熊瑞，朱文學，張棋，于斌，黃敬（河南科技大學食品與生物工程學院，河南洛陽471023）

小型水稻干燥機現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

熊瑞，朱文學*，張棋，于斌，黃敬
（河南科技大學食品與生物工程學院，河南洛陽471023）

通過烘干機本體、工藝流程、在線檢測與控制系統(tǒng)等方面對小型干燥機的發(fā)展現(xiàn)狀進行闡述，并分析我國干燥產(chǎn)業(yè)的商業(yè)現(xiàn)狀。

糧食；水稻；干燥機

水稻收獲后濕度很大，必須及時降到安全水分進行保藏否則會發(fā)芽霉變，造成巨大的損失。目前水稻種植主要分布在長江、珠江流域和東北地區(qū)。長江、珠江流域是傳統(tǒng)的水稻種植基地，大多數(shù)地方是一年二季的水稻，收獲季節(jié)正是雨季，空氣潮濕，自然晾曬很困難。東北屬于中溫帶大陸性季風氣候，全年氣溫低、無霜期短，水稻收獲后自然晾曬時間有限。

目前，我國水稻種植的主力軍依然為小戶分散種植的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式；稻谷干燥主要依靠農(nóng)戶分散自然晾曬，需要大量勞動力和曬場，而且受氣候因素影響很大，稻米品質無從保證。然而，歐美和日本等國家的稻谷機械化干燥比率已在90%以上。日本上世紀90年代小型谷物干燥機就超過了100萬臺，平均每公頃擁有稻谷干燥機達到0.5臺。我國水稻種植面積約3 000萬公頃，即使按其中10%進行家庭農(nóng)場式規(guī)模化種植，每3公頃水稻配置一臺小型谷物烘干機，也需要100萬臺，要達到發(fā)達國家水平則需配置小型谷物烘干機900萬臺。

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和農(nóng)村勞動力向城市大規(guī)模轉移，農(nóng)村土地開始自發(fā)流轉，種植規(guī)模逐漸擴大。特別是2013年中央一號文件提出，鼓勵和支持承包土地向專業(yè)大戶、家庭農(nóng)場、農(nóng)民合作社流轉，農(nóng)業(yè)規(guī)模經(jīng)營蓬勃發(fā)展。同時伴隨著水稻年產(chǎn)量逐年提升，加上聯(lián)合收割機的快速推廣和跨區(qū)作業(yè)，水稻收獲時間更加集中，收獲期最多7 d～10 d，大量高水分稻谷集中收獲，人工晾曬已經(jīng)無法滿足需要，迫切需求推廣機械化快速干燥。水稻干燥機產(chǎn)業(yè)正在迅速發(fā)展。

1　干燥機系統(tǒng)簡介

谷物干燥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，也是實現(xiàn)糧食生產(chǎn)全程機械化的關鍵組成部分。干燥過程中，谷物干燥機是谷物干燥的重要載體，其中烘干機本體、工藝流程、在線檢測與控制系統(tǒng)是水稻干燥機的主要組成部分。

1.1烘干機本體

烘干機本體按干燥機結構可以分為轉筒干燥機、流化床干燥機、廂式干燥機、傾斜床干燥機。小型水稻干燥機大部分是采用塔式結構，具有制作工藝簡單、成本低、裝配簡易的優(yōu)點。

轉筒干燥機：轉筒干燥機又稱回轉干燥機，能連續(xù)作業(yè)而且干燥能力強，適應性好，操作靈活、干燥均勻。但是此類干燥機體積較大，且非常笨重，不適合家庭農(nóng)場購買使用。

