粮食干燥技术的能耗浅析

2014-03-29吴家正

节能技术 2014年3期

翁拓，吴家正，范立，李晗

(同济大学机械与能源工程学院，上海 200092)

0 引言

我国作为世界上最大的粮食生产和消费国，粮食产量占世界约为1/4。每年收获的粮食有20%属高水分，约有1亿t粮食需要干燥，采用机械化干燥不足4 000万t。因不能及时干燥到安全水分而造成的霉变和发芽损失而造成的粮食损失量已占到了年产量的5%。国家统计局公布的2012年国家粮食总产量为58 957万t，若按此计算，相当于损失2 950万t粮食。若每人每天消耗0.5 kg粮食，可供1.6亿人一年的用量，这一数字是惊人的。随着谷物收割机械化水平的不断提高，谷物收获速度显著提高，收获时间明显缩短，谷物干燥的效率也越来越受到关注。同时粮食干燥是一个耗能很大的作业，据不完全统计，干燥1 t谷物消耗标准煤0.07 t。如果采用常规能源干燥，仅我国谷物一项就需耗用3 000万 t以上标准煤，相当于全国总能耗的 1.5%［1］。国外发达国家的粮食干燥机热效率较高，单位能耗一般低于4 600 kJ/kg(H2O)，而我国的粮食干燥机热效率低，单位能耗大，在6 700 kJ/kg(H2O)左右［2］。采用的能源绝大多数是以煤等常规能源为主要热源，干燥过程造成的环境污染也非常大。由此可见，必须重视我国粮食的干燥问题，提高粮食干燥过程的能源利用效率。而我国目前对于粮食干燥能源消耗方面的研究报道并不多见，在前所未有的能源紧缺与环境污染的双重压力下，研究分析现有粮食干燥技术能耗及效率情况更显重要，也为节能环保型粮食干燥技术和装备研发提供参考。

在众多工农业生产过程中，干燥是流程工业中重要的单元操作，干燥效果的好坏不仅决定了产品的性能、形态、质量等，还会对生产单元的能耗、环境产生影响。据统计，干燥过程所用能源占国民经济总能耗的12%左右［3］。粮食干燥作业按传热方式分类主要有对流、辐射和传导三类。对流干燥是目前我国绝大部分粮食干燥设备采用的主要方式，通过热空气或烟气为干燥介质对粮食加热和除湿。根据所采用介质温度的高低，又分为高温(80～300℃，常称为热风干燥)干燥和低温(常温或高2～8℃)干燥。使用的能源以煤炭为主，仅有小部分采用燃料油或生物质秸秆、稻壳等;辐射传热指利用电磁波的穿透力和粮食中水分对电磁波能量的吸收产生温升而达到干燥脱水的目的。主要有太阳能干燥技术、微波技术和红外线辐射技术，其中红外线辐射技术按使用的能源又分为用电和燃气两种。辐射干燥尚处于小规模应用或示范性试验中，极有可能成为未来的主流技术;传导干燥是粮食直接与加热表面接触而获得热量蒸发水分，如蒸气式粮食干燥机等，仅用于蒸汽富足的特定场合，在粮食干燥中极为少见。此外，根据热力学原理正在研发的低温真空干燥和热泵干燥技术也有较好应用前景。下文对对流干燥、微波干燥、红外辐射干燥、低温真空干燥技术的能耗情况作简要分析。

1 对流干燥

对流干燥方式是我国粮食干燥的主力军。常用的设备分类根据加热介质与被加热粮食的流向有混流、顺流、横流、组合干燥机等，一般根据干燥粮食的品种、降水率、受耐温要求、生产率、环境条件、投入和运行成本等选择工艺和机型。但无论何种工艺，都是由热风炉和干燥设备组成，干燥系统能耗一般包括以下几个方面:(1)干燥粮食消耗的热量、粮食升温和干燥介质带走的显热损失;(2)干燥设备自身的散热损失;(3)热风炉及换热器的热损失。其中干燥介质带走的显热损失占总热耗的20%以上［4］，热风炉及换热器的热损失约占总热耗的25%。显然，如果合理利用这两部分热量，可以提高烘干机热效率。我国热风炉90%采用燃煤为热源，因建设年限、操作水平和维护管理原因热效率差别甚大，热效率高的可达75%～80%，低的不足40%，平均在75%左右。干燥设备的热效率通常在80%以上，使现有粮食干燥系统热效率大多在46%～65%左右，系统单位热耗平均为6 700 kJ/kg·(H2O)。

