粮食多场协同干燥系统设计与技术模式应用

郑 菲，骆恒光，肖雄峰，李长友

(华南农业大学 工程学院，广州 510642)

0 引言

作为世界上最大的粮食生产和消费国，我国2017年粮食总产量达到6.18亿t，但目前粮食干燥机械化程度仅为18.2%[1]，粮食干燥机械化需求迫切。我国粮食种类多，地区间差异大，中原及南方粮食收获期气温较高，高湿粮食不耐储存，极易发芽霉变，因处理工艺方法及处理技术导致的粮食质量和数量损失都很大。在东北等高寒地区，收获的高湿粮食绝大多数是露天场地暂存，鼠害及雨雪导致的损失也很严重。据农业部调研测算，因产后处置不当农户每年损失粮食7%～11%[2]。因此，紧密结合粮食产地区域特征及农业经营模式，设计优质、高效的粮食干燥装备，并采用适应产业需求的技术模式，是解决这些问题的重要环节。

大量研究表明：与传统干燥相比，红外干燥具有均匀和高效的优势，但由于目前应用于粮食干燥机上辐射源为电能，辐射能转换效率低，能量消耗较高，同时由于红外辐射的直射和反射特性，物质被照射部分升温快而没有照射部分升温慢，导致目前应用于粗大或堆积物料的大批量粮食干燥时效果不理想[3-7]。

本文基于干燥系统热能结构的分析及客观能势的利用[8-10]，设计了一种红外热辐射、引风逆混流多场协同干燥系统。按照远红外→提质、提速→强化传热→引风→降压→局部闪蒸→粮食降温→质量保护的设计理念，采用双干燥主塔联机的形式形成干燥装备，并运用单机与联机作业的技术模式，实现了粮食干燥环节的优质、高效和低耗。

1 干燥势场及热能结构分析

自然界中的能量形式不同，其所含的火用也不同。不同类型和数量的能量作用在不同的环境和系统中，产生的效果也有明显差异。干燥过程是火用传递的过程，粮食内水分的迁移伴随着一定数量的能量迁移。粮食利用空气介质干燥时，其火用的形式分为客观火用和主观火用，主要体现在其干燥势场来源和性质的不同。客观火用存在于粮食颗粒内部，粮食自身生命活动及其状态与外界条件存在差异时，都会自发地产生此类火用传递。其主要体现在粮食颗粒内部水分分布不均所产生的扩散运动，以及粮食内液态水分在汽化时饱和蒸汽压力与干燥介质中的水蒸气分压力之间的差异引起的质量火用传递。高湿粮食初期相对携带的客观干燥火用数量多，以该含水率段粮食内部水分结合能小为表征[8]，因而其在任何自然环境中都会通过自发去水或吸湿而使其含水率达到与环境介质对应的平衡状态。主观火用是由人为提供的干燥操作行为产生的温度场、湿度场、压力场等势场引起的火用传递，主要体现以强化干燥过程及提高整体干燥速率和干燥效率为目的，人为地向干燥介质提供热能，以提高干燥介质的温度、降低干燥介质水蒸气分压力及提高干燥介质在干燥过程中的流动速度等行为的方式促进过程中质火用传递[9]。粮食干燥过程中，热风介质在谷层间的流动为系统输入热量火用和流动火用，使粮食温度提高、热量火用增多，减少了对干燥介质焓火用的需求和消耗；同时，热风流动所形成的压差势场使得物料与静态介质对应的平衡含水率均进一步降低。这些主观火用的作用都使客观火用的干燥能力得到了进一步强化。因此，评价粮食干燥系统能量利用效果，不能仅仅停留在主观热效率上，干燥工艺设计应综合考虑干燥系统的主观与客观火用的作用[10]。

2 干燥系统设计

在干燥系统内部，粮食与热风接触并自发地进行水分交换。粮食去水的过程在热力学范畴并不可逆，干燥过程同时存在温差势场、湿差势场、压差势场及蒸汽压差势场等多种势场，同时其品质也收到其生物化学势场的影响[2]。这些势场既包含了自然界客观存在、粮食物料自身所携带的客观势能，也包含为改变干燥速率而人为供给的主观势能。因此，该干燥系统在充分利用各种势场的同时合理利用客观势能，以达到加快粮食干燥去水进程的目的。笔者同时利用双干燥主塔联机的形式形成干燥装备，结构如图1所示。

1.干燥主塔1 2.提升机 3.干燥主塔2 4.储粮缓苏段 5.红外发生装置 6.降压闪蒸干燥段 7.排气角状盒 8.进气角状盒 9.排粮段 10.粮食水分在线检测仪 11.排粮螺旋输送器

