粮食通风干燥的理论探索装备研制和应用实践

稻谷通风干燥装备研制和应用柳芳久1，刘立意2，仲立新1，殷博义1，刘贤慧1（1. 黑龙江中良仓储技术工程有限公司，黑龙江哈尔滨 150008；2. 东北农业大学工程学院 150030）摘要摘要 本文阐述了我国粮食干燥技术与设施的发展现状，分析了传统快速烘干机烘干稻谷的弊端，简要介绍了深入研究探索粮食低温通风干燥的理论，研究设计多环立式深层粮食径向通风干燥新技术装备工作过程。技术装备打破了国内外粮食机械通风干燥粮层不能超过 4 米的极限，实现了在粮层堆积 12 米高的砖筒仓内进行整仓稻谷机械通风干燥的新工艺与设备应用。采用的网架式薄壁通风管道设置，整体构件经过精细的结构力学试验及粮食出仓动态考核。实现了粮食通风干燥过程的智能、远程、实时、动态监控和管理。技术装备经两年多的生产运行安全可靠，经济和社会效益显著，为我国粮食低温通风干燥开创了新途径。关关键词键词 机械通风 低温干燥 径向通风 减压卸粮 计算机测控1 项目的提出背景和必要性项目的提出背景和必要性中国的粮食干燥技术研究与设施建设，从 1977 年到 2002 年经历了一个快速发展的 25 年，经过 1996 年的世界银行贷款中国粮食流通项目和 1998 年开始实施的国家储备粮库建设项目，国有粮库已经基本上解决了我国存在已久的粮食烘储能力不足的问题，满足了在现行国家粮食质量标准体系之下粮食烘干降水的实际要求。随着社会进步，粮食的加工、储藏和保鲜日益受到重视，特别是作为第一大食用的粮食品种稻谷，如何解决或大幅度减少其在干燥过程中的品质损失，食用价值降低的问题，就摆在了粮食行政领导、科技工作者和粮食收储加工企业面前。目前，稻谷干燥处理的工艺主要采用谷物烘干机的高温热风快速干燥工艺，其缺点是干燥能耗大、费用高、烘干后的稻谷品质变差（裂纹率增加 7%以上，整精米率降低 3%左右，营养成份破坏明显，口感变差） 、降等降级。因此近年来国内外正在研究采用自然空气或略微加热的温热空气（仅比常温高 35的热风）对储粮仓内进行低温机械通风干燥（“就仓干燥”）的稻谷干燥新工艺。虽然低温机械通风干燥速度慢、时间长，但它一次加工量大，因此总生产率并不低。这种干燥工艺的优点是：能耗低、费用低（经实验对比仅为烘干机的 1/41/2 费用） 、干燥后水稻品质比采用烘干机的高温热风快速干燥工艺明显提高（见表 1） 、干燥过程无污染、绿色环保。同时整仓机械通风干燥可减少倒运环节、降低劳动强度、减少损耗。因此它是未来稻谷（包括其他谷物）干燥的发展方向。柳芳久，黑龙江中良仓储技术工程有限公司，研究员级高级工程师，粮食仓储工程技术，黑龙江省哈尔滨市南岗区巴陵街 158 号，liufangjiuyahoo.com.cn。表表 1 稻谷采用烘干机烘干与通风干燥质量变化比较稻谷采用烘干机烘干与通风干燥质量变化比较项目烘干机通风干燥水分（）13.513.5出糙率（）77.577.8裂纹率（）19.86.7发芽率（）5891.5粘度（mm2/s）13.713.8脂肪酸（mgKOH/100g）19.0518.7利用自然风进行常温干燥早已有之，如人工晒场晾晒以及将稻谷装袋交叉叠放码垛俗称“码风垛“这些方法受环境影响大、人工消耗大，占地面积大，只能人工按经验生产管理、无法实现机械化、自动化。发达国家如美国、加拿大等在上个世纪八十年代就已开展粮食机械通风干燥技术的研究实验工作。进入九十年代以后，我国相关技术、学术部门由关注到陆续投资进行了一些机械通风降温、降水技术探索和试验研究。黑龙江省粮食局早在 90 年代初就开始了径向通风干燥的试验研究。1992 年五常县粮库采用大型拱棚仓和竹帘囤径向通风干燥稻谷近 4 万吨。桦南粮库也采用径向通风技术在立筒仓、土囤仓进行过玉米、小麦、稻谷、大豆的通风干燥试验，并不断改进完善制定了粮食干燥生产操作规范。一些粮库进行了径向通风干燥玉米、麦子、稻谷、大豆的推广试验。