流化床干燥機：流化床干燥機也稱沸騰床干燥機，床層溫度均勻，處理能力大，操作穩(wěn)定。目前在水稻干燥商品設備上的應用還很少。

廂式干燥機：結構簡單，制造和維修方便，設備成本低，對物料適用性大，但是如何實現(xiàn)水稻的循環(huán)干燥還需對其進行進一步的優(yōu)化。

B.D.Hhukla和R.T.Patil為了在發(fā)展中國家推廣谷物干燥機，將循環(huán)式谷物干燥機與櫥柜式干燥機進行組合，開發(fā)了LCU干燥機[1]。該干燥機具有熱效率高、耗能低、成本低的顯著特點。循環(huán)式谷物干燥機是如今在中國南方使用廣泛的中小型谷物干燥機，但在日本最為發(fā)達。日本中小型低溫循環(huán)式谷物干燥機，裝機容量2 t～10 t，采用低溫大風量薄層間歇式干燥工藝，谷物干燥品質較好。但是降水速率較慢，一般在0.4%/h～0.8%/h，生產(chǎn)率較低，且主要以燃煤為熱源，價格較昂貴，在我國推廣有一定難度。

1.2工藝流程

由于稻殼、稻米和稻糠的干燥特性、平衡含水率各不相同，造成水稻在干燥過程中，以復合體狀態(tài)存在。薄層干燥中各因素對干燥速率影響的大小依次為：物料厚度>干燥溫度>真空度[2]，快速干燥-儲藏或緩蘇-快速干燥的分段干燥工藝[3]在保證干燥質量、降低耗能、節(jié)省干燥機有效工作時間方面效果較好。過熱蒸汽干燥與傳統(tǒng)的熱風干燥相比具有干燥速率快、能耗低[4]的優(yōu)點。水稻流化床干燥和傳統(tǒng)流化床干燥對比，脈沖流化床在整米率和白大米顏色上區(qū)別不大，能耗低但干燥速率稍慢[5]。近幾年，李長友在水稻干燥中創(chuàng)新提出干燥理論，強調(diào)了干燥過程中客觀勢能的利用，并在干燥模型、干燥工藝、干燥機開發(fā)方面做出大量工作[6-10]。

1.2.1順流谷物干燥

針對順流谷物干燥機存在的問題，曹崇文[11]曾做出過深刻總結。順流干燥過程中影響水稻干燥性能的參數(shù)依次為熱風溫度、谷物流速、初始水分、風量和水稻品種[12]。目前為了節(jié)能減排，已有順流干燥設備采用余熱回收系統(tǒng)，即把冷卻段排出的尾氣經(jīng)過加熱后再重復利用[13]。利用5級順流連續(xù)式加熱及緩蘇和一級逆流冷卻干燥工藝，汪春等[14]研制了自動化程度高，節(jié)能顯著，制造成本低的5GSH-16型水稻保質干燥機。

1.2.2逆流谷物干燥

高濕水稻的逆流干燥工藝中，傳統(tǒng)做法是將空氣加熱，然后送入干燥室，由熱風向物料提供升溫、水分蒸發(fā)所需要的熱量并接納水蒸氣。然而對于高濕稻谷而言這種做法存在許多弊端：1）高濕空氣會在上層水稻中凝結；2）熱量傳遞方向與水分蒸發(fā)方向相反，削弱了干燥過程；3）單位熱耗高；4）不適宜大批量濕谷集中干燥。針對這種情況，李長友提出了以客觀能勢的利用為主，人為提供主觀熱能消耗為輔的干燥工藝，設計了針對南方天氣的5HNH-15型稻谷逆流熱風干燥機[15]。

1.2.3混流谷物干燥

由于混流式干燥機的通用強，電耗低，干燥質量較好而成為當前中國應用最廣泛的糧食干燥機型。師建芳等[16]通過緩蘇換向、脈沖氣動排糧、干燥段與緩蘇段比例快速可調(diào)等多種新型結構，實現(xiàn)了混流式干燥機一機多用。謝奇珍等[17]研究了不同風溫、干燥緩蘇比對稻谷爆腰率和降水率的影響規(guī)律。王桂湘[18]首次提出了順混流干燥工藝，并將其應用于水稻干燥，降低了爆腰率和單位熱耗。在LSU型混流干燥機的水稻干燥實驗中，Colderwood和Webb認為水稻混流干燥時間要小于15 min，糧溫要在38.3℃～50℃的范圍，且水稻水分越低，爆腰敏感程度越高。

