我國(guó)糧食干燥技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)*

姚 渠，尹 君，李瑞敏，張忠杰

（國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院，北京 100037）

我國(guó)作為世界上最大的糧食生產(chǎn)國(guó)與消費(fèi)國(guó)，糧食安全是關(guān)系到國(guó)家戰(zhàn)略安全的重大問題。然而，我國(guó)年產(chǎn)糧食超5億t，但每年因氣候等原因來不及干燥、干燥不及時(shí)或未達(dá)到儲(chǔ)藏水分要求而造成霉變、發(fā)芽的糧食高達(dá)5%。日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的糧食烘干機(jī)械化水平達(dá)到95%以上，我國(guó)糧食烘干機(jī)械化不足10%，發(fā)展明顯滯后。糧食烘干機(jī)械化水平低，傳統(tǒng)的晾曬方式又無法滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展需要，導(dǎo)致我國(guó)糧食產(chǎn)后損失巨大。

國(guó)家推進(jìn)的糧食產(chǎn)后服務(wù)中心等優(yōu)質(zhì)糧食工程建設(shè)，旨在保證糧食質(zhì)量安全和數(shù)量安全[1-2]。干燥對(duì)提高糧食儲(chǔ)藏穩(wěn)定性、保證糧食品質(zhì)、減少糧食產(chǎn)后損失、保障食品加工質(zhì)量有著重要意義，將糧食干燥作為糧食產(chǎn)后服務(wù)體系建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，也是保證國(guó)家糧食安全的重要措施之一。

本文對(duì)目前我國(guó)糧食機(jī)械干燥技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)歸納，并對(duì)糧食干燥技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

1 糧食干燥技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 自然晾曬

通過自然晾曬將糧食水分降低至安全儲(chǔ)藏水分以下，這是我國(guó)傳統(tǒng)糧食干燥方法，它具有耗能低、污染低、操作簡(jiǎn)單及因地制宜等特點(diǎn)，但只適用于部分小農(nóng)戶和基層糧站使用，且此方法受自然天氣影響較大，效率低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，顯然已不適合現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展需求。

1.2 熱風(fēng)干燥技術(shù)

熱風(fēng)干燥是傳統(tǒng)的機(jī)械干燥方式，也是目前使用最廣泛的糧食干燥技術(shù)，它通過加熱的干燥介質(zhì)（如空氣、惰性氣體、其它氣體等）流動(dòng)經(jīng)過糧層除去水分的干燥方法，其因設(shè)備成本低、易操作、適應(yīng)性強(qiáng)、快速干燥等特點(diǎn)被廣泛使用。但近些年隨著國(guó)家綠色環(huán)保政策的變化和市場(chǎng)對(duì)優(yōu)質(zhì)糧食的追求，熱風(fēng)干燥技術(shù)的不足逐漸凸顯：出風(fēng)溫度高、干燥不均勻、干燥速度快等造成干燥后的糧食出現(xiàn)變色、變形、甚至結(jié)塊等現(xiàn)象，已不符合現(xiàn)代糧食對(duì)高品質(zhì)糧食的要求；干燥能源的利用率和轉(zhuǎn)化率較低造成能源浪費(fèi)，污染物排放高、環(huán)境污染嚴(yán)重，已不符合節(jié)能環(huán)保的要求；且工作中勞動(dòng)強(qiáng)度大，揚(yáng)塵嚴(yán)重、環(huán)境惡劣，不符合環(huán)保、衛(wèi)生要求[3-4]。隨著國(guó)家環(huán)保政策頒布與實(shí)施，這種以秸稈、煤炭等為主要能源的干燥技術(shù)將會(huì)逐漸被其它方式取代。

1.3 熱泵干燥技術(shù)

熱泵是消耗少量低品位熱能來制取大量高品位熱能的高效制熱系統(tǒng)。熱泵與常規(guī)的干燥設(shè)備一起組成熱泵干燥裝置，在熱泵干燥裝置運(yùn)行過程中，從干燥設(shè)備排出的廢氣先被熱泵的蒸發(fā)器降溫除濕，之后被冷凝器加熱升溫后再進(jìn)入干燥設(shè)備循環(huán)利用，熱泵烘干技術(shù)具有能源消耗少、環(huán)境污染小、烘干品質(zhì)高和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)異的節(jié)能效果已被國(guó)內(nèi)外的各種試驗(yàn)研究證明[5-6]。

近些年，我國(guó)熱泵干燥技術(shù)的研究主要集中在中草藥、果蔬、水產(chǎn)等應(yīng)用上，但從2017年12月，國(guó)家發(fā)改委聯(lián)合十余部門發(fā)布禁煤政策并推廣落實(shí)后，以煤炭為主要能源的傳統(tǒng)干燥技術(shù)將逐漸被取締，熱泵干燥技術(shù)以其精準(zhǔn)的溫度控制，確保了糧食烘干后的品質(zhì)，成為糧食干燥技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。在糧食干燥領(lǐng)域，熱泵干燥技術(shù)主要集中在小批量的糧食種子的干燥上，目前在規(guī)?；Z食干燥方面的研究還未取得實(shí)際性進(jìn)展[7-8]。