总体而言，我国对流干燥机的能耗比国外先进技术约高30%，表1显示了国内外几种谷物干燥机能耗参数比较。经比较分析，使用的热源燃料燃烧效率不同，各种机型在干燥能力上的差别，造成了不同机型单位耗热量差别大。

表1 国内外几种谷物对流干燥机的能耗参数比较

国外干燥机大多采用燃油炉，这使得废气的余热利用十分便利。虽然我国大多采用燃煤热风炉作为供热装置，但是仍然可以对废气余热进行回收利用。辽宁省粮食科学研究所在2009年完成中储粮辽宁分公司辖区内17套粮食干燥系统节能减排技术改造，通过采取尾部干燥段和冷却段废气回收、烟气余热利用、保温处理和更换高效换热器、增设脱硫除尘设备等措施，换热器进风口的平均风温比大气温度提高了30℃以上，排烟温度降低了30℃以上，废气中的皮屑和粉尘回收率达80%。其中9个示范库点平均节能12.4%，最高达30%［3］，节能减排效果十分明显。根据陈坤杰等的研究表明［5］，使用再循环热风烘干机干燥1t小麦花费的总成本为31.27元，而因消耗能源花费了28.41元，占总干燥成本的91%。因此提高能源利用率，降低能源消耗能显著减少干燥成本，提高干燥经济效益。赵平［6］等针对对流干燥过程中的节能措施做过理论分析指出应注意系统的保温隔热，降低系统能量损失。缩小物料温升，降低物料出口温度，减少带走的热量。以及注意废气的回收利用。

2 辐射干燥

2.1 微波干燥

微波是频率在300 MHz～300 GHz的高频电磁波，波长为1 mm～1 m。微波有很强的穿透能力，与物质相互作用可产生特定效应。当被加热介质物料中的极性分子如水分子，在快速变化的高频电磁场作用下，其极性取向将随着外电场的变化而变化，造成分子间的剧烈碰撞和相互摩擦，使微波场的一部分场能转化为水分子的动能，以热量的形式使水温度升高，促使水分子离开物料而达到微波加热干燥的目的。

微波干燥方法特点:

(1)干燥均匀，物料内外层干燥同时进行;

(2)高效节能，加热过程不需要如空气等中间介质，能量利用率较高，在低含水量(小于5%)物料干燥过程中，微波干燥时间较常规干燥方法缩短50%或更多;

(3)杀菌环保，无污染排放;

(4)操作管理便利［7］。虽然微波干燥有很多的优点，但是一次性投资和运行费用较高。同时微波干燥使用的电能是高品位的二次能源，2012年我国火电发电效率不到38%，而从电能到电磁场的转化率仅在50%左右，这种能源的多次转化利用间接降低了能源使用效率。单纯使用微波干燥技术还并不能满足当前节能高效利用能源的要求，因此这种技术目前只是应用于干燥有高附加值的产品［8］。

朱德泉［9］运用自制的微波干燥试验测试系统，采用不同的质量比功率和加热时间及配套的工艺流程，研究了玉米微波干燥特性及干燥条件对品质、能耗的影响。数据表明干燥1 kg玉米降至安全水分，90℃时约需采用350 W功率加热50 min，30℃时需采用150 W功率加热150 min。张玉荣等也得到类似结果［10］。采用微波组合干燥技术能很好的克服自身缺点，取长补短，达到高效率、低能耗的干燥目的。王玫等［11］研究了微波干燥桃脯、苹果脯的节能效果。微波干燥应用于果脯生产显著缩短了干燥时间。实验中热风干燥果脯用了13 h，总能耗为4 kW ·h，而微波热风组合干燥在时间上为完全热风干燥的31%，总能耗为完全热风干燥的30.4%，提高了干燥效率，节能效果显著。徐艳阳等［12］对玉米进行热风与微波联合干燥特性试验研究，前期采用60℃热风干燥，当玉米水分含量为20%，在后期采用119 W微波干燥，直至玉米水分为12%～14%。与单独热风干燥相比，热风与微波联合干燥的总能耗降低50.6%。

