南方稻谷干燥特性及熱泵技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢分析

陳煜龍，龔 麗，龍成樹，陳 明，劉 軍

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510630）

0 引言

水稻是廣東省的重要糧食作物之一，2022 年全省稻谷總產(chǎn)量1 108.63 萬t，占省糧食總產(chǎn)量的85.84%[1]。南方稻谷夏收季節(jié)高溫高濕多雨，原始水分超過28%，雨后搶收的稻谷水分甚至高達(dá)34%，如不及時(shí)干燥就會(huì)霉變、發(fā)芽從而造成損失，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，廣東省每年因不能及時(shí)干燥造成的谷物損失超過20 萬t。谷物機(jī)械化烘干是減少損失的重要環(huán)節(jié)[2]，日本、韓國和中國臺(tái)灣省的稻谷機(jī)械化干燥率分別為91.8%、39%和75%[3]。近年來，我國稻谷機(jī)械化干燥率明顯提高，但各省份發(fā)展不均衡，且與發(fā)達(dá)國家相比差距仍較大[4]，如江蘇、安徽、湖南等省的稻谷機(jī)械化干燥率已達(dá)50%，而廣東省僅有20.07%[5]，機(jī)械化干燥率低是廣東省稻谷損失大的重要原因之一。

國內(nèi)稻谷干燥機(jī)主要采用生物質(zhì)、油、天然氣或煤等燃燒加熱，存在能耗高、直接碳排放和污染物排放大、干燥耗時(shí)長等共性問題，較難適應(yīng)南方高溫高濕多雨的氣候，制約了廣東省稻谷烘干機(jī)械化的發(fā)展。熱泵干燥技術(shù)以少量高品位電能驅(qū)動(dòng)，從高溫高濕環(huán)境中吸收2～3 倍消耗電能的熱能用于烘干[6]，具有節(jié)能減排和高品質(zhì)高效干燥物料的作用[7]。隨著熱泵干燥技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品干燥中的廣泛應(yīng)用和國家“雙碳”目標(biāo)的提出對碳排放有了更高要求[8]，國內(nèi)一些空氣能熱泵生產(chǎn)廠家與傳統(tǒng)熱源稻谷干燥機(jī)制造企業(yè)合作，生產(chǎn)出了簡易組合空氣能熱泵稻谷干燥機(jī)，但該機(jī)應(yīng)用時(shí)仍存在干燥耗時(shí)長、操作不便和稻谷破碎率高等問題。

鑒于上述原因，通過研究南方高濕稻谷干燥特性，采用熱泵替代傳統(tǒng)熱源，研制出適用于南方高溫高濕氣候的熱泵干燥技術(shù)裝備并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，旨在實(shí)現(xiàn)南方稻谷節(jié)能環(huán)保、高效高品質(zhì)和全天候穩(wěn)定干燥作業(yè)。

1 稻谷干燥要求及設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀分析

爆腰率增值是衡量稻谷干燥品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，稻谷原始水分含量、干燥過程的空氣溫度和相對濕度、干燥速率、干燥時(shí)間、循環(huán)次數(shù)、干燥緩蘇比等均會(huì)影響稻谷的爆腰率。爆腰率高的稻谷在碾米加工時(shí)容易破碎形成斷粒，影響整精米率從而造成稻米食用品質(zhì)降低。目前，常用降低熱風(fēng)溫度減少稻谷爆腰率，而低溫干燥勢必導(dǎo)致生產(chǎn)率的下降[9]。此外，相關(guān)學(xué)者研究爆腰率與干燥條件的影響規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)干燥介質(zhì)相對濕度高有益于減少稻谷的爆腰[10-12]。因此，為保證稻谷品質(zhì)，稻谷干燥機(jī)械需要具備控制干燥溫度、相對濕度、去水速率的功能并配置可提供適宜干燥緩蘇比的干燥箱體結(jié)構(gòu)，還需綜合考慮安全預(yù)警、谷物溫度、操作和售后保養(yǎng)的便捷性。

