植入式苜蓿草捆熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的研究

胡亞強， 苑亞， 楊魯偉， 章學(xué)來， 邱少鵬， 于馨堯

（1.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190； 2.上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海 201306）

苜蓿（Medicago sativaL.）是一種經(jīng)濟價值高、飼草品質(zhì)優(yōu)良且生態(tài)適應(yīng)性強的豆科類優(yōu)質(zhì)牧草，主要分布在我國華北和西北地區(qū)，如甘肅、新疆、內(nèi)蒙古、寧夏等地[1?2]。因我國地理環(huán)境問題，苜蓿在自然晾曬過程易遭受露水侵蝕，甚至雨水浸泡，導(dǎo)致干草的品質(zhì)得不到保障[3?4]。在晾曬過程中，葉片的干燥速率要高于莖稈[5]，導(dǎo)致田間作業(yè)過程中葉片的碎裂和脫落，而葉片營養(yǎng)成分高，其損傷造成干草品質(zhì)的降低[6]。2020 年我國苜蓿草種植面積達(dá)到233.45 萬 hm2[7]，但優(yōu)質(zhì)干苜蓿的產(chǎn)量僅約360 萬 t，而優(yōu)質(zhì)干苜蓿的進(jìn)口量達(dá)135.81 萬 t[8]。因此，優(yōu)質(zhì)苜蓿干燥技術(shù)的研究具有重要意義。

針對田間干物質(zhì)損失大和營養(yǎng)成分保持率低的問題，楊世昆等[9]提出了濕法收獲工藝，并對一定含水率的草捆進(jìn)行太陽能熱風(fēng)干燥試驗，使牧草品質(zhì)損失率低于2%。錢珊珠等[10]認(rèn)為，太陽能熱風(fēng)干燥可以提高草捆的干燥速度并減少營養(yǎng)成分損失，當(dāng)空氣溫度每提高10 ℃，干燥速率可以提升10%~15%。Roman等[11]對圓形草捆干燥設(shè)備進(jìn)行研究和模擬，認(rèn)為草捆的均勻性是影響干燥效率的關(guān)鍵因素。Khalid 等[12]認(rèn)為，在正向割草、反向翻草和正向打捆作業(yè)時，苜蓿干草質(zhì)量最好，其干物質(zhì)和粗蛋白質(zhì)損失最低。李海龍等[13]通過5HY-Ⅱ熱風(fēng)實驗平臺試驗結(jié)合神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測，提出小方捆的最佳的干燥工藝是熱風(fēng)溫度70 ℃，風(fēng)速1.5 m·s-1。目前，濕法收獲路線的研究主要應(yīng)用于小草捆和圓捆，均存在高密度及密度不均勻而導(dǎo)致干燥不均勻和干燥速率慢的問題。

為了提高密度不均勻草捆的干燥速率，本文基于牧草烘干裝置[14]研發(fā)了一種植入式熱風(fēng)干燥系統(tǒng)，并將苜蓿草捆作為試驗材料進(jìn)行了熱風(fēng)干燥試驗，通過分析干燥過程中草捆內(nèi)溫濕度變化、能量利用效率、熱量分布、品質(zhì)變化及能耗，以探討出較優(yōu)的苜蓿植入式干燥工藝，為濕法收獲草捆的干燥和加工提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)備

1.1.1試驗材料 紫花苜蓿刈割于甘肅省酒泉市肅南縣明花鄉(xiāng)前灘村種植基地，3 年期，處于第1 茬的初花期，株高均在700~800 mm。草捆尺寸1 800 mm×1 200 mm×900 mm，其密度和平均含水率分別約為275 kg·m-3和27%。

1.1.2試驗設(shè)備 植入式草捆熱風(fēng)干燥系統(tǒng)主要由生物質(zhì)熱風(fēng)爐、離心風(fēng)機、柴油內(nèi)燃機及植入式干燥機等組成，如圖1所示。生物質(zhì)熱風(fēng)爐作為熱源，為干燥系統(tǒng)提供熱空氣；離心風(fēng)機為干燥系統(tǒng)內(nèi)部空氣的流動提供動力，由柴油內(nèi)燃機驅(qū)動。植入式干燥機主要是由上下料平臺、導(dǎo)向立柱、液壓系統(tǒng)、帶孔針刺風(fēng)管、風(fēng)管導(dǎo)向板等結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。