2.1 红外辐射辅助干燥

利用红外辐射可以加剧粮食内部水分子的热运动，同时改善粮食干燥品质。针对不同的材料对不同波长的电磁波的选择性吸收，基于维恩位移定律，应将粮食红外辅助干燥的辐射能量集中于3～9μm这个谷物可以吸收的红外波段。通过计算可知，与之对应的辐射体温度在691.2℃>t>47.8℃的范围内。考虑到在正常的工况下热风炉烟气经换热器换热后的废气仍可达到70～120℃，这个温度区间恰好在3～9μm红外辐射波段对应的温度范围内，故可利用烟气加热辐射体，产生红外辐射势场[11-13]。基于这种思路，通过烟气加热埋在粮食中的金属管产生红外辐射，其总辐射角系数为1，流经辐射管的粮食可以充分获取红外辐射能，用于补充粮食内能，加快干燥速率，提升干燥品质。

2.2 负压引风及降压闪蒸

干燥过程中，通过引风方式可使干燥层内的介质压力低于环境压力形成负压。由于干燥介质的饱和蒸汽压力与温度一一对应，在相同的温度条件下，引风作用使其水蒸气分压降低，而饱和蒸气压不变，使得介质的相对湿度将同步降低，其接纳水分的能力则相应提高[10,14]，因此可以实现在相同送风温度条件下提高高水分段粮食去水速率的目的。引风干燥层内的温度梯度与压力梯度具有相同的方向性，在一定程度上可以弥补干燥层内热风介质流动过程中因温度降低而引起干燥能力下降的问题，干燥层内粮食干燥的均匀性和一致性均得到提升[15]。

由于干燥机排气角状盒内与上部缓苏段的上下空气压差明显，在干燥过程中自然形成显著的降压区域。经过红外辐射的粮食在连续向下流经此段区域时经历了流动降压和连续吸收辐射能的过程。当过程中的压力低于其所对应的饱和温度时，高湿粮食内部的自由水无法以液态形式存在，必然发生集态变化，即闪蒸；自由水发生闪蒸需要做功，而做功所需的能量来自粮食自身的内能，粮食温度迅速降低。通过这一过程，避免了干燥过程中粮食由于连续升温而过热爆腰的情况，消除了干燥系的热惯性。

2.3 控制系统设计

以PLC为中心控制器，搭建干燥机控制系统，如图2所示。PLC控制器同时作为数据采集平台和执行机构控制器。水分在线与温度检测模块的实时数据及各个执行机构的状态反馈一同实时传输给PLC；PLC将时刻数据进行简单处理并打包传递给PLC上位机，作为控制算法的输入参数参与运算，上位机获得最优输出结果后将输出指令返回给PLC控制器，由PLC通过IO口控制各个执行机构。

图2 控制系统结构图

3 干燥工艺流程设计

3.1 工艺流程

基于干燥势场及热能结构理论，充分利用干燥过程中的多种势场，设计了粮食多场协同干燥工艺流程，同时采用双干燥主塔联机的形式形成干燥装备，工艺系统如图3所示。

该流程可分成粮流回路、烟气回路和干燥介质(热空气)回路。高湿粮食由提升机输送至干燥主塔，在自身重力的作用下，粮食自上向下缓慢流动，依次经过缓苏段、红外辐射干燥段、降压闪蒸干燥段、逆混流干燥段及粮食水分在线检测装置，再经排粮装置和输送装置回到提升机内，完成1次干燥循环。在经过水分检测之后，判定是否干燥至目标水分。若未达到目标水分，则粮食继续由提升装置送入干燥主塔，形成粮流回路，实现循环干燥；若达到目标水分，则停止干燥作业，将粮食排出干燥主塔。在引风机的作用下，外界环境态空气与燃料反应形成高温烟气，经过换热器并加热换热管，将能量传递给干燥介质(形成热风)；换热之后的烟气经过红外发生装置，将部分余热转化为特定波段红外辐射，最后经由引风机和除尘装置进入环境，形成烟气回路；环境态空气在引风机的作用下，经由换热器吸收热量，提高干燥介质温度和干燥能力，进入降压闪蒸干燥段与逆混流干燥段，带走粮食水分，最后与烟气汇合经由引风机、除尘装置进入大气，形成干燥介质回路。

图3 粮食多场协同干燥工艺流程

3.2 工艺原理

在缓苏段之后干燥段之前引入红外辐射发生装置，除了可以充分回收烟气中携带的余热外，所产生的红外辐射能可以提供给流经其周围的粮食，并全部被粮食种子吸收，补充了干燥系统内粮食的内能，用于补充原本单一由热风加热所供给的粮食内部水分结合能，加快水分的扩散和蒸发。采用逆混流引风干燥工艺，降压闪蒸干燥段上下自然形成了较大压差势场，粮食种子在流经降压闪蒸干燥段时经历的是伴随连续向下流动降压而连续吸收辐射能的过程。在降压过程中，当压力低于粮食温度所对应的饱和压力时，高湿粮食发生闪蒸，消耗自身的内能，从而使粮食的温度迅速降低。同时，强制负压引风作用下存在流动火用，可使粮食和静态介质对应的平衡含水率进一步降低，客观火用的干燥能力和降温效果得到了进一步加强[15]。

