糧食干燥綠色低碳技術(shù)現(xiàn)狀與展望

關(guān)鍵詞：糧食干燥；綠色低碳；智能化；糧食安全

0 引言

糧食安全是國家安全的重要基礎(chǔ)，始終是社會(huì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國家自立的重要基石。目前我國糧食生產(chǎn)中機(jī)械化烘干技術(shù)水平相對(duì)薄弱、能耗高、作業(yè)率較低，全國平均機(jī)械化烘干作業(yè)率不足20%。烘干后的糧食品質(zhì)下降等問題仍比較突出[1]。在國家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下，糧食烘干行業(yè)也面臨著低碳轉(zhuǎn)型和技術(shù)升級(jí)的迫切需求，糧食綠色干燥是實(shí)現(xiàn)減損增效的重要途徑。本研究梳理了糧食干燥領(lǐng)域綠色保質(zhì)干燥技術(shù)進(jìn)展，以期促進(jìn)糧食烘干低碳技術(shù)的推廣應(yīng)用。

1 糧食機(jī)械化干燥技術(shù)現(xiàn)狀

糧食干燥過程的能耗水平一直是困擾行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的瓶頸問題，現(xiàn)有的糧食干燥機(jī)械在作業(yè)過程中其能耗均已超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，主要有3 個(gè)方面的原因[2]。一是干燥機(jī)供熱方式與低碳技術(shù)不匹配，不同熱源為干燥系統(tǒng)提供能量的方式、熱效率、余熱回收等差異顯著，對(duì)節(jié)能減排技術(shù)要求也有明顯不同。二是干燥工藝與綠色保質(zhì)干燥目標(biāo)不符，糧食干燥技術(shù)和參數(shù)的優(yōu)化方面仍有較大提升空間。三是糧食干燥機(jī)械與品質(zhì)調(diào)控難協(xié)同，急需解決的是干燥機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、智能控制方法和精準(zhǔn)調(diào)控之間的協(xié)同關(guān)系，保障糧食干燥中水分均勻、節(jié)能減排、品質(zhì)提高等。

1.1 干燥機(jī)供熱方式與低碳技術(shù)

熱風(fēng)干燥仍是當(dāng)前糧食干燥產(chǎn)業(yè)最常用的烘干供熱方式，通常由熱風(fēng)爐、換熱器等組成熱風(fēng)供熱系統(tǒng)。無論是燃煤、燃?xì)?、燃油或者生物質(zhì)熱風(fēng)爐，在干燥機(jī)煙道廢氣溫度均達(dá)到110～130 °C，如不設(shè)置余熱回收裝置，不但會(huì)導(dǎo)致較高的熱能損失，廢氣排放也居高不下。采用煙囪廢氣熱管回收技術(shù)可回收5%～10%的余熱，用于暫存?zhèn)}的糧食預(yù)熱升溫。煙氣從燃燒室回收利用技術(shù)，通過對(duì)部分煙氣的分流再次燃燒，對(duì)提高充分燃燒和提升熱量利用有一定地的作用[3]。潘保利[4] 研究了全鋼風(fēng)冷式節(jié)能熱風(fēng)爐廢氣回收技術(shù)，具有低溫廢氣、冷卻廢氣余熱和熱風(fēng)爐煙氣余熱回收利用功能，其配套的全鋼風(fēng)冷結(jié)構(gòu)熱風(fēng)爐換熱效率在80% 以上。熱風(fēng)干燥多用于多級(jí)連續(xù)干燥或循環(huán)干燥機(jī)中，低溫高濕的廢氣回收價(jià)值低但含量高，而高溫低濕度廢氣利用價(jià)值大，因此在余熱回收技術(shù)研發(fā)上同時(shí)要結(jié)合干燥工藝和干燥參數(shù)等因素開展協(xié)同耦合技術(shù)創(chuàng)新。生物質(zhì)熱風(fēng)爐燃料以秸稈壓塊、稻殼為主，屬于零排放供熱方式，是干燥領(lǐng)域重要的低碳技術(shù)手段。影響生物質(zhì)熱風(fēng)爐熱效率的關(guān)鍵包括燃料輸送和充分燃燒技術(shù)、熱交換和熱風(fēng)問題穩(wěn)定控制等，未燃盡的生物質(zhì)燃料中的堅(jiān)殼和芒尖會(huì)對(duì)換熱器管壁產(chǎn)生沖刷磨損。大量研究和產(chǎn)品開發(fā)集中在熱風(fēng)爐內(nèi)進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)、碰撞式沉降室、反燒式熱風(fēng)爐和懸浮式熱風(fēng)爐等，這些設(shè)計(jì)均在一定程度上增強(qiáng)了稻殼充分燃燒程度，提高了熱轉(zhuǎn)化效率，減少了換熱器等煙管的磨損[5-7]。

