王延宏，劉愛(ài)民，馬忠高，劉俊龍

(1.陜西省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定推廣總站，陜西 西安710000； 2.袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410125； 3.平利縣電機(jī)制造有限公司，陜西 平利725000)

0 引言

我國(guó)是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，也是人口大國(guó)，糧食安全一直是國(guó)家十分重視的問(wèn)題。2019年全國(guó)糧食總產(chǎn)量66 384萬(wàn)t(其中谷物產(chǎn)量61 368萬(wàn)t)，而我國(guó)目前糧食機(jī)械化烘干比例僅10%～15%，相比于歐美的90%和日本的92%仍有很大差距[1-2]。這也意味著我國(guó)85%以上的糧食仍是依靠人工晾曬干燥，而每年因天氣因素烘干不及時(shí)、不充分導(dǎo)致的發(fā)霉、發(fā)芽等各類(lèi)損失高達(dá)5%左右，按2019年的全國(guó)糧食總產(chǎn)量換算，即有3 319.2萬(wàn)t的損失[3]。谷物機(jī)械干燥技術(shù)及設(shè)備的應(yīng)用和推廣，既是糧食生產(chǎn)全程機(jī)械化解決耕種收后的最后一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是提高糧食干燥品質(zhì)，保障糧食儲(chǔ)藏安全的重要途徑。

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，以家庭為單位的小規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式逐步被規(guī)?；霓r(nóng)業(yè)作業(yè)方式取代，人工晾曬受天氣、人員和場(chǎng)地的限制較多，糧食烘干也逐漸向規(guī)?；⒓s化和標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)械干制方向發(fā)展。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為的谷物干燥機(jī)這種“小、冷”農(nóng)機(jī)的重要作用也不斷凸顯。

1 谷物干燥機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

國(guó)外谷物干燥機(jī)械的研究起步于20世紀(jì)40年代，在50—60年代基本上實(shí)現(xiàn)了谷物干燥機(jī)械化；60—70年代谷物機(jī)械干燥實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化；70—80年代谷物機(jī)械干燥向高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、降低成本和計(jì)算機(jī)控制等方向發(fā)展；在90年代以后谷物干燥設(shè)備已經(jīng)達(dá)到系列化、標(biāo)準(zhǔn)化[4]。我國(guó)谷物干燥機(jī)的研制起步于新中國(guó)成立初期，以模仿前蘇聯(lián)、日本等烘干機(jī)為主，20世紀(jì)70年代后期國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)逐步開(kāi)展谷物干燥機(jī)的自主研發(fā)，主要應(yīng)用于大型國(guó)有農(nóng)場(chǎng)、糧庫(kù)及集體企業(yè)等；80年代以后，我國(guó)谷物干燥機(jī)開(kāi)始向多元化方向發(fā)展，谷物干燥技術(shù)和設(shè)備不斷走向成熟和完善[5]。

目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的各類(lèi)型谷物烘干機(jī)按照結(jié)構(gòu)型式可分為立式(塔式)、臥式和房式烘干機(jī)等；按照谷物與氣流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向可分為橫流、順流、逆流和混流等；按照烘干過(guò)程是否能一次性達(dá)到目標(biāo)水分，可分為連續(xù)式干燥和循環(huán)式干燥機(jī)等。國(guó)內(nèi)各類(lèi)谷物干燥中，北方玉米多采用高溫干燥技術(shù)，以混流塔式干燥機(jī)應(yīng)用為主；南方水稻和種子烘干則以低溫干燥為主，主要應(yīng)用橫流或混流循環(huán)立式烘干機(jī)，其中雜交水稻種子由于制種本身結(jié)實(shí)率低，需在成熟度80%左右時(shí)收割，脫粒后的種子成熟度差、水分高，多采用靜態(tài)臥(箱)式烘干機(jī)[6]。

總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的各類(lèi)烘干機(jī)均普遍存在高溫干燥爆腰率高、低溫干燥脫水速率低、循環(huán)干燥破損率高和循環(huán)立式干燥灰塵大等問(wèn)題。因此，基于上述問(wèn)題本文研究一種混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)，采用保溫控濕、混流通風(fēng)、靜態(tài)薄層堆積及大風(fēng)量持續(xù)烘干的技術(shù)方案，極大地提高了低溫烘干干燥效率低的問(wèn)題，有效降低了谷物干燥爆腰率增值，烘干過(guò)程中無(wú)機(jī)械損傷和灰塵污染，烘干整體效果與晾曬級(jí)相當(dāng)。

2 混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)

谷物在機(jī)械化干制過(guò)程中關(guān)注點(diǎn)最多的是干燥爆腰問(wèn)題，引起爆腰的主要原因在于烘干過(guò)程中谷物籽粒內(nèi)部水分?jǐn)U散與外部表面蒸發(fā)速度不一致，誘發(fā)應(yīng)力集中，導(dǎo)致谷物籽粒產(chǎn)生裂紋。避免烘干過(guò)程中出現(xiàn)爆腰，采用的手段：適當(dāng)降低表面蒸發(fā)速度，常規(guī)方法為降低熱風(fēng)溫度或流速；烘干過(guò)程對(duì)谷物進(jìn)行緩蘇，即暫時(shí)停止烘干，通過(guò)一定時(shí)間緩蘇，使得谷物內(nèi)部水分逐漸向表面擴(kuò)散，提高籽粒表面含水率。由此也說(shuō)明，谷物干燥過(guò)程中引起爆腰的主要因素為熱風(fēng)溫度和干燥速度。常規(guī)的谷物烘干機(jī)在保證適宜的熱風(fēng)溫度和干燥速度的條件下，均設(shè)置有緩蘇段。然而，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中增加緩蘇段，谷物緩蘇時(shí)間與干燥時(shí)間的比值一般在5∶1～8∶1，即每1 h實(shí)際最多僅有10 min在烘干，極大地影響了整體的烘干效率[7-8]。谷物在機(jī)械化干制過(guò)程中另一個(gè)重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題則是烘干過(guò)程破損率的問(wèn)題，籽粒破損的發(fā)生主要為谷物在干燥過(guò)程中倒料、循環(huán)產(chǎn)生機(jī)械損傷及籽粒間摩擦損傷。

2.1干燥原理

如圖1所示，混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)由烘干保溫房、干燥機(jī)體、熱風(fēng)爐、提升倒料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)5大部分組成。烘干保溫房與熱風(fēng)爐之間下部有進(jìn)風(fēng)通道，上部有出風(fēng)通道連通，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)的循環(huán)利用。提升機(jī)與烘干保溫房的干燥機(jī)體通過(guò)轉(zhuǎn)送機(jī)構(gòu)連接形成提升倒料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)谷物的進(jìn)出料和烘干過(guò)程中的循環(huán)倒料?？刂葡到y(tǒng)主要是對(duì)烘干保溫房?jī)?nèi)部溫濕度進(jìn)行有效控制，分階段控制排濕等，保證烘干全過(guò)程的控溫控濕。

該機(jī)實(shí)現(xiàn)了谷物干燥過(guò)程的全程“保溫控濕”，保溫即是在保證谷物在適溫下進(jìn)行烘干，控濕則是對(duì)烘干過(guò)程中的排濕進(jìn)行自動(dòng)控制。通過(guò)保溫控濕來(lái)有效提高谷堆溫度，增加烘干房?jī)?nèi)部熱風(fēng)濕度，協(xié)調(diào)谷物表面水分蒸發(fā)和內(nèi)部水分?jǐn)U散速度，一定程度上使得谷物籽粒內(nèi)外部脫水速率一致，有效降低谷物爆腰率增值。采用“混流通風(fēng)”的烘干方法，確保熱風(fēng)從多個(gè)方向穿過(guò)谷物帶走籽粒表面水分，既能提高烘干效率又能確保谷物烘干均勻度。谷物在烘干機(jī)體內(nèi)部采用靜態(tài)薄層堆積的方式，則是要求谷物在烘干全過(guò)程處于靜止?fàn)顟B(tài)，有效地避免了烘干過(guò)程中的各種機(jī)械損傷及籽粒間摩擦損失，避免谷物在頻繁循環(huán)倒料過(guò)程中的粉塵污染。薄層堆積則進(jìn)一步保障熱風(fēng)能夠有效穿透谷層，提高烘干效率和效果。烘干全程采用大風(fēng)量持續(xù)烘干的方式，彌補(bǔ)了谷物靜態(tài)堆積干燥烘干效率低于循環(huán)式烘干的不足，大大地提高烘干效率。保溫房式結(jié)構(gòu)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了烘干過(guò)程中熱風(fēng)的循環(huán)利用，極大地提高熱能利用率，降低了谷物干燥成本。

混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)通過(guò)混流通風(fēng)、薄層和大風(fēng)量等方式提高了烘干效率和烘干均勻度，以靜態(tài)堆積的方式有效降低烘干損失率，以保溫控濕來(lái)減小谷物爆腰率增值，持續(xù)烘干使得烘干全程無(wú)緩蘇段，進(jìn)一步提高了烘干效率。另外，該機(jī)最大的亮點(diǎn)在于通過(guò)保溫控濕基本解決了谷物干燥多年未解決的內(nèi)外部同步脫水的問(wèn)題。

2.2試驗(yàn)應(yīng)用

2.2.1稻谷

2017—2019年，混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)在陜西省安康市平利電機(jī)制造有限責(zé)任公司先后進(jìn)行了23批次同等條件下的稻谷烘干對(duì)比試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)干燥機(jī)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。試驗(yàn)通過(guò)晾曬、橫流循環(huán)立式干燥機(jī)和混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)3種干燥方法及設(shè)備進(jìn)行干燥爆腰率、破損率、干燥時(shí)長(zhǎng)和脫水速率等對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

通過(guò)表1可知，混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)干燥稻谷與橫流循環(huán)立式干燥機(jī)相比，干燥總時(shí)長(zhǎng)減小一半左右，脫水速率提高1倍以上；爆腰率和破損率與晾曬級(jí)相當(dāng)，遠(yuǎn)低于橫流循環(huán)立式干燥機(jī)，在采用同等燃料(生物質(zhì)、煤)條件下，烘干成本更低。

2.2.2雜交水稻種子

種子烘干與糧食烘干的要求不盡相同。種子烘干是要盡可能地保持種子高活力和低破損率，并且實(shí)現(xiàn)安全快速干燥。2019年，在袁隆平農(nóng)業(yè)高科技股份有限公司海南東方市、湖南遂寧和武岡市等制種基地進(jìn)行了雜交水稻種子機(jī)械化干制對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)分別采用橫流循環(huán)立式干燥機(jī)、靜態(tài)臥式干燥機(jī)、混流循環(huán)立式干燥機(jī)和混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)對(duì)晶兩優(yōu)534、廣兩優(yōu)1128、夢(mèng)兩優(yōu)黃莉占、隆香優(yōu)華占、Y兩優(yōu)1928和隆兩優(yōu)56等品種雜交水稻種子進(jìn)行了機(jī)械化干制效果和效率測(cè)試分析。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，各型烘干機(jī)在干燥雜交水稻種子方面其發(fā)芽率基本能夠?qū)崿F(xiàn)與晾曬級(jí)相當(dāng)，然而在干燥效率方面混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)明顯優(yōu)于其他類(lèi)型干燥設(shè)備。

同樣，2019年在隆平高科制種基地，又進(jìn)一步對(duì)混流循環(huán)立式干燥機(jī)和混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)兩種干燥設(shè)備進(jìn)行了烘干成本對(duì)比分析，烘干物料選取同等條件下的雜交水稻種子。其對(duì)比結(jié)果如表3所示。

由表3可以直觀地看到，混流循環(huán)立式干燥機(jī)與混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)在烘干雜交水稻種子中，兩

表2 不同干燥機(jī)械干燥雜交水稻種子效率測(cè)試

表3 兩種烘干機(jī)烘干成本對(duì)比

種烘干機(jī)單位質(zhì)量干燥成本基本均在(0.09±0.015) 元kg，單位脫水成本為0.005元(kg·%)。然而值得注意的是，試驗(yàn)過(guò)程中混流循環(huán)立式干燥機(jī)的燃料為煤，混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)的燃料為生物質(zhì)，而生物質(zhì)的燃燒熱值低于煤，且單價(jià)成本更低。另外，生物質(zhì)燃料的著火性能優(yōu)于煤，易于點(diǎn)火，大大縮短了火力啟動(dòng)時(shí)間，其燃燒過(guò)程中對(duì)大氣污染和鍋爐腐蝕要遠(yuǎn)低于煤，而且燃燒后的固體排放量更少更易處置。因此，在實(shí)際應(yīng)用中混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)采用生物質(zhì)燃料進(jìn)行谷物干燥即可達(dá)到其他燃煤型烘干機(jī)熱能利用率，更易受到廣大農(nóng)戶(hù)的認(rèn)可。

2.3客觀評(píng)價(jià)

混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)是在充分研究谷物干燥技術(shù)和各類(lèi)烘干設(shè)備基礎(chǔ)上，針對(duì)谷物機(jī)械化干燥存在的實(shí)際問(wèn)題，在谷物干燥方法和設(shè)備結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新，形成的一種全新的谷物干燥設(shè)備。該干燥機(jī)在技術(shù)性能、使用效果、能源利用和節(jié)本增效等各方面均具有更為突出的表現(xiàn)。混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)與傳統(tǒng)型烘干機(jī)的優(yōu)勢(shì)對(duì)比如表4所示。

表4 混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)優(yōu)勢(shì)對(duì)比

2020年，混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)經(jīng)陜西省農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)總站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，其干燥谷物的籽粒脫水速率為1.3%h，爆腰率≤0.01%，籽粒破損率≤0.02%；干燥水稻種子的脫水速率為0.9%h；經(jīng)湖南湘種檢驗(yàn)檢測(cè)有限公司檢測(cè)，該干燥機(jī)干燥雜交水稻種子的發(fā)芽率和破損率與自然晾曬級(jí)相當(dāng)。

3 結(jié)論

(1)混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)采用保溫房式結(jié)構(gòu)，能夠有效地對(duì)谷物干燥全過(guò)程進(jìn)行保溫控濕和熱風(fēng)循環(huán)利用，通過(guò)保溫控濕技術(shù)能夠快速提高谷物堆體溫度，提高籽粒脫水速率，同樣基本解決了谷物籽粒內(nèi)外部同步脫水的問(wèn)題，有效降低了谷物烘干爆腰率增值；熱風(fēng)循環(huán)利用進(jìn)一步提高了干燥機(jī)熱能利率，提高了干燥效率，降低了谷物干燥成本。

(2)混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)大風(fēng)量持續(xù)烘干，烘干全程無(wú)緩蘇段，極大地提高了谷物的干燥效率，同等條件下谷物干燥周期為傳統(tǒng)烘干機(jī)的一半。

(3)混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)在烘干過(guò)程中谷物基本全程靜態(tài)堆積，有效地降低了烘干過(guò)程中谷物破損率，也避免了傳統(tǒng)塔式循環(huán)機(jī)內(nèi)部谷物籽粒頻繁循環(huán)流動(dòng)帶來(lái)的摩擦損傷和粉塵污染。

(4)混流靜態(tài)房式谷物干燥機(jī)經(jīng)過(guò)與多種類(lèi)型烘干機(jī)、人工晾曬進(jìn)行多批次的對(duì)比試驗(yàn)，并經(jīng)相關(guān)第三方檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)，其各項(xiàng)性能指標(biāo)明顯優(yōu)于同類(lèi)型烘干設(shè)備。