粮食干燥技术的应用及发展趋势

任广跃 张忠杰 朱文学 段 续

(河南科技大学食品与生物工程学院1,洛阳 471003)

(国家粮食局科学研究院2,北京 100037)

粮食干燥技术的应用及发展趋势

任广跃1张忠杰2朱文学1段 续1

(河南科技大学食品与生物工程学院1,洛阳 471003)

(国家粮食局科学研究院2,北京 100037)

介绍了目前应用于粮食干燥的处理技术和工艺方法,全面分析了常压热风干燥、低温真空干燥、就仓干燥、热泵干燥、太阳能干燥、微波干燥、红外辐射干燥以及联合干燥在实际生产应用中的优势及不足,并对其发展趋势进行评价。在分析新能源利用技术、联合干燥技术及传统干燥节能减排等技术的基础之上,综合考虑干燥成本 (能耗)、干燥效率、干燥品质及干燥设备等各方面因素,指出今后粮食干燥技术的发展应着力于开发天然绿色能源及低能耗、低成本的新型节能减排联合干燥技术。

粮食 干燥技术 联合干燥 发展趋势

我国是世界上人口最多的国家,粮食数量安全和质量安全是关系国计民生的重大战略问题。确保我国粮食安全,不仅是实现国民经济又好又快发展的基础,而且是促进社会稳定和谐的重要保障。国家统计局在“关于 2009年全国粮食总产量的公告”中指出 2009年我国粮食产量达到 5 308亿公斤,实现连续 6年增产。依据《国家粮食安全中长期规划纲要 (2008-2020年)》,到 2020年全国粮食产量还需新增 500亿公斤,以确保国家粮食安全[1]。然而,我国粮食产后机械化干燥程度较低,粮食干燥机械化水平一直处于 1%左右[2],每年全国采用机械化烘干粮食不足 4 000万吨,粮食自然晾晒依然占据主流,受气候等因素影响导致收获后的大量粮食品质得不到保障,损害了广大农户和粮食企业的利益。近年来随着联合收割机跨区作业的普及和玉米等大宗粮食作物机械化收获技术的快速发展,短时间内收获的大量水分含量高的粮食因得不到及时干燥而易发热霉变,不易长期储藏和加工,在公路上摊晒又容易引发交通事故且造成粮食的二次污染。粮食机械化、规模化干燥消耗大量的能源,节能减排任重道远。因此,研发适合我国国情的粮食保质快速干燥技术装备,具有重要的现实意义和广阔的市场前景。

对粮食干燥处理技术和工艺方法进行综合分析,并对其在实际应用中的优势、不足及发展趋势进行评价,以期加强粮食干燥技术的研究和推广应用,对粮食干燥理论的发展和推广应用提供借鉴。

1 粮食干燥技术分析

目前粮食产后的机械干燥方法主要有常压热风干燥、低温真空干燥、就仓干燥、热泵干燥、太阳能干燥、微波干燥、红外辐射干燥以及联合干燥等。热风对流干燥依然是大宗粮食常用的干燥方法,经过几十年的发展应用,其干燥产品质量有了进一步提高;先进的真空干燥、低温干燥等技术虽然能显著提高粮食产品的品质,但存在着设备和运行成本偏高的问题,极大地制约了先进技术装备的推广应用。从国内外干燥技术的发展情况来看,常规的单一模式干燥技术装备在应用过程中存在着瓶颈问题,粮食干燥领域发展的趋势是研究节能减排技术和优化组合干燥技术及其装备,以降低能耗、提高干燥效率和粮食品质。

1.1 热风干燥

热风干燥是传统的干燥技术,也是目前应用最为广泛的粮食干燥方法。热风干燥采用具有一定温度的热空气,经过所要干燥的粮粒表面以除去粮食中的水分。目前,我国蔬菜脱水工业 90%采用的是常压热风干燥[3],生产实践中常用的粮食机械干燥设备,仍以对流传热干燥方式为主[4]。热风干燥可分为连续式和批式干燥两大类,其热源燃料大部分采用煤炭,也有少部分利用生物质秸秆、稻壳及燃油等。在粮食热风干燥中,应用较多的是顺流干燥、顺混流干燥和流化床干燥等干燥方式。

