糧食干燥技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

任廣躍 張忠杰 朱文學(xué) 段 續(xù)

(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院1,洛陽 471003)

(國(guó)家糧食局科學(xué)研究院2,北京 100037)

糧食干燥技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

任廣躍1張忠杰2朱文學(xué)1段 續(xù)1

(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院1,洛陽 471003)

(國(guó)家糧食局科學(xué)研究院2,北京 100037)

介紹了目前應(yīng)用于糧食干燥的處理技術(shù)和工藝方法,全面分析了常壓熱風(fēng)干燥、低溫真空干燥、就倉干燥、熱泵干燥、太陽能干燥、微波干燥、紅外輻射干燥以及聯(lián)合干燥在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)及不足,并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。在分析新能源利用技術(shù)、聯(lián)合干燥技術(shù)及傳統(tǒng)干燥節(jié)能減排等技術(shù)的基礎(chǔ)之上,綜合考慮干燥成本 (能耗)、干燥效率、干燥品質(zhì)及干燥設(shè)備等各方面因素,指出今后糧食干燥技術(shù)的發(fā)展應(yīng)著力于開發(fā)天然綠色能源及低能耗、低成本的新型節(jié)能減排聯(lián)合干燥技術(shù)。

糧食 干燥技術(shù) 聯(lián)合干燥 發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)是世界上人口最多的國(guó)家,糧食數(shù)量安全和質(zhì)量安全是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重大戰(zhàn)略問題。確保我國(guó)糧食安全,不僅是實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展的基礎(chǔ),而且是促進(jìn)社會(huì)穩(wěn)定和諧的重要保障。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局在“關(guān)于 2009年全國(guó)糧食總產(chǎn)量的公告”中指出 2009年我國(guó)糧食產(chǎn)量達(dá)到 5 308億公斤,實(shí)現(xiàn)連續(xù) 6年增產(chǎn)。依據(jù)《國(guó)家糧食安全中長(zhǎng)期規(guī)劃綱要 (2008-2020年)》,到 2020年全國(guó)糧食產(chǎn)量還需新增 500億公斤,以確保國(guó)家糧食安全[1]。然而,我國(guó)糧食產(chǎn)后機(jī)械化干燥程度較低,糧食干燥機(jī)械化水平一直處于 1%左右[2],每年全國(guó)采用機(jī)械化烘干糧食不足 4 000萬噸,糧食自然晾曬依然占據(jù)主流,受氣候等因素影響導(dǎo)致收獲后的大量糧食品質(zhì)得不到保障,損害了廣大農(nóng)戶和糧食企業(yè)的利益。近年來隨著聯(lián)合收割機(jī)跨區(qū)作業(yè)的普及和玉米等大宗糧食作物機(jī)械化收獲技術(shù)的快速發(fā)展,短時(shí)間內(nèi)收獲的大量水分含量高的糧食因得不到及時(shí)干燥而易發(fā)熱霉變,不易長(zhǎng)期儲(chǔ)藏和加工,在公路上攤曬又容易引發(fā)交通事故且造成糧食的二次污染。糧食機(jī)械化、規(guī)?；稍锵拇罅康哪茉?節(jié)能減排任重道遠(yuǎn)。因此,研發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的糧食保質(zhì)快速干燥技術(shù)裝備,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的市場(chǎng)前景。

對(duì)糧食干燥處理技術(shù)和工藝方法進(jìn)行綜合分析,并對(duì)其在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)、不足及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)價(jià),以期加強(qiáng)糧食干燥技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用,對(duì)糧食干燥理論的發(fā)展和推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 糧食干燥技術(shù)分析

