小型水稻干燥机现状与发展趋势

熊瑞，朱文学，张棋，于斌，黄敬（河南科技大学食品与生物工程学院，河南洛阳471023）

小型水稻干燥机现状与发展趋势

熊瑞，朱文学*，张棋，于斌，黄敬
（河南科技大学食品与生物工程学院，河南洛阳471023）

通过烘干机本体、工艺流程、在线检测与控制系统等方面对小型干燥机的发展现状进行阐述，并分析我国干燥产业的商业现状。

粮食；水稻；干燥机

水稻收获后湿度很大，必须及时降到安全水分进行保藏否则会发芽霉变，造成巨大的损失。目前水稻种植主要分布在长江、珠江流域和东北地区。长江、珠江流域是传统的水稻种植基地，大多数地方是一年二季的水稻，收获季节正是雨季，空气潮湿，自然晾晒很困难。东北属于中温带大陆性季风气候，全年气温低、无霜期短，水稻收获后自然晾晒时间有限。

目前，我国水稻种植的主力军依然为小户分散种植的传统农业经营模式；稻谷干燥主要依靠农户分散自然晾晒，需要大量劳动力和晒场，而且受气候因素影响很大，稻米品质无从保证。然而，欧美和日本等国家的稻谷机械化干燥比率已在90%以上。日本上世纪90年代小型谷物干燥机就超过了100万台，平均每公顷拥有稻谷干燥机达到0.5台。我国水稻种植面积约3 000万公顷，即使按其中10%进行家庭农场式规模化种植，每3公顷水稻配置一台小型谷物烘干机，也需要100万台，要达到发达国家水平则需配置小型谷物烘干机900万台。

近年来，随着我国经济的快速发展和农村劳动力向城市大规模转移，农村土地开始自发流转，种植规模逐渐扩大。特别是2013年中央一号文件提出，鼓励和支持承包土地向专业大户、家庭农场、农民合作社流转，农业规模经营蓬勃发展。同时伴随着水稻年产量逐年提升，加上联合收割机的快速推广和跨区作业，水稻收获时间更加集中，收获期最多7 d～10 d，大量高水分稻谷集中收获，人工晾晒已经无法满足需要，迫切需求推广机械化快速干燥。水稻干燥机产业正在迅速发展。

1　干燥机系统简介

谷物干燥是农业生产中的重要环节，也是实现粮食生产全程机械化的关键组成部分。干燥过程中，谷物干燥机是谷物干燥的重要载体，其中烘干机本体、工艺流程、在线检测与控制系统是水稻干燥机的主要组成部分。

1.1烘干机本体

烘干机本体按干燥机结构可以分为转筒干燥机、流化床干燥机、厢式干燥机、倾斜床干燥机。小型水稻干燥机大部分是采用塔式结构，具有制作工艺简单、成本低、装配简易的优点。

转筒干燥机：转筒干燥机又称回转干燥机，能连续作业而且干燥能力强，适应性好，操作灵活、干燥均匀。但是此类干燥机体积较大，且非常笨重，不适合家庭农场购买使用。

流化床干燥机：流化床干燥机也称沸腾床干燥机，床层温度均匀，处理能力大，操作稳定。目前在水稻干燥商品设备上的应用还很少。

厢式干燥机：结构简单，制造和维修方便，设备成本低，对物料适用性大，但是如何实现水稻的循环干燥还需对其进行进一步的优化。

B.D.Hhukla和R.T.Patil为了在发展中国家推广谷物干燥机，将循环式谷物干燥机与橱柜式干燥机进行组合，开发了LCU干燥机[1]。该干燥机具有热效率高、耗能低、成本低的显著特点。循环式谷物干燥机是如今在中国南方使用广泛的中小型谷物干燥机，但在日本最为发达。日本中小型低温循环式谷物干燥机，装机容量2 t～10 t，采用低温大风量薄层间歇式干燥工艺，谷物干燥品质较好。但是降水速率较慢，一般在0.4%/h～0.8%/h，生产率较低，且主要以燃煤为热源，价格较昂贵，在我国推广有一定难度。

