翟步順 王洵 李雯雯 繆磊

0 引言

2020年以來(lái)，江蘇省加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程全面機(jī)械化，糧食烘干機(jī)保有量快速增長(zhǎng)，產(chǎn)地烘干能力持續(xù)上升，為實(shí)現(xiàn)糧食安全生產(chǎn)提供了有力支撐。但由于早期烘干機(jī)的供熱設(shè)備以燃煤型熱風(fēng)爐為主，烘干過(guò)程中存在環(huán)境污染問(wèn)題。為推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，2021年江蘇省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳出臺(tái)了《關(guān)于鼓勵(lì)推廣空氣源熱泵等綠色清潔糧食烘干裝備與技術(shù)的意見(jiàn)》，加快糧食烘干設(shè)備節(jié)能環(huán)保升級(jí)改造和清潔熱源替代，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率先碳達(dá)峰。

泰州市姜堰區(qū)現(xiàn)有糧食烘干點(diǎn)133家，共有糧食烘干設(shè)備743臺(tái)。2020-2021年，該區(qū)通過(guò)改造糧食烘干機(jī)現(xiàn)有的燃煤型熱風(fēng)爐，推廣應(yīng)用熱泵型糧食烘干機(jī)140臺(tái)，并以點(diǎn)帶面實(shí)現(xiàn)了全區(qū)燃煤糧食烘干機(jī)綠色清潔熱源替代改造全覆蓋。為驗(yàn)證以空氣源熱泵為熱源的糧食烘干機(jī)的適應(yīng)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，該區(qū)組織開(kāi)展ARBRF-130Ⅱ熱泵熱風(fēng)機(jī)組試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，空氣源熱泵糧食烘干設(shè)備可節(jié)約能源和用工成本，減少燃煤使用量，提高糧食烘干效率和品質(zhì)，值得推廣應(yīng)用。

1 試驗(yàn)設(shè)備

1.1 機(jī)具參數(shù)

試驗(yàn)機(jī)具為江蘇奧斯康新能源有限公司研發(fā)的ARBRF-130Ⅱ型熱泵熱風(fēng)機(jī)。該機(jī)主要是由熱泵主機(jī)、風(fēng)口換熱器和電氣控制系統(tǒng)三部分組成，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 ARBRF-130Ⅱ型熱泵熱風(fēng)機(jī)主要參數(shù)

1.2 工作原理

空氣源熱泵熱風(fēng)機(jī)由用熱側(cè)換熱設(shè)備、熱源側(cè)換熱設(shè)備及壓縮機(jī)等組成。工作原理：以環(huán)境空氣中的熱量為低溫?zé)嵩?，用電能?qū)動(dòng)壓縮機(jī)，通過(guò)冷凝器或蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換來(lái)收集熱量，經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)將熱量轉(zhuǎn)移到糧食烘干機(jī)內(nèi)，達(dá)到烘干糧食的目的。工作流程見(jiàn)圖1。糧食烘干時(shí)，環(huán)境空氣溫度一般都在0～35℃之間，制熱量與運(yùn)行功率之比為3～6。

圖1 熱泵型糧食烘干機(jī)工作示意圖

1.3 功能特點(diǎn)

空氣源熱泵具有除濕功能，當(dāng)外部環(huán)境氣溫較高且濕度也較大時(shí)，熱泵先行吸除進(jìn)風(fēng)中部分水分，再把剩余空氣加熱到設(shè)定溫度，最終將干燥熱風(fēng)送到烘干機(jī)進(jìn)行烘干，保證烘干機(jī)的烘干速度不受環(huán)境濕度升高的影響。熱泵熱風(fēng)機(jī)還兼?zhèn)渥詣?dòng)除霜、輔助電加熱功能，可滿(mǎn)足低溫工況要求。

1.4 烘干系統(tǒng)

空氣源熱泵糧食電烘干系統(tǒng)由空氣源熱泵和糧食烘干機(jī)組成，通過(guò)空氣源熱泵產(chǎn)生熱風(fēng)，為糧食烘干機(jī)提供熱源。試驗(yàn)機(jī)具ARBRF-130Ⅱ型熱泵熱風(fēng)機(jī)匹配的是江蘇天禹農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的TY12糧食烘干機(jī)。