1.4 太陽能干燥技術(shù)

太陽能干燥技術(shù)是利用太陽能輻射加熱某種流體（如空氣等），然后將此流體直接或間接與待干燥的高水分糧食接觸，在熱量傳遞過程使糧食中部分水分汽化、帶走，此技術(shù)既能使糧食得以干燥，又能循環(huán)利用流體中的熱能[9]；它采用的太陽能是綠色能源，不僅可以節(jié)約成本、降低污染，由于干燥介質(zhì)的溫度高，還能起到殺蟲和滅菌的作用，且在干燥品質(zhì)上與傳統(tǒng)的干燥技術(shù)相比產(chǎn)品色澤有較大改觀。

太陽能干燥技術(shù)具有清潔、廉價(jià)等特點(diǎn)，屬于“綠色”干燥技術(shù)，但是太陽能技術(shù)受氣候影響、地域限制，干燥周期長(zhǎng)、一次性投資較大等原因?qū)е缕渫茝V受限。近些年太陽能干燥技術(shù)的研發(fā)為有效利用太陽能進(jìn)行干燥作業(yè)提供了更多可行性。太陽能干燥技術(shù)經(jīng)常結(jié)合其他干燥設(shè)備一起組合使用效果更加顯著，如太陽能和熱泵干燥裝備的結(jié)合。

1.5 微波干燥技術(shù)

微波是一種高頻電磁波，頻率為300～300000 MHz，其波長(zhǎng)為1 mm～1 m。微波干燥是一種新型的干燥方式，其原理是通過高頻振蕩的電磁波穿透糧食，微波被待干燥的糧食吸收后，將其所攜帶的能量在內(nèi)部轉(zhuǎn)化為熱能，從而對(duì)糧食進(jìn)行脫水干燥，它直接采用電磁波加熱，無需傳熱介質(zhì)，直接加熱到物體內(nèi)部且其熱傳導(dǎo)方向與水分?jǐn)U散方向相同，因此具有升溫快、干燥均勻及效率高等特點(diǎn)。

微波干燥技術(shù)由于能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的自動(dòng)化控制，其研究及應(yīng)用在各個(gè)干燥領(lǐng)域越來越受到重視。我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)微波干燥的研究主要集中在食品、藥品、醫(yī)藥原料的干燥、殺菌和消毒方面，在糧食干燥領(lǐng)域也進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，但是微波干燥技術(shù)投資大、耗能高、成本高、易過度干燥等技術(shù)缺陷也限制其大規(guī)模推廣應(yīng)用。

1.6 紅外線干燥技術(shù)

紅外線干燥技術(shù)是利用紅外線輻射使糧食中的水分汽化的一種干燥技術(shù)。它利用水分子對(duì)紅外線有特別親和力的特點(diǎn)，可以直接作用在糧食上，深入糧食內(nèi)部，使內(nèi)外同時(shí)加熱，快速除去糧食中的結(jié)合水。紅外線干燥具有能量利用率高、干燥時(shí)間短、品質(zhì)效果好、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[10-11]。

采用紅外線技術(shù)干燥農(nóng)作物是近些年的研究成果，不同作物對(duì)紅外的吸收具有選擇性，如紅外輻射器光譜與被干燥糧食吸收的光譜匹配良好，才能達(dá)到較好的干燥品質(zhì)，目前針對(duì)干燥農(nóng)作物的紅外輻射器還較少，且紅外輻射熱傳質(zhì)過程較復(fù)雜，具體采取什么樣合適波段紅外線進(jìn)行糧食干燥作業(yè)是紅外線糧食干燥技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用需要解決的難點(diǎn)。

1.7 組合式干燥技術(shù)

近些年，為實(shí)現(xiàn)保質(zhì)、高效、節(jié)能的干燥效果，根據(jù)不同物料的干燥特性，將兩種或多種干燥技術(shù)進(jìn)行結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)不同的干燥技術(shù)之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，即組合式干燥技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)資源的充分利用。如太陽能-熱泵干燥技術(shù)，真空-微波干燥技術(shù)，真空-熱風(fēng)干燥技術(shù)等[12-13]。

2 糧食干燥技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與存在的問題

目前我國(guó)糧食干燥領(lǐng)域大多采用鏈條式爐排干燥設(shè)備，但這種設(shè)備的缺點(diǎn)較多，據(jù)2019年糧食干燥設(shè)備的不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)干燥設(shè)備的熱效率低，綜合利用率小于75%；燃盡率小于85%，煤耗高；熱損失大、啟停周期長(zhǎng)、溫控波動(dòng)范圍較大、換熱系統(tǒng)故障率高，需定期清理、勞動(dòng)強(qiáng)度大、煙塵排放嚴(yán)重超標(biāo)，且無法確保糧食干燥后的品質(zhì)。

