等)，能夠達(dá)到高品質(zhì)的烘干效果。在實(shí)現(xiàn)糧食自動化、高品質(zhì)烘干的基礎(chǔ)上，還需要考慮糧食烘干的效能問題，烘干成本降低是實(shí)現(xiàn)糧食烘干機(jī)普及的關(guān)鍵因素。

2.3高效節(jié)能型烘干技術(shù)糧食烘干機(jī)能夠可持續(xù)發(fā)展，必須降低烘干成本。現(xiàn)有糧食烘干機(jī)在糧食熱效率利用方面缺乏認(rèn)識，一些研究人員對糧食烘干機(jī)的烘干過程熱效率問題進(jìn)行了討論。曹順[22]采用增大烘糧風(fēng)量，適當(dāng)降低干燥溫度，糧層厚度適宜，多點(diǎn)供風(fēng)，順逆流結(jié)合，充分緩蘇等工藝，可以到達(dá)高效低耗的烘干效果。董麗等[23]提出采用稻殼等生物質(zhì)為燃料，開發(fā)了低成本的糧食烘干機(jī)，相對于傳統(tǒng)烘干機(jī)熱風(fēng)爐，以稻殼為燃料的烘干機(jī)需要增加稻殼倉、稻殼螺旋輸送機(jī)和除灰螺旋輸送機(jī)。黃選章等[24]認(rèn)為對熱風(fēng)爐進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)、高精度安裝、良好保溫措施以及科學(xué)管理均可提高糧食烘干熱風(fēng)爐的熱效率。姜亞南等[25]利用氣氣換熱器和水氣換熱器兩級串聯(lián)設(shè)計(jì)了糧食烘干機(jī)的余熱回收系統(tǒng)，將緩蘇倉分為熱緩蘇和冷緩蘇2個倉，余熱回收系統(tǒng)的熱量用于糧食熱緩蘇倉的熱源，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的效果。王繼勤[26]設(shè)計(jì)了一款節(jié)能型糧食烘干設(shè)備，采用無緩蘇快速連續(xù)干燥技術(shù)，通過提高糧食的受熱時(shí)間，以提高去水效果，同時(shí)通過余熱自動循環(huán)利用，達(dá)到節(jié)約能源的效果。程長青[27-28]提出了真空低溫烘干方法，通過降低烘干過程中的氣壓，以降低水的沸點(diǎn)，使水在低于淀粉糊化溫度下就可以沸騰，實(shí)現(xiàn)高效率高品質(zhì)烘干的效果。

3 高效高品質(zhì)烘干發(fā)展趨勢分析

3.1糧食脫水機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究不同谷物、不同含水率糧食在烘干過程中，烘干溫度、烘干時(shí)間、緩蘇時(shí)間等均不相同，這與谷物的成分、熱物性參數(shù)等具有高度關(guān)聯(lián)性。同時(shí)，對烘干過程中糧食的失水規(guī)律也缺乏認(rèn)識。現(xiàn)有評價(jià)多采用糧食濕度作為評價(jià)指標(biāo)。雖然濕度為烘干程度的直接指標(biāo)，但溫度、時(shí)間控制不當(dāng)，糧食還未烘干就有可能會出現(xiàn)焦糊現(xiàn)象，嚴(yán)重影響烘干品質(zhì)；緩蘇時(shí)間控制不當(dāng)極易造成烘干不均，影響烘干品質(zhì)。實(shí)現(xiàn)糧食烘干的高品質(zhì)化，必須要對糧食烘干過程中的脫水機(jī)理開展深入研究和廣泛探討。

3.2烘干過程傳熱傳質(zhì)機(jī)理有待深入探討糧食烘干過程中，熱源通過熱空氣形式與谷物進(jìn)行熱交換實(shí)現(xiàn)糧食的烘干；另外，緩蘇階段糧食內(nèi)部也是一個熱量交換和傳遞過程；糧食最后出機(jī)過程中，需經(jīng)過充分冷卻才可出機(jī)。熱空氣與谷物之間的熱交換情況直接決定了糧食的烘干效率，緩蘇階段糧食內(nèi)部熱量傳輸直接影響著糧食烘干的均勻性，而冷卻段的糧食冷卻速率是否恰當(dāng)直接決定了糧食是否會出現(xiàn)碎米、爆腰等烘干缺陷問題。這3個階段均涉及復(fù)雜的物料傳熱傳質(zhì)問題。現(xiàn)有研究對此類問題缺乏深入探討，設(shè)計(jì)過程大多局限在經(jīng)驗(yàn)公式。提高烘干機(jī)的烘干品質(zhì)和效能必須要探明糧食烘干過程中的傳熱傳質(zhì)問題，得出其影響因素，闡明其影響規(guī)律。

3.3糧食烘干技術(shù)與智慧農(nóng)業(yè)緊密對接《中國制造2025》明確規(guī)劃了我國未來農(nóng)業(yè)裝備需提高農(nóng)機(jī)裝備信息收集、智能決策和精準(zhǔn)作業(yè)能力。然而，現(xiàn)有糧食烘干機(jī)的控制仍然停留在如何更好地實(shí)現(xiàn)自動化控制。面向智慧農(nóng)業(yè)的糧食烘干技術(shù)，已經(jīng)有文獻(xiàn)報(bào)道[29]。但智慧農(nóng)業(yè)下，糧食烘干機(jī)如何與其他農(nóng)機(jī)具之間實(shí)現(xiàn)信息交互，如何對烘干過程中糧食物性參數(shù)進(jìn)行感知進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能烘干，智能化烘干機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性問題等，都將會是未來糧食烘干機(jī)必須要解決的問題。

4 展望

近些年，我國糧食烘干機(jī)取得了快速發(fā)展，未來批式循環(huán)烘干機(jī)、連續(xù)式烘干塔、移動式小型烘干機(jī)均具有各自的市場空間，發(fā)展也會齊頭并進(jìn)。糧食烘干機(jī)的自動化控制、濕度在線監(jiān)測、高效節(jié)能烘干是糧食烘干機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，糧食烘干機(jī)在實(shí)現(xiàn)自動化控制的基礎(chǔ)上，未來將會朝著智能化方向發(fā)展；烘干程度的評判不能僅停留在濕度單一指標(biāo)，需要對糧食的烘干脫水機(jī)理開展深入研究，以揭示濕度與含水率之間更精確的對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)糧食烘干過程的更精準(zhǔn)控制；糧食烘干過程中的傳熱傳質(zhì)機(jī)理需開展深入研究，以此為烘干機(jī)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)烘干。