2.2 红外辐射干燥

红外辐射是指波长范围介于可见光和微波之间，即波长为0.72～1 000μm的电磁波。当辐射到物料上的红外线频率与组成该物料的物质分子的振动频率相同时，分子就会对红外辐射能量产生共振吸收，同时通过分子间能量的传递，使分子内能(振动能及转动能)增加而使物料内部温度升高，一般比表面温度高5～10℃［13］。因此，在内高外低的温度梯度和含水率梯度同时作用下，不断将内部水分扩散出来，达到干燥的目的。谷物在3 μm、6 μm和 9 μm各波长区段都有较强的吸收，因而用红外线对其进行加热干燥，会有较理想的效果［14］。

与传统的对流技术相比，红外辐射加热有以下特点:

(1)加热时不需要任何媒介，热损失小;

(2)红外辐射源辐射的能量与辐射温度的4次方成正比，能提供比对流加热高几十倍的热流密度，提高了生产率;

(3)红外加热惯性小，容易控制;

(4)红外线光子能量低，在加热过程中生物组织热分解小，物料化学性质不易改变，加热后的产品质量高;

(5)红外辐射加热是物料内外同时加热的过程，传热、传质方向一致，加快了干燥速度［15］。红外辐射器能源利用基本分为两类:电和燃气。

Schroeder［16］和Rosberg［17］等分别于1959年和1960年在实验室中利用远红外辐射进行了稻谷薄层干燥，得出稻谷的脱水速率在每分钟0.49% ～3.6%。Afsal［18］发现利用远红外辐射间歇式干燥稻谷，有利于提高稻谷的干燥品质和节能。河南科技大学设计并研制的谷物红外辐射器对小麦作了干燥对比试验。结果表明:采用红外辐射干燥谷物比普通热风干燥速度快、效率高。普通热风干燥小麦，需120 min才能使其含水率从28%降到14%;而红外辐射干燥小麦仅用 60 min就能达到同样的效果［19］。美国CDT公司研制的触媒远红外发生器，当通过电加热到107℃时，通入的煤气或天然气在催化剂(触媒)的作用下可产生波长在3～7 μm之间的远红外线。他们用研制的干燥设备对907.2 kg水稻分进行了干燥对比试验，实验中水稻的干燥温度不超过45℃，水稻的水分含量从18%迅速降至12.6%，用时不超过2 h。而整个干燥过程能耗仅为热风干燥的30%左右［20］。罗希雷等利用该触媒远红外发生器设计出一个新的干燥系统进行了玉米干燥分析，得出单位耗热量为2 580 kJ/kg(H2O)，优于国外发达国家的粮食烘干机平均能耗。能耗支出仅为热风干燥的50%，也充分说明了将红外干燥技术应用于谷物干燥将会带来的巨大节能潜力。日本从1996年开始研制远红外干燥机，到2010年已有远红外干燥机2 000余台，占日本谷物干燥能力的5.3%，单机生产率0.8～7 t/h［21］。近两年开发出的“常温减压快速干燥系统”，将粮仓内部温度恒定在30℃左右，并保持较低的气压，然后用3种陶瓷加热器向粮仓内放射远红外线。该方法与高温干燥法相比，干燥时间从24 h缩短到1～2 h，能耗减少了50%。

在干燥电器元件方面，从国内实际应用效果看，采用远红外加热干燥比其他加热干燥方法的生产效率提高20%～30%，节电30%～50%［22］。申海波、付浩卡等［23－24］分别以天然气红外辐射、电红外辐射及热风对流干燥方法在干燥窑中对耐火砖进行对比试验，结果表明在试验条件下燃气辐射干燥的热效率为48.3%，燃料成本为60元;电辐射热效率为72%，燃料成本为 88元;热风对流热效率为28.2%，燃料成本为92元。说明电红外辐射在三种方法中热效率最高，燃气辐射干燥次之，对流干燥最差;而燃料成本则燃气辐射干燥最低，电红外辐射次之，对流干燥最高，且后两者比较接近。若考虑到电能作为二次能源的转换效率，燃气红外辐射干燥更为经济实用。此外，电红外辐射虽然效率高、清洁简便，但当在农村干燥粮食规模大、热负荷高时，也存在电力增容建设费高、电力供应能否保证的问题。而燃气红外辐射技术除用天然气作为气源外，还可与农村沼气工程相结合，在畜禽粪便等生物质资源化利用的同时，最大限度减少村镇环境污染。同济大学冯良、李建设等［25－26］研制的大型金属纤维燃气红外辐射板、大功率全预混燃气红外燃烧器等已突破沼气燃烧器稳定燃烧和安全自控问题的技术瓶颈，燃气辐射热效率达86%以上，烟气中CO和NOx达到国家家用燃气燃烧器具排放标准。因此，燃气红外辐射干燥粮食，尤其在具备“养殖－沼气－作物”生态模式区域更有广阔的应用前景。