目前糧食產(chǎn)后的機(jī)械干燥方法主要有常壓熱風(fēng)干燥、低溫真空干燥、就倉干燥、熱泵干燥、太陽能干燥、微波干燥、紅外輻射干燥以及聯(lián)合干燥等。熱風(fēng)對(duì)流干燥依然是大宗糧食常用的干燥方法,經(jīng)過幾十年的發(fā)展應(yīng)用,其干燥產(chǎn)品質(zhì)量有了進(jìn)一步提高;先進(jìn)的真空干燥、低溫干燥等技術(shù)雖然能顯著提高糧食產(chǎn)品的品質(zhì),但存在著設(shè)備和運(yùn)行成本偏高的問題,極大地制約了先進(jìn)技術(shù)裝備的推廣應(yīng)用。從國(guó)內(nèi)外干燥技術(shù)的發(fā)展情況來看,常規(guī)的單一模式干燥技術(shù)裝備在應(yīng)用過程中存在著瓶頸問題,糧食干燥領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)是研究節(jié)能減排技術(shù)和優(yōu)化組合干燥技術(shù)及其裝備,以降低能耗、提高干燥效率和糧食品質(zhì)。

1.1 熱風(fēng)干燥

熱風(fēng)干燥是傳統(tǒng)的干燥技術(shù),也是目前應(yīng)用最為廣泛的糧食干燥方法。熱風(fēng)干燥采用具有一定溫度的熱空氣,經(jīng)過所要干燥的糧粒表面以除去糧食中的水分。目前,我國(guó)蔬菜脫水工業(yè) 90%采用的是常壓熱風(fēng)干燥[3],生產(chǎn)實(shí)踐中常用的糧食機(jī)械干燥設(shè)備,仍以對(duì)流傳熱干燥方式為主[4]。熱風(fēng)干燥可分為連續(xù)式和批式干燥兩大類,其熱源燃料大部分采用煤炭,也有少部分利用生物質(zhì)秸稈、稻殼及燃油等。在糧食熱風(fēng)干燥中,應(yīng)用較多的是順流干燥、順混流干燥和流化床干燥等干燥方式。

熱風(fēng)干燥操作簡(jiǎn)單,成本低廉,干燥速度較快,在較高工作溫度環(huán)境下其效能較高,但因干燥處理溫度高,造成部分糧粒熱損傷,其色香味和營(yíng)養(yǎng)成分遭到破壞,產(chǎn)品檔次降低,不適宜高品質(zhì)糧種或類型的干燥;而在較低工作溫度環(huán)境下熱風(fēng)干燥熱效率大受影響,能源利用率較低,經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)下降。

1.2 低溫真空干燥

低溫真空干燥處理是根據(jù)糧食水分沸騰蒸發(fā)溫度的高低隨環(huán)境壓力大小而變化的原理,利用蒸汽射流真空技術(shù)形成具有一定真空度的空間,在真空低溫狀態(tài)下連續(xù)對(duì)含水率高的糧食進(jìn)行脫水干燥。作業(yè)時(shí)糧食內(nèi)外溫度梯度小,由逆滲透作用使得糧食中的水分獨(dú)自移動(dòng),克服了溶質(zhì)散失現(xiàn)象。保證糧食烘后原有的色、香、味,營(yíng)養(yǎng)成分、品質(zhì)基本不變,便于儲(chǔ)藏、運(yùn)輸和銷售。該方法具有處理量大、降水幅度高、操作靈活、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。其不足之處是設(shè)備一次性投資大,當(dāng)前的塔形連續(xù)式真空干燥設(shè)備在干燥倉內(nèi)無導(dǎo)向裝置,被干燥物料在倉內(nèi)無法橫向交叉流動(dòng),倉體結(jié)構(gòu)保溫性、密封性要求高,干燥后的糧食品質(zhì)穩(wěn)定性難以確保。此外,由于真空干燥的汽化沸點(diǎn)低、干燥溫度低,氧氣含量只有常壓干燥的 1/20,可用于糧食種子的干燥[5]。

1.3 就倉干燥

就倉干燥是將自然空氣或加熱空氣作為干燥介質(zhì),對(duì)倉內(nèi)高水分糧食進(jìn)行強(qiáng)制機(jī)械通風(fēng)處理。其優(yōu)點(diǎn)是糧食收獲后即可入倉,減少倉外晾曬、烘干等環(huán)節(jié),可最大限度地保持糧食品質(zhì),一次性處理數(shù)量大,適合大批量、規(guī)模化干燥處理。

