谷物機(jī)械化干燥控制技術(shù)及輔助系統(tǒng)探究

張佳麗

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院 佳木斯分院，黑龍江 佳木斯 154004)

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)直接關(guān)系著國(guó)家糧食安全與民生發(fā)展，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革政策的深入發(fā)展，極大地提高了我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模與糧食產(chǎn)量[1]，因此也帶來了一系列糧食收儲(chǔ)問題，尤其是高水分糧食作物，如玉米、水稻等烘干儲(chǔ)存。谷物干燥技術(shù)是保證糧食儲(chǔ)存、運(yùn)輸、改善谷物形狀，提高作物品質(zhì)及加工性能的重要技術(shù)之一[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年糧食平均產(chǎn)量5億t左右，常年糧食儲(chǔ)存數(shù)量約為糧食產(chǎn)量的二分之一左右，給我國(guó)糧食烘干帶來了巨大壓力。另一方面，由于我國(guó)糧食干燥水平較低，糧食烘干機(jī)械水平良莠不齊，因此如何提高谷物烘干水平是保證我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要問題[3]。

谷物機(jī)械化干燥技術(shù)集工程熱物理學(xué)、植物生理特性、機(jī)械設(shè)計(jì)及制造技術(shù)、傳質(zhì)傳熱學(xué)及自動(dòng)控制技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)融合，是一項(xiàng)十分復(fù)雜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)之一。我國(guó)農(nóng)業(yè)部提出的農(nóng)業(yè)“十三五”農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展方案中指出，重點(diǎn)研發(fā)糧食智能烘干機(jī)械，突破谷物干燥過程中水分在線監(jiān)測(cè)、真空低溫干燥、紅外真空干燥技術(shù)等，逐步優(yōu)化谷物干燥過程模型，是保證我國(guó)糧食安全的基礎(chǔ)條件與保障[4]。

1 谷物機(jī)械化干燥條件

谷物機(jī)械化干燥條件主要依據(jù)不同糧食干燥原始含水率、收獲方式、成熟程度及后續(xù)用途進(jìn)行選擇。谷物原始含水率越高、成熟度越低，其干燥過程中的熱穩(wěn)定性較差；剛收獲的谷物，由于谷物表層未完全硬化，谷物含水率較高，一般采用低溫干燥方式進(jìn)行谷物干燥，避免高溫造成谷物損傷及谷物表層硬化。因此，針對(duì)不同的谷物類型進(jìn)行機(jī)械化干燥時(shí)，應(yīng)充分考慮谷物特性，選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)械化干燥條件及方式。本研究針對(duì)黑龍江省重點(diǎn)糧食作物進(jìn)行谷物機(jī)械化干燥條件分析與研究[5]。

1.1 玉米干燥條件

玉米機(jī)械化干燥技術(shù)較為困難，主要是由于玉米籽粒較大，單位比表面積較小，玉米表皮結(jié)構(gòu)較為緊湊，不利于內(nèi)部水分向外轉(zhuǎn)移，尤其是在高溫干燥環(huán)境中，會(huì)造成玉米表面水分迅速汽化，內(nèi)部水分無法及時(shí)向外部轉(zhuǎn)移，會(huì)造成玉米內(nèi)部壓力變大，使玉米籽粒表皮漲裂。玉米籽粒不均勻、大小不一也造成了玉米機(jī)械化烘干困難，因此，目前主要采用塔式烘干機(jī)械進(jìn)行玉米機(jī)械化烘干。

玉米機(jī)械化干燥是黑龍江省乃至全國(guó)主要糧食干燥內(nèi)容之一。玉米作為晚秋收獲作物，收獲時(shí)期谷物含水率偏高，一般在25%～30%左右，個(gè)別含水率高于35%以上。當(dāng)玉米收獲原始含水率高于30%時(shí)，主要采用機(jī)械通風(fēng)或者使用室內(nèi)烘干機(jī)降低谷物含水率，為后續(xù)玉米脫粒提供良好條件。當(dāng)玉米收獲原始含水率小于30%時(shí)，需要先進(jìn)行玉米脫粒后在進(jìn)行干燥，但對(duì)于種用玉米，應(yīng)進(jìn)行帶穗干燥，以保障玉米種子的活力。在玉米機(jī)械化干燥過程中，相關(guān)試驗(yàn)表明，當(dāng)介質(zhì)溫度高于150 ℃時(shí)或玉米受熱溫度高于62 ℃時(shí)，會(huì)造成玉米大量裂紋，使玉米品質(zhì)降低。