到了 90 年代中期，机械通风干燥已作为四种主要粮食干燥方法之一列入报表统计。1997 年国家粮食局与澳大利亚国际农业研究中心（简称 ACIAR）合作，由澳方出资 60 万澳元进行“中国谷物就仓干燥技术研究”（PHT/1997/037） 。该项目在主要实验地黑龙江肇东四方粮库（玉米） 、江苏张家港粮库（水稻）进行了四年多，15个试验仓的实验研究。中澳专家收集整理了近 10 年的相关地区的气象数据；建立了仓内干燥的数学模型；测定了玉米、稻谷的多项特性参数；研究开发了计算机控制软件，配套用传感元件及控制仪器；通过五年多对 15 个试验仓的试验和总结，2002年 5 月通过了 ACIAR 和国家粮食局组织的国际咨询专家组的评估验收，中澳合作开发的干燥控制技术处于世界先进水平，具备了推广应用条件。以上粮食通风干燥技术的研究和应用，以小型实验仓为主，其粮层的深度都小于 4m，且粮食干燥后上下层水分梯度较大，同时造成仓容利用率较低。因此，一般以粮食降温为主，降水为辅,发展受到一定的限制。2002 年以后，中国的粮食仓储设施现代化水平有了较大提高，高大仓型已极为普遍，如何解决大型粮仓深层粮食的通风干燥成为亟待解决的课题。在以上研究的基础上，2002 年 3 月国家粮食局批准，黑龙江中良仓储技术工程有限公司开展了粮食就仓通风干燥课题的研发。项目以我国近几年世界银行贷款和国储库建设中比重较大的砖混浅圆仓为基础，在黑龙江省密山国家粮食储备库、虎林东方红粮库改建了 4 对 8 座砖混浅圆仓作为通风干燥试验仓（直径 15m、顶高18.5m、仓容 1300 吨水稻） ，进行通风干燥技术的应用试验。8 座通风仓已于 2003年 3 月改建、安装完成，并在 2003 年 37 月间进行了两轮 4500 吨水稻的机械通风干燥初步试验，取得了初步成果。到目前为止已进行 5 轮 12 仓的应用实验，取得了大量数据和宝贵经验。2 基础理论的深入探索和工程化参数设计基础理论的深入探索和工程化参数设计2.1 实验装置和设备以往的稻谷干燥特性数据和研究主要在 30以上，缺乏 30以下的稻谷特性参数和计算公式，因此我们首先在这方面作了一定实验研究。为提高实验精度和自动化水平，开发了实验装置和自动采集分析软件。实验装置如图 1实验的数据记录是通过计算机完成的，借助干燥试验分析软件能由测得和记录的数据画出水分-时间图。干燥试验分析软件界面图见图 2、图 3。2.2 实验设定条件如下：介质温度 14-40,可控；介质湿度自动记录，不可控，在后期分析中加入；风速 0.12m/s,固定不变；谷层厚度，薄层 8mm,固定不变；2.3 试验方法先在分析软件上设定实验条件，如记录间隔、记录时间、介质温度等。将干燥箱预热到指定温度，然后称一下容器的重量，再将待测物料均匀摆放在容器上，测测 控 模 块干 燥 箱温控仪电 子 天 平模 块 电 源微 机传 感 器传 感 器图图 1图 2图 3出原始毛重，干燥试验分析软件会自动记载试验中的皮重、毛重、净重和随时间的稻谷失水量，单位均为克，计算机会把电子天平每一时刻显示的重量记录下来，并画出水分时间图。这样我们通过对记载的数据进行分析、曲线拟合，研究谷物的干燥特性。每个样品试验的时间为 8640 分钟，每 6 分钟自动记录一次数据，共计144 小时（6 天） 。 2.4 干燥曲线的拟合2.4.1 曲线拟合在进行试验数据的分析时,通常可采用曲线拟合法,曲线拟合方法的目的是寻找一条光滑曲线,它在某种准则下最佳地拟合数据。一般地，由实验测得的数据经常会带有测试误差，如果要求曲线通过所有实验点，实际上也就保留了一切测试误差，而这不是我们所希望的。因此，在曲线拟合时，并不要求拟合曲线一定要通过实验点，而要求它能反映这些离散数据的变化趋势，尽量避免出现局部的波动。常用的曲线拟合方法有最小二乘法、契比雪夫法及插值法等。曲线拟合的好坏通常总是以最小二乘原理作为衡量准则，因为在计算方法上它要比取其它准则方便和简单得多，且有足够的精度。