就倉干燥技術(shù)在國(guó)外發(fā)展較快,我國(guó)雖然也早有探索,但國(guó)內(nèi)約 80%的儲(chǔ)糧倉型為房式倉,因其占地面積、體積較大,致使輸送機(jī)械設(shè)備配套困難且嚴(yán)重不足,加之受通風(fēng)、數(shù)控等相關(guān)技術(shù)發(fā)展水平的制約,使之難以達(dá)到規(guī)模應(yīng)用[6]。目前,適合我國(guó)房式倉儲(chǔ)糧形式的移動(dòng)式立體就倉通風(fēng)干燥技術(shù)已經(jīng)在部分地區(qū)投入實(shí)際應(yīng)用,該成套設(shè)備采用組合方式,移動(dòng)安裝方便,可以設(shè)備移動(dòng)代替糧堆移動(dòng),設(shè)備一次投資,可多次多倉使用。

1.4 熱泵干燥

熱泵技術(shù)是從低溫?zé)嵩次諢崃?使其在較高溫度下放出可利用熱量的技術(shù),是一種節(jié)能效果明顯而又切實(shí)可行的新型干燥技術(shù)。利用制熱工質(zhì)在蒸發(fā)器中減壓蒸發(fā),從干燥尾氣中回收利用余熱,而氣態(tài)工質(zhì)再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入冷凝器,在較高溫度下冷凝釋放出潛熱預(yù)熱新鮮空氣,使干燥介質(zhì)得到比廢氣溫度還高的溫度,達(dá)到干燥物料的目的[3]。在國(guó)外,熱泵干燥技術(shù)已廣泛應(yīng)用于谷物、果蔬、水產(chǎn)品等物料的加工過程。我國(guó)熱泵干燥技術(shù)的研究起步于 20世紀(jì) 80年代,近年來,雖然熱泵干燥技術(shù)的研究也有一定的進(jìn)展,但在糧食規(guī)?；瘧?yīng)用方面還沒有取得實(shí)際性突破。熱泵干燥技術(shù)的最大特點(diǎn)在于低水分干燥階段發(fā)揮最大效能,節(jié)能效果好,但物料干燥時(shí)間較長(zhǎng) (12～16 h/批)[7]。

1.5 太陽能干燥

太陽能干燥是利用太陽輻射的熱能,將濕物料中的水分蒸發(fā)除去的干燥技術(shù),屬于可持續(xù)發(fā)展的“綠色”干燥技術(shù)。太陽能儲(chǔ)量相當(dāng)豐富,到達(dá)地球表面的太陽輻射能量約為 8.5×1016W,這個(gè)數(shù)量相當(dāng)于目前全世界總發(fā)電量的幾十萬倍。我國(guó)大部分地區(qū)太陽能輻射量較大,2/3的國(guó)土年輻射時(shí)間超過2 200 h,年輻射總量超過 5 GJ/m2[8-9]。利用太陽能進(jìn)行糧食干燥一般有兩種方式,一是以空氣或水為介質(zhì),在有陽光照射的情況下利用太陽能熱水器可以將水溫加熱到 98℃,再利用熱水介質(zhì)來干燥物料;二是建立暖房,將被干燥物料置于暖房?jī)?nèi)干燥。太陽能干燥最大的不足是受天氣狀況的影響大,且一次性投資較大。

