糧食遠紅外輻射干燥研究進展

賁宗友，孫艷輝，史德才，史乾軍

我國是世界上最大的糧食生產(chǎn)和消費國，據(jù)國家統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)顯示[1]，2017年我國糧食總產(chǎn)量已超過0.62×108kg。糧食產(chǎn)業(yè)關乎國計民生，但糧食收獲后在脫粒、晾曬、運輸、貯藏等過程中的損失率高達15%，遠超聯(lián)合國糧農(nóng)組織（AGRIS） 規(guī)定的5%[2]，同時存在資源利用率低、附加值不高、品質(zhì)控制不足和環(huán)境污染嚴重等問題，嚴重制約了我國糧食產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。干燥作為糧食加工過程中必需的單元操作之一，其加工過程中的能耗最為顯著，同時也是糧食長期儲存最為有效的方法。

目前，常用的糧食干燥方法有熱風干燥[3]、太陽能干燥[4-5]、紅外輻射干燥[6]和就倉干燥[7-8]等，干燥方法的選擇一般依據(jù)物料的干燥工藝特性。其中，紅外輻射技術由于具有均勻性、吸收性、方向性、距離特性和能量特性等優(yōu)勢，已逐漸成為國內(nèi)外糧食干燥技術的主要研究方向之一[9]。

1 紅外輻射及加熱原理

紅外輻射同時具有光和波的性質(zhì)，屬于不可見光，根據(jù)波長可分為近紅外線（0.76～1.50 μm）、中紅外線 （1.5～6.0 μm）、遠紅外線 （6～1 000 μm）。紅外輻射遵守電磁波的運動規(guī)律，既可以被物體反射、吸收，也可以穿透物體。當物體分子的固有振動頻率與被吸收的紅外輻射頻率相同時，就會產(chǎn)生共振并伴隨輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，使得物體內(nèi)外溫度同時上升，有利于物體內(nèi)水分的外溢，從而達到加熱和干燥物體的目的。而水稻、小麥等糧食作物的最佳紅外吸收波長為6～12 μm[10]，適合遠紅外輻射干燥。

2 遠紅外輻射干燥的特點

目前，我國糧食干燥方式主要為可實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的熱風干燥，其原料主要為燃煤、燃油、生物質(zhì)燃料等，但是由于熱風干燥的煙塵污染糧食、溫度不易控制、干制品品質(zhì)不高等不利因素，且近年來環(huán)保壓力加大，因此遠紅外干燥優(yōu)勢更加凸顯。

2.1 生產(chǎn)效率高

遠紅外輻射干燥的水分遷移機制有利于加速整個干燥過程。遠紅外輻射可使物料中的溫度梯度與濕度梯度方向相同，有利于水分遷移，加速干燥進程，且遠紅外輻射提供的熱流密度遠高于傳統(tǒng)的熱風干燥，物料升溫迅速。

2.2 干燥產(chǎn)品品質(zhì)高

遠紅外輻射具有穿透性，可使物體內(nèi)外均勻受熱，有效避免了糧食在干燥過程中由于溫度不均勻產(chǎn)生的爆腰現(xiàn)象。同時對粉狀、塊狀等大部分物料具有一定的殺菌、滅酶作用。

2.3 節(jié)約能源

由遠紅外輻射原理可知，其傳輸無需借助中間介質(zhì)，因此可以減少熱量損失、提高熱能利用率。

不同干燥方法的單位熱耗[11]見表1。

表1 不同干燥方法的單位熱耗/[kJ/kg·(H2O)]

3 糧食遠紅外干燥技術研究進展

剛收割的糧食含水率較高，直接貯藏易發(fā)生霉變，農(nóng)戶一般采用道路或稻谷場太陽晾曬，不僅易受天氣影響，且處理量有限，降低了糧食干燥品質(zhì)。為了尋求更佳的干燥方式，自從上世紀五六十年代開始，國內(nèi)外學者便已在糧食遠紅外干燥工藝、干燥技術等方面開展了相關研究工作。

3.1 遠紅外干燥工藝研究

遠紅外輻射干燥工藝對糧食干燥效果和品質(zhì)有重要影響，但是不同種類糧食在內(nèi)部組織和性狀上都存在很大差別，導致干燥工藝也相去甚遠，并且糧食干燥過程中會揮發(fā)出大量水汽，若不及時除去，對糧食的干燥進程和品質(zhì)都將產(chǎn)生嚴重影響。相關研究目前主要集中在干燥過程影響因素、干燥理論模型方面。Afzal TM等人[12]試驗研究了輻射強度（0.167～0.500 W/cm2）、進氣速度（0.3～0.7 m/s）、初始含水率（25%～40%d.b）、空氣濕度（36%～60%） 對大麥干燥的影響，發(fā)現(xiàn)輻射強度對干燥速率影響最大。羅劍毅[13]對稻谷做了遠紅外和熱風干燥單因素試驗，得出干燥特性，并對聯(lián)合干燥進行多因子正交回歸試驗，優(yōu)化后得出最佳工藝組合。Naret M等人[14]建立的稻谷遠紅外干燥熱量和質(zhì)量傳遞理論模型，能夠合理預測干燥過程中稻谷內(nèi)部的溫度和水分分布。孫永林等人[15]對麥冬進行薄層干燥特性及模型研究發(fā)現(xiàn)，干燥速率與麥冬切片和溫度呈正相關，且Page模型預測值與實測值比較吻合。