4 干燥系统的技术模式

不同于东北、新疆高寒地区军垦和农垦系统采用大面积集中种植的生产模式，我国中原及南方地区的粮食生产规模较小，种植模式也正在由责任制、单家独户的分散经营向规模化和集约化生产发展，因此大型连续式集中干燥模式在这些地区并不适用。而简单的采用小型批次循环干燥机，由于日处理能力受机内容量限制，适应性较差，容易导致收获期的粮食不能得到及时干燥的情况；同时其年作业期短，利用率低，并不符合粮食干燥机械化可持续发展的要求。

该粮食多场协同干燥装备属于批次处理循环干燥机，采用双干燥主塔联机作业的技术模式，其单机容量为25t，采用联机作业模式时总容量可达50t。在突破制约干燥质量控制最本质的工艺过程解析法及能效评价方法共性技术的基础上，从粮食物性基础，沿解析法、能效评价理论研究，形成了装备系统技术开发准则，从检测技术→自适应控制→工艺系统→机械设计→除尘与能量回收→成套技术设备→形成单机与联机作业的技术模式。该技术模式在高效节能、保证干燥品质的基础上，有效地提升了粮食多场协同干燥装备的适应性、通用性及处理能力的伸缩量。因此，其更能适应分散种植的产业需求，可以更好地对应中原、南方地区粮食收获期气温相对较高、高湿粮食的保质储存时间短、品种多且分散收获导致的日收获量变动巨大等情况，实现稻谷的及时干燥，同时达到模式节能的目的[16]，是我国中原及南方粮食产区适合发展的集中干燥技术模式。

5 干燥系统的试验验证

本次样机试验，选用安徽省芜湖市三山经济开发区中联重科股份有限公司生产的粮食多场协同干燥系统作为待检测设备，试验样机如图4所示。

5.1 试验装备及仪器

试验过程中，需要对稻谷含水率变化情况、稻谷温度变化情况及环境温湿度变化情况等参数进行测量。所用测试仪器主要包括粮食水分在线监测仪、测温热电偶及温湿度仪等。

粮食水分在线检测采用CXR-ZX-10-40型电容式粮食水分在线实时检测仪采用群粒在线检测的方式，测量误差范围为±0.5%；可与控制平台双向通讯，实现检测数据的无线传输[10]。

试验过程中，该多场协同循环干燥系统的相关测定数值，均通过自主研发的控制系统平台进行控制并全程记录，在确保干燥系统运行稳定的同时跟踪试验情况。

图4 粮食多场协同循环干燥机

5.2 试验物料与现场环境条件

本次试验物料选用类珍珠稻，该批次稻谷集中收购于安徽芜湖地区。经实时测量，其初始平均含水率为33%w.b.左右，含水率极差接近30%w.b.，部分稻谷表面有液态水存在。

本次试验在安徽省芜湖市中联重科股份有限公司厂区内进行，烘干时间为6h。试验期间，该地区为薄雾天气，短时间伴有小雨，干燥现场相对湿度高达100%，环境温度基本维持在2～7℃。

5.3 试验测定

试验前应做好准备及调试工作，确保整个循环干燥系统工作状态稳定。将温度传感器安装在换热器烟气入口和出口位置以测量烟气温度，安装在干燥室热风进口和出口位置以测量干燥过程的热风温度。测量粮温时，应将温度传感器安装在干燥段进气和出气角状盒之间。粮食水分在线检测仪安装在干燥机粮食的出口位置，实时在线采集测量粮食含水率[10]。

5.4 试验结果及分析

样机试验干燥过程中完全依赖自重顺着向下连续流动，试验过程的干燥与缓苏时间比为 1 : 5。间隔干燥时间所对应的热风温度、稻谷温度及稻谷水分等试验数据如表1所示。

表1 试验测试数据记录表

从试验结果可以看出：整个干燥过程中，除干燥初期外，热风温度维持在60℃左右，而粮食的温度始终没有超过36℃，与传统的横流干燥方式相比降低约11℃。由于传统的横流干燥只能通过提高热风温度来提升去水速度，粮温升高后又必须采取降低热风温度的方式避免粮食过热损伤，这种做法必然增加了干燥时间。根据试验测得数据，本次干燥过程稻谷平均初始含水率为33%，完成干燥后稻谷含水率为15.81%，干燥时间为6h。可以计算得出稻谷干燥过程的平均去水速率为2.95%w.b./h，较传统的横流干燥提高2倍以上，与传统的鼓风干燥相比提高30%以上。

6 结论

1)合理利用粮食干燥过程中的多种势场，通过利用烟气余热引入红外辐射辅助干燥工艺，采用逆混流引风的方式，设计了粮食多场协同干燥系统。采用双干燥主塔联机的模式形成干燥装备，实现优质、高效及节能干燥。

2)形成降压闪蒸干燥段，消除了干燥系热惯性。

3)在试验条件下，稻谷的含水率由33%w.b.降至15.81%w.b.，平均去水速率达到2.95%w.b./h，较传统的横流干燥提高2倍以上，与传统的鼓风干燥相比提高30%以上。

4)干燥过程中粮温始终维持在35℃以下，实现了低温干燥，避免了稻谷的过热损伤，干燥爆腰增率低于1%，提高了干燥品质。