广东省粮食干燥机械化装备技术发展研讨

李长友

（华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642）

广东省粮食干燥机械化装备技术发展研讨

李长友

（华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642）

广东粮食干燥理论及关键技术研究居国内领先，多项技术已走到国际前沿，但新技术产品的产业化应用步伐相对比较缓慢，主要原因是缺乏有技术实力的制造企业，社会资金与流动性过剩，农村缺少投资渠道，没有形成有效的推广机制。受粮食干燥设备一次性投入多，农民购买力有限，市场行为不规范等多种因素的影响，推广粮食机械化干燥新技术存在很大困难，需要政府从政策上给予扶持。建议政府部门把粮食产地干燥成套新技术纳入农村的农业生产基础设施建设的范畴，通过公益性示范、技术培训和推广展示等途径，推进新技术产品的产业化应用。

粮食 机械化干燥 发展模式 推广机制

0 引言

广东省是粮食生产和消费的大省。2011年，全省水稻总播种面积为194万hm2，稻谷总产量为1 096.9万t，但全省的粮食干燥机械化装备程度总体还很低，发展迟缓。在农村，稻谷的干燥机械化程度还不足2%，与日、美等发达国家在上世纪80年代就达到90%以上的水平相比相差甚远，与广东省稻谷耕、种、收综合机械化水平已达60%以上的程度相比很不相适应。目前，农村传统的晾坝、打谷场院等自然晾晒场所大多已挪作他用，一般农户失去了晒粮场所，以在马路边、屋顶等地方晾晒的方式，不能适应发展的需要，干燥成了农村经济发展急需解决的重大瓶颈问题之一。面对现实，广东省设立了多项课题，从基础理论、水分在线检测、干燥自适应控制、工艺装备关键技术及发展模式进行了较为系统深入的研究。在几十年研究积淀的基础上，取得了深床干燥解析法国际领先的理论成果，并从根本上解决了粮食水分在线检测问题，开发出了粮食干燥自适应控制系统，形成了拥有自主知识产权的粮食集中干燥成套技术设备，使我国的粮食干燥研究走到了国际前沿。通过深入的理论研究，发现粮食干燥系统存在巨大的能质内损耗；明确了长期被人们忽视的客观干燥火用的高效利用问题；意识到了系统节能、模式节能的潜力。基于新理论[1]和新技术，成功地设计出了高效节能的高湿粮食集中干燥成套工艺技术设备以及面向单家独户、单独作业的全自动小型批处理干燥机。为进一步加快广东省粮食干燥机械化的步伐，本文就粮食干燥机械化物质装备技术基础及产业化应用相关问题进行简要说明和研讨。

1 理论与装备关键技术研究进展

传统的粮食机械化干燥存在的普遍问题是设备

投入大，年作业期短、能耗高、效率及自动化程度低，可靠性差。对应这些现实问题，广东省在粮食干燥研究方面取得了以下重大研究进展。

1.1 颗粒农产品深床干燥解析法

首次从理论上阐明了均质体颗粒农产品降速干燥过程的二段性；给出了颗粒农产品在干燥过程中的粒内温度分布解析式[2]；获得了单粒体降速干燥过程具有二段性的物料，开发了干燥参数分析、应用解析软件。颗粒农产品深床干燥解析法成果鉴定结论：该成果在农产品干燥领域、深床干燥研究方面，达到国际领先水平。

1.2 粮食水分在线检测技术

首次发现时序、峰高、峰面积关联特征测量属性，研究出粮食电阻随含水率变化的实时波形特征及解析计算法，界定了选择条件，开发出适配电路，获得对应粮食比容积电阻（10-2～1015Ωcm）非线性变化过程的含水率值，研制出在线检测装置并实现了在-35～+40℃温度动态变化和10%（w.b.）～40%(w.b.)水分动态变化范围以及粮食颗粒之间水分差异很大的情况下，检测每一粒粮食的含水率，检测含水率偏差≤±0.5%。技术成果的鉴定结论：总体技术达到国际先进水平

1.3 粮食干燥自适应控制系统

首次把干燥介质条件变化、进粮水分不一和机器工况波动等因素作为系统的扰动量，开发出了粮食干燥自适应控制系统[4]并实现了在线信息的无线传输。成果的鉴定结论：填补了国际粮食干燥领域空白，总体水平达到国际先进水平。