1.2工艺流程

由于稻壳、稻米和稻糠的干燥特性、平衡含水率各不相同，造成水稻在干燥过程中，以复合体状态存在。薄层干燥中各因素对干燥速率影响的大小依次为：物料厚度>干燥温度>真空度[2]，快速干燥-储藏或缓苏-快速干燥的分段干燥工艺[3]在保证干燥质量、降低耗能、节省干燥机有效工作时间方面效果较好。过热蒸汽干燥与传统的热风干燥相比具有干燥速率快、能耗低[4]的优点。水稻流化床干燥和传统流化床干燥对比，脉冲流化床在整米率和白大米颜色上区别不大，能耗低但干燥速率稍慢[5]。近几年，李长友在水稻干燥中创新提出干燥理论，强调了干燥过程中客观势能的利用，并在干燥模型、干燥工艺、干燥机开发方面做出大量工作[6-10]。

1.2.1顺流谷物干燥

针对顺流谷物干燥机存在的问题，曹崇文[11]曾做出过深刻总结。顺流干燥过程中影响水稻干燥性能的参数依次为热风温度、谷物流速、初始水分、风量和水稻品种[12]。目前为了节能减排，已有顺流干燥设备采用余热回收系统，即把冷却段排出的尾气经过加热后再重复利用[13]。利用5级顺流连续式加热及缓苏和一级逆流冷却干燥工艺，汪春等[14]研制了自动化程度高，节能显著，制造成本低的5GSH-16型水稻保质干燥机。

1.2.2逆流谷物干燥

高湿水稻的逆流干燥工艺中，传统做法是将空气加热，然后送入干燥室，由热风向物料提供升温、水分蒸发所需要的热量并接纳水蒸气。然而对于高湿稻谷而言这种做法存在许多弊端：1）高湿空气会在上层水稻中凝结；2）热量传递方向与水分蒸发方向相反，削弱了干燥过程；3）单位热耗高；4）不适宜大批量湿谷集中干燥。针对这种情况，李长友提出了以客观能势的利用为主，人为提供主观热能消耗为辅的干燥工艺，设计了针对南方天气的5HNH-15型稻谷逆流热风干燥机[15]。

1.2.3混流谷物干燥

由于混流式干燥机的通用强，电耗低，干燥质量较好而成为当前中国应用最广泛的粮食干燥机型。师建芳等[16]通过缓苏换向、脉冲气动排粮、干燥段与缓苏段比例快速可调等多种新型结构，实现了混流式干燥机一机多用。谢奇珍等[17]研究了不同风温、干燥缓苏比对稻谷爆腰率和降水率的影响规律。王桂湘[18]首次提出了顺混流干燥工艺，并将其应用于水稻干燥，降低了爆腰率和单位热耗。在LSU型混流干燥机的水稻干燥实验中，Colderwood和Webb认为水稻混流干燥时间要小于15 min，粮温要在38.3℃～50℃的范围，且水稻水分越低，爆腰敏感程度越高。

1.2.4横流谷物干燥

横流干燥是粮食干燥最常见的形式之一。这种干燥机结构简单，工作可靠，制造简单。横流式谷物干燥机通常采用谷物换位、差速排粮、热风换向、多级横流干燥等手段来改善横流式干燥机干燥不均匀的缺陷[11]。由于水稻干燥的特殊性，横流循环干燥机基本上是水稻干燥的唯一机型。

1.2.5对撞流干燥

对撞流干燥技术是利用两股相向气流对撞所形成的高度湍流，以及湿物料在对撞区的快速非稳态运动来增强传热传质过程，具有快速、高强度干燥，能耗低、结构简单，适合于小型干燥设备，并能很好的保护产品品质的特点[19-20]。对撞流干燥机大体分为同轴对撞流干燥机、垂直对撞流干燥机和圆环状对撞流干燥机。干燥品质方面，同轴对撞干燥机对撞距离越大、对撞室体积越大则干燥效果越好；长方形比竖直圆筒形对撞室的干燥效果好。干燥物料方面，对撞流干燥更适合高湿粉状物料[21]。垂直对撞流干燥实验表明：热风温度是影响降水幅度、小时去水量和干燥强度的最关键因素。其他条件不变，提高风速有利于提高干燥速率；喂料速度增大会使降水幅度减小，但小时去水量增加；颗粒粒径越小、含湿量越大，物料降水幅度、干燥强度越大[22]。半环对撞流干燥机在综合考虑干燥速率、干燥经济效益和设备占地面积后，在环后半部加入适量新型空气和适当增加直径可以达到强化干燥过程的目的[23]。Chatchai Nimmol等[24]设计了针对水稻的能够双向进料的同轴双向对撞流干燥系统，取得了较好的干燥效果。