2.1 能源效率低

我國(guó)現(xiàn)存的干燥設(shè)備單位能耗大，發(fā)達(dá)國(guó)家谷物干燥每降1 kg水需要耗能3 344～4 598 kJ，而我國(guó)的這一指標(biāo)則為5 000～8 000 kJ，糧食干燥設(shè)備節(jié)能減排技術(shù)有較大改進(jìn)空間。

2.2 干燥設(shè)備不足

隨著我國(guó)環(huán)保政策的落實(shí)，以燃燒煤炭、秸稈等為能源的干燥設(shè)備或者進(jìn)行環(huán)保升級(jí)改造或者逐漸被市場(chǎng)淘汰，現(xiàn)存干燥設(shè)備數(shù)量不足，新研發(fā)的干燥技術(shù)及設(shè)備大都處在實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段，有些設(shè)備在不斷升級(jí)優(yōu)化的同時(shí)，未能及時(shí)將新技術(shù)新產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用。

糧食干燥機(jī)械設(shè)備整體結(jié)構(gòu)粗獷化，設(shè)備選用材料范圍過于寬泛。且干燥設(shè)備機(jī)型較為單一，缺乏經(jīng)濟(jì)適用的通用機(jī)型，一臺(tái)烘干機(jī)不能同時(shí)滿足多個(gè)作物品種的干燥需求，設(shè)備利用率低，不能實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用[14]。

2.3 干燥技術(shù)缺乏

糧食干燥技術(shù)經(jīng)過近些年的快速發(fā)展取得了巨大進(jìn)步，糧食干燥技術(shù)體系也逐步趨于成熟，但與國(guó)外糧食干燥技術(shù)存在不小的差距，還存在著如干燥加工工藝指導(dǎo)匱乏，干燥產(chǎn)品品質(zhì)良莠不齊，不能滿足人民對(duì)高品質(zhì)生活的追求；如溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)、糧食水分的在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性差，靈敏精度不夠等亟待解決的諸多問題。

3 糧食干燥技術(shù)展望

糧食干燥技術(shù)的發(fā)展保證了糧食干燥品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了糧食干燥的智能化精準(zhǔn)控制，煙塵排放達(dá)到國(guó)家環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)，也是為國(guó)家生態(tài)環(huán)境建設(shè)及糧食產(chǎn)后服務(wù)中心等優(yōu)質(zhì)糧食工程建設(shè)提供了強(qiáng)有力技術(shù)支撐。因此，我國(guó)糧食干燥技術(shù)有以下發(fā)展趨勢(shì)：

3.1 基礎(chǔ)研究

經(jīng)過多年發(fā)展，我國(guó)在糧食干燥應(yīng)用技術(shù)的研究很多已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。但是，干燥理論基礎(chǔ)研究明顯落后于應(yīng)用技術(shù)研究，熱質(zhì)傳遞機(jī)理研究深度不足[14]，如科研人員一般通過測(cè)定糧食表面的信息開展理論模型研究，倘若能準(zhǔn)確地測(cè)定干燥過程中糧食內(nèi)部溫度、水分等變化信息方面開展干燥理論研究和試驗(yàn)研究，勢(shì)必改善干燥理論滯后于應(yīng)用的現(xiàn)狀，也能推進(jìn)干燥技術(shù)的研究和應(yīng)用[15-16]。

3.2 技術(shù)改進(jìn)

融合前沿科技技術(shù)，精準(zhǔn)控制干燥過程中的溫度、水分等參數(shù)變化，研制生產(chǎn)出質(zhì)量更好、使用可靠、操作簡(jiǎn)便及經(jīng)濟(jì)適用“一機(jī)多用”的機(jī)型，推動(dòng)干燥設(shè)備向智能化、自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化及產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展，也是未來糧食干燥技術(shù)主要的研究方向之一。

3.3 清潔能源的利用

按照我國(guó)治理環(huán)境的總體要求，干燥能源利用趨向于低碳、環(huán)保、可再生的清潔能源。隨著全世界范圍內(nèi)一次能源的快速消耗并逐漸面臨枯竭，尋找和發(fā)展可再生清潔能源將成為中國(guó)乃至全球能源發(fā)展的必然趨勢(shì)[17-18]。

4 結(jié)語

隨著我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人們對(duì)優(yōu)質(zhì)生活的追求，環(huán)保、節(jié)能、高效及高質(zhì)也成為現(xiàn)代糧食干燥技術(shù)的追求目標(biāo)，現(xiàn)在干燥技術(shù)設(shè)備及工藝還不能完全滿足我國(guó)糧食干燥技術(shù)發(fā)展的需求，因此改進(jìn)烘干工藝、提升控制技術(shù)、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、降低烘干成本、減少環(huán)境污染、提高干燥效率及保證糧食干燥品質(zhì)是我國(guó)糧食干燥技術(shù)急需解決的問題。