糧食干燥機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

李嫡 高明宇

(廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630)

引言

中國(guó)是世界人口大國(guó)，也是著名的產(chǎn)糧大國(guó)，糧食的生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存關(guān)系到每個(gè)人的日常生活需求及國(guó)家的穩(wěn)定。由于糧食在收獲后含有大量水分，如果不烘干而直接運(yùn)輸和儲(chǔ)存，會(huì)導(dǎo)致糧食發(fā)霉，造成食品安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。因此，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)要求我國(guó)在提高糧食產(chǎn)量的同時(shí)，配合使用合適的糧食干燥機(jī)，得到可以安全儲(chǔ)運(yùn)的糧食，才能保證糧食的安全。

糧食干燥技術(shù)經(jīng)過了千百年的發(fā)展歷程，大多數(shù)農(nóng)戶通過人工晾曬的方法解決了小部分濕糧的干燥問題，這種方法存在缺陷，如費(fèi)時(shí)、費(fèi)工、費(fèi)力，同時(shí)還受氣候、晾曬場(chǎng)地等條件的制約，多數(shù)只能靠人工判斷糧食干燥程度，很可能導(dǎo)致糧食干燥不徹底而出現(xiàn)發(fā)霉，亦或是糧食過度干燥導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展，糧食干燥機(jī)取代了人工晾曬的方法，在糧食生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)過程中有著重要的應(yīng)用[1]。

與傳統(tǒng)的人工作業(yè)的干燥方法相比，糧食干燥機(jī)可以明顯改善糧食的質(zhì)量，提高糧食烘干效率、降低烘干成本和糧食的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。糧食干燥機(jī)可以快速地對(duì)高含水率的糧食進(jìn)行烘干，通過先進(jìn)的測(cè)量水分裝置可以獲得特定含水率的糧食，干燥完成的糧食含水率較均勻，避免了糧食的發(fā)霉變質(zhì)，同時(shí)提升了糧食干燥的效率、減少了人工和時(shí)間。通過多年的技術(shù)發(fā)展，糧食干燥機(jī)除了具有基本的烘干功能外，還可以通過控制糧食內(nèi)部結(jié)晶水的水分流失速率、溫度、風(fēng)速的最佳匹配等手段，使糧食在烘干的同時(shí)，保證含水率的精準(zhǔn)控制，口感、成色、營(yíng)養(yǎng)的多方面的最佳狀態(tài)[2]。

1 糧食干燥機(jī)的工作原理

糧食干燥最基本的原理是通過煤爐或燃油爐加熱，結(jié)合風(fēng)機(jī)形成熱風(fēng)，通過熱傳導(dǎo)或熱輻射等方式，使糧食升溫并產(chǎn)生溫度差，糧食內(nèi)部的水分在熱風(fēng)的作用下，會(huì)從糧食內(nèi)部傳遞到糧食的外部，再由熱風(fēng)將水蒸氣帶出干燥室，排出糧食干燥機(jī)。

糧食干燥機(jī)經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，市場(chǎng)占有率最高、應(yīng)用最為廣泛的為連續(xù)式糧食干燥機(jī)和循環(huán)式糧食干燥機(jī)2種。其中，連續(xù)式糧食干燥機(jī)主要使用溫度較高的熱風(fēng)烘干糧食，可以一次性烘干干燥機(jī)內(nèi)的大批量糧食。主要原理：在糧食干燥的過程中，糧食從烘干塔的頂部圓盤加料器連續(xù)地進(jìn)入到烘干機(jī)，依靠糧食自身的重力作用，按照順序依次一層一層地從上至下地通過干燥機(jī)內(nèi)部的每個(gè)干燥段和緩蘇段，通過調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度，使糧食在達(dá)到安全的含水率后，利用耙葉刮到底部卸料口，將同時(shí)刻進(jìn)入干燥機(jī)內(nèi)的糧食連續(xù)排出干燥機(jī)，獲得合格的干燥成品糧食[3]。連續(xù)式糧食干燥機(jī)每天最多可烘干數(shù)百噸的糧食，所以被廣泛應(yīng)用于東北等產(chǎn)糧大省的糧庫。然而針對(duì)產(chǎn)量不集中、散戶多的產(chǎn)量區(qū)域很少采用連續(xù)式干燥機(jī)，在這樣的區(qū)域就適合用循環(huán)式干燥機(jī)。循環(huán)式干燥機(jī)使用溫度相對(duì)較低的熱風(fēng)對(duì)干燥機(jī)內(nèi)的糧食進(jìn)行烘干，糧食在干燥機(jī)內(nèi)不斷的循環(huán)干燥，一直到糧食達(dá)到安全的含水率。循環(huán)式干燥機(jī)主要由熱風(fēng)爐、換熱器、引風(fēng)機(jī)、皮帶機(jī)、提升機(jī)、除塵器、混流干燥段、緩蘇段、排糧段等部分組成，將糧食通過提升機(jī)源源不斷地送入干燥機(jī)的內(nèi)部，通過順流、逆流、混流的循環(huán)方式在糧食干燥機(jī)的內(nèi)部不斷循環(huán)干燥，干燥機(jī)的提升機(jī)會(huì)源源不斷地向干燥機(jī)內(nèi)輸送糧食，干燥機(jī)內(nèi)部的熱風(fēng)與進(jìn)糧方向相反而形成錯(cuò)流，到達(dá)糧食安全含水率之后，通過排量機(jī)構(gòu)排出干燥機(jī)的機(jī)體[4]。