1.3干燥控制系统

在商业领域的水稻干燥，基本上采用的都是热风干燥，而传统的热风干燥过程是典型的大惯性、多变量、非线性工艺系统[25-26]。国外干燥设备一般都配置有出粮水分控制系统，借助于高精度的谷物水分在线传感器，实现粮食干燥过程的自动优化控制。近年来，国外学者还对粮食干燥过程进行了深入研究，先后创立了谷物干燥Bakker-Arkema偏微分方程（PDE）、二维动态偏微分方程模型和干燥过程的分布参数DP过程模拟，较好地模拟了谷物的干燥过程，且模拟计算程序简单，适合干燥过程的在线控制[27]，据此开发了模型预测控制（MPC，Model Predictive Control）等先进的智能控制方法，以干燥目标含水率、谷物入机含水率和热风温度为输入参数，实现了排粮速度的优化控制，并已经在美国GSI塔式干燥机、Brock塔式干燥机等商品化谷物干燥机上推广应用，谷物岀机含水率与目标含水率之间的误差可以控制在±1.0%以内。在循环式水稻干燥机中，M.R.Manikantan等发现Wang和Singh薄层干燥模型更适合以太阳能和生物质能为热源的干燥过程，而Page模型则更适合于以电能作为热源的干燥过程[28]。

陈怡群等[29]利用薄层方程理论建立了可模拟循环式谷物干燥机的干燥模型。该模型（基于Page水稻薄层干燥方程和Pfost水稻平衡水分方程）可以算出各种情况下水稻干燥所需要时间，并能得到整个干燥过程中谷物含水率、排气温湿度的变化情况。为改善我国中小型水稻干燥机自动化水平低及日本、干燥机自动化设置与控制较复杂的现状，蒋平等[30]自主设计了一套循环式粮食干燥机的智能控制系统。该系统基于单片机和复杂可编程逻辑器件CPLD技术，利用温度、水分、仓位等多个传感器来进行智能控制。在提高干燥机中燃烧机效率和保持谷物品质方面，独创了三段式燃烧机热风温度控制，并且为了应对农村复杂情况，采取了多项抗干扰措施，取得了不错的效果。

1.4水分在线检测

水稻含水率不同，其导电率就会不同。电阻法通过高频阻抗能间接测定谷物含水率。电容式水分测定属于容积式介电特性测量，测量值不仅对温度敏感，还对谷物的介电特性和容重十分敏感，应用在水稻的在线水分测量，干扰因素较多，精度难以保证。红外线法和微波法测量精度高，重复性好，但是价格贵、安装复杂，要实现在小型水稻干燥机中的广泛应用还需要进一步的探索。中子法由于辐射，需要特殊防护，还未推广应用。

小型水稻机由于成本因素、机器工作环境复杂使其对在线水分检测系统有更高的要求。稳定、简单、通用、精度高、成本低是小型水稻干燥机在线水分检测的发展方向。

2　中国小型水稻干燥机的发展趋势及建议

图1　2004年～2011年谷物干燥机数量Fig.1　The number of grain drier（2004～2011）

图2　2004年～2011年机械烘干粮食数量Fig.2　The number of mechanicaldrying food（2004～2011）

图4　2000年～2013年中国水稻产量Fig.4　China's rice production（2000～2013）

图1至图4分别列举出了近几年我国谷物干燥机、粮食干燥、水稻机械化收割和水稻产量的发展状况，资料来源于《中国农业年鉴》。虽然我国南方地区近些年经济持续发展，城市化水平提高，使得水稻种植面积逐年降低，但是东北地区的水稻种植却在加大，我国水稻产量总体维持在2 000万t左右。近些年大型水稻收割机快速发展，收割机跨区作业普及使我国水稻的机收产量在近些年呈线性发展。虽然机械烘干的粮食总量也有不小的提高，但是水稻收割时间缩短、阴雨天气、晾晒场地不足、农村劳动力转移等因素使我国水稻及时干燥的压力有增无减。按发达国家的干燥水平，我国水稻干燥需要900万台，显然我国水稻机械干燥现状离这个水平的距离还很远。国内外现有中小型谷物干燥机价格贵、耗能高、干燥成本高、利用率低，无法适应时间需求是目前制约我国稻谷机械化发展的主要原因。为此，为顺应我国农业生产规模化发展的趋势，针对家庭农场的实际需求，确定适应的机型，找到低成本替代燃料，采用先进技术节能、增效、降耗，并通过先进技术的国产化降低设备成本，才能促进我国稻谷机械化干燥的发展，减少谷物产后损失，提高稻米品质。

由于我国石油资源匮乏，国内干燥设备主要用煤作为热源，燃煤热风炉寿命短、热效低、钢材消耗量大，导致制造成本高、干燥成本贵。因此我国小型干燥设备的燃烧炉大多能使用两种或两种以上的燃料，这在节约运行成本和设备使用的灵活性方面具有不错的效果。在爆腰率方面，大部分机型总体控制不错。但干燥过程中水分实时在线检测技术没有真正解决，目前并没有拥有一套完善的实时控制系统。在制造质量、应用数量、自动控制水平、干燥工艺以及干燥机的通用化、标准化、系列化等方面我国干燥行业还有很长一段路需要走。针对谷物干燥机发展现状要组织力量对关键技术进行攻关，解决一些谷物干燥中的难题，如稻谷烘干的最大干燥速率、最小缓苏时间、爆腰与碎米的关系以及水分的在线检测和自动控制等方面。

从仿制苏联的大型混流式谷物干燥机开始，我国谷物干燥技术通过各级农机研究所、高校和企业的开发研究，逐渐转向自主研发。现在专业生产谷物干燥机的企业如雨后春笋，涉及大中型混流式谷物干燥机、中小型横流低温循环式谷物干燥机、中小型横流低温循环式谷物干燥机和小型移动式内循环谷物干燥机。我国干燥机产业已经得到了长足的发展。

图5　农业干燥器（A）进出口金额；（B）进出口数量Fig.5（A）The amountand（B）numbers of importand export agriculturaldrying machine

从图5可以看到从2011年到2014年（2014年为1～10月的不完全数据），我国的农业干燥机进口数量是逐年降低的，但在进口干燥机的消费总额逐渐增多，也就是说进口干燥机逐渐转向高端产品，单价越来越高。考虑人民币汇率，进口干燥机平均单价从17.7万人民币/台左右升到了29万人民币/台左右。虽然对外出口干燥机总量逐年增多（不考虑2014），出口总额也是逐年增加，但是出口干燥机的平均单价只是从4万人民币/台左右提高到5万人民币/台左右。从中不难看出我国干燥机出口的形式是数量多、价格低，以价格优势同国外品牌竞争。由此可见，国产干燥机目前核心竞争力还不足。目前国产水稻干燥机的自动控制水平普遍偏低，谷物水分在线检测传感器的精度和可靠性较差，尚无法满足实用需求，只能用粮温间接控制水分，谷物岀机水分无法精确控制。普遍采用恒温干燥工艺，降水速率慢、热效率低、能耗较高，无法满足稻谷低成本快速高效烘干的要求。

图3　2004年～2011年机收水稻田公顷量Fig.3　Number ofmechanicalharvesting rice paddies（2004～2011）

就水稻干燥而言，在我国可供选择的干燥机型不多，以中大型产品为主。国内干燥机企业大部分在自动化控制与在线监测方面重视仍然不够。我国是世界水稻种植面积和总产量最多的国家。但每年两亿吨左右的水稻产量大部分仍以农民自行分散晾晒为主，这就迫切需要我们根据实际情况，设计出操作简单、干燥速度快、适应农村能源、成本低廉的小型水稻干燥机，这对我国农业的发展具有重要的现实意义。

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The Recent Development of Small Paddy Dryer

XIONG Rui，ZHU Wen-xue*，ZHANG Qi，YU Bin，HUANG Jing
（College of Food and Bioengineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471023，Henan，China）

Elaborating the development of drying machine through the recent research progress of dryer body，process，online detection and controlsystem developmentfrom severalaspects，and discusses the currentsituation ofthe drying industry.

grain；paddy；dryer

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.12.050

熊瑞（1990—），男（汉），硕士在读，研究方向：食品机械与工程。

朱文学（1967—），男，教授，博士，研究方向：农产品加工。

2015-06-08