紅外干燥技術(shù)有烘干速率快、耗能低和品質(zhì)保持好的特點(diǎn)。紅外線作為一種電磁波，有一定的穿透性，能夠通過輻射傳遞能量。遠(yuǎn)紅外線作用于被干燥物料時(shí)，物料內(nèi)的一部分固有頻率與輻射頻率一致的分子和原子產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振，從而將輻射的能量吸收，分子運(yùn)動(dòng)加劇，物料溫度迅速上升，輻射能量直接轉(zhuǎn)化為熱量，促進(jìn)水分蒸發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)快速干燥。因此，能引起水分子和糧食分子共振吸收的那部分紅外輻射能決定了紅外干燥的效果。用于糧食干燥的紅外發(fā)射器主要采用燃油/氣型，少量運(yùn)用電加熱紅外發(fā)射器，電加熱紅外轉(zhuǎn)換效率（78%～85%）明顯高于燃油/氣型紅外發(fā)射器（40%～46%）[8]。采用紅外干燥谷物品質(zhì)高，脫水率高且爆腰率低。大量研究圍繞紅外干燥對(duì)物料內(nèi)部水分遷移規(guī)律和組分影響展開，提出了改進(jìn)紅外發(fā)射裝置加熱均勻性、溫度穩(wěn)定性等技術(shù)，并開展了紅外聯(lián)合熱風(fēng)、紅外聯(lián)合熱泵等用于解決快速集熱導(dǎo)致的熱敏性組分破壞等問題[9-10]。紅外技術(shù)是未來高效低碳干燥的潛力技術(shù)，但用于糧食干燥仍有大量機(jī)理機(jī)制問題需要深入研究解決，也需要解決好干燥熱能轉(zhuǎn)化與糧食品質(zhì)保持間的協(xié)調(diào)匹配關(guān)系。

熱泵干燥技術(shù)是一種通過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)。熱泵干燥技術(shù)正在逐步替代以煤炭燃燒方式供熱的干燥技術(shù)，成為未來主要的高質(zhì)量低碳干燥手段。熱泵糧食干燥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)單位能耗3 200 kJ/kg，約為現(xiàn)有燃油、燃煤型干燥實(shí)際能耗的55%～60%，與現(xiàn)有燃油、燃煤干燥技術(shù)相比節(jié)能效果顯著[11]。熱泵干燥技術(shù)在果蔬、中藥材的應(yīng)用十分廣泛，但在糧食領(lǐng)域應(yīng)用仍面臨一些問題，如熱泵干燥的低溫性能差，尤其當(dāng)環(huán)境溫度lt;10 °C 時(shí)，熱泵能效比明顯降低。受到工質(zhì)技術(shù)限制和換熱器阻力影響，熱泵干燥技術(shù)干燥時(shí)長會(huì)增加1～2 倍[12]。吳煒等[13] 評(píng)價(jià)了稻谷烘干過程中排風(fēng)熱回收應(yīng)用于熱泵干燥系統(tǒng)的可行性，半開式系統(tǒng)整體性能優(yōu)于開式系統(tǒng)。在熱泵干燥機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面也有較多研究，如設(shè)計(jì)多組熱泵循環(huán)并聯(lián)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)加強(qiáng)新風(fēng)和回風(fēng)等。從干燥經(jīng)濟(jì)性角度研究表明，熱泵干燥經(jīng)濟(jì)效率是燃油干燥方式的2.5～3.0 倍，品質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)干燥方式。變頻式壓縮機(jī)研制和回?zé)峒夹g(shù)應(yīng)用在解決環(huán)境變化下壓縮機(jī)能效比下降和降低干燥能耗方面均有明顯的優(yōu)勢[14]。另外，為了解決熱泵干燥初期濕度過高排濕不足等問題，有研究提出了采用組合式熱泵干燥技術(shù)，如太陽能?熱泵、熱泵?微波和熱泵?紅外技術(shù)等有效解決了熱泵和其他干燥技術(shù)的優(yōu)劣，將是未來熱泵干燥用于糧食產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要方向[15-16]。