3.2 催化式遠紅外干燥技術

紅外輻射器常以電作為能源，而催化式紅外技術作為一種新型的節(jié)能技術，利用天然氣與氧氣在催化劑作用下發(fā)生氧化反應，為輻射層提供能量。電紅外輻射、天然氣紅外輻射和熱風對流3種干燥方式的熱效率和成本（見圖1），其中天然氣紅外輻射熱效率最高、成本最低。

不同干燥方法的熱效率及成本見圖1。

圖1 不同干燥方法的熱效率及成本

潘忠禮等人[16]使用催化式遠紅外技術對稻谷進行干燥試驗，研究表明無論大米的含水率高或低，采用紅外加熱只需60 s就可升溫至60℃，且稻谷品質(zhì)明顯提高。Ragab Khir等人[17-18]使用催化式遠紅外加熱技術，對含水率20.6%～25.0%的稻谷的干燥品質(zhì)、碾米品質(zhì)等進行了試驗研究，結(jié)果表明使用催化紅外發(fā)射器可以提高升溫速率和水分去除率，且加熱稻谷至60℃后再回火的方法可以明顯改善稻米的干燥品質(zhì)和碾米品質(zhì)。Deliephan A[19]使用臺式無焰催化紅外發(fā)射器對硬質(zhì)冬小麥進行干燥，發(fā)現(xiàn)紅外照射的小麥含水率、細菌量、霉菌量較未經(jīng)紅外照射的小麥分別下降1.5%～2.0%，98.7%，97.8%。姚豪杰[20]研究了催化式遠紅外技術對糙米品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)紅外加工后的糙米可采用緩蘇處理提高整米率，且遠紅外技術可有效抑制霉菌生成。因此，催化式紅外技術在糧食干燥方面有廣闊的應用前景。

3.3 遠紅外聯(lián)合干燥技術

聯(lián)合干燥是根據(jù)物料的干燥特性，結(jié)合2種或2種以上干燥技術的優(yōu)勢，達到低能耗、高品質(zhì)和高效的干燥效果。

在國外，Tuncel N B等人[21]試驗研究了玉米單獨紅外、熱風干燥及遠紅外熱風聯(lián)合干燥，結(jié)果表明遠紅外干燥和遠紅外熱風聯(lián)合干燥方法可大大縮短干燥時間，且當玉米初始含水率在16%以上時，遠紅外熱風聯(lián)合干燥更有效、更經(jīng)濟。Nachaisin M等人[22]研究了遠紅外熱風聯(lián)合干燥糙米，發(fā)現(xiàn)提高遠紅外強度，可以降低糙米的硬度、咀嚼度和膠質(zhì)含量，但增強了糙米的復水性。

在國內(nèi)，汪喜波等人[23]通過數(shù)值模擬和試驗研究了不同操作條件對遠紅外輻射與對流聯(lián)合干燥稻谷過程的影響，結(jié)果顯示數(shù)值模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)吻合良好。董鵬飛，張靜等人[24-25]研究了遠紅外加熱溫度、真空度和干燥時間對玉米水分變化規(guī)律、干燥速率和干燥后玉米品質(zhì)的影響，及干燥過程中的高耗能問題，結(jié)果表明遠紅外低溫真空干燥可以大大改善干燥產(chǎn)品的品質(zhì)且節(jié)能優(yōu)勢突出。焦士龍等人[26]試驗研究了稻谷遠紅外輻射聯(lián)合熱風振動流化床干燥，結(jié)果表明此方法稻谷脫水率大、爆腰率低。

單一遠紅外干燥有時無法達到所要的干燥效果，且為了響應國家節(jié)能環(huán)保的要求，在遠紅外干燥工藝的研究中，若能夠?qū)_擊干燥、脈動真空干燥、熱泵干燥等新型干燥技術與遠紅外加熱技術有機結(jié)合，開發(fā)新型聯(lián)合干燥工藝，將可以減少單一干燥方式在糧食干燥過程中的問題，提高糧食干燥品質(zhì)。同時，研發(fā)高效率紅外輻射材料及涂層材料、建立糧食遠紅外干燥質(zhì)熱傳遞動力學模型、降低干燥過程能耗等，將是未來的主要發(fā)展趨勢。

4 糧食遠紅外干燥設備研究進展

糧食遠紅外干燥設備是遠紅外干燥工藝的具體實現(xiàn)，國外在糧食遠紅外干燥設備方面開展的研究較早，設計開發(fā)出一系列遠紅外干燥設備，并得到廣泛應用，且占據(jù)了大部分糧食干燥設備市場。國內(nèi)則起步較晚，尚處于研發(fā)階段。