2 試驗(yàn)情況

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)時(shí)間為2021年10月22-24日。試驗(yàn)地點(diǎn)在泰州市姜堰區(qū)大倫鎮(zhèn)朱宣村。環(huán)境溫度22～25℃，環(huán)境相對(duì)濕度42%～45%RH。試驗(yàn)用糧食為粳稻9108。

2.2 試驗(yàn)依據(jù)

試驗(yàn)主要依據(jù)：GB/T 5667-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法》、GB/T 18836-2017《風(fēng)管送風(fēng)式空調(diào)（熱泵）機(jī)組》、GB/T 20109-2006《全新風(fēng)除濕機(jī)》、GB 18430.2-2001《蒸氣壓縮循環(huán)冷水（熱泵）機(jī)組戶(hù)用和類(lèi)似用途的冷水（熱泵）機(jī)組》、GB/T 6970-2007《糧食干燥機(jī)試驗(yàn)方法》。

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

6臺(tái)空氣源熱泵烘干機(jī)同時(shí)作業(yè)。其間，準(zhǔn)確測(cè)定烘干批次、每工作日進(jìn)機(jī)濕糧質(zhì)量、進(jìn)機(jī)濕糧水分、出機(jī)干糧水分、出機(jī)干糧質(zhì)量、耗電量、人工成本及其他物料開(kāi)支。通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證以空氣源熱泵為熱源的糧食烘干機(jī)的適應(yīng)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，為節(jié)能環(huán)保型糧食烘干機(jī)的推廣提供技術(shù)支撐。

2.4 試驗(yàn)程序

按照糧食烘干機(jī)操作程序進(jìn)行試驗(yàn)。

2.4.1 進(jìn)糧

1）啟動(dòng)進(jìn)糧程序，記錄進(jìn)糧開(kāi)始時(shí)間；

2）計(jì)量進(jìn)機(jī)濕糧質(zhì)量；

3）檢測(cè)記錄進(jìn)機(jī)濕糧含水率；

4）記錄烘干機(jī)裝滿(mǎn)糧食的時(shí)間。

2.4.2 干燥

1）啟動(dòng)循環(huán)干燥作業(yè)程序，記錄干燥作業(yè)開(kāi)始時(shí)間；

2）定時(shí)檢測(cè)記錄（至少5次）或自動(dòng)檢測(cè)記錄熱風(fēng)溫度；

3）定時(shí)檢測(cè)記錄（至少5次）或自動(dòng)檢測(cè)記錄環(huán)境溫度、濕度；

4）降到設(shè)定水分時(shí)，記錄干燥結(jié)束時(shí)間，統(tǒng)計(jì)用電量以及用工成本，并計(jì)算每小時(shí)耗電量。

2.4.3 冷卻

1）啟動(dòng)冷卻（通風(fēng)循環(huán)）程序，記錄冷卻開(kāi)始時(shí)間；

2）冷卻到規(guī)定糧溫時(shí)，記錄冷卻結(jié)束時(shí)間，統(tǒng)計(jì)耗電量，并計(jì)算每小時(shí)耗電量。

2.4.4 排糧

1）啟動(dòng)排糧程序，記錄排糧開(kāi)始時(shí)間；

2）人工或自動(dòng)計(jì)量出機(jī)干糧質(zhì)量；

3）檢測(cè)記錄出機(jī)干糧含水率；

4）排空干燥機(jī)內(nèi)糧食，記錄排糧結(jié)束時(shí)間，統(tǒng)計(jì)耗電量。

2.5 試驗(yàn)過(guò)程

烘干時(shí)間共計(jì)11個(gè)小時(shí)20分鐘，6臺(tái)烘干機(jī)干燥處理量為69 t/次。熱泵干燥裝置溫度、濕度操控體系通過(guò)收集干燥室內(nèi)的溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物料表面溫度及其空氣中的濕度，判別新風(fēng)量及其循環(huán)空氣情況，最終操控?zé)岜皿w系中壓縮機(jī)及其風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，將糧食水分從22.5%干燥到14.5%。