太陽能干燥技術(shù)具有綠色、清潔的特點(diǎn)，是人類利用太陽能應(yīng)用最廣泛的一種形式，正朝著提高系統(tǒng)熱效率、降低系統(tǒng)成本的方向發(fā)展。大量研究多集中在光熱轉(zhuǎn)換效率、集熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面，其中集熱器的集熱板形狀、位置及介質(zhì)流入方式等結(jié)構(gòu)參數(shù)均會(huì)對(duì)集熱熱效率產(chǎn)生重要的影響，增強(qiáng)流體擾動(dòng)、降低傳熱邊界層厚度、增加流體換熱面積和減少流動(dòng)死角等耦合技術(shù)可以優(yōu)化設(shè)計(jì)高效集熱器[17]。在光熱轉(zhuǎn)化方面，目前還存在太陽能集熱器溫升與其輻射強(qiáng)度關(guān)系及傳熱傳質(zhì)機(jī)理不清等問題，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)集熱器熱量收集與太陽輻射強(qiáng)度關(guān)系的量化研究，建立熱質(zhì)傳遞機(jī)理模型，闡明太陽能干燥集熱效率提升機(jī)制，從而指導(dǎo)太陽能干燥過程中熱量與質(zhì)量的遷移規(guī)律。

1.2 干燥工藝對(duì)干燥目標(biāo)的影響

糧食干燥主要分為連續(xù)式和批次式干燥方式，基本干燥工藝包括順流、逆流、橫流、混流和靜置層干燥等。從工藝角度來看，目前主要的糧食干燥系統(tǒng)工藝存在以下3 個(gè)問題。一是能量利用工藝問題。燃燒器或供熱裝置產(chǎn)生的高溫介質(zhì)與外界空氣混合形成熱風(fēng)時(shí)，產(chǎn)生較大的熵增，因此在進(jìn)入干燥層之前即出現(xiàn)大量能量貶值。二是糧食單一流動(dòng)原理，使得風(fēng)熱溫度始終保持一致，與科學(xué)烘干工藝并不相符。三是干燥系統(tǒng)的能量匹配不合理，沒有充分體現(xiàn)干燥系壓差?、環(huán)境介質(zhì)中的客觀?對(duì)高濕糧食的作用和影響。

影響干燥效率的是干燥工藝參數(shù)，針對(duì)不同糧食作物和干燥設(shè)備系統(tǒng)開展干燥特性、干燥動(dòng)力學(xué)和干燥模型研究。深入開展糧食干燥工藝與參數(shù)優(yōu)化研究可以有效地解析干燥中糧食水分遷移規(guī)律和品質(zhì)形成機(jī)理，大量的研究以現(xiàn)有干燥設(shè)備為對(duì)象，研究手段停留在干燥流程改進(jìn)、溫度風(fēng)速調(diào)整及干燥效率測定上，其谷物干燥水分遷移規(guī)律、干燥均勻性、緩蘇與爆腰等基礎(chǔ)理論研究仍有提升的空間，特別是如何定量建立干燥特性模型和品質(zhì)量化關(guān)系成為優(yōu)化調(diào)控干燥工藝的關(guān)鍵，也將指導(dǎo)干燥機(jī)熱量利用和綠色節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。本研究梳理了近年來開展糧食干燥工藝研究的結(jié)果比較分析，如表1 所示。