1.6 微波干燥

無論是日光、熱風(fēng)等傳統(tǒng)干燥方法還是比較先進(jìn)的真空冷凍及熱泵干燥方法,它們的傳熱機(jī)理均是基于對(duì)流或傳導(dǎo)加熱,熱量是從外部向內(nèi)部逐漸傳遞,因此干燥時(shí)間普遍較長(zhǎng)。微波是指頻率為 300 MHz～300 GHz、波長(zhǎng)為 1 mm～1 m的電磁波。其干燥原理是依靠高頻電磁波引發(fā)干燥物料內(nèi)水等極性分子的運(yùn)動(dòng),使物料內(nèi)的水等極性分子按微波頻率作同步旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)。水等極性分子高速旋轉(zhuǎn)的結(jié)果,使物料內(nèi)部瞬時(shí)產(chǎn)生摩擦熱,導(dǎo)致物料內(nèi)部和表面同時(shí)升溫,使大量的水分子從物料中蒸發(fā)逸出,從而達(dá)到干燥的目的[10]。微波具有加熱速度快、干燥時(shí)間短、選擇性好、能源利用率高和便于控制等優(yōu)點(diǎn),但單純使用微波進(jìn)行糧食干燥時(shí),因其穿透糧層厚度較薄,為防止能量的泄漏,其連續(xù)化、規(guī)模化糧食干燥應(yīng)用受到一定限制。

1.7 紅外輻射干燥

紅外光是介于可見光與微波之間的電磁波,波長(zhǎng)在 0.75～1 000μm之間。紅外輻射具有傳遞熱效率高、加熱時(shí)間短、工作環(huán)境潔凈、設(shè)備噪音低、節(jié)約能源、裝置緊湊、便于自動(dòng)化,無污染、易吸收等優(yōu)點(diǎn),而且能夠較有效地避免或減少“爆腰”現(xiàn)象[11-13]。紅外干燥與熱風(fēng)干燥相比,其干燥時(shí)間可縮短 1/30～1/10,能耗可降低 1/3～1/2,干燥設(shè)備長(zhǎng)度可縮短到原來的 1/10,溫度可精確控制在 ±0.01～±0.001之間[3]。但實(shí)際應(yīng)用中紅外輻射處理量較少,特別是大型紅外糧食干燥機(jī)比較少見。

1.8 聯(lián)合干燥

聯(lián)合干燥的研究是近幾年發(fā)展起來的,研究人員進(jìn)行了多種聯(lián)合干燥技術(shù)的探索和研究,如微波-熱風(fēng)干燥聯(lián)合[14-15]、射頻 -流化床干燥聯(lián)合[16]、太陽能 -熱泵干燥聯(lián)合[17]、塔式 -就倉干燥聯(lián)合等。聯(lián)合干燥就是根據(jù)物料的干燥特點(diǎn),集成兩種或兩種以上的干燥技術(shù)裝備,實(shí)現(xiàn)節(jié)能、保質(zhì)和高效干燥效果。例如微波真空聯(lián)合干燥,采用真空可以降低水的蒸發(fā)溫度,使物料在較低的溫度下快速蒸發(fā),同時(shí)還可避免氧化,改善了干燥品質(zhì)。因此,將微波技術(shù)與真空技術(shù)相結(jié)合就成為一項(xiàng)極具發(fā)展前景和實(shí)用價(jià)值的新技術(shù)。它不僅具有干燥速度快、時(shí)間短、物料溫度低、色、味及有效成分保留好等優(yōu)點(diǎn),而且參數(shù)容易控制,能干燥多種不同類型的物料。

2 糧食干燥技術(shù)展望

綜合糧食干燥技術(shù)而論,在考慮干燥成本 (能耗)、干燥效率、干燥品質(zhì)及干燥設(shè)備等各方面因素,可以確定聯(lián)合干燥技術(shù),特別是基于微波處理的各種聯(lián)合干燥技術(shù)以及具有明顯節(jié)能效果的基于天然能源及熱泵的聯(lián)合干燥技術(shù)是最適合、最具有發(fā)展?jié)摿Φ挠行Ц稍锓椒?也最具有工業(yè)化應(yīng)用前景。

2.1 基于太陽能 -秸稈生物質(zhì)能聯(lián)合干燥技術(shù)

