黃盛杰 吳煜 沈健民

0 引言

我國是世界上最大的糧食生產國，糧食產量已連續(xù)5 年穩(wěn)定在6.5 億t 以上。由于糧食收獲期比較集中，收獲后的糧食大都水分較高，如果存儲不當，堆積的濕谷物會滋生對人體有害的黃曲霉，造成糧食的大量損失和浪費[1]。為了避免捂糧損失，谷物收獲后，必須經過干燥處理，這是谷物能夠長期安全儲存的一個極其重要的條件[2]。

谷物干燥一般采用人工晾曬或機械干燥方式[3]。人工晾曬受天氣影響大，晾曬過程中谷物也容易被污染，而且費時費力，晾曬效率低。機械干燥不占場地，不受天氣影響，整個干燥過程都是在程序控制下自動化完成，作業(yè)效率高、損失率低，干燥均勻且可確保原糧品質[4]。發(fā)展糧食烘干產業(yè)、推進谷物干燥機械化，對促進農業(yè)增效、農民增收，確保國家糧食安全具有重要的現實意義。

1 傳統(tǒng)干燥技術

歐美發(fā)達國家對谷物烘干機的研究起步較早，20 世紀70 年代已經實現了谷物干燥自動化，80 年代以后干燥設備轉向高效、環(huán)保、高質量、全自動化的方向發(fā)展[5-8]。我國在谷物機械烘干技術研發(fā)方面，起步較晚、基礎薄弱?，F有的谷物烘干機多數為豎箱式烘干機[9]，熱源采用熱風爐或燃燒器，燃料為煤炭、生物質顆粒、柴油、煤油，干燥介質為熱氣流。無論是熱風爐還是燃燒器都存在使用壽命短、能耗高、效率低、污染環(huán)境等問題。圖1 為傳統(tǒng)谷物烘干機剖面示意圖，圖2為傳統(tǒng)谷物烘干機工作原理圖。

圖1 傳統(tǒng)谷物烘干機剖面示意圖

2 遠紅外干燥技術

近些年，國家在節(jié)能環(huán)保方面的要求越來越高，高效率、低能耗的遠紅外烘干機應運而生[10]。與利用燃煤和燃油的烘干機相比，遠紅外谷物烘干機不但衛(wèi)生清潔、除濕效率更高，而且可以殺死谷物中的蟲卵和濕谷物產生的黃曲霉。

2.1 遠紅外干燥技術原理

遠紅外谷物烘干機利用石墨烯等輻射元件發(fā)射出的遠紅外線干燥谷物。由于紅外線有一定的穿透性，谷物吸收紅外輻射后，熱量會集聚在內部。在干燥過程中，谷物表層水分不斷蒸發(fā)，使谷物表面溫度低于內部溫度，因而，谷物的熱擴散過程是由內部向外部進行的；同時，谷物內部的水分也高于外部，水分會由內部向外部轉移。整個烘干過程中熱擴散和水分擴散的方向一致，可加速谷物干燥的完成。

圖2 傳統(tǒng)谷物烘干機工作原理圖

2.2 遠紅外干燥技術特點

2.2.1 節(jié)約能源，干燥速率高

傳統(tǒng)的熱風烘干以熱氣流為干燥介質，烘干時，熱風吹過谷物表面，熱能慢慢傳導到內部，整個烘干過程耗時較長；而遠紅外烘干不需要利用任何介質，可以直接加熱干燥谷物。由于遠紅外線能量密度大，且具有穿透性，烘干時，谷物表面和內部同時受熱，熱量損失少，可以節(jié)約大量的能源，提高干燥速率[11]。不同干燥方式的單位熱能耗見表1。