1.3 干燥設(shè)備與控制技術(shù)

目前我國烘干機(jī)市場保有量14.42 萬臺(tái)（套），但糧食烘干機(jī)械化水平卻不足20%。大部分糧食干燥機(jī)設(shè)備技術(shù)陳舊，難以滿足我國糧食安全保障和農(nóng)業(yè)強(qiáng)國建設(shè)要求，急需大力發(fā)展新型高效綠色糧食干燥機(jī)，并提升干燥機(jī)自動(dòng)化、智能化控制水平。

李呈林等[24] 研制了一種新型混流式循環(huán)谷物干燥機(jī)，作業(yè)時(shí)干燥機(jī)內(nèi)部濕糧不斷循環(huán)受熱，為減少正壓熱風(fēng)造成灰塵從設(shè)備縫隙溢出，在排濕風(fēng)道設(shè)置了軸流風(fēng)機(jī)，及時(shí)排出灰塵和雜質(zhì)，優(yōu)化了產(chǎn)品性能。同時(shí)設(shè)計(jì)緩蘇段大截面、框架式疊加結(jié)構(gòu)，在線水分檢測儀實(shí)時(shí)檢測糧食水分。張海洋等[25] 設(shè)計(jì)了一款功能完善、實(shí)用性強(qiáng)的5HSZ-C-50 型連續(xù)式糧食干燥機(jī)電氣控制系統(tǒng)，為獲取科學(xué)檢測數(shù)據(jù)設(shè)置溫濕度傳感器安裝和固定于干燥機(jī)不同位置，利用運(yùn)動(dòng)控制器，向通風(fēng)機(jī)施加一定的風(fēng)力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)攪龍轉(zhuǎn)速、運(yùn)行速度已產(chǎn)出到位信號(hào)等信息的自動(dòng)檢測和控制。趙海瑞[26] 研制了一種糧食干燥環(huán)流型除濕供熱熱泵系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)將進(jìn)風(fēng)除濕冷卻再加熱，提供的干燥熱空氣用于循環(huán)式糧食干燥機(jī)的糧食水分蒸發(fā)，其實(shí)際運(yùn)行時(shí)性能系數(shù)COP≥5.0。該機(jī)組采用壓縮機(jī)+卸載+環(huán)流風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)，風(fēng)溫波動(dòng)小，谷物烘干品質(zhì)有保證。梁凱等[1] 研制的氣吸循環(huán)式糧食干燥機(jī)將原有提升機(jī)攪輪創(chuàng)新為氣吸提升糧食，經(jīng)檢測糧食破損率≤0.1%；設(shè)計(jì)了有氧干燥全覆蓋干燥結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高效脫水幅度0.6%～2.5%；發(fā)明了糧食流量自動(dòng)控制系統(tǒng)，使大小顆粒都可實(shí)現(xiàn)循環(huán)提升作業(yè)。黃超等[27] 針對(duì)混流式谷物干燥機(jī)存在干燥不均勻、品質(zhì)差問題，基于CFD 數(shù)值模擬技術(shù)仿真分析了角狀盒結(jié)構(gòu)，提出了新的擋風(fēng)板高度優(yōu)化值和開孔設(shè)計(jì)方案。