1.4 高湿粮食集中干燥工艺系统

高湿粮食干燥具有明显的二段性。粮食的含水率在第一降速干燥段及以上时，表面存在较多的自由水，常温自然空气对其具有相当的干燥能力。针对这一特点和粮食干燥系统客观能势的有效利用，设计出了图1所示的高湿粮食集中干燥工艺系统，实现了高效节能，获得了国家授权发明专利。

图1 高湿粮食集中干燥工艺系统

1.5 5HP系列小型粮食干燥工艺系统及设备

该工艺设计紧紧抓住干燥系统客观能势利用及烟气余热回收、维持粮食温度，尽最大可能使粮的

干燥过程沿等温或小幅降温过程线。解决了干燥机热惯性问题，大幅度提高了干燥系统的干燥效率，降低了能量消耗。通过引风混流及干燥室结构优化设计，大幅度降低了干燥层的通风阻力并实现了无级自动排粮，适应多品种，通用性好，已获国家授权发明专利。

其工艺系统及设备见图2。

1.6 粮食热风干燥系统火用评价理论

粮食热风干燥是热风与粮食接触自发交换水分的多组分、多相系统传递的不可逆热力过程。过程发生的机理复杂，影响因素繁多，干燥条件、环境条件、物料条件的变动及处理工艺上的差异，使得系统中的能量在数量和质量上的损失都存在差异，在极端情况下可能还相差很大[3]。由于迄今评价粮食干燥系统的用能效果，评定的标准都是基于热能数量守恒关系，来揭示能量转换、传递、利用和损失情况，反映了热量的外部损失，体现了热在数量上的利用程度，但不能反映干燥系统内部损失的情况，评价方法本身存在固有的局限性。也使粮食干燥装备技术及精准控制技术的发展受到了影响。为了揭示粮食干燥系统能量损耗的本质，我们针对粮食热风干燥系统特征、火用基准点、干燥室焓火用结构及火用效率进行深入的理论分析，明确了粮食的含水率是状态函数，确立了干燥系统起算火用的基准点，提出了火用基准函数，并在湿空气焓-含湿量图上绘出其变化过程，通过火用效率分析，揭示了能的“量”与“质”的匹配关系，但现有的新技术成果在广东省实现产业化、大面积推广应用的步伐相对比较缓慢，需要基于全省面临的一些现实问题展开一些较深入的研讨。

图2 5HP系列小型粮食干燥工艺系统及设备

2 广东发展粮食机械化干燥主要问题的研讨

2.1 发展规模与区域产业结构的协调性

广东省人均耕地面积仅为0.027 hm2，不足全国人均耕地0.094 hm2的三分之一，也低于人均0.053 hm2的联合国粮农组织警戒线。农村的种植规模小，品种多样、分散而数量大的特点，预示广东省拥有巨大的小型分散经营的批处理干燥机市场，同时，广东省年产千万吨以上的粮食，也预示全省拥有巨大的粮食集中干燥加工处理市场。面对现实，广东省设立专项科研项目，以华南亚热带气候环境中盛产的水稻为主要对象，在研究本省的生产、经营特征，自然环境等区域特征基础条件参数的基础上，破解现有干燥设备生产能力小、生产成本大、能耗高，发展模式与当地实际情况不符而使干燥设备年利用率极低的难题，提出一套适合本地区粮食集中干燥的工艺技术路线，开发高效节能的粮食集中干燥成套技术装备，实现干燥过程自适应控制，日处理能力达到300 t/d，取得了良好的实施效果，也使广东省的粮食干燥设备在技术层面上走到了国际前沿水平。面向分散种植的单家独户，研制出了批次处理能力在10～30 t/批的小型干燥机，成功地解决

