糧食干燥設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)
——從熱風(fēng)干燥到石墨烯遠(yuǎn)紅外輻射

黃盛杰 吳煜 沈健民

0 引言

我國(guó)是世界上最大的糧食生產(chǎn)國(guó)，糧食產(chǎn)量已連續(xù)5 年穩(wěn)定在6.5 億t 以上。由于糧食收獲期比較集中，收獲后的糧食大都水分較高，如果存儲(chǔ)不當(dāng)，堆積的濕谷物會(huì)滋生對(duì)人體有害的黃曲霉，造成糧食的大量損失和浪費(fèi)[1]。為了避免捂糧損失，谷物收獲后，必須經(jīng)過(guò)干燥處理，這是谷物能夠長(zhǎng)期安全儲(chǔ)存的一個(gè)極其重要的條件[2]。

谷物干燥一般采用人工晾曬或機(jī)械干燥方式[3]。人工晾曬受天氣影響大，晾曬過(guò)程中谷物也容易被污染，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，晾曬效率低。機(jī)械干燥不占場(chǎng)地，不受天氣影響，整個(gè)干燥過(guò)程都是在程序控制下自動(dòng)化完成，作業(yè)效率高、損失率低，干燥均勻且可確保原糧品質(zhì)[4]。發(fā)展糧食烘干產(chǎn)業(yè)、推進(jìn)谷物干燥機(jī)械化，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收，確保國(guó)家糧食安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 傳統(tǒng)干燥技術(shù)

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)谷物烘干機(jī)的研究起步較早，20 世紀(jì)70 年代已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了谷物干燥自動(dòng)化，80 年代以后干燥設(shè)備轉(zhuǎn)向高效、環(huán)保、高質(zhì)量、全自動(dòng)化的方向發(fā)展[5-8]。我國(guó)在谷物機(jī)械烘干技術(shù)研發(fā)方面，起步較晚、基礎(chǔ)薄弱。現(xiàn)有的谷物烘干機(jī)多數(shù)為豎箱式烘干機(jī)[9]，熱源采用熱風(fēng)爐或燃燒器，燃料為煤炭、生物質(zhì)顆粒、柴油、煤油，干燥介質(zhì)為熱氣流。無(wú)論是熱風(fēng)爐還是燃燒器都存在使用壽命短、能耗高、效率低、污染環(huán)境等問(wèn)題。圖1 為傳統(tǒng)谷物烘干機(jī)剖面示意圖，圖2為傳統(tǒng)谷物烘干機(jī)工作原理圖。

圖1 傳統(tǒng)谷物烘干機(jī)剖面示意圖

2 遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)

近些年，國(guó)家在節(jié)能環(huán)保方面的要求越來(lái)越高，高效率、低能耗的遠(yuǎn)紅外烘干機(jī)應(yīng)運(yùn)而生[10]。與利用燃煤和燃油的烘干機(jī)相比，遠(yuǎn)紅外谷物烘干機(jī)不但衛(wèi)生清潔、除濕效率更高，而且可以殺死谷物中的蟲(chóng)卵和濕谷物產(chǎn)生的黃曲霉。

2.1 遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)原理

遠(yuǎn)紅外谷物烘干機(jī)利用石墨烯等輻射元件發(fā)射出的遠(yuǎn)紅外線干燥谷物。由于紅外線有一定的穿透性，谷物吸收紅外輻射后，熱量會(huì)集聚在內(nèi)部。在干燥過(guò)程中，谷物表層水分不斷蒸發(fā)，使谷物表面溫度低于內(nèi)部溫度，因而，谷物的熱擴(kuò)散過(guò)程是由內(nèi)部向外部進(jìn)行的；同時(shí)，谷物內(nèi)部的水分也高于外部，水分會(huì)由內(nèi)部向外部轉(zhuǎn)移。整個(gè)烘干過(guò)程中熱擴(kuò)散和水分?jǐn)U散的方向一致，可加速谷物干燥的完成。

圖2 傳統(tǒng)谷物烘干機(jī)工作原理圖

2.2 遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)特點(diǎn)

2.2.1 節(jié)約能源，干燥速率高

傳統(tǒng)的熱風(fēng)烘干以熱氣流為干燥介質(zhì)，烘干時(shí)，熱風(fēng)吹過(guò)谷物表面，熱能慢慢傳導(dǎo)到內(nèi)部，整個(gè)烘干過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)；而遠(yuǎn)紅外烘干不需要利用任何介質(zhì)，可以直接加熱干燥谷物。由于遠(yuǎn)紅外線能量密度大，且具有穿透性，烘干時(shí)，谷物表面和內(nèi)部同時(shí)受熱，熱量損失少，可以節(jié)約大量的能源，提高干燥速率[11]。不同干燥方式的單位熱能耗見(jiàn)表1。

表1 不同干燥方式的單位熱能耗 單位：kJ/kg

2.2.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資費(fèi)用低

遠(yuǎn)紅外烘干機(jī)中的紅外輻射裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且使用壽命長(zhǎng)[12]。相較于現(xiàn)有的熱風(fēng)烘干機(jī)，遠(yuǎn)紅外烘干機(jī)外型尺寸小，安裝簡(jiǎn)便，維護(hù)費(fèi)用低。

2.2.3 干燥效果好

使用遠(yuǎn)紅外烘干機(jī)烘干，谷物內(nèi)外同時(shí)受熱，可避免因內(nèi)外受熱不均而導(dǎo)致谷物爆裂，能減少干燥過(guò)程中的營(yíng)養(yǎng)成分的損失。利用遠(yuǎn)紅外烘干機(jī)干燥后的谷物的含水量、細(xì)菌含量、霉菌含量較熱風(fēng)干燥的谷物都有大幅度下降，能避免谷物在儲(chǔ)存過(guò)程中變質(zhì)。將遠(yuǎn)紅外干燥后的谷物再回火或者緩蘇處理，可以提升谷物品質(zhì)，降低爆腰率[13]。

2.2.4 安全可靠，易于推廣

遠(yuǎn)紅外干燥設(shè)備對(duì)人體傷害比較小，無(wú)污染。

3 遠(yuǎn)紅外干燥技術(shù)與裝備研發(fā)現(xiàn)狀

3.1 循環(huán)型遠(yuǎn)紅外谷物干燥技術(shù)

遠(yuǎn)紅外干燥往往使用的是聯(lián)合干燥技術(shù)，即根據(jù)物料特性，將2 種或2 種以上干燥方式優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)形成的一種復(fù)合干燥技術(shù)。利用遠(yuǎn)紅外聯(lián)合干燥技術(shù)對(duì)玉米、小麥、稻米等谷物進(jìn)行烘干，干燥能效更高，烘干所需的時(shí)間更短，干燥后的谷物品質(zhì)更高，谷物脫水率大且爆腰率低[14-16]。

與傳統(tǒng)循環(huán)式干燥機(jī)相比，循環(huán)型遠(yuǎn)紅外谷物干燥機(jī)在干燥大豆、稻米、小麥時(shí)，能耗更低，且干燥后的谷物外觀更好，保持了原有的色澤，爆腰率下降了2%以上，干燥后的谷物依然可以作為下一年的種子使用。將遠(yuǎn)紅外輻射設(shè)備安置于豎箱式谷物烘干機(jī)的中心部位，讓谷物流經(jīng)遠(yuǎn)紅外輻射裝置兩側(cè)，配以氣流輔助，可以進(jìn)一步提升干燥效率。該種設(shè)備不僅可以用于干燥谷物，還可以干燥果蔬，減少干燥過(guò)程中維生素的破壞以及營(yíng)養(yǎng)成分的流失。相比于熱風(fēng)烘干機(jī)，遠(yuǎn)紅外聯(lián)合烘干機(jī)能耗和爆腰率都更低，而且干燥效率更高，干燥后的谷物口感更好[17-26]。

3.2 石墨烯遠(yuǎn)紅外輻射技術(shù)

近幾年，人們發(fā)現(xiàn)石墨化的碳材料能在低功率密度的電能驅(qū)動(dòng)下高效發(fā)射遠(yuǎn)紅外線，因此被廣泛地應(yīng)用于物料干燥領(lǐng)域。市面上已出現(xiàn)使用碳材料作為遠(yuǎn)紅外發(fā)射元件的谷物烘干機(jī)，其工作原理是使谷物沿著烘干機(jī)內(nèi)部的遠(yuǎn)紅外輻射板的導(dǎo)流槽自然下滑，在谷物下滑的同時(shí)，用遠(yuǎn)紅外輻射板發(fā)出的遠(yuǎn)紅外線對(duì)谷物進(jìn)行加熱干燥。圖3 為石墨烯遠(yuǎn)紅外谷物烘干機(jī)干燥單元剖面圖。

圖3 石墨烯遠(yuǎn)紅外谷物烘干機(jī)干燥單元剖面示意圖

得益于石墨烯在低溫下即可發(fā)射遠(yuǎn)紅外線的特性，該新型柵板式遠(yuǎn)紅外烘干機(jī)具有烘干體量大、烘干質(zhì)量好和烘干效率高等優(yōu)點(diǎn)。技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：

1）石墨烯遠(yuǎn)紅外干燥機(jī)比傳統(tǒng)熱風(fēng)干燥機(jī)節(jié)能30%；

2）柵板間可以存留大量的物料，增加了設(shè)備的干燥體量；

3）遠(yuǎn)紅外線能從谷物內(nèi)部和表面同時(shí)開(kāi)始加熱，加速谷物內(nèi)部水分蒸發(fā)，提高脫水速率一倍以上，還能減少谷物因外層失水過(guò)快而造成的“爆腰”和龜裂等缺陷，保持物料的完整性，同時(shí)縮短了谷物緩蘇段的時(shí)間，提高干燥效率50%～70%；

4）輸糧輪可以精準(zhǔn)控制谷物的流量，既可以防止谷物在干燥室的停留時(shí)間過(guò)短、干燥效率低的情況發(fā)生，也可以防止谷物在干燥室的停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而受損。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)糧食烘干技術(shù)和設(shè)備在過(guò)去的40 年中取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是仍然存在發(fā)展不平衡、使用成本高、自動(dòng)化水平低等問(wèn)題，需要政府相關(guān)部門出臺(tái)扶持政策，完善研發(fā)、投入和創(chuàng)新機(jī)制，加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè)，推動(dòng)農(nóng)機(jī)化全面、全程、高質(zhì)量發(fā)展。