1.2.4橫流谷物干燥

橫流干燥是糧食干燥最常見的形式之一。這種干燥機結構簡單，工作可靠，制造簡單。橫流式谷物干燥機通常采用谷物換位、差速排糧、熱風換向、多級橫流干燥等手段來改善橫流式干燥機干燥不均勻的缺陷[11]。由于水稻干燥的特殊性，橫流循環(huán)干燥機基本上是水稻干燥的唯一機型。

1.2.5對撞流干燥

對撞流干燥技術是利用兩股相向氣流對撞所形成的高度湍流，以及濕物料在對撞區(qū)的快速非穩(wěn)態(tài)運動來增強傳熱傳質過程，具有快速、高強度干燥，能耗低、結構簡單，適合于小型干燥設備，并能很好的保護產(chǎn)品品質的特點[19-20]。對撞流干燥機大體分為同軸對撞流干燥機、垂直對撞流干燥機和圓環(huán)狀對撞流干燥機。干燥品質方面，同軸對撞干燥機對撞距離越大、對撞室體積越大則干燥效果越好；長方形比豎直圓筒形對撞室的干燥效果好。干燥物料方面，對撞流干燥更適合高濕粉狀物料[21]。垂直對撞流干燥實驗表明：熱風溫度是影響降水幅度、小時去水量和干燥強度的最關鍵因素。其他條件不變，提高風速有利于提高干燥速率；喂料速度增大會使降水幅度減小，但小時去水量增加；顆粒粒徑越小、含濕量越大，物料降水幅度、干燥強度越大[22]。半環(huán)對撞流干燥機在綜合考慮干燥速率、干燥經(jīng)濟效益和設備占地面積后，在環(huán)后半部加入適量新型空氣和適當增加直徑可以達到強化干燥過程的目的[23]。Chatchai Nimmol等[24]設計了針對水稻的能夠雙向進料的同軸雙向對撞流干燥系統(tǒng)，取得了較好的干燥效果。

1.3干燥控制系統(tǒng)

在商業(yè)領域的水稻干燥，基本上采用的都是熱風干燥，而傳統(tǒng)的熱風干燥過程是典型的大慣性、多變量、非線性工藝系統(tǒng)[25-26]。國外干燥設備一般都配置有出糧水分控制系統(tǒng)，借助于高精度的谷物水分在線傳感器，實現(xiàn)糧食干燥過程的自動優(yōu)化控制。近年來，國外學者還對糧食干燥過程進行了深入研究，先后創(chuàng)立了谷物干燥Bakker-Arkema偏微分方程（PDE）、二維動態(tài)偏微分方程模型和干燥過程的分布參數(shù)DP過程模擬，較好地模擬了谷物的干燥過程，且模擬計算程序簡單，適合干燥過程的在線控制[27]，據(jù)此開發(fā)了模型預測控制（MPC，Model Predictive Control）等先進的智能控制方法，以干燥目標含水率、谷物入機含水率和熱風溫度為輸入?yún)?shù)，實現(xiàn)了排糧速度的優(yōu)化控制，并已經(jīng)在美國GSI塔式干燥機、Brock塔式干燥機等商品化谷物干燥機上推廣應用，谷物岀機含水率與目標含水率之間的誤差可以控制在±1.0%以內(nèi)。在循環(huán)式水稻干燥機中，M.R.Manikantan等發(fā)現(xiàn)Wang和Singh薄層干燥模型更適合以太陽能和生物質能為熱源的干燥過程，而Page模型則更適合于以電能作為熱源的干燥過程[28]。