3 低温真空干燥

真空干燥的过程就是将被干燥物料置放在密闭的干燥室内，用真空系统抽真空的同时对被干燥物料不断加热，使物料内部的水分通过压力差或浓度差扩散到表面，水分子在物料表面获得足够的动能，在克服分子间的相互吸引力后，逃逸到真空室的低压空间，从而被真空泵抽走的过程。因为水在汽化过程中其温度与蒸气压是成正比的，所以真空干燥时物料中的水分在低温下就能汽化，可以实现低温干燥。这对于某些药品、食品和农副产品中热敏性物料的干燥是有利的。例如，蛋白质在高温下变性，改变了物料的营养成分;为保证稻米干燥后食味品质，干燥温度不宜超过45℃等。另外，在低温下干燥，减少了通过干燥仓向外界热损失，提高了热能利用率。

张志军等［2］对东北地区(环境温度－20℃) 300 t玉米热风干燥(热风温度120℃)和真空干燥(热水温度80℃，8 000 Pa)的能源消耗进行分析比较，当含水率从25%降到15%时，每千克玉米采用热风干燥需要耗热为1240 kJ，采用真空干燥需耗热620 kJ，即:当前情况下采用热风干燥单位耗热量为10 333 kJ/kg(H2O)，真空干燥单位耗热量为5 333 kJ/kg(H2O)，仅为前者的1/2，真空干燥在节约能源方面效果明显。两者从制造成本计真空干燥要稍高于热风干燥，而运营成本大致相当。国家粮食局郑州科学研究设计院的刘勇献等［27］对玉米真空干燥的生产工艺和设备进行研究。设计制造了生产能力为300 t/d的真空干燥设备，并聘请农业部干燥机械设备质量监督检验测试中心进行性能测试。测试结果显示该真空干燥设备单位耗热量为5 000 kJ/ kg(H2O)，相比于玉米热风干燥的单位热耗一般为7 000～8 000 kJ/kg(H2O)节约能耗近30%。

传统观念认为，真空干燥的设备投资费用较高，真空干燥仓要求良好的密封，加工费用较高，因此真空干燥设备多用在药品、食品、蔬菜、水果、农产品、谷物种子的干燥上［28］，规模化用于粮食干燥鲜见报道。实际上由于低温过程热耗要比热风炉小许多，相应投资成本也降低，当然真空密封部件、水环泵与材料的因素使固定投资略高于热风干燥，但综合运转费用，同时考虑干燥品质、干燥能源利用情况以及干燥对环境的影响等因素，在低温状态下的真空干燥总成本并不比热风干燥高。随着真空干燥技术与设备的不断改进，在粮食干燥领域的应用空间将会进一步拓展。

4 几种干燥技术的能耗比较

上述几种干燥技术，各有其适合于当下工农业发展应用的一面，也有其欠缺不足的地方。就干燥能耗而言，由于并没有做过针对同一物料利用不同干燥技术进行干燥的试验，所以就只根据已发表的文献简单比较它们的干燥能耗情况。对流干燥目前利用最为广泛，在干燥物料的同时由于干燥介质也带走了大量热量，造成了很大损失。我国热风干燥设备的系统单位热耗平均为6 700 kJ/kg(H2O)。相比于对流干燥，微波干燥以及红外辐射干燥由于加热过程中不需要干燥介质而直接对物料进行加热，提高了热能利用率，同时也降低了能耗。美国CDT研制的红外加热设备对水稻的实验结果显示红外干燥能耗仅是热风干燥的30%左右。有学者做过实验表明干燥相同条件下的玉米，真空干燥单位耗热量仅为热风干燥的1/2。因此，为降低粮食干燥的能耗，需要更多地关注非常规(微波干燥、真空干燥等)干燥技术。

5 结论

虽然我国粮食干燥技术近年来取得较大的进步，但与先进国家相比还很落后，能耗高，热效率低。当务之急是在保证粮食品质的前提下注重节能减排，安排专项资金改造落后工艺、调换陈旧设备，加强管理和人员培训。积极扶持低碳环保的粮食干燥新技术研发和示范推广，如燃气红外辐射干燥、太阳能干燥技术、联合干燥技术等，提高能源利用率。

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