表1 不同干燥方式的單位熱能耗 單位：kJ/kg

2.2.2 設備結構簡單，投資費用低

遠紅外烘干機中的紅外輻射裝置結構簡單，且使用壽命長[12]。相較于現有的熱風烘干機，遠紅外烘干機外型尺寸小，安裝簡便，維護費用低。

2.2.3 干燥效果好

使用遠紅外烘干機烘干，谷物內外同時受熱，可避免因內外受熱不均而導致谷物爆裂，能減少干燥過程中的營養(yǎng)成分的損失。利用遠紅外烘干機干燥后的谷物的含水量、細菌含量、霉菌含量較熱風干燥的谷物都有大幅度下降，能避免谷物在儲存過程中變質。將遠紅外干燥后的谷物再回火或者緩蘇處理，可以提升谷物品質，降低爆腰率[13]。

2.2.4 安全可靠，易于推廣

遠紅外干燥設備對人體傷害比較小，無污染。

3 遠紅外干燥技術與裝備研發(fā)現狀

3.1 循環(huán)型遠紅外谷物干燥技術

遠紅外干燥往往使用的是聯合干燥技術，即根據物料特性，將2 種或2 種以上干燥方式優(yōu)勢互補形成的一種復合干燥技術。利用遠紅外聯合干燥技術對玉米、小麥、稻米等谷物進行烘干，干燥能效更高，烘干所需的時間更短，干燥后的谷物品質更高，谷物脫水率大且爆腰率低[14-16]。

與傳統(tǒng)循環(huán)式干燥機相比，循環(huán)型遠紅外谷物干燥機在干燥大豆、稻米、小麥時，能耗更低，且干燥后的谷物外觀更好，保持了原有的色澤，爆腰率下降了2%以上，干燥后的谷物依然可以作為下一年的種子使用。將遠紅外輻射設備安置于豎箱式谷物烘干機的中心部位，讓谷物流經遠紅外輻射裝置兩側，配以氣流輔助，可以進一步提升干燥效率。該種設備不僅可以用于干燥谷物，還可以干燥果蔬，減少干燥過程中維生素的破壞以及營養(yǎng)成分的流失。相比于熱風烘干機，遠紅外聯合烘干機能耗和爆腰率都更低，而且干燥效率更高，干燥后的谷物口感更好[17-26]。

3.2 石墨烯遠紅外輻射技術

近幾年，人們發(fā)現石墨化的碳材料能在低功率密度的電能驅動下高效發(fā)射遠紅外線，因此被廣泛地應用于物料干燥領域。市面上已出現使用碳材料作為遠紅外發(fā)射元件的谷物烘干機，其工作原理是使谷物沿著烘干機內部的遠紅外輻射板的導流槽自然下滑，在谷物下滑的同時，用遠紅外輻射板發(fā)出的遠紅外線對谷物進行加熱干燥。圖3 為石墨烯遠紅外谷物烘干機干燥單元剖面圖。

圖3 石墨烯遠紅外谷物烘干機干燥單元剖面示意圖

得益于石墨烯在低溫下即可發(fā)射遠紅外線的特性，該新型柵板式遠紅外烘干機具有烘干體量大、烘干質量好和烘干效率高等優(yōu)點。技術優(yōu)勢如下：

1）石墨烯遠紅外干燥機比傳統(tǒng)熱風干燥機節(jié)能30%；

2）柵板間可以存留大量的物料，增加了設備的干燥體量；

3）遠紅外線能從谷物內部和表面同時開始加熱，加速谷物內部水分蒸發(fā)，提高脫水速率一倍以上，還能減少谷物因外層失水過快而造成的“爆腰”和龜裂等缺陷，保持物料的完整性，同時縮短了谷物緩蘇段的時間，提高干燥效率50%～70%；

4）輸糧輪可以精準控制谷物的流量，既可以防止谷物在干燥室的停留時間過短、干燥效率低的情況發(fā)生，也可以防止谷物在干燥室的停留時間過長而受損。

4 結語

我國糧食烘干技術和設備在過去的40 年中取得了長足的發(fā)展，但是仍然存在發(fā)展不平衡、使用成本高、自動化水平低等問題，需要政府相關部門出臺扶持政策，完善研發(fā)、投入和創(chuàng)新機制，加強人才隊伍建設，推動農機化全面、全程、高質量發(fā)展。