在石化能源日趨枯竭的情況下,尋求可再生能源和能源的多元化已成為世界發(fā)展大勢(shì)。生物質(zhì)能源是人類能夠長(zhǎng)久依賴的未來能源,其儲(chǔ)量豐富、且可再生利用。生物質(zhì)能源的大力開發(fā),對(duì)改善我國(guó)的能源結(jié)構(gòu),改變能源的生產(chǎn)方式和消費(fèi)方式有重要意義。同時(shí),生物質(zhì)作為能源資源比石油、煤炭、天然氣等燃料,在減少有害氣體排放方面具有更大的優(yōu)越性,因生物質(zhì)中的含硫量為 0.01%～0.1%,遠(yuǎn)低于煤中含硫量 (0.5%～1.5%)[18]。

我國(guó)生物質(zhì)秸稈資源總量約 7.2億噸,其中麥秸、稻草、秸稈約 5億噸。近幾年秸稈資源以年均1.4%的速度增長(zhǎng)。在總農(nóng)作物秸稈中,還田和收集損失約占 16.2%,飼用占 28.1%,造紙?jiān)险?.1%,可用作能源的為 53.6%[19]。太陽能和秸稈生物質(zhì)能聯(lián)合方式干燥糧食,將天然太陽能和生物質(zhì)秸稈資源有效利用結(jié)合起來,可使太陽能利用不再受限于天氣狀況。

2.2 基于微波處理 -熱風(fēng)聯(lián)合干燥技術(shù)

微波處理 -熱風(fēng)聯(lián)合干燥技術(shù)在未來幾年的研究將側(cè)重于微波場(chǎng)均勻性、微波系統(tǒng)性能整體優(yōu)化及熱風(fēng)干燥節(jié)能工藝的研究。具體的研究方向可能分布于微波功率源的優(yōu)化組合及微波能傳輸系統(tǒng)、微波功率的連續(xù)穩(wěn)定輸出、微波能傳輸損耗、干燥參數(shù) (輸送速度、溫度、時(shí)間、微波場(chǎng)強(qiáng)等)組合工藝以及干燥過程對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響規(guī)律等方面。如優(yōu)化微波源饋能裝置、微波干燥室結(jié)構(gòu)、耦合口及其排列方式、配合模式互補(bǔ)饋能、定向耦合及可變衰減技術(shù)、微波泄漏安全等。

2.3 基于熱泵低溫除濕 -熱風(fēng)聯(lián)合干燥技術(shù)

熱泵低溫除濕 -熱風(fēng)聯(lián)合干燥技術(shù),一般在干燥前期采用熱泵低溫 (30～45℃)脫水,后期采用熱風(fēng) (50～60℃)對(duì)流干燥,將熱泵低溫干燥技術(shù)節(jié)能環(huán)保、干燥品質(zhì)高的優(yōu)勢(shì)與熱風(fēng)對(duì)流的低成本、高效率的長(zhǎng)處結(jié)合起來。其研究將側(cè)重于回?zé)嵝投嗉?jí)除濕熱泵干燥技術(shù)及其配套裝備,利用運(yùn)行工況不同的兩組 (或以上)熱泵系統(tǒng)串聯(lián)除濕,干燥介質(zhì)依次流經(jīng)高溫和低溫蒸發(fā)器、低溫和高溫冷凝器,經(jīng)過蒸發(fā)器時(shí)空氣溫度逐級(jí)遞減,經(jīng)過冷凝器時(shí)空氣溫度則逐級(jí)遞增。通過多級(jí)熱泵配置,降低系統(tǒng)換熱的能量損失,從而提高熱泵壓縮機(jī)的制冷效率。研究?jī)?nèi)容主要有優(yōu)化熱泵干燥工藝參數(shù) (干燥介質(zhì)流速、溫度、濕度)與干燥特性的關(guān)系、建立回?zé)崞鲹Q熱面積、多級(jí)蒸發(fā)器 (冷凝器)面積與熱泵制冷效率及運(yùn)行參數(shù)間的關(guān)系、實(shí)現(xiàn)余熱回收及節(jié)能干燥等。

2.4 傳統(tǒng)干燥節(jié)能減排技術(shù)