1.2 稻谷干燥條件

稻谷屬于一種熱敏性較高的糧食，干燥速率變化過快或者參數(shù)選擇錯(cuò)誤容易造成稻谷爆腰，直接影響稻谷的品質(zhì)與經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)價(jià)值。另一方面，稻谷結(jié)構(gòu)主要是由堅(jiān)硬的外殼和米粒組成，外殼對(duì)內(nèi)部的米粒可以起到一定的保護(hù)作用。因此，采用稻谷干燥更容易進(jìn)行糧食儲(chǔ)存與運(yùn)輸。由于稻谷外殼在谷物干燥過程中會(huì)影響內(nèi)部水分向外部轉(zhuǎn)移與散失，因此在進(jìn)行稻谷干燥時(shí)，應(yīng)將稻谷視為一個(gè)復(fù)合體進(jìn)行干燥控制。相關(guān)研究表明，稻谷機(jī)械化干燥時(shí)，其干燥品質(zhì)不僅與干燥介質(zhì)溫度有關(guān)，而且與空氣相對(duì)濕度也有一定關(guān)系。熱風(fēng)溫度較高時(shí)，稻谷整體干燥率會(huì)隨之下降；空氣相對(duì)濕度增加，會(huì)提高稻谷干燥率。在進(jìn)行稻谷干燥時(shí)，一般采用以下方法提高干燥效率。

1.2.1 烘干—緩蘇工藝

烘干—緩蘇工藝是指將烘干結(jié)束的稻谷放入緩蘇倉中進(jìn)行保溫，更好地促進(jìn)稻谷內(nèi)部水分向表層進(jìn)行擴(kuò)散，被稱為“二次干燥”，此方式可有效降低稻谷的爆腰率。緩蘇時(shí)間也會(huì)根據(jù)不同前期試驗(yàn)進(jìn)行合理選擇與控制，如美國(guó)Wasserman相關(guān)研究表明，稻谷在干燥后采用23 ℃空氣進(jìn)行干燥后緩蘇，一般需要6 h左右，但是谷物干燥在45 ℃左右后進(jìn)行緩蘇，一般只需要4 h左右；但是Thompson相關(guān)研究表明，稻谷采用55 ℃進(jìn)行干燥后，稻谷含水率降低至11.5%左右，隨后在32 ℃的環(huán)境中進(jìn)行緩蘇，全程需要12 h左右，由此可見應(yīng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行緩蘇溫度及緩蘇時(shí)間的選擇。

1.2.2 采用較低的熱風(fēng)溫度

為了提高稻谷干燥后的品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)效益，一般采用較低溫度的介質(zhì)進(jìn)行干燥。根據(jù)黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院佳木斯分院建立的日處理稻谷200 t稻谷干燥機(jī)械，一般采用44 ℃左右的熱風(fēng)溫度進(jìn)行稻谷干燥，爆腰率≤2%。

1.2.3 限制稻谷的干燥速率

稻谷干燥過程中干燥速度過快會(huì)提高稻谷的爆腰率。相關(guān)研究學(xué)者對(duì)稻谷干燥品質(zhì)進(jìn)行研究，結(jié)果表明采用低溫大風(fēng)量可有效降低稻谷的爆腰率，低溫大風(fēng)量使干燥速率從1%提升到1.8%左右，適用于稻谷初期含水率較高的干燥條件。

2 谷物機(jī)械化干燥設(shè)備

2.1 倉式干燥設(shè)備

倉式干燥設(shè)備主要由金屬倉、通風(fēng)板、拋撒裝置、加熱裝置及卸糧裝置組成。谷物進(jìn)入干儲(chǔ)倉后，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)與加熱器進(jìn)行谷物干燥，一直到谷物含水率達(dá)到相關(guān)要求為止。每批谷物干燥時(shí)間一般在12～24 h。在加拿大等國(guó)家也會(huì)采用常溫通風(fēng)的干燥方法，谷層厚度一般在4 m～5 m，干燥時(shí)間在2～5周。

2.2 橫流式干燥設(shè)備

橫流式干燥設(shè)備主要是指谷物在自儲(chǔ)糧段依靠重力向下流到干燥段，一般有兩個(gè)風(fēng)機(jī)，熱風(fēng)機(jī)與冷風(fēng)機(jī)，熱風(fēng)量為15～30 m3·(min·m2)-1，加熱氣流橫向穿過糧食柱，冷卻階段由冷卻風(fēng)橫向穿過糧食層，干燥段糧柱高度一般為3～30 m，冷卻段高度一般為1～10 m。橫流式干燥設(shè)備結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，制造方便，投入成本較低，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種干燥機(jī)型，但在干燥過程中，存在干燥不均勻、進(jìn)風(fēng)側(cè)谷物過干、排氣側(cè)谷物干燥不足的問題。

2.3 順流式干燥設(shè)備

順流式干燥設(shè)備主要是指熱風(fēng)和谷物同向運(yùn)動(dòng)，在干燥過程中可使用較高的熱風(fēng)干燥溫度，與橫流式干燥設(shè)備相比，可節(jié)能30%左右，干燥較為均勻，不存在較為明顯的水分梯度，適用于干燥含水率較高的谷物。

2.4 逆流式干燥設(shè)備

逆流式干燥設(shè)備中，干燥熱風(fēng)方向與谷物流動(dòng)方向相反，由于最熱的熱空氣首先與較為干燥的糧食接觸，因此不宜使用較高的熱風(fēng)溫度。含水率較高的谷物與濕空氣接觸，容易產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。逆流式干燥設(shè)備熱效率較高，糧食和溫度分布較為均勻。