連續(xù)式糧食干燥機(jī)通常機(jī)型較大、單次烘干能力強(qiáng)、控制相對(duì)簡(jiǎn)單、市場(chǎng)占有率高，被廣泛應(yīng)用于高產(chǎn)糧區(qū)域或大型糧食生產(chǎn)廠家，但是因其設(shè)備相對(duì)復(fù)雜、維護(hù)難度大、不方便移動(dòng)和運(yùn)輸、靈活性較差。循環(huán)式糧食干燥機(jī)相比于連續(xù)式糧食干燥機(jī)，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)型較小、便于維護(hù)、靈活性更高，因此，除了被廣泛應(yīng)用在中小批量的糧食干燥過程中，還可以應(yīng)用于蔬菜、水果、種子等其他農(nóng)副產(chǎn)品的烘干。

2 糧食干燥機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

糧食干燥機(jī)經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，其穩(wěn)定性、控制精度、自動(dòng)化程度、烘干質(zhì)量都已經(jīng)得到大幅度提升，并且烘干成本越來越低。糧食干燥的目的是通過烘干控制系統(tǒng)得到安全含水率的糧食，因此，糧食干燥機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)和如何準(zhǔn)確、快速、在線地測(cè)量出糧食的含水率是目前糧食干燥機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。

早期的糧食干燥機(jī)多數(shù)采用手動(dòng)控制電機(jī)、風(fēng)機(jī)等執(zhí)行器的啟停，采用人工上糧、人工燒煤等產(chǎn)生熱量，通過人工取出糧食樣品進(jìn)行水分檢測(cè)來判斷糧食是否干燥完成，這種方式自動(dòng)化程度低，控制精度不高，對(duì)操作人員的依賴程度較高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，生產(chǎn)成本較高。

經(jīng)過多年來農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)發(fā)展，目前糧食干燥機(jī)控制系統(tǒng)主要包含控制器單元、糧食水分檢測(cè)單元、溫濕度檢測(cè)單元、模擬量采集單元、模擬量輸出控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和人機(jī)操作界面等。

控制器單元選擇性有很多，如單片機(jī)、PLC、工控機(jī)等均可以實(shí)現(xiàn)糧食干燥機(jī)的自動(dòng)控制，但目前多數(shù)的糧食干燥機(jī)選擇PLC為整個(gè)干燥控制系統(tǒng)的核心部分，是因?yàn)镻LC經(jīng)過多年的發(fā)展，具有集成度高、編程環(huán)境簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、穩(wěn)定性高、研發(fā)成本低廉、維護(hù)難度低等多方面的優(yōu)點(diǎn)。還可以自由選擇數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、通信模塊等實(shí)現(xiàn)多種擴(kuò)展功能[5]。

糧食干燥過程中的水分和溫濕度的檢測(cè)也是關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，只有準(zhǔn)確地檢測(cè)糧食的水分、干燥機(jī)的熱風(fēng)溫度、干燥機(jī)空間濕度等參數(shù)，通過模擬量采集單元傳送給控制器，才能準(zhǔn)確制動(dòng)控制參數(shù)，得到合格的糧食。經(jīng)歷的幾十年的技術(shù)發(fā)展，干燥過程中糧食水分的檢測(cè)已經(jīng)由機(jī)外檢測(cè)發(fā)展到在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。常用的糧食在線水分檢測(cè)裝置主要有電容式糧食水分檢測(cè)儀、電阻式糧食水分檢測(cè)儀、高頻阻抗式糧食水分檢測(cè)儀、射頻式糧食水分檢測(cè)儀等[6]。可以在糧食干燥的過程中，實(shí)時(shí)對(duì)干燥機(jī)內(nèi)部糧食的水分進(jìn)行采集，不需要人工取糧等操作，節(jié)省了人力物力，還能保證測(cè)量準(zhǔn)確性。同理，溫濕度采集單元和水分檢測(cè)單元檢測(cè)的信號(hào)通過信號(hào)處理和運(yùn)算單元，轉(zhuǎn)換成頻率、電流或者電壓信號(hào)輸入到PLC信號(hào)采集模塊中，PLC可以通過DA模擬量輸出控制風(fēng)機(jī)、排糧電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速。干燥的過程中，結(jié)合糧食干燥的失水特性、熱量傳遞特性、糧食水分和物料結(jié)合特性，制定出適合干燥機(jī)性能的控制參數(shù)。