了干燥的热惯性问题，大幅度提高了干燥质量，技术水平达到了国际先进水平，在干燥能效评价理论研究方面居国际领先水平。但研发出的这些高新技术产品在省内的普及应用发展迟缓的现实，使我们意识到，因地制宜的发展模式和政策机制对干燥机械化发展至关重要。随着农村劳动力大量转移到非农产业，单一农户独立从事农业生产的经营模式正在改变，农户联合、土地流转、农业产业化模式逐步兴起，涌现了大批种粮大户和农业产业化组织。粮食生产的集约化、规模化，要求广东省必需要发展粮食机械化集中干燥。但由于粮食集中干燥成套技术设备的一次性投入较高，大型粮食集中干燥成套设备每套价格几百万元，一般的农户及中小型粮食加工企业难以承受，面向山区，村镇和分散的单一农户，中小型批次干燥机是广东省应该大力推广应用的主要机型。另外，广东省已成功开发出先进的日处理能力过百吨的批次循环干燥机，在粮食水分在线监测，干燥过程自适应控制及新型干燥设备工艺技术诸多方面已处于国际前沿水平。由于一台小型干燥设备的价格在数万元以上，对单一农户而言，一次性设备投入也较难承受。目前社会资金与流动性过剩日益严重，农村缺少投资渠道，建议政府采取适度优惠、扶持措施，鼓励社会资金投资于粮食集中干燥技术推广项目。

2.2 发展模式

广东省拥有巨大的粮食干燥市场，农机购机补贴也在向干燥设备倾斜，普及推广艰难的事实，使我们意识到，必须从本省发展农业的实际出发，以稻谷干燥为核心，以粮食安全和农民持续增收为任务，以研究、示范高效节能干燥成套技术和产业发展模式创新为主要手段，通过深化推广机制的改革，不断提升全省粮食干燥技术持续创新应用能力，建立健全技术服务体系，形成生产、加工实体间的利益联结有效机制，使经营者能够在干燥环节上获得满意的利益回报，是解决农村粮食干燥问题的必由之路。

针对广东省高温高湿的气候特点和种植规模小、分散而数量巨大的区域特征，研究示范高效节能装备技术；集现代粮食干燥理论、在线检测、自适应控制[3]、高效节能工艺关键技术，示范利用客观势差、最大限度地减少人为提供热能的干燥新工艺，按照地域特点，实施用能“量”与“质”的合理匹配，形成干燥产业发展新模式，通过装备技术与发展模式有机结合实现高效节能，促进干燥机械化发展。

以湛江、江门、茂名、梅州、韶关、惠州、河源、阳江、肇庆、云浮等粮食生产大市为主要示范区，针对农业合作组织及种粮大户及粮食加工龙头企业，示范大、中、小型高效节能干燥成套工艺及技术设备、针对山区及单一分散种植农户研制推广价格低廉的干燥储藏于一体的小型无尘粮食干燥机，制订出一个有效降低干燥成本、强化干燥过程、保障质量，大幅度提高设备年利用率，普及推广可操作性强的工艺技术路线；制定科学公平的评价标准，形成有效的推广机制；构建适合于全省不同地区的粮食干燥专家系统；集成粮情在线检测技术、自适应控制、新型技术装备。产业化应用适应农业合作组织，农户共同利用的高效节能智能型干燥设备，建立主要粮食干燥装备技术体系；培养直接为粮食产后加工业服务的高层次研发人才。建立一支稳定的粮食干燥研究队伍，培养一批博士、硕士等高层次人才和基层技术人员。通过公益性示范、技术培训和推广展示等途径，在全省粮食大范围应用，促进农业增效、农民增收和农业发展，达到保障粮食安全、农民持续增收的目的，实现的技术途径如图3。

2.3 行业行为

由于农村拥有巨大的干燥设备需求市场，近年出现了大量技术粗放、成本相对较低的干燥设备，按照设备发展的规模和设计能力，我国的干燥装备数量已有明显提升，但大量低成本、高能耗干燥设备的投放，带来的不仅仅是粮食产后加工能耗指数攀升和农民使用成本较大，而且由于设备的故障多，干燥均匀性极差，产品中夹杂大量湿粒、焦糊粒，使得质量严重降级的现象时有发生。在粮食产后干燥的高峰时节，干燥机着火，停机改造等机器的可靠性问题给农民造成的损失巨大，也使农民对机械