3 谷物機(jī)械化干燥控制技術(shù)

3.1 谷物干燥機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)基本要求

谷物干燥機(jī)控制精度應(yīng)在自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用中滿足以下要求。1)控制精度應(yīng)在0.5%～0.7%；2)控制響應(yīng)速度較快，當(dāng)谷物水分發(fā)生變化時(shí)，可馬上做出響應(yīng)；3)控制穩(wěn)定性較好，不受外界干擾，系統(tǒng)波動(dòng)較??；4)可靠性較高，通用性較強(qiáng)，可試用任何環(huán)境進(jìn)行工作。

3.2 谷物干燥機(jī)自動(dòng)控制方法

3.2.1 反饋控制

反饋控制可根據(jù)干燥機(jī)出口參數(shù)直接進(jìn)行測(cè)量，不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與預(yù)測(cè)，不能提前感知參數(shù)變化，只能通過傳感器進(jìn)行信息監(jiān)測(cè)。主要包括以下幾種方式。

1)開關(guān)控制。開關(guān)控制屬于一種最為簡(jiǎn)單的反饋控制方法之一，主要是對(duì)一個(gè)輸出參數(shù)進(jìn)行控制，如測(cè)量干燥機(jī)中的排氣溫度作為最終含水率的指示值，當(dāng)含水率高于預(yù)定值時(shí)，排量機(jī)停止工作。

2)比例控制。主要是通過將干燥機(jī)的排料含水率與最終要求含水率進(jìn)行對(duì)比，形成一個(gè)差值e，然后根據(jù)差值進(jìn)行谷物流量Ke等參數(shù)的調(diào)節(jié)，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行K值的選擇，最終保證谷物干燥含水率達(dá)到要求，工作原理如圖1所示。

圖1 比例控制方法原理圖

3.2.2 前饋控制

前饋控制主要是按照谷物的入口參數(shù)調(diào)節(jié)谷物干燥結(jié)果。如根據(jù)入料谷物含水率較高時(shí)，前饋控制應(yīng)使流量降低到某一個(gè)數(shù)值，保證干燥后達(dá)到要求的谷物含水率，適用于含水率變化較為復(fù)雜的谷物干燥。

3.2.3 反饋+前饋控制

反饋+前饋控制優(yōu)于單一的控制方法，可提高谷物干燥效率，但是會(huì)增加生產(chǎn)成本，工作原理如圖2所示。

圖2 反饋+前饋控制方法原理圖

4 谷物機(jī)械化干燥輔助系統(tǒng)

4.1 干燥機(jī)加料及排料輸送系統(tǒng)

谷物干燥過程中，加入的谷物均為濕料谷物，排出物料均為干物料，輸送系統(tǒng)主要包括斗式提升機(jī)、自溜管和帶式輸送機(jī)或振動(dòng)輸送機(jī)等設(shè)備。

4.2 熱風(fēng)爐傳熱系統(tǒng)

熱風(fēng)爐傳熱系統(tǒng)工作原理如圖3所示，主要包括兩個(gè)工作過程，燃料的燃燒過程及燃料的化學(xué)能向熱能的轉(zhuǎn)化過程。在進(jìn)行干燥機(jī)熱風(fēng)爐供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到煙氣與空氣之間的傳熱系數(shù)，另一方面是熱風(fēng)爐中的積灰問題。

圖3 熱風(fēng)爐傳熱系統(tǒng)工作原理圖

4.3 通風(fēng)除塵系統(tǒng)

在干燥機(jī)中，風(fēng)機(jī)是通風(fēng)系統(tǒng)重要組成部分之一，可將熱風(fēng)送入，最終又將濕空氣排出，保證熱風(fēng)干燥過程的順利進(jìn)行，風(fēng)機(jī)參數(shù)的選擇對(duì)于保證干燥質(zhì)量具有重要意義。除塵系統(tǒng)由吸風(fēng)罩(口)、風(fēng)管、除塵器等設(shè)備組成，用于對(duì)局部區(qū)域發(fā)生的粉塵進(jìn)行控制、輸送和收集。

5 結(jié)論

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)直接關(guān)系著國(guó)家糧食安全與民生發(fā)展，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模與糧食產(chǎn)量的不斷提高，帶來了一系列糧食收儲(chǔ)問題，尤其是高水分糧食作物，如玉米、水稻等烘干儲(chǔ)存。本研究基于國(guó)內(nèi)外谷物機(jī)械化干燥技術(shù)的種類及發(fā)展特點(diǎn)，系統(tǒng)闡述了谷物干燥條件、干燥設(shè)備、設(shè)計(jì)依據(jù)及影響因素，著重介紹了谷物機(jī)械化干燥技術(shù)自動(dòng)控制部分及輔助系統(tǒng)，研究結(jié)果為谷物干燥技術(shù)發(fā)展提供理論參考與技術(shù)支撐，對(duì)于保證我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及國(guó)家糧食安全具有重要意義。