目前,傳統(tǒng)干燥節(jié)能減排技術(shù)主要有改進(jìn)燃燒爐的結(jié)構(gòu)、提高燃煤燃燒效率、強(qiáng)化換熱器換熱效率、減少散熱損失、回收余熱廢氣、避免糧食的過分干燥、采用優(yōu)化的干燥工藝 (如組合工藝、多級(jí)干燥工藝及干濕糧混合工藝)等。

“順流 -逆流 +緩蘇”的組合干燥工藝法,就是將干燥工藝進(jìn)行了有效地優(yōu)化。該工藝中可根據(jù)糧食受熱溫度實(shí)行“分段變溫干燥”,各干燥段之間設(shè)有緩蘇段,“干燥 -緩蘇”交替進(jìn)行。干燥初始,糧食水分較高,利用順流干燥風(fēng)溫高的特點(diǎn),糧食流向與熱水流一致,溫度最高的熱水管道首先和水分最高、溫度最低的糧食接觸,熱效率高,降水效果好;干燥后期,由于糧食水分較低,糧食溫度已有一定程度的升高,若繼續(xù)采用順流高溫干燥,則熱效率低、降水效果差且對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)不利;此時(shí)改用逆流干燥,糧食流向與熱風(fēng)方向相反,溫度最高的空氣首先和水分最低、溫度最高的糧食接觸,熱效率高,起到了節(jié)能作用并且降水效果好[18,20]。

此外,各類糧食聯(lián)合干燥中傳質(zhì)傳熱的理論研究(例如如何引導(dǎo)和利用糧食中客觀存在的熱勢(shì)、濕勢(shì)和生化勢(shì),使之成為傳質(zhì)傳熱的有效動(dòng)力)、聯(lián)合干燥模型模擬以及干燥過程可控技術(shù)的研究的也是未來研究的方向。

3 結(jié)束語

目前,國(guó)內(nèi)對(duì)糧食干燥技術(shù)和設(shè)備的研究非常分散,沒有形成一個(gè)立體化的系統(tǒng),各科研院所、高等院校以及企業(yè)大多是只針對(duì)某一特定的糧食產(chǎn)品或者技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的研究。當(dāng)前急需解決的問題是如何能迅速降低糧食干燥操作成本、在節(jié)能減排的同時(shí),又能提高干燥產(chǎn)品的品質(zhì)。因此,天然綠色能源及低能耗、低成本的新型聯(lián)合干燥關(guān)鍵技術(shù)的研究與示范,將引領(lǐng)糧食干燥的時(shí)尚潮流,對(duì)促進(jìn)我國(guó)糧食豐產(chǎn)豐收及農(nóng)產(chǎn)品加工增值等均具有重要的意義。

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Application and Development Trend of Grain Drying Technique

Ren Guangyue1Zhang Zhongjie2ZhuWenxue1Duan Xu1
(College of Food and Bioengineering,Henan University of Science and Technology1,Luoyang 471003)
(Academy of State Administration of Grain2,Beijing 100037)

Grain drying techniques and methods are introduced.The advantage and disadvantage in the practical application for hot-air drying,low-temperature vacuum drying,in-store drying,heat pump drying,solar-drying,microwave drying,far-infrared radiation drying and combined-drying are analyzed comprehensively,and the devel2 opment trend of these drying techniques and methods are reviewed.New energy utilization,combined-drying and the techniques of energy-saving and pollutant-reducing of traditional drying are analyzed,at the same time,drying cost(power consumption),drying efficiency,drying quality and drying equipment are considered comprehensively.It is re2 vealed that new natural green energy,low power consumption,low cost and combined-drying techniques are the de2 velopment direction of grain drying.Energy-saving and pollutant-reducing drying technologies will be popular in the future.

grain,drying technique,combined-drying,development trend

S226.6

A

1003-0174(2011)02-0124-05

國(guó)家科技支撐計(jì)劃 (2009BADA0B03),河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃(092102110023),河南科技大學(xué)科學(xué)研究基金(2008ZY040)

2010-03-02

任廣躍,男,1971年出生,博士,副教授,農(nóng)產(chǎn)品干燥技術(shù)