化干燥的信誉度产生质疑。这些现实问题都需要通过政府行为来规范市场行为，制定科学、公平合理的干燥装备技术评价标准。通过示范带动，大力推进优质、高效、节能、安全新技术产品的产业化应用。

图3 技术途径

3 传统的干燥工艺及装备的主要问题

3.1 能耗问题

粮食干燥供热的主导方式是燃煤（占90%以上）。国标规定的热风炉热效率是75%，即使按100℃的干燥温度，50℃的排气温度计算，加上粮食吸热、机体散热等各项损失合计最低20%计算，干燥效率最高也只有30%，与热风炉效率相乘得到系统的热效率最高也只能达到22.5%。问题的主要原因有两点：其一，干燥设计忽视了粮食携带的客观干燥火用；其二，评价标准不科学，没有考虑干燥系统不可逆过程造成的无谓的内部能质损失，缺乏针对系统中能质传递的薄弱环节，采取有效的技术措施和系统的综合设计。近年，国内有众多学者呼吁，要高度重视粮食干燥节能问题[5-7]，但都是基于传统的操作方法，没有深入到干燥系统能量消耗本质的评价，提出的一些改进技术和方法难以在节能方面有实质性的进展。问题的根源在于节能干燥理论指导跟不上。

火用概念的引入，解决了利用一个单独的物理量来揭示干燥系统能量价值问题，改变了人们对能的性质、损失、转换效率等传统的看法，提供了干燥用能分析的科学基础，能够全面深刻地揭示干燥系统内部损失、能量的价值以及在各环节上损耗的特征[2]。火用作为一种分析法在能源利用系统优化设计、评价得到了广泛的应用，但由于起算火用基准点的选取，对、系统内的火用结构与特征、转换与传递规律

的把握存在很大差异，使得不同学者的评价分析结果也有较大地差异[8,9]。

不同的能量以及相同数量的能量在不同的环境下，会有不同的使用效果，根源在于能量中所含的火用不同。就粮食干燥系统势场的来源和性质而言，存在两类形式的火用传递：一类是存在于粒体内部的因生命活动产生的势场和自然界存在的势场引起的火用传递，是客观的，非人之所为；另一类是人为的干燥操作行为产生的势场引起的火用传递，此类火用传递具有恒定性、规律性和可控性的特点，受时间和空间的约束，从干燥势场中各点物理量与时间的关系看，存在着稳态火用传递和不稳定场中的火用传递。干燥系统存在客观火用传递的事实，为我们指明了实现粮食干燥高效节能的途径。依照火用法制订干燥系统科学的设计与评价标准，是加快粮食干燥产业对新理论、新技术产品的认知度，加快产业化应用重要的有效手段之一。

3.2 装备技术问题

传统的粮食干燥方式都是基于顺流、逆流、混流、横流等几种传统的做法设计干燥机，存在重大的理论误区，使干燥设备存在许多鲜为人知的先天性问题。干燥中存在粮食单面受热严重问题，一味地加大缓苏段来弥合粮食的干燥内应力，使干燥机的处理能力和容积效率大大降低。基于传统的干燥操作，无法使已有的稻谷干燥处理工艺和技术装备，在效率、能耗及提高产品质量、设备投资成本等方面有突破性的进展。要解决这些问题，必须突破传统的稻谷干燥发展观，切实重视新技术应用，针对南方高温高湿的气候特点，走自己的路，应用我们具有自主知识产权的技术产品[10，11]，以从根本上解决广东省稻谷机械化干燥问题，实现粮食生产系统内部的协调发展。