我们采用最小二乘法对干燥曲线进行拟合，建立干燥特性方程；试图通过方程揭示了干燥介质不同参数下干燥过程热湿传递的规律。2.4.2 干燥曲线分析和拟合根据干燥曲线形状，干燥过程中水分比与时间成 e 指数关系，而且三项式拟合应该比单项式、二项式更为精确，所以我们选定半经验方程MR=)/( 3)/( 2)/( 1321BtBtBteAeAeA进行三项拟合。式中： A变化幅度系数 B变化进程系数 运用最小二乘法将各试样干燥曲线拟合得到 A，B 值，见表 2。表表 2 曲线拟合系数表曲线拟合系数表试样编号介质温度A1A2A3B1B2B3WmaxWave142144.690.0417.53121622233900.110.03143147.200.2114.89239225495590.140.05144147.90.02414.4524180.1841230.210.05145158.671.8511.66112211342030.150.03149205.885.569.912779371827180.890.05147258.242.7910.8779213122830.380.03150257.924.099.531312186634800.730.05157252.856.3812.3415233181020140.730.10158257.521.7912.8877397303250.260.07151305.566.509.071277244760661.120.04152308.183.659.98691125292550.460.03159309.370.2011.615170.17467421.090.09156357.984.859.1622129374050.330.03160354.666.6710.3727218537966O.660.12161407.525.758.64111628443594100.340.04将拟合系数代入经验公式中，即可得出不同干燥条件下的干燥方程。例如，151号试验的干燥方程为：MR=76066244127707.950.656.5ttt eee拟合的曲线和原始曲线已接近重合，说明这种拟合方法的可信度很高。从拟合数据表可见，绝对误差已非常小，平均偏差最小的达到 0.03，最大的也只有 0.12。3 干燥工艺路线的确立干燥工艺路线的确立3.1 总体工艺流程的设计我们查阅了大量国内、外通风干燥技术资料，并对密山和东方红粮库进行了现场实地考察，在吸收和总结国际合作项目中国粮食就仓干燥项目的基础上，以国储库建设项目中占比例较大的砖筒仓为结构平台，结合我国气候特点设计了多环立式进风、排风管路、实现径向通风干燥新技术、新工艺。通风干燥工艺流程是：外界的自然空气（在湿度较高，温度较低时启动辅助加热装置）直接或经过辅助加热后经由风机吹入进风管道，经进风管道进入干燥通风网。通风网内的干燥介质空气，在风机产生的压力作用下，经进排风管网有序地通过粮层，利用自然空气自身存在的吸湿和调温潜能调整粮层温度，带走粮食水分，而后进入排风管网，由仓上排气孔排入大气（见工艺流程图） 。3.2 技术创新与攻克的难点3.2.1 深层粮食通风干燥工艺据我们掌握的技术信息，美国和加拿大的粮食仓内通风干燥粮层最大厚度为 3.8米。依据我们实际验证，通风干燥的粮层厚度，一般不应超过 4 米，因为在 2.5 米的粮层厚度下进行一般的通风干燥作业，含水 20%的稻谷干燥到 13.5%，其顶层与底层的水分差也要在 1.2%左右，随着粮层的加厚，水分差值也随之明显地增大。而现在我们砖筒仓装粮高度为 12.0 米，采用一般的垂直气流通风干燥方式必然造成上下层干燥不均，并且深层通风粮层阻力过大，加之地面风道之间是垅形结构，存在通风死角区的问题。而本工艺成功地解决以下难题：（1）针对砖筒仓粮层过厚问题，依据仓体直