热风干燥操作简单,成本低廉,干燥速度较快,在较高工作温度环境下其效能较高,但因干燥处理温度高,造成部分粮粒热损伤,其色香味和营养成分遭到破坏,产品档次降低,不适宜高品质粮种或类型的干燥;而在较低工作温度环境下热风干燥热效率大受影响,能源利用率较低,经济效益指标下降。

1.2 低温真空干燥

低温真空干燥处理是根据粮食水分沸腾蒸发温度的高低随环境压力大小而变化的原理,利用蒸汽射流真空技术形成具有一定真空度的空间,在真空低温状态下连续对含水率高的粮食进行脱水干燥。作业时粮食内外温度梯度小,由逆渗透作用使得粮食中的水分独自移动,克服了溶质散失现象。保证粮食烘后原有的色、香、味,营养成分、品质基本不变,便于储藏、运输和销售。该方法具有处理量大、降水幅度高、操作灵活、使用方便等优点。其不足之处是设备一次性投资大,当前的塔形连续式真空干燥设备在干燥仓内无导向装置,被干燥物料在仓内无法横向交叉流动,仓体结构保温性、密封性要求高,干燥后的粮食品质稳定性难以确保。此外,由于真空干燥的汽化沸点低、干燥温度低,氧气含量只有常压干燥的 1/20,可用于粮食种子的干燥[5]。

1.3 就仓干燥

就仓干燥是将自然空气或加热空气作为干燥介质,对仓内高水分粮食进行强制机械通风处理。其优点是粮食收获后即可入仓,减少仓外晾晒、烘干等环节,可最大限度地保持粮食品质,一次性处理数量大,适合大批量、规模化干燥处理。

就仓干燥技术在国外发展较快,我国虽然也早有探索,但国内约 80%的储粮仓型为房式仓,因其占地面积、体积较大,致使输送机械设备配套困难且严重不足,加之受通风、数控等相关技术发展水平的制约,使之难以达到规模应用[6]。目前,适合我国房式仓储粮形式的移动式立体就仓通风干燥技术已经在部分地区投入实际应用,该成套设备采用组合方式,移动安装方便,可以设备移动代替粮堆移动,设备一次投资,可多次多仓使用。

1.4 热泵干燥

热泵技术是从低温热源吸收热量,使其在较高温度下放出可利用热量的技术,是一种节能效果明显而又切实可行的新型干燥技术。利用制热工质在蒸发器中减压蒸发,从干燥尾气中回收利用余热,而气态工质再经压缩机压缩后进入冷凝器,在较高温度下冷凝释放出潜热预热新鲜空气,使干燥介质得到比废气温度还高的温度,达到干燥物料的目的[3]。在国外,热泵干燥技术已广泛应用于谷物、果蔬、水产品等物料的加工过程。我国热泵干燥技术的研究起步于 20世纪 80年代,近年来,虽然热泵干燥技术的研究也有一定的进展,但在粮食规模化应用方面还没有取得实际性突破。热泵干燥技术的最大特点在于低水分干燥阶段发挥最大效能,节能效果好,但物料干燥时间较长 (12～16 h/批)[7]。

1.5 太阳能干燥

太阳能干燥是利用太阳辐射的热能,将湿物料中的水分蒸发除去的干燥技术,属于可持续发展的“绿色”干燥技术。太阳能储量相当丰富,到达地球表面的太阳辐射能量约为 8.5×1016W,这个数量相当于目前全世界总发电量的几十万倍。我国大部分地区太阳能辐射量较大,2/3的国土年辐射时间超过2 200 h,年辐射总量超过 5 GJ/m2[8-9]。利用太阳能进行粮食干燥一般有两种方式,一是以空气或水为介质,在有阳光照射的情况下利用太阳能热水器可以将水温加热到 98℃,再利用热水介质来干燥物料;二是建立暖房,将被干燥物料置于暖房内干燥。太阳能干燥最大的不足是受天气状况的影响大,且一次性投资较大。

1.6 微波干燥

无论是日光、热风等传统干燥方法还是比较先进的真空冷冻及热泵干燥方法,它们的传热机理均是基于对流或传导加热,热量是从外部向内部逐渐传递,因此干燥时间普遍较长。微波是指频率为 300 MHz～300 GHz、波长为 1 mm～1 m的电磁波。其干燥原理是依靠高频电磁波引发干燥物料内水等极性分子的运动,使物料内的水等极性分子按微波频率作同步旋转和摆动。水等极性分子高速旋转的结果,使物料内部瞬时产生摩擦热,导致物料内部和表面同时升温,使大量的水分子从物料中蒸发逸出,从而达到干燥的目的[10]。微波具有加热速度快、干燥时间短、选择性好、能源利用率高和便于控制等优点,但单纯使用微波进行粮食干燥时,因其穿透粮层厚度较薄,为防止能量的泄漏,其连续化、规模化粮食干燥应用受到一定限制。

1.7 红外辐射干燥

红外光是介于可见光与微波之间的电磁波,波长在 0.75～1 000μm之间。红外辐射具有传递热效率高、加热时间短、工作环境洁净、设备噪音低、节约能源、装置紧凑、便于自动化,无污染、易吸收等优点,而且能够较有效地避免或减少“爆腰”现象[11-13]。红外干燥与热风干燥相比,其干燥时间可缩短 1/30～1/10,能耗可降低 1/3～1/2,干燥设备长度可缩短到原来的 1/10,温度可精确控制在 ±0.01～±0.001之间[3]。但实际应用中红外辐射处理量较少,特别是大型红外粮食干燥机比较少见。

1.8 联合干燥

联合干燥的研究是近几年发展起来的,研究人员进行了多种联合干燥技术的探索和研究,如微波-热风干燥联合[14-15]、射频 -流化床干燥联合[16]、太阳能 -热泵干燥联合[17]、塔式 -就仓干燥联合等。联合干燥就是根据物料的干燥特点,集成两种或两种以上的干燥技术装备,实现节能、保质和高效干燥效果。例如微波真空联合干燥,采用真空可以降低水的蒸发温度,使物料在较低的温度下快速蒸发,同时还可避免氧化,改善了干燥品质。因此,将微波技术与真空技术相结合就成为一项极具发展前景和实用价值的新技术。它不仅具有干燥速度快、时间短、物料温度低、色、味及有效成分保留好等优点,而且参数容易控制,能干燥多种不同类型的物料。

2 粮食干燥技术展望

综合粮食干燥技术而论,在考虑干燥成本 (能耗)、干燥效率、干燥品质及干燥设备等各方面因素,可以确定联合干燥技术,特别是基于微波处理的各种联合干燥技术以及具有明显节能效果的基于天然能源及热泵的联合干燥技术是最适合、最具有发展潜力的有效干燥方法,也最具有工业化应用前景。

2.1 基于太阳能 -秸秆生物质能联合干燥技术

在石化能源日趋枯竭的情况下,寻求可再生能源和能源的多元化已成为世界发展大势。生物质能源是人类能够长久依赖的未来能源,其储量丰富、且可再生利用。生物质能源的大力开发,对改善我国的能源结构,改变能源的生产方式和消费方式有重要意义。同时,生物质作为能源资源比石油、煤炭、天然气等燃料,在减少有害气体排放方面具有更大的优越性,因生物质中的含硫量为 0.01%～0.1%,远低于煤中含硫量 (0.5%～1.5%)[18]。

我国生物质秸秆资源总量约 7.2亿吨,其中麦秸、稻草、秸秆约 5亿吨。近几年秸秆资源以年均1.4%的速度增长。在总农作物秸秆中,还田和收集损失约占 16.2%,饲用占 28.1%,造纸原料占2.1%,可用作能源的为 53.6%[19]。太阳能和秸秆生物质能联合方式干燥粮食,将天然太阳能和生物质秸秆资源有效利用结合起来,可使太阳能利用不再受限于天气状况。

2.2 基于微波处理 -热风联合干燥技术

微波处理 -热风联合干燥技术在未来几年的研究将侧重于微波场均匀性、微波系统性能整体优化及热风干燥节能工艺的研究。具体的研究方向可能分布于微波功率源的优化组合及微波能传输系统、微波功率的连续稳定输出、微波能传输损耗、干燥参数 (输送速度、温度、时间、微波场强等)组合工艺以及干燥过程对产品质量的影响规律等方面。如优化微波源馈能装置、微波干燥室结构、耦合口及其排列方式、配合模式互补馈能、定向耦合及可变衰减技术、微波泄漏安全等。

2.3 基于热泵低温除湿 -热风联合干燥技术

热泵低温除湿 -热风联合干燥技术,一般在干燥前期采用热泵低温 (30～45℃)脱水,后期采用热风 (50～60℃)对流干燥,将热泵低温干燥技术节能环保、干燥品质高的优势与热风对流的低成本、高效率的长处结合起来。其研究将侧重于回热型多级除湿热泵干燥技术及其配套装备,利用运行工况不同的两组 (或以上)热泵系统串联除湿,干燥介质依次流经高温和低温蒸发器、低温和高温冷凝器,经过蒸发器时空气温度逐级递减,经过冷凝器时空气温度则逐级递增。通过多级热泵配置,降低系统换热的能量损失,从而提高热泵压缩机的制冷效率。研究内容主要有优化热泵干燥工艺参数 (干燥介质流速、温度、湿度)与干燥特性的关系、建立回热器换热面积、多级蒸发器 (冷凝器)面积与热泵制冷效率及运行参数间的关系、实现余热回收及节能干燥等。

2.4 传统干燥节能减排技术

目前,传统干燥节能减排技术主要有改进燃烧炉的结构、提高燃煤燃烧效率、强化换热器换热效率、减少散热损失、回收余热废气、避免粮食的过分干燥、采用优化的干燥工艺 (如组合工艺、多级干燥工艺及干湿粮混合工艺)等。

“顺流 -逆流 +缓苏”的组合干燥工艺法,就是将干燥工艺进行了有效地优化。该工艺中可根据粮食受热温度实行“分段变温干燥”,各干燥段之间设有缓苏段,“干燥 -缓苏”交替进行。干燥初始,粮食水分较高,利用顺流干燥风温高的特点,粮食流向与热水流一致,温度最高的热水管道首先和水分最高、温度最低的粮食接触,热效率高,降水效果好;干燥后期,由于粮食水分较低,粮食温度已有一定程度的升高,若继续采用顺流高温干燥,则热效率低、降水效果差且对产品品质不利;此时改用逆流干燥,粮食流向与热风方向相反,温度最高的空气首先和水分最低、温度最高的粮食接触,热效率高,起到了节能作用并且降水效果好[18,20]。

此外,各类粮食联合干燥中传质传热的理论研究(例如如何引导和利用粮食中客观存在的热势、湿势和生化势,使之成为传质传热的有效动力)、联合干燥模型模拟以及干燥过程可控技术的研究的也是未来研究的方向。

3 结束语

目前,国内对粮食干燥技术和设备的研究非常分散,没有形成一个立体化的系统,各科研院所、高等院校以及企业大多是只针对某一特定的粮食产品或者技术进行实验室规模的研究。当前急需解决的问题是如何能迅速降低粮食干燥操作成本、在节能减排的同时,又能提高干燥产品的品质。因此,天然绿色能源及低能耗、低成本的新型联合干燥关键技术的研究与示范,将引领粮食干燥的时尚潮流,对促进我国粮食丰产丰收及农产品加工增值等均具有重要的意义。

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Application and Development Trend of Grain Drying Technique

Ren Guangyue1Zhang Zhongjie2ZhuWenxue1Duan Xu1
(College of Food and Bioengineering,Henan University of Science and Technology1,Luoyang 471003)
(Academy of State Administration of Grain2,Beijing 100037)

Grain drying techniques and methods are introduced.The advantage and disadvantage in the practical application for hot-air drying,low-temperature vacuum drying,in-store drying,heat pump drying,solar-drying,microwave drying,far-infrared radiation drying and combined-drying are analyzed comprehensively,and the devel2 opment trend of these drying techniques and methods are reviewed.New energy utilization,combined-drying and the techniques of energy-saving and pollutant-reducing of traditional drying are analyzed,at the same time,drying cost(power consumption),drying efficiency,drying quality and drying equipment are considered comprehensively.It is re2 vealed that new natural green energy,low power consumption,low cost and combined-drying techniques are the de2 velopment direction of grain drying.Energy-saving and pollutant-reducing drying technologies will be popular in the future.

grain,drying technique,combined-drying,development trend

S226.6

A

1003-0174(2011)02-0124-05

国家科技支撑计划 (2009BADA0B03),河南省重点科技攻关计划(092102110023),河南科技大学科学研究基金(2008ZY040)

2010-03-02

任广跃,男,1971年出生,博士,副教授,农产品干燥技术