4 发展途径与建议

随着广东省农村新型农业合作组织、专业农户、家庭农场和规模种植加工企业的兴起，发展高湿粮食产地初加工集中干燥成套工艺技术应成为主流方向。其理由：①规模生产加工，必须解决粮食产地大量湿谷集中干燥问题。②能否实现全省粮食干燥机械化快速普及与发展、重要的因素之一，在于新技术是否迎合农业经营实体的规模化发展需求，若能使经营者在干燥环节能够获得相应的利润，就必须解决现行设备能耗高、效率低、可靠性差、服务不到位问题。③保障粮食安全，保护生态环境需要实施土地治理、水、肥、耕、种、收、集中干燥统一科学管理的模式。面向农民这一弱势群体，防止土壤污染，保障粮食生产安全，我们有必要尝试农村土地大流转小承包的模式，在保障农民种地权的基础上，扶持规模发展的经营实体，这样不仅解决了农民晒粮难、效益差问题，也保障了规模经营者的粮源和效益，减少了粮食产后损失和流通成本，降低了风险。④提升全省的粮食干燥装备技术水平，需要振兴广东省的干燥机制造企业，需要利用已有的新技术加强干燥装备制造业加建设。⑤农业机械化发展，需要整体协同发展，不能忽视粮食干燥机械化装备技术与发展模式。⑥技术的产业化应用，市场培育需要政府的引导与扶持，需要研究示范、辐射带动。⑦广东省在干燥方面的产业化应用人才不足，需要项目实施培养、带动。⑧粮食经营企业发展不可或缺干燥物质装备，粮食贮备、生产加工企业应该发展为能够承担这一使命的实体。⑨广东省地区间的经济、生产模式差异性大，需要针对地区特征，研究客观能势的高效利用，示范不同环境条件下的集中干成套工艺技术装备，形成干燥系统客观公正的评价标准，发展高效节能的干燥成套技术设备。

粮食质量和数量损失主要发生在收获后到干燥入仓阶段，所以，及时干燥对保障粮食安全至关重要。受广东省粮食干燥设备制造能力偏低、发展制造业一次性投入多等多种因素的影响，建议政府从政策上给予扶持，鼓励社会资金投资于粮食产后集中干燥，设立重大专项开展高湿粮食产地初加工干燥模式与新技术装备示范推广。

4 结语

1）广东省在干燥理论及装备关键技术研究方面

居国内领先，也使我国的粮食干燥研究走到了国际前沿水平，形成了拥有自主知识产权的粮食干燥成套技术设备，但受广东省干燥机制造企业技术创新能力偏低，干燥设备一次性投入多，农民购买能力有限等诸多因素的影响，新技术产品的产业化应用仍存在很大困难，需要政府从政策上给予扶持。

2）传统的干燥工艺系统能耗高的主要原因是：其一，干燥设计忽视了干燥系统及粮食携带的客观干燥火用；其二，评价标准不科学，没有考虑干燥系统不可逆过程造成的无谓的系统内部能质损失，缺乏针对系统中能质传递的薄弱环节采取有效的技术措施和系统的综合设计。

3）广东省农村的粮食种植规模小，品种多样、分散而数量大的特点，预示广东省拥有巨大的小型分散经营的批处理干燥机市场。同时，广东省虽然是年产千万吨以上粮食的大省，但我们的粮食自给率还不足40%，巨大的粮食消费量，预示全省拥有巨大的粮食集中干燥加工处理市场。

4）鉴于粮食干燥设备一次性投入多，单一农户、粮食种植大户甚至粮库也难以承受购置烘干设备的资金压力，而目前社会资金与流动性过剩日益严重，农村缺少投资渠道的实际情况，建议政府取适度优惠、扶持措施，鼓励社会资金投资于集中干燥技术推广项目。

5）广东省农村的稻谷干燥机械化程度还不足2%，与日、美等发达国家在上世纪80年代就达到90%以上的水平相比，相差甚远，与广东省稻谷耕、种、收综合机械化水平达60%以上的程度相比发展很不相适应。建议政府将粮食产地集中干燥成套新技术实施纳入农村的农业生产基础设施建设，通过公益性示范、技术培训和推广展示等途径，针对农业合作组织及种粮大户及粮食加工龙头企业，示范大、中、小型高效节能干燥成套工艺及技术设备；针对山区及单一分散种植农户，研制推广价格低廉的干燥储藏于一体的小型无尘粮食干燥机。不断深化推广机制的改革，在全省粮食大范围应用，以促进农业增效、农民增收和农业发展，达到保障粮食安全、农民持续增收的目的。

6）建议政府从政策上给予扶持，设立重大专项开展高湿粮食产地初加工干燥模式与新技术装备示范推广。

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广东省产学研项目（2012B091000135）

李长友（1958-），男，陕西蒲城人，教授，博士生导师。广州华南农业大学工程学院，510642。E-mail: lichyx@scau.edu.cn