執(zhí)行元件的手動(dòng)操作與數(shù)據(jù)、曲線的顯示和存儲(chǔ)通常采用觸摸屏實(shí)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的按鈕方式比較，觸摸屏具有可以根據(jù)需要任意擴(kuò)展操作與顯示界面，不需要大量接線、成本低、美觀、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。

除了上述糧食干燥系統(tǒng)必須的控制單元外，還可以根據(jù)實(shí)際情況和需要，結(jié)合通訊模塊、遠(yuǎn)程控制模塊、上位機(jī)軟件等組成功能更多的控制系統(tǒng)。

3 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家(如美國(guó)、英國(guó)、日本等)由于機(jī)械化、自動(dòng)化技術(shù)起步比較早，糧食干燥機(jī)的開發(fā)和推廣也比國(guó)內(nèi)早很多。國(guó)外的糧食干燥機(jī)發(fā)展已經(jīng)有近70a的歷史，技術(shù)比較成熟[7]。根據(jù)機(jī)械化、自動(dòng)化的發(fā)展程度，大致可分為3個(gè)階段。

20世紀(jì)50年代開始，一些發(fā)達(dá)國(guó)家隨著機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，研究者開始將機(jī)械制造技術(shù)應(yīng)用在糧食干燥領(lǐng)域，研制出可以替代人工操作的糧食干燥機(jī)，實(shí)現(xiàn)糧食干燥機(jī)的機(jī)械化。

20世紀(jì)60—70年代，糧食干燥機(jī)在國(guó)外得到推廣，并且研究者還將電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)運(yùn)用到糧食干燥機(jī)領(lǐng)域中，糧食干燥機(jī)的自動(dòng)化程度越來越高，很大程度地節(jié)省了人工，提升了生產(chǎn)效率。

20世紀(jì)80年代開始，在自動(dòng)化程度已經(jīng)很高的情況下，人們開始投身于研究糧食干燥以后的品質(zhì)和降低干燥機(jī)運(yùn)行成本，優(yōu)化自動(dòng)控制過程中的PID參數(shù)，采用模糊控制等先進(jìn)控制理論應(yīng)用于糧食干燥機(jī)的控制系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程控制、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)也在糧食干燥領(lǐng)域中得到了較高水平的應(yīng)用[8]。

根據(jù)國(guó)外糧食干燥機(jī)的發(fā)展歷程可以看出，國(guó)外的糧食干燥機(jī)主要特點(diǎn)：理論與實(shí)踐相結(jié)合，國(guó)外的研究者會(huì)將最先進(jìn)的技術(shù)運(yùn)用在糧食干燥機(jī)的控制系統(tǒng)中，同時(shí)為了提高烘干后的糧食品質(zhì)、增加烘干效率、降低烘干成本，在多年的糧食干燥的生產(chǎn)和試驗(yàn)中總結(jié)不斷優(yōu)化控制參數(shù)；機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化、信息化水平較高，由于發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化和信息化等制造技術(shù)起步較早，發(fā)展較快，理論研究較先進(jìn)，同時(shí)，經(jīng)過多年來的試驗(yàn)研究，不斷優(yōu)化控制參數(shù)，使糧食干燥效率和產(chǎn)能都得到大幅度提升，因此國(guó)外的糧食干燥機(jī)比同時(shí)期國(guó)內(nèi)的整體技術(shù)水平高；干燥機(jī)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)比較完善，國(guó)外的糧食干燥機(jī)由于發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，理論和實(shí)際的研究比較充分，因此在20世紀(jì)90年代開始，研究者在不斷提高糧食干燥機(jī)的技術(shù)水平的同時(shí)，還制定相關(guān)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，使糧食干燥機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、規(guī)范，保證經(jīng)過烘干的糧食的品質(zhì)高、穩(wěn)定。