圖1 植入式熱風(fēng)干燥系統(tǒng)的流程Fig. 1 Flow of implantable hot air drying system

圖2 針刺植入式烘干機Fig. 2 Acupuncture implantable dryer

1.2 試驗儀器

溫濕度變送器購自北京昆侖海岸傳感技術(shù)有限公司，其溫度和濕度量程分別為-40~120 ℃和0~100% RH，準(zhǔn)確度分別為(±0.5) ℃和（±2%）RH；熱電偶PT-100（量程：-50~100 ℃）購自北京昆侖海岸傳感技術(shù)有限公司；Agilent 數(shù)據(jù)采集器（Keysight 34972A)購自Keysight Technologies 有限公司；UTi-165A 紅外熱成像儀購自合肥匯聯(lián)電子有限公司；牧草取樣器購自青島拓科儀器有限公司；SN-SH-10A 鹵素?zé)羲譁y定儀購自上海力辰科儀有限公司；工業(yè)電子秤（量程600 kg）購自中國凱豐集團電子秤有限公司；近紅外（near infrared, NIR）分析儀（NIRSTM DS2500，波長范圍為400~2 500 nm）購自瑞典福斯有限公司。

1.3 干燥試驗

2021 年5 月26 日，在甘肅省酒泉市肅南縣明花鄉(xiāng)某工廠對苜蓿草捆進(jìn)行植入式熱風(fēng)干燥試驗。在試驗前后對草捆進(jìn)行稱重，并在試驗過程中，對草捆的含水率、品質(zhì)、空氣溫濕度及內(nèi)部溫度進(jìn)行測定。品質(zhì)和含水率的測試采取隨機多點定量取樣法[15]。采用鹵素測水儀測定物料含水率，基于烏蘭察布市的易馬飼草檢測實驗室的近紅外（NIR）分析儀NIRSTM DS2500 檢測樣本品質(zhì)。

試驗過程：選取3 個苜蓿草捆作為樣本，并進(jìn)行稱重和取樣；在草捆布置測試傳感器，具體的布置方式如圖3 所示，對草捆內(nèi)部工況參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，將針管插入草捆內(nèi)部，并將約3 000 m3·h-1熱風(fēng)輸送到每個草捆內(nèi)部；每隔10 min 對每個草捆進(jìn)行取樣和標(biāo)記，以備后續(xù)的含水率和品質(zhì)檢測，同時用熱成像儀測試草捆內(nèi)溫度分布；干燥結(jié)束后，對3 個草捆進(jìn)行稱重，并對草捆進(jìn)行拆包，觀察草捆內(nèi)部的干燥情況。

1.4 數(shù)據(jù)測定及處理

1.4.1空氣絕對濕度 參照下列公式計算空氣絕對濕度。

式中，ρv為空氣絕對濕度，g·m?3；φ為相對濕度，% RH；ρs為同溫度下飽和空氣的絕對濕度，g·m-3。

1.4.2熱效率 熱效率用于描述干燥過程中熱風(fēng)被草捆吸收的熱量與輸入熱量的比值，其計算公式如下。

式中，η為熱效率，%；qi為草捆進(jìn)口空氣的熱量，kW;qo為草捆出口空氣的熱量，kW。

換熱量q的計算公式如下。

式中，c為空氣比熱容，kJ·kg-1·℃-1；m為空氣的質(zhì)量流量，kg·s-1；△t為與環(huán)境溫差，℃。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，若不考慮干燥過程中水分蒸發(fā)對空氣質(zhì)量流量的影響，可認(rèn)為草捆進(jìn)出口空氣的質(zhì)量流量相等。將式（3）帶入式（4），可得出熱效率。

式中，η為熱效率，%；ti為草捆進(jìn)口空氣溫度，℃；to為草捆出口空氣溫度，℃；t為草捆溫度，℃。

1.4.3品質(zhì)指標(biāo) 總可消化養(yǎng)分（tatal digestive nutrition， TDN）和相對飼喂價值（relative feed value，RFV）根據(jù)試驗檢測的酸性洗滌纖維（acid detergent fiber，ADF）和中性洗滌纖維（neutral detergent fiber，NDF）計算所得，其公式分別如下。

式中，RFV 為對苜蓿中干物質(zhì)的消化吸收的綜合評價指標(biāo)，ADF 為ADF 含量，%；NDF 為NDF含量，%。

1.4.4苜蓿干草等級分類 參照下表對苜蓿干草進(jìn)行等級分類。

1.4.5數(shù)據(jù)處理 利用軟件Origin2018 對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干燥過程中草捆含水率變化

在試驗過程中，草捆的平均含水率如圖4 所示。可以看出，草捆的平均干燥速率變化較小，基本處于恒速干燥階段；較高平均含水率草捆的干燥速率相對較大，但增量甚微。經(jīng)過40 min 干燥加工處理，草捆的平均含水率從26.75%降到12.13%，草捆的平均含水率均滿足安全水分（14%）的要求。

圖4 干燥中草捆含水率變化Fig. 4 Change of moisture content of bale during drying

2.2 溫濕度分布

2.2.1草捆表面出風(fēng)溫濕度變化 圖5 展示了干燥過程中1#草捆出口空氣的溫度和相對濕度的變化，可知在約30 ℃、20% RH 環(huán)境工況及90~100 ℃、2%~3%RH 熱風(fēng)工況的條件下，草捆3 個測試點的空氣相對濕度均呈現(xiàn)降低趨勢，其平均值從約89%降低約45%，而對應(yīng)的溫度則呈現(xiàn)略微升高的趨勢，其平均值從35 ℃升高到41 ℃。在干燥過程中，草捆出口空氣溫度僅比環(huán)境溫度高10~15 ℃，可知熱風(fēng)中熱量用于加熱和干燥草捆，提高了出口空氣的相對濕度，相對環(huán)境工況其值提高了30%~50%。在干燥過程中，草捆3 個面中心的溫濕度變化趨于基本一致，可知草捆各個面干燥的基本保持一致。在干燥結(jié)束后，出風(fēng)溫度基本在40 ℃左右，相對濕度在45%左右。

圖5 1#草捆表面出風(fēng)溫度和相對濕度變化Fig. 5 Change of air outlet temperature and relative humidity on the surface of 1# bale

圖6展示了干燥過程3 個草捆的溫濕度變化曲線，可知在相同的試驗工況下，3 個草捆的干燥變化趨勢相同。隨著干燥時間推移，草捆出風(fēng)溫度逐漸增加，其均值從38.22升高到51.81 ℃，而其絕對濕度逐漸降低，其均值從34.31 降低到24.50 g·m-3。在干燥前期，3個草捆出口的絕對濕度降低速率較大，隨著干燥的推移，其降低速率逐漸緩慢，可知在干燥前期草捆干燥速率降低速率較大，隨著干燥進(jìn)行，其變化的速率逐漸降低。

圖6 不同草捆同一位置溫濕度變化Fig. 6 Temperature and humidity change of different bales at the same position

2.2.2草捆內(nèi)部的溫度分布 圖7 顯示了干燥過程草捆內(nèi)部溫度變化趨勢，草捆內(nèi)部溫度呈現(xiàn)逐漸升高趨勢，這與出口空氣溫度的變化趨勢一致。在干燥過程中，相對于草餅間物料，草餅內(nèi)物料的溫度要略微偏高，且隨著干燥加工其差值越來越大。這可能是由于草餅內(nèi)物料雜亂無章，導(dǎo)致其空氣流通阻力偏大。溫度與離草捆上表面的間距呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其隨著干燥進(jìn)行兩者的差值越來越大。這可能是由于草捆表面物料沒有受捆綁約束，導(dǎo)致其氣流阻力較小。

圖7 1#草捆內(nèi)部溫度變化Fig. 7 Internal temperature change of 1# bale

2.2.3熱效率變化 圖8 為1#草捆干燥過程中不同位置的熱效率變化趨勢，可知在干燥前期各個位置的熱效率均保持恒定（其均值約92%），隨著干燥進(jìn)行熱效率呈現(xiàn)降低趨勢，其中各個面中心位置的熱效率的均值從約92%降低到80%，這主要是由于隨著物料中水分蒸發(fā)，草捆吸收熱量的能力降低，從而導(dǎo)致能源利用效率緩慢降低。

圖8 草捆熱效率變化Fig. 8 Thermal efficiency change of straw bale

2.2.4干燥過程中草捆的溫度分布 由圖9 可知，隨著時間推移，熱風(fēng)由針刺風(fēng)管附近逐漸向其之間的物料擴散，針管附近物料的高溫范圍逐級擴大，在干燥40 min 后，草捆內(nèi)部溫度均顯著提高，但仍有極少地方的溫度相對偏低。這主要是由于草捆內(nèi)部存在含水率較高的物料，其導(dǎo)致密度相對較大，這也是濕點存在的原因。因此，在草捆密度相對均勻的條件下，該系統(tǒng)可實現(xiàn)熱風(fēng)的均勻分布及草捆的均勻干燥。在干燥10 min 后，針管附近物料溫度就接近熱風(fēng)溫度，因此干燥周期不易過長，否則將導(dǎo)致針管附近物料過度干燥和“碳化”。

圖9 干燥過程中草捆溫度分布Fig. 9 Bale temperature distribution during drying

2.3 干燥對草捆品質(zhì)的影響

為研究干燥加工對苜蓿品質(zhì)的影響，對干燥加工前后草捆和自然晾曬草捆進(jìn)行品質(zhì)檢測，具體結(jié)果見表2。經(jīng)干燥加工處理，物料的粗蛋白（crude protein，CP）、酸性洗滌纖維（ADF）、中性洗滌纖維（NDF）及相對飼用價值（RFV）等參數(shù)變化甚微，可知干燥加工對物料的營養(yǎng)成分影響甚微。而相對于自然晾曬，熱風(fēng)干燥可以顯著提高苜蓿品質(zhì)，其CP 和RFV 分別相對提高了10.98%和19.72%。根據(jù)美國苜蓿干草質(zhì)量檢測指標(biāo)及分級標(biāo)準(zhǔn)（表1），在干燥前后草捆均處于優(yōu)質(zhì)級，而自然晾曬后的苜蓿干草處于普通級。因此，經(jīng)干燥加工苜蓿的品質(zhì)相對提高2 個等級，且熱風(fēng)干燥加工對牧草的品質(zhì)影響甚微。

表1 美國苜蓿干草質(zhì)量檢測指標(biāo)及分級指南［16］Table 1 American alfalfa hay quality inspection indicators and grading guidelines［16］

表2 不同方式干燥前后的指標(biāo)測量Table 2 Index measurement before and after drying in different ways

2.4 干燥對草捆品相的影響

將干燥后的草捆拆開，發(fā)現(xiàn)草捆大部分都已經(jīng)被干燥，達(dá)到安全含水率，葉片保存完整，葉片呈現(xiàn)翠綠色。但部分區(qū)域存在少許含水率較高的濕點，這是由于草捆內(nèi)部存在含水率過高的苜蓿，導(dǎo)致在相同作業(yè)壓力下草捆密度存在局部過大的情況，這與Román 等[11]所報道的一致。但在經(jīng)植入熱風(fēng)干燥加工處理后，針管會在草捆內(nèi)部形成氣流通道，有利于草捆內(nèi)部的通風(fēng)和散熱，在貯藏時可以避免草捆霉變和腐爛。

2.5 運行成本

為評價植入熱風(fēng)干燥設(shè)備的經(jīng)濟性，對該系統(tǒng)的運行成本進(jìn)行了分析。該系統(tǒng)的生物質(zhì)燃料、柴油和電能的總費用分別為53.0 元、134.6 元和20.1 元，合計207.7 元。草捆的干燥出水量如表3 所示，總除水量為234 kg，可知處理1 kg 水分的加工成本約為0.89元。

表3 草捆質(zhì)量變化Table 3 Bale mass change（kg）

3 討論

本文采用濕法收獲工藝，對植入式草捆干燥機進(jìn)行熱風(fēng)干燥試驗研究，通過分析干燥過程中草捆內(nèi)溫濕度變化、溫度分布、熱效率、品質(zhì)變化及加工成本等參數(shù)，以解析植入干燥機的性能。

植入式干燥機可在40 min內(nèi)將苜蓿草捆含水率從約26%降低到安全含水率（<14%）。相對于前人報道的干燥系統(tǒng)[9,11]，該系統(tǒng)的干燥周期分別降低了76.9%和84.6%，顯著提高了草捆的干燥效率。在干燥過程中，干燥熱效率基本處于80%以上，該系統(tǒng)的針刺處理增加了熱風(fēng)與物料的接觸面積，并將熱空氣均勻分布到草捆內(nèi)部，提高草捆的干燥速率和熱效率。植入式熱風(fēng)干燥加工對苜蓿的品質(zhì)影響甚微，干燥苜蓿葉片保存完整并呈現(xiàn)翠綠色，且其品質(zhì)顯著優(yōu)于自然晾曬的苜蓿草捆，其可極大地保留苜蓿營養(yǎng)價值，并減少環(huán)境因素和田間作業(yè)對苜蓿品質(zhì)的破壞。