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院[28] 研制的太陽能高效集熱器和產(chǎn)業(yè)型太陽能集熱系統(tǒng)，攻克了多通風(fēng)雙換熱太陽能高效集熱技術(shù)難關(guān)，提出了太陽能集熱器混聯(lián)式集熱方法，創(chuàng)建了3 串3 并的模塊化集熱設(shè)計(jì)方案，解決了太陽能供熱不穩(wěn)定、干燥能耗高、熱風(fēng)控制不均勻和溫濕度控制難等難題。山東沃普農(nóng)業(yè)裝備科技有限公司研發(fā)制造的5HYWP-8 310 型移動(dòng)式糧食烘干機(jī)采取逆風(fēng)混流式新理念，熱利用率高、降水效果顯著增加[29]。中農(nóng)集團(tuán)農(nóng)業(yè)裝備有限公司研制的5HPY-35 小型移動(dòng)式烘干機(jī)采用多層加熱的燃燒煙氣能量梯度利用兩級(jí)熱交換系統(tǒng)，提高了燃燒能量利用效率，降低了烘干能耗，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比烘干能耗降低15% 以上，操作穩(wěn)定，技術(shù)熟化度較高[30]。

2 智能化糧食干燥技術(shù)

2.1 發(fā)展特征

我國糧食干燥機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)歷了從無到有，糧食機(jī)械化烘干為我國糧食產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)了巨大力量，提供了重要支撐。但是隨著我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)和糧食產(chǎn)業(yè)逐步進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展，目前的糧食烘干機(jī)技術(shù)水平已經(jīng)無法滿足國家糧食安全戰(zhàn)略的發(fā)展需求，人們對(duì)于糧食安全和質(zhì)量的要求不斷提升，這對(duì)糧食機(jī)械化干燥技術(shù)水平提出了更高要求，解決糧食干燥中控制精度低、穩(wěn)定性差、檢測技術(shù)落后及控制參數(shù)優(yōu)化水平不足等問題愈加緊迫。

隨著信息化大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)與糧食生產(chǎn)機(jī)械裝備技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)入以智能化為核心的發(fā)展階段，學(xué)科交叉融合正在引發(fā)以綠色、智能、泛在為特征的群體性技術(shù)突破，裝備技術(shù)發(fā)展已經(jīng)從機(jī)械替代人畜力的機(jī)械化階段、以電控技術(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化階段，進(jìn)入以信息技術(shù)為核心的智能化新階段，并向以人工智能技術(shù)為核心的自主智能方向發(fā)展，同時(shí)加速現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向智能化生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。

糧食干燥過程具有典型的多參數(shù)多物理場耦合、強(qiáng)非線性、大遲滯的非穩(wěn)態(tài)傳熱傳質(zhì)特點(diǎn)，給干燥量化模型建立和智能控制系統(tǒng)應(yīng)用帶來了巨大的困難[31]。傳熱傳質(zhì)理論研究是熱風(fēng)干燥的理論基礎(chǔ)，工程實(shí)踐中更多借助試驗(yàn)結(jié)果或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)施，但智能化控制和智能算法的應(yīng)用離不開基礎(chǔ)理論的創(chuàng)新與可應(yīng)用量化干燥模型及大數(shù)據(jù)信息獲取，目前主要的模型有薄層干燥、深床干燥和實(shí)物干燥模型方法，其中薄層干燥是基礎(chǔ)試驗(yàn)方法，用來獲得數(shù)據(jù)并建立模型；深層干燥和實(shí)物干燥主要用于理論和模型驗(yàn)證。