在國外，Soojin J等人[27]設計了一種用于大豆蛋白和葡萄糖2種組分選擇性加熱的遠紅外加熱系統(tǒng)，當濾波器在5 min內(nèi)升溫超過6℃時，蛋白質(zhì)的最佳吸收光譜在6～11 μm，且組分的不同光譜吸收率數(shù)值分析結(jié)果與試驗結(jié)果誤差在8.3%以內(nèi)，證明了該加熱系統(tǒng)的可行性。2001年，美國CDT公司使用研制的觸媒遠紅外中試設備對水稻進行分組干燥對比試驗。結(jié)果表明，水稻籽粒爆腰率低、品質(zhì)好，能耗僅為熱風干燥的30%左右。Hidenaga S[28]設計開發(fā)了新型循環(huán)型遠紅外谷物干燥機（PCE-43，53，63型），并應用于大豆干燥。Hidaka Y等人[29-31]在循環(huán)批式干燥機基礎上開發(fā)出一種商用遠紅外干燥機，并使用稻谷和小麥進行試驗。結(jié)果表明，與相同干燥能力的循環(huán)批式干燥機相比，耗油量和耗電量大幅下降，稻谷爆腰率下降2%，且不會影響稻谷的發(fā)芽率。無錫金子農(nóng)機有限公司（日資）開發(fā)的RVF系列遠紅外干燥機，該設備可以使遠紅外線照射到每粒谷物，保證干燥品質(zhì)的同時，與熱風干燥相比省油15%，省電40%。

在國內(nèi)，20世紀70年代中期，中國科學院上海技術物理研究所[32]研發(fā)了一臺FIR-D型遠紅外谷物干燥機，但是其生產(chǎn)能力偏低且成本高。同年，江西國營云山綜合墾殖場[33]研發(fā)出一臺5H-12型立軸疊盤離心式遠紅外谷物干燥機，相比其他機型，該機體積小、能耗小，且被干燥谷物爆腰率大幅減小，僅為0.2%～0.6%。魏忠彩，孫傳祝等人[34-36]研制了一種紅外玉米穗干燥機，并利用其對玉米進行等溫干燥和變溫干燥試驗，研究了不同參數(shù)下玉米穗的干燥特性，并優(yōu)化了玉米穗紅外干燥工藝參數(shù)。張仲欣等人[37]設計了一種豎箱式遠紅外谷物烘干機，該烘干機內(nèi)谷物在紅外加熱管兩側(cè)，并配以氣流，簡化了烘干機的結(jié)構(gòu)。張秦權(quán)等人[38]綜合低溫真空干燥和遠紅外干燥2種技術的優(yōu)勢，設計出一套真空低溫（蒸汽加熱）與遠紅外聯(lián)合干燥設備，該設備目前只能對果蔬進行干燥，其他物料的干燥還有待于進一步研究和設計。劉春山[39]設計建造了一套遠紅外對流組合干燥機，稻谷干燥試驗表明，干燥能耗和爆腰率較單獨熱風干燥分別降低28.9%和2.5%?？稆i[40]對內(nèi)燃機廢氣利用和快速干燥技術進行了研究，開發(fā)出一種利用聯(lián)合收割機排氣余熱輔助遠紅外輻射的多級干燥系統(tǒng)，并試制了部分樣機，數(shù)值模擬結(jié)果表明方案的可行性。王潤發(fā)[41]設計了一種遠紅外與逆混流引風組合的干燥工藝系統(tǒng)，樣機試驗驗證表明，樣機總體運行可靠性高，稻谷自身溫度較傳統(tǒng)的橫流干燥方法降低11℃，平均去水速率提高2倍，提高了稻谷的干燥品質(zhì)，降低了干燥能耗。

遠紅外干燥設備的開發(fā)基于干燥工藝的研究，且單一干燥方式有明顯劣勢，目前干燥設備的開發(fā)多為組合型，但是依然存在一些不足，如干燥過程的全自動控制、糧食含水率在線監(jiān)測、熱能的回收利用等，且大型設備相對較少，難以滿足工業(yè)化大生產(chǎn)的要求。同時，設備從開發(fā)到定型過程中缺乏理論依據(jù)指導，若能夠在設備的研發(fā)過程中引入有限元分析（FEA）設計和計算流體動力學（CFD） 的方法，不僅可以降低研發(fā)的成本、減少原料的浪費，還能夠縮減研發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率。

5 結(jié)語

在能源日益緊缺和環(huán)境污染日益嚴峻的情況下，大力發(fā)展高效節(jié)能的遠紅外輻射干燥技術具有重要意義。但是由于我國遠紅外輻射干燥技術研究起步晚，技術尚不成熟，因此還未大面積推廣。近年來，我國出臺一系列政策，鼓勵企業(yè)發(fā)展智能化高效農(nóng)機設備，并給予設備購置補貼，目前已有上海三久（臺資）、上海艾迪迦等企業(yè)在糧食遠紅外干燥技術和設備上攻關克難，開發(fā)出系列烘干設備，正改變著糧食烘干行業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，對我國糧食機械化烘干的實現(xiàn)有著積極的促進作用。