陳怡群等[29]利用薄層方程理論建立了可模擬循環(huán)式谷物干燥機的干燥模型。該模型（基于Page水稻薄層干燥方程和Pfost水稻平衡水分方程）可以算出各種情況下水稻干燥所需要時間，并能得到整個干燥過程中谷物含水率、排氣溫濕度的變化情況。為改善我國中小型水稻干燥機自動化水平低及日本、干燥機自動化設置與控制較復雜的現(xiàn)狀，蔣平等[30]自主設計了一套循環(huán)式糧食干燥機的智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于單片機和復雜可編程邏輯器件CPLD技術，利用溫度、水分、倉位等多個傳感器來進行智能控制。在提高干燥機中燃燒機效率和保持谷物品質方面，獨創(chuàng)了三段式燃燒機熱風溫度控制，并且為了應對農(nóng)村復雜情況，采取了多項抗干擾措施，取得了不錯的效果。

1.4水分在線檢測

水稻含水率不同，其導電率就會不同。電阻法通過高頻阻抗能間接測定谷物含水率。電容式水分測定屬于容積式介電特性測量，測量值不僅對溫度敏感，還對谷物的介電特性和容重十分敏感，應用在水稻的在線水分測量，干擾因素較多，精度難以保證。紅外線法和微波法測量精度高，重復性好，但是價格貴、安裝復雜，要實現(xiàn)在小型水稻干燥機中的廣泛應用還需要進一步的探索。中子法由于輻射，需要特殊防護，還未推廣應用。

小型水稻機由于成本因素、機器工作環(huán)境復雜使其對在線水分檢測系統(tǒng)有更高的要求。穩(wěn)定、簡單、通用、精度高、成本低是小型水稻干燥機在線水分檢測的發(fā)展方向。

2　中國小型水稻干燥機的發(fā)展趨勢及建議

圖1　2004年～2011年谷物干燥機數(shù)量Fig.1　The number of grain drier（2004～2011）

圖2　2004年～2011年機械烘干糧食數(shù)量Fig.2　The number of mechanicaldrying food（2004～2011）

圖4　2000年～2013年中國水稻產(chǎn)量Fig.4　China's rice production（2000～2013）

圖1至圖4分別列舉出了近幾年我國谷物干燥機、糧食干燥、水稻機械化收割和水稻產(chǎn)量的發(fā)展狀況，資料來源于《中國農(nóng)業(yè)年鑒》。雖然我國南方地區(qū)近些年經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，城市化水平提高，使得水稻種植面積逐年降低，但是東北地區(qū)的水稻種植卻在加大，我國水稻產(chǎn)量總體維持在2 000萬t左右。近些年大型水稻收割機快速發(fā)展，收割機跨區(qū)作業(yè)普及使我國水稻的機收產(chǎn)量在近些年呈線性發(fā)展。雖然機械烘干的糧食總量也有不小的提高，但是水稻收割時間縮短、陰雨天氣、晾曬場地不足、農(nóng)村勞動力轉移等因素使我國水稻及時干燥的壓力有增無減。按發(fā)達國家的干燥水平，我國水稻干燥需要900萬臺，顯然我國水稻機械干燥現(xiàn)狀離這個水平的距離還很遠。國內(nèi)外現(xiàn)有中小型谷物干燥機價格貴、耗能高、干燥成本高、利用率低，無法適應時間需求是目前制約我國稻谷機械化發(fā)展的主要原因。為此，為順應我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)?；l(fā)展的趨勢，針對家庭農(nóng)場的實際需求，確定適應的機型，找到低成本替代燃料，采用先進技術節(jié)能、增效、降耗，并通過先進技術的國產(chǎn)化降低設備成本，才能促進我國稻谷機械化干燥的發(fā)展，減少谷物產(chǎn)后損失，提高稻米品質。