2.2 發(fā)展現(xiàn)狀

美國Page 教授在1949 年開展了玉米薄層干燥試驗(yàn)，并得出了著名的Page 模型方程，目前仍廣泛應(yīng)用[32]。1967 年，Thompson 提出了模擬干燥過程的平衡模型[33]。隨著數(shù)值模擬技術(shù)和軟件的開發(fā)，大量研究人員開展了各類薄層干燥試驗(yàn)仿真和數(shù)值模擬研究，建立了更為復(fù)雜多指標(biāo)的干燥模型。傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)干燥模型都需要進(jìn)行大量假設(shè)，包括忽略干燥中物料收縮、單粒糧內(nèi)部溫度梯度和水分梯度等，這就使得構(gòu)建的模型無法準(zhǔn)確用于控制干燥工藝過程[34-35]。之后模型預(yù)測控制采用了多步預(yù)測、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正等策略，降低了模型精度需求，比較好地改善了控制效果及魯棒性[36]。隨著國內(nèi)外研究人員大量投入模型的建立與算法開發(fā)，近年來人工智能控制技術(shù)以其非線性契合性、控制簡便等性能優(yōu)勢，被認(rèn)為是突破糧食干燥基礎(chǔ)理論研究瓶頸的方法，目前常用的人工智能算法包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯和支持向量機(jī)等[37]。各種人工智能控制算法各有優(yōu)劣，但都需要依賴大量數(shù)據(jù)，并從中提取特征進(jìn)行分析預(yù)測，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)因數(shù)據(jù)獲取不全面、數(shù)據(jù)可用性差及數(shù)據(jù)冗余等問題導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差，無法獲得最優(yōu)預(yù)測結(jié)果。本研究梳理了近年來基于人工智能的糧食智能控制算法，如表2 所示。

2.3 干燥技術(shù)與低碳發(fā)展

糧食干燥過程中信息精準(zhǔn)感知是智能干燥的根本基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代糧食干燥生產(chǎn)智能決策的重要前提。目前的大量研究仍停留在溫度、含水率和排糧速度調(diào)控等主要參數(shù)的關(guān)聯(lián)度建立方面，對(duì)于糧食干燥過程中糧情的信息，如糧溫、實(shí)時(shí)含水率、糧食流動(dòng)狀態(tài)和糧食品質(zhì)特征等信息的精準(zhǔn)感知仍存在困難，一些適用于糧食干燥環(huán)節(jié)的專用傳感器和分析檢測設(shè)備短缺，獲取的糧情信息常常忽略糧食品質(zhì)變化等關(guān)鍵指標(biāo)，尤其要兼顧不同作物干燥過程的生物、物理、化學(xué)特性，干燥過程中品質(zhì)變化形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，必須開展基于農(nóng)業(yè)生物特性的農(nóng)業(yè)信息學(xué)交叉研究，從而揭示基礎(chǔ)原理，厘清糧食干燥終了和過程狀態(tài)規(guī)律的精準(zhǔn)把握[47]。

從糧食干燥系統(tǒng)來看，燃料能耗成本占運(yùn)行總成本的80% 以上，開發(fā)智能糧食干燥系統(tǒng)能夠基于大量數(shù)據(jù)信息構(gòu)建更優(yōu)的人工智能算法，建立真正具有智能反饋機(jī)制的自適應(yīng)工藝調(diào)控策略，獲得系統(tǒng)工藝運(yùn)行優(yōu)化參數(shù)，自動(dòng)調(diào)控干燥機(jī)始終處于最優(yōu)工作狀態(tài)，有利于實(shí)現(xiàn)干燥機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能減排和成本有效降低。

汪庥宇[48] 提出了基于仿生監(jiān)測原理的循環(huán)式干燥機(jī)作業(yè)量控制與系統(tǒng)構(gòu)建。其創(chuàng)新性地提出了利用仿生學(xué)理論獲取干燥機(jī)作業(yè)過程糧情信息，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和算法構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測和干燥機(jī)性能監(jiān)測。突破糧食干燥理論創(chuàng)新，建立糧情精準(zhǔn)感知數(shù)據(jù)普適模型，注重糧食品質(zhì)在線檢測與反饋，加強(qiáng)微觀層面的糧食干燥結(jié)構(gòu)和組分轉(zhuǎn)化規(guī)律認(rèn)知，進(jìn)而建立具備自主決策能力的智能化糧食干燥智能大模型才能從根本上解決糧食烘干領(lǐng)域高排放和高能耗問題。