2.6 試驗(yàn)結(jié)果

空氣源熱泵提供的熱風(fēng)溫度可達(dá)70℃以上，干燥過(guò)程中熱風(fēng)溫度穩(wěn)定保持在65℃，糧食溫度低于40℃，所有溫度振幅偏值均小于1.1%，試驗(yàn)烘干用電期間用電量平穩(wěn)，無(wú)明顯電能損耗。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 投入成本分析

安裝6臺(tái)12 t糧食烘干機(jī)（服務(wù)種植面積333.33 hm2以上）投入成本如下：

1）機(jī)具投入成本?？諝庠礋岜檬袌?chǎng)價(jià)格約80 000元/臺(tái)，扣除農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼20 000元/臺(tái)，6臺(tái)空氣源熱泵的實(shí)際投資為360 000元。

2）電力增容。因技術(shù)改造增加用電容量約400 kW，約需基礎(chǔ)工程、設(shè)施改造費(fèi)用160 000元?？諝庠礋岜锰娲夹g(shù)改造投資約520 000元。不同熱源的烘干機(jī)組（6臺(tái)）投入成本對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 投入成本對(duì)比 單位：元

3.2 用能成本分析

在同等條件下，烘干1 t糧食（糧食水分從30%烘干到14.5%）需要熱量8.37×105kJ。采用空氣源熱泵電烘干技術(shù)約需電能70 kW·h，按農(nóng)業(yè)生產(chǎn)電價(jià)0.53元/（kW·h）計(jì)算，用能成本約37.1元。采用燃煤烘干技術(shù)約需煤炭61.5 kg，按煤炭?jī)r(jià)格2.2元/kg計(jì)算，用能成本約135.3元。采用燃油烘干技術(shù)約需0號(hào)柴油21.8 L，按7.17元/L計(jì)算，用能成本約156.3元。采用生物質(zhì)燃料烘干技術(shù)約需生物質(zhì)燃料55.6 kg，按1.1元/kg計(jì)算，用能成本約61.16元。采用天然氣烘干技術(shù)約需天然氣26.1 m3，按3.2元/m3計(jì)算，用能成本約83.5元。采用純電加熱烘干技術(shù)約需電能244.8 kW·h，用能成本約129.74元。不同熱源烘干機(jī)用能成本對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 用能成本對(duì)比 單位：元/t

3.3 作業(yè)成本分析

以安裝6臺(tái)12 t糧食烘干機(jī)為例：每年麥季烘干時(shí)間為10 d，可烘干小麥1 000 t；每年稻季烘干時(shí)間為30 d，可烘干水稻2 000 t。不同熱源烘干機(jī)的作業(yè)成本見(jiàn)表4。

表4 作業(yè)成本對(duì)比 單位：元/年

3.4 烘干損失成本分析

空氣源熱泵出風(fēng)溫度最高不超過(guò)60℃（溫差不超過(guò)3℃），水分控制比較精確，糧食干燥度較為均勻，烘干出米率在70%以上，比燃煤、生物質(zhì)熱風(fēng)爐烘干高出2%，烘干損失較少。

4 結(jié)論

空氣源熱泵采用封閉式熱泵循環(huán)干燥形式。工作時(shí)，干空氣將糧食烘干機(jī)內(nèi)濕谷物水分帶走，濕空氣經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器降溫除濕后，排出水分，再經(jīng)冷凝器加熱，進(jìn)入糧食烘干機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)廢熱的回收與循環(huán)利用，能大幅度降低干燥能耗；同時(shí)，整個(gè)干燥過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了污染物的零排放，有利于大氣污染防治和環(huán)境保護(hù)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，空氣源熱泵能滿(mǎn)足泰州地區(qū)糧食烘干生產(chǎn)技術(shù)要求，可節(jié)約能源和用工成本，提高糧食烘干效率和品質(zhì)，值得推廣應(yīng)用。