4 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的糧食產(chǎn)量遠(yuǎn)高于國(guó)外，糧食干燥機(jī)的需求量也大于國(guó)外，但是國(guó)內(nèi)干燥機(jī)制造技術(shù)起步相對(duì)國(guó)外較晚，最初的糧食干燥機(jī)基本需要靠蘇聯(lián)等國(guó)家進(jìn)口引進(jìn)。20世紀(jì)70年代以后，才開始參考國(guó)外的糧食干燥機(jī)和控制系統(tǒng)，開始研制中小型的糧食干燥機(jī)。一直到20世紀(jì)80年代，雖然糧食干燥多數(shù)都采用機(jī)械化操作，但是糧食干燥機(jī)的自動(dòng)化程度相對(duì)較低，多數(shù)需要靠手動(dòng)操作和人工判斷糧食水分來進(jìn)行糧食的烘干。20世紀(jì)90年代后，糧食干燥機(jī)的自動(dòng)化程度得到提升，由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)、吉林工業(yè)大學(xué)、黑龍江農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院等科研單位開始將糧食干燥機(jī)的自動(dòng)化程度提高的同時(shí)，還注重提高糧食干燥的效率和品質(zhì)[9,10]。

近年來，國(guó)內(nèi)糧食干燥機(jī)與國(guó)外相比，技術(shù)水平在不斷拉近，但是相比較于國(guó)外，國(guó)內(nèi)糧食干燥機(jī)的發(fā)展有以下特點(diǎn)。

4.1 制造工藝相對(duì)落后

由于我國(guó)早期參與糧食生產(chǎn)作業(yè)的人員大多數(shù)為農(nóng)民，基本靠人工晾曬實(shí)現(xiàn)糧食干燥，再加上我國(guó)在機(jī)械化方面的研究比國(guó)外晚，導(dǎo)致糧食干燥機(jī)相比較國(guó)外機(jī)械化程度低、設(shè)備的穩(wěn)定性差、烘干工藝合理性較低、糧食烘干效率低、烘干成本高。

4.2 自動(dòng)化水平相對(duì)較低

我國(guó)不僅機(jī)械化水平落后，同時(shí)由于電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論、信息化和智能化的研究起步均晚于國(guó)外，國(guó)內(nèi)糧食干燥機(jī)與同時(shí)期國(guó)外相比，控制精度低、穩(wěn)定性差、檢測(cè)技術(shù)落后、控制參數(shù)優(yōu)化空間大。

4.3 相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不完善

由于我國(guó)糧食產(chǎn)地分布較廣，每個(gè)產(chǎn)糧地的糧食質(zhì)量不同、環(huán)境差異較大，因此目前的糧食干燥機(jī)在不同地區(qū)的控制參數(shù)差別較大、操作人員水平參差不齊、統(tǒng)一性差。

5 國(guó)內(nèi)糧食干燥機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)糧食干燥機(jī)國(guó)內(nèi)外技術(shù)的發(fā)展可以看出國(guó)內(nèi)外糧食干燥機(jī)的明顯差距，因此，國(guó)內(nèi)的糧食干燥機(jī)還存在很大的優(yōu)化和改進(jìn)空間。近年來，隨著糧食產(chǎn)量的增多、農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高和農(nóng)村生產(chǎn)習(xí)慣的改變，糧食干燥機(jī)的需求量日益增多，因此要求糧食干燥機(jī)除了具備基本的烘干功能以外，還應(yīng)該向以下的方向發(fā)展：進(jìn)一步提高糧食干燥機(jī)的自動(dòng)化程度和智能化；探索新型價(jià)格低廉、熱效率高、對(duì)環(huán)境污染較小的新型燃料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的生物質(zhì)能的燃料；進(jìn)一步提高糧食干燥機(jī)的干燥質(zhì)量、效率、降低尾氣污染；進(jìn)一步提高糧食干燥機(jī)在其他農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)中的應(yīng)用；開發(fā)更精確、價(jià)格低廉的糧食水分在線檢測(cè)儀器；制定完善的干燥機(jī)行業(yè)規(guī)范，使糧食干燥工藝趨向標(biāo)準(zhǔn)化。

6 結(jié)論

伴隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的不斷提高、糧食需求量的增大和農(nóng)村生產(chǎn)人員的減少，糧食干燥機(jī)在未來必將得到大范圍的推廣和使用，目前看來，糧食干燥機(jī)市場(chǎng)前景廣闊、發(fā)展?jié)摿薮?。盡管我國(guó)在糧食干燥機(jī)行業(yè)與國(guó)外存在一定的差距，但是經(jīng)過多年來技術(shù)的發(fā)展和研究者的努力，差距正在逐漸縮小，未來還是要進(jìn)一步分析當(dāng)前技術(shù)存在的問題和差距，研發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)、水平高、智能化程度高、多樣性、適用性強(qiáng)的糧食干燥機(jī)。