3 糧食干燥綠色低碳技術(shù)展望

3.1 多因子脅迫下糧食干燥理論研究范式創(chuàng)新

糧食干燥領(lǐng)域研究相比于果蔬類物料的干燥技術(shù)與理論研究相對(duì)滯后，果蔬類農(nóng)產(chǎn)品對(duì)品質(zhì)要求較高，引導(dǎo)干燥基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)科學(xué)問題的探討也更為深入。糧食干燥產(chǎn)業(yè)面臨高質(zhì)量低碳發(fā)展需求，因此圍繞糧食谷物干燥理論及多因子脅迫場模型的研究顯得迫在眉睫，也為探明糧食干燥過程中“黑箱”反應(yīng)特點(diǎn)和規(guī)律提供理論基礎(chǔ)。

隨著研究人員對(duì)干燥反應(yīng)器的多因子脅迫耦合作用的深入理解，谷物在多場協(xié)同作用下的理論研究和基礎(chǔ)科學(xué)問題探究，不能僅僅停留在工藝優(yōu)化和干燥產(chǎn)物的品質(zhì)評(píng)價(jià)方面，更多地應(yīng)該完善不同解析尺度下，微觀層面的組分干燥動(dòng)力學(xué)模型、自由能變化、空間構(gòu)象和反應(yīng)特性。同時(shí)創(chuàng)新研究手段，突破屬于基于經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)科學(xué)與歸納分析階段的第一或第二科研范式，通過構(gòu)建過程中多能量場分子尺度的水分遷移、反應(yīng)分子對(duì)接及品質(zhì)調(diào)控物質(zhì)基礎(chǔ)解析提供科學(xué)表征的可行性，使得干燥過程的熱質(zhì)傳遞、次生代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)化積累、反應(yīng)描述和構(gòu)象變化等機(jī)制的精準(zhǔn)解釋進(jìn)入了更高階的“計(jì)算科學(xué)”范式。

3.2 多場協(xié)同糧食干燥裝備設(shè)計(jì)與工藝優(yōu)化

糧食干燥系統(tǒng)簡單來說是一個(gè)輸入濕糧、介質(zhì)和能量，排出濕空氣和干糧的復(fù)雜傳熱、傳質(zhì)系統(tǒng)。糧食干燥系統(tǒng)視為多場協(xié)同反應(yīng)器，環(huán)境、糧食物性、工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素均會(huì)影響干燥過程中的能量使用效果，其本質(zhì)原因在于所含的?不同。干燥工藝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般需要遵循工藝系統(tǒng)能夠滿足糧食對(duì)物性特征和干燥特性的要求，以及實(shí)際應(yīng)用場景。高濕糧食貯藏干燥過程主要分為糧食路線和氣流路線，干燥機(jī)用于精準(zhǔn)調(diào)控的方式也主要以糧食和氣體為核心，目前專用的糧情信息獲取和氣流均勻分布調(diào)控裝置還有缺陷，特別是專業(yè)的糧情信息傳感器等大多依賴進(jìn)口，在線水分監(jiān)測和糧食品質(zhì)監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測精度和速度都還有較大提升空間。系統(tǒng)氣流路線的調(diào)控直接影響熱風(fēng)及排風(fēng)能量的利用和損失的計(jì)算，更與糧食均勻干燥和穩(wěn)定降水密切相關(guān)，目前的氣流路線調(diào)控方法和設(shè)備相對(duì)單一，完全創(chuàng)新的研究和技術(shù)亟待在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行驗(yàn)證，專用設(shè)備的研發(fā)也進(jìn)入了快車道。

干燥機(jī)供熱系統(tǒng)的研究也得到了研究人員和實(shí)際生產(chǎn)者的廣泛關(guān)注，熱源的選擇和節(jié)能環(huán)保將是未來糧食干燥行業(yè)發(fā)展的重要方向。太陽能、熱泵、高效介電干燥等技術(shù)的快速發(fā)展將為糧食干燥節(jié)能減排提供更多有效路徑。同時(shí)，從能源高效利用的角度出發(fā)，研究人員也應(yīng)更多地關(guān)注熱量多等級(jí)利用技術(shù)的研發(fā)，將更多工業(yè)低品位熱量通過高效收集轉(zhuǎn)化技術(shù)提升為高品質(zhì)熱量，用于糧食干燥這類高耗能行業(yè)，也將是未來產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要突破口。