由于我國石油資源匱乏，國內(nèi)干燥設備主要用煤作為熱源，燃煤熱風爐壽命短、熱效低、鋼材消耗量大，導致制造成本高、干燥成本貴。因此我國小型干燥設備的燃燒爐大多能使用兩種或兩種以上的燃料，這在節(jié)約運行成本和設備使用的靈活性方面具有不錯的效果。在爆腰率方面，大部分機型總體控制不錯。但干燥過程中水分實時在線檢測技術沒有真正解決，目前并沒有擁有一套完善的實時控制系統(tǒng)。在制造質量、應用數(shù)量、自動控制水平、干燥工藝以及干燥機的通用化、標準化、系列化等方面我國干燥行業(yè)還有很長一段路需要走。針對谷物干燥機發(fā)展現(xiàn)狀要組織力量對關鍵技術進行攻關，解決一些谷物干燥中的難題，如稻谷烘干的最大干燥速率、最小緩蘇時間、爆腰與碎米的關系以及水分的在線檢測和自動控制等方面。

從仿制蘇聯(lián)的大型混流式谷物干燥機開始，我國谷物干燥技術通過各級農(nóng)機研究所、高校和企業(yè)的開發(fā)研究，逐漸轉向自主研發(fā)?，F(xiàn)在專業(yè)生產(chǎn)谷物干燥機的企業(yè)如雨后春筍，涉及大中型混流式谷物干燥機、中小型橫流低溫循環(huán)式谷物干燥機、中小型橫流低溫循環(huán)式谷物干燥機和小型移動式內(nèi)循環(huán)谷物干燥機。我國干燥機產(chǎn)業(yè)已經(jīng)得到了長足的發(fā)展。

圖5　農(nóng)業(yè)干燥器（A）進出口金額；（B）進出口數(shù)量Fig.5（A）The amountand（B）numbers of importand export agriculturaldrying machine

從圖5可以看到從2011年到2014年（2014年為1～10月的不完全數(shù)據(jù)），我國的農(nóng)業(yè)干燥機進口數(shù)量是逐年降低的，但在進口干燥機的消費總額逐漸增多，也就是說進口干燥機逐漸轉向高端產(chǎn)品，單價越來越高。考慮人民幣匯率，進口干燥機平均單價從17.7萬人民幣/臺左右升到了29萬人民幣/臺左右。雖然對外出口干燥機總量逐年增多（不考慮2014），出口總額也是逐年增加，但是出口干燥機的平均單價只是從4萬人民幣/臺左右提高到5萬人民幣/臺左右。從中不難看出我國干燥機出口的形式是數(shù)量多、價格低，以價格優(yōu)勢同國外品牌競爭。由此可見，國產(chǎn)干燥機目前核心競爭力還不足。目前國產(chǎn)水稻干燥機的自動控制水平普遍偏低，谷物水分在線檢測傳感器的精度和可靠性較差，尚無法滿足實用需求，只能用糧溫間接控制水分，谷物岀機水分無法精確控制。普遍采用恒溫干燥工藝，降水速率慢、熱效率低、能耗較高，無法滿足稻谷低成本快速高效烘干的要求。

圖3　2004年～2011年機收水稻田公頃量Fig.3　Number ofmechanicalharvesting rice paddies（2004～2011）

就水稻干燥而言，在我國可供選擇的干燥機型不多，以中大型產(chǎn)品為主。國內(nèi)干燥機企業(yè)大部分在自動化控制與在線監(jiān)測方面重視仍然不夠。我國是世界水稻種植面積和總產(chǎn)量最多的國家。但每年兩億噸左右的水稻產(chǎn)量大部分仍以農(nóng)民自行分散晾曬為主，這就迫切需要我們根據(jù)實際情況，設計出操作簡單、干燥速度快、適應農(nóng)村能源、成本低廉的小型水稻干燥機，這對我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

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The Recent Development of Small Paddy Dryer

XIONG Rui，ZHU Wen-xue*，ZHANG Qi，YU Bin，HUANG Jing
（College of Food and Bioengineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471023，Henan，China）

Elaborating the development of drying machine through the recent research progress of dryer body，process，online detection and controlsystem developmentfrom severalaspects，and discusses the currentsituation ofthe drying industry.

grain；paddy；dryer

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.12.050

熊瑞（1990—），男（漢），碩士在讀，研究方向：食品機械與工程。

朱文學（1967—），男，教授，博士，研究方向：農(nóng)產(chǎn)品加工。

2015-06-08