實(shí)際上，國內(nèi)市場占主導(dǎo)地位的是以燃料為熱源的循環(huán)式谷物干燥機(jī)，該類機(jī)型普遍存在能耗大、干燥溫度高、干燥段短和循環(huán)次數(shù)多的特點(diǎn)。以燃生物質(zhì)顆粒谷物干燥機(jī)為例，據(jù)統(tǒng)計(jì)每噸濕稻谷干燥成本已達(dá)95 元[5]，且應(yīng)用該設(shè)備干燥南方高濕稻谷時(shí)批次干燥耗時(shí)超過24 h。燃油、燃煤谷物干燥機(jī)同樣存在干燥成本高、干燥品質(zhì)保證難和污染氣體排放大等共性問題。綜上所述，目前的主流谷物干燥機(jī)不能完全滿足南方氣候條件下高濕稻谷的干燥，急需新型設(shè)備替代，因此，廣東、江蘇等地陸續(xù)出臺(tái)了優(yōu)先支持“熱泵技術(shù)”應(yīng)用于稻谷干燥的補(bǔ)貼政策[13]，助推了稻谷熱泵干燥機(jī)逐步進(jìn)入廣闊的應(yīng)用平臺(tái)。

2 稻谷熱泵干燥機(jī)工作原理

圖1 所示為廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所利用自有專利技術(shù)集成研制的5HRD 型批式循環(huán)稻谷熱泵干燥機(jī)，其結(jié)構(gòu)主要由熱泵機(jī)組、進(jìn)風(fēng)管、干燥段、緩蘇段等18 個(gè)零部件和電氣控制系統(tǒng)組成。熱泵機(jī)組是烘干稻谷主要熱能來源，環(huán)境空氣介質(zhì)被尾端風(fēng)機(jī)負(fù)壓牽引穿過熱泵機(jī)組加熱，經(jīng)過進(jìn)風(fēng)管入進(jìn)風(fēng)包，由正中間分別向左右兩端角狀盒結(jié)構(gòu)的干燥段混流穿出稻谷層，與濕稻谷進(jìn)行熱濕交換后，進(jìn)入出風(fēng)包，高濕尾氣將被排入除塵間，此過程為水平方向高溫低濕空氣介質(zhì)經(jīng)過多次與濕稻谷進(jìn)行熱濕交換，而后帶走稻谷中水分，最終達(dá)到干燥稻谷的目的。

圖1 5HRD 型批式循環(huán)稻谷熱泵干燥機(jī)結(jié)構(gòu)

混流式批式循環(huán)干燥過程中，稻谷在干燥段中加熱蒸發(fā)水分，經(jīng)過排糧輪組均勻落入底座中，底座斜坡將稻谷導(dǎo)入下攪龍中，下攪龍螺旋傳輸至提升機(jī)下端，提升機(jī)電機(jī)作用裝有畚斗的提升皮帶，將稻谷轉(zhuǎn)移至上攪龍，上攪龍螺旋傳輸至頂倉，在重力作用下進(jìn)入緩蘇段中，通過緩蘇段后回到干燥段。整個(gè)過程稻谷只在干燥段被加熱升溫，經(jīng)過其它裝置溫度逐漸降低，直至再次進(jìn)入干燥段。由此可知，批式循環(huán)稻谷熱泵干燥是“干燥—緩蘇—干燥”的間歇干燥過程。

此外，梯子、維修座主要用于安裝設(shè)備和售后維護(hù)。電氣控制系統(tǒng)則主要通過PLC 主機(jī)接收、處理信號(hào)，反饋調(diào)節(jié)干燥機(jī)中電機(jī)的啟停，實(shí)現(xiàn)按設(shè)定干燥工藝逐步運(yùn)行。

3 稻谷烘干試驗(yàn)研究

3.1 烘干試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)地點(diǎn)：廣東省汕頭市潮陽區(qū)某合作社。

試驗(yàn)物料：香雪絲苗，初始水分含量28%～32%；竹稻，初始水分含量約28%；錢優(yōu)911，初始水分含量約28%。

設(shè)備及儀器：稻谷熱泵干燥機(jī)，廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，5HRD-30 型；在線水分測定儀，大連靜岡機(jī)械有限公司，型號(hào)CS-T ⅡC5；電腦糧食水分測試儀，武漢市電子儀器二廠，LSKC-8；電腦谷物水分計(jì)，日本三久，TD-6。

3.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

烘干工藝：稻谷干燥為減速干燥，干燥過程主要去除結(jié)合水[9,12]，故宜采用降溫干燥方式。采用60～55 ℃降溫干燥方式，2 h 降低1 ℃，直至降至55 ℃，最后一段干燥時(shí)間設(shè)定為15 h。

數(shù)據(jù)取樣：試驗(yàn)地點(diǎn)烘干設(shè)備為批式循環(huán)干燥設(shè)備，物料取樣按照DG/T 017—2021 谷物干燥機(jī)大綱實(shí)施；待取出稻谷樣品冷卻至常溫，應(yīng)用水分測試儀檢測各時(shí)間段稻谷樣品的水分。

烘干中心流程：預(yù)約采收 → 收割機(jī)采收 →車運(yùn)至烘干中心 → 稱重 → 卸糧 → 前處理除雜 → 頂部入糧至烘干機(jī) → 烘干機(jī)循環(huán)干燥 → 干燥完成卸糧至干谷倉（或者直接售賣）→ 入儲(chǔ)備庫 → 碾米。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 稻谷干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

由圖2 可知，3 個(gè)批次稻谷干燥前期降水曲線曲率絕對值稍大，隨著干燥時(shí)間延長曲率絕對值略有減小，由此可見稻谷干燥是減速干燥過程[12]。對3 個(gè)批次烘干過程的降水?dāng)?shù)據(jù)添加線性擬合趨勢線，得到3 個(gè)降水曲線線性擬合的R2均大于0.93，由此可知香雪絲苗稻谷熱泵干燥降水曲線整體呈現(xiàn)近似線性狀態(tài)，即減少干燥過程的干燥速率變化不大。降水曲線中出現(xiàn)了短時(shí)臺(tái)階拐點(diǎn)，主要因?yàn)楹笃诟稍锼譁p少，且干燥工藝采用逐步降溫的干燥方式。綜上所述，應(yīng)用稻谷熱泵干燥機(jī)，設(shè)定溫度55～60 ℃，將初始水分30%左右稻谷烘干至安全水分（＜14%），耗時(shí)15～21 h，且此過程為減速干燥、但干燥速率變化不大。

圖2 相同品種稻谷批次烘干試驗(yàn)降水曲線

由圖3 和表1 可知，3 個(gè)品種稻谷初始水分含量為27%～28.5%，其中香雪和竹稻為絲苗米品種，為細(xì)長型顆粒，而雜優(yōu)911 為圓胖型顆粒，由降水曲線可知圓胖型顆粒干燥曲線始終處于上述絲苗米品種下方，其初始水分含量最高（檢測值為28.18%），且干燥16 h 后達(dá)到安全水分，由此可知稻谷干燥速率受稻谷品種的影響。取樣測量得到3 個(gè)品種物理參數(shù)，計(jì)算得到雜優(yōu)911 的比表面積最大，比表面積越大的物料與熱風(fēng)接觸換熱蒸發(fā)越快，則干燥效率越高。

表1 不同品種稻谷物理參數(shù)表

圖3 不同品種稻谷批次干燥試驗(yàn)降水曲線

3.2.2 批式循環(huán)干燥能耗數(shù)據(jù)

稻谷熱泵干燥機(jī)的主要耗能零部件為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、提升機(jī)、上下攪龍電機(jī)、排糧電機(jī)、水泵及冷卻塔電機(jī)等。通過對2023 年7 月至8 月試驗(yàn)點(diǎn)的多臺(tái)5HRD-30 型稻谷熱泵干燥機(jī)完整批次入糧水分、出糧水分、入糧情況和批次耗電情況等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到表2。

表2 稻谷熱泵干燥機(jī)批次干燥能耗表

稻谷熱泵干燥機(jī)標(biāo)稱有效容積為56.6 m3，現(xiàn)場測試除雜后的絲苗濕稻谷容重為577.2 kg/m3，雜優(yōu)911 濕稻谷容重為562.5 kg/m3，與DG/T 017—2021農(nóng)機(jī)推廣鑒定大綱推薦稻谷國標(biāo)容重（0.56 t/m3）相當(dāng)。由表2 可知，烘干時(shí)間超過20 h，稻谷初始水分含量為28.9%～32.4%。按照農(nóng)機(jī)推廣鑒定大綱容重核算，中部滿糧不少于43.5 m3，此時(shí)濕稻谷最小容量為24.37 t；上部滿糧不小于52.28 m3，此時(shí)濕稻谷最小容量為29.28 t。若18 批次稻谷裝料量均按最小容量計(jì)算，得到平均裝料量為28.46 t，結(jié)合表2 知，降水幅度為15.17%，平均干燥速率為0.835 %/h，每噸濕谷耗電量為59.87 kW·h。

3.3 不同類型干燥機(jī)烘干效果比較

試驗(yàn)地點(diǎn)安裝有1 套燃生物質(zhì)顆粒干燥機(jī)和7套稻谷熱泵干燥機(jī)（熱泵+少量電熱），采用2 種干燥機(jī)完成了同品種稻谷（即香雪絲苗）干燥試驗(yàn)，烘干前、后取樣，于冷藏庫封存24 h 后將樣品均分成3 份，從每1 份中取100 顆完整籽粒，手工剝殼，依照GB/T 5496—1985 采用人工目測的方法檢測爆腰率，得到烘干稻谷爆腰率增值，詳見表3。

表3 不同類型干燥機(jī)稻谷烘干效果比較表

表3 數(shù)據(jù)可知，采用稻谷熱泵干燥機(jī)雖干燥溫度較燃生物質(zhì)顆粒干燥機(jī)低，但烘干時(shí)間卻縮短了24.2%，主要原因在于前者的干燥倉結(jié)構(gòu)采用了混流通風(fēng)角狀盒式，稻谷經(jīng)干燥倉在重力作用下翻滾流動(dòng)，路徑為交錯(cuò)曲線，干燥段采用多層角狀盒結(jié)構(gòu)，通風(fēng)面積大。前者的爆腰率增值明顯低于后者，因?yàn)楹笳吒稍餃囟容^高，且其采用橫流干燥倉結(jié)構(gòu)，稻谷進(jìn)入干燥倉為近似直線流動(dòng)，貼近通風(fēng)網(wǎng)層稻谷受熱較多，干燥不均勻而造成爆腰率增大。由此可見，稻谷熱泵干燥機(jī)采用低溫、混流、大通風(fēng)能實(shí)現(xiàn)稻谷物料均勻受熱，有效降低干燥后的爆腰率，試驗(yàn)結(jié)果與奚河濱等[12]提出的低溫大風(fēng)量比高溫小風(fēng)量爆腰率增值低是一致的。

4 稻谷干燥設(shè)備選型分析

通過稻谷干燥試驗(yàn)，結(jié)合汕頭市朝陽區(qū)某合作社稻谷烘干中心干燥設(shè)備應(yīng)用情況可知，選擇稻谷干燥機(jī)主要需考慮干燥品質(zhì)、作業(yè)效率、能耗、使用便捷性、投資成本和環(huán)保要求6 個(gè)方面。通過調(diào)研市面常見的燃生物質(zhì)顆粒、簡易組合空氣源（熱泵+大量電熱）和稻谷熱泵干燥機(jī)（即熱泵+少量電熱）機(jī)使用情況，分析得出結(jié)論見表4。

表4 不同類型稻谷干燥機(jī)使用性能比較表

表4 從6 個(gè)方面綜合比較了市面常用的3 種批式循環(huán)稻谷干燥機(jī)，其中簡易組合空氣源干燥機(jī)和稻谷熱泵干燥機(jī)在能耗情況、干燥品質(zhì)和環(huán)保要求方面有較大優(yōu)勢，而在作業(yè)效率、實(shí)用便捷性、能耗情況和投資回收期方面稻谷熱泵干燥機(jī)的優(yōu)勢較為明顯。由此可見，稻谷熱泵干燥機(jī)比市面其它2種干燥機(jī)更適用于南方稻谷的干燥。

5 結(jié)語

在南方稻谷干燥特性分析的基礎(chǔ)上，闡述了稻谷機(jī)械化烘干存在的共性問題，分析了稻谷干燥要求及南方稻谷熱泵干燥的優(yōu)勢，開展了多批次稻谷干燥應(yīng)用試驗(yàn)，分析了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并調(diào)研了干燥機(jī)應(yīng)用情況，結(jié)論如下。

1）南方夏收稻谷初始水分為26%～33%，為保證稻谷干燥品質(zhì)干燥溫度不宜長時(shí)間超過60 ℃，采用稻谷熱泵干燥機(jī)烘干夏收稻谷，降水幅度不小于15%，批次烘干時(shí)間約為18.5 h。

2）稻谷干燥速率與稻谷品種相關(guān)，其中稻谷顆粒規(guī)格尺寸是影響稻谷干燥速率的重要因素之一。

3）烘干南方高濕稻谷宜選擇熱泵為熱源的干燥機(jī)，尤其以水冷型稻谷熱泵干燥機(jī)最優(yōu)，該類型熱泵機(jī)組受氣候影響較小、且熱效率較高，能確保干燥機(jī)夏、秋收高效運(yùn)行。

南方稻谷采用熱泵干燥雖擁有其特有的優(yōu)勢，但夏、秋收稻谷干燥效率受環(huán)境溫度變化影響，故優(yōu)化水冷機(jī)組在低溫環(huán)境的運(yùn)行效率，將進(jìn)一步拓寬稻谷熱泵干燥機(jī)應(yīng)用市場。