3.3 多信息耦合糧食干燥智能控制方法構(gòu)建

智能裝備是指通過設(shè)計(jì)和智能技術(shù)創(chuàng)新，具有智能硬件設(shè)備或軟硬件集成系統(tǒng)，可全部或部分替代人或輔助人高效、便捷、安全和可靠地完成特定復(fù)雜的生產(chǎn)作業(yè)目標(biāo)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程的數(shù)字化感知、智能化決策、精準(zhǔn)化作業(yè)和智慧化管理的現(xiàn)代化作業(yè)裝備，具有人與機(jī)、機(jī)與物之間交互性特點(diǎn)，是技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變的核心內(nèi)容。與發(fā)達(dá)國家相比，我國糧食產(chǎn)業(yè)機(jī)械化整體發(fā)展水平相差較大，智能裝備研發(fā)應(yīng)用整體水平偏低，很多環(huán)節(jié)和裝備的智能化水平還處于空白階段，在部分指標(biāo)預(yù)測和干燥控制方法領(lǐng)域開展了智能化算法的構(gòu)建和驗(yàn)證研究，距離實(shí)際應(yīng)用和生產(chǎn)水平提升仍有距離，特別是關(guān)鍵核心部件和高端智能裝備高度依賴進(jìn)口，小型化智能干燥機(jī)和專用干燥設(shè)備嚴(yán)重缺乏。

智能干燥作業(yè)裝備應(yīng)用場景相對(duì)封閉，但其系統(tǒng)的復(fù)雜度和多元化程度均較高，這對(duì)智能干燥裝備和控制算法研究提出了更高的要求。目前以糧食干燥為對(duì)象的智能化信息化工藝機(jī)械融合的聯(lián)合研發(fā)機(jī)制尚未確立，以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的全面自動(dòng)化技術(shù)模式和高度智能化的干燥裝備配置系統(tǒng)尚未形成，這對(duì)于智能干燥控制算法和方法的基礎(chǔ)研究提出了迫切要求。

以提高干燥機(jī)感知力、執(zhí)行力、腦智力為核心，持續(xù)加強(qiáng)新型智能干燥裝備關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，重點(diǎn)加強(qiáng)糧食?能量?多場信息快速獲取技術(shù)，以及糧情專用傳感器、物理場精細(xì)調(diào)控、無人自主作業(yè)系統(tǒng)和多部件協(xié)同智能控制等前沿性關(guān)鍵技術(shù)研究，以核心干燥基礎(chǔ)理論構(gòu)建指導(dǎo)動(dòng)態(tài)智能品質(zhì)調(diào)控策略構(gòu)建，進(jìn)而指導(dǎo)智能干燥系統(tǒng)的能量高效利用，達(dá)到綠色節(jié)能干燥技術(shù)水平的顯著提升。

4 結(jié)束語

本文綜述了糧食干燥技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及圍繞節(jié)能減排干燥開展的大量研究。整體來看，其工藝技術(shù)種類較多，但缺乏統(tǒng)一的理論基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。目前的糧食干燥機(jī)節(jié)能減排技術(shù)主要依賴于在現(xiàn)有烘干機(jī)和工藝流程基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制方法改進(jìn)，節(jié)能減排效果具有局限性，甚至?xí)黾痈稍餀C(jī)實(shí)際應(yīng)用場景下的參數(shù)調(diào)控難度和制造工藝難度。隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，干燥技術(shù)應(yīng)回歸干燥理論創(chuàng)新與干燥基礎(chǔ)研究的突破，以及糧食干燥領(lǐng)域科研范式與學(xué)科交叉創(chuàng)新的變革，建立更具普適性的干燥理論模型、精準(zhǔn)的人工智能算法和基于品質(zhì)保持和優(yōu)化的糧食干燥智能調(diào)控技術(shù)等將是根本上實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵。