粮食远红外辐射干燥研究进展

贲宗友，孙艳辉，史德才，史乾军

我国是世界上最大的粮食生产和消费国，据国家统计局公布的数据显示[1]，2017年我国粮食总产量已超过0.62×108kg。粮食产业关乎国计民生，但粮食收获后在脱粒、晾晒、运输、贮藏等过程中的损失率高达15%，远超联合国粮农组织（AGRIS） 规定的5%[2]，同时存在资源利用率低、附加值不高、品质控制不足和环境污染严重等问题，严重制约了我国粮食产业的发展。干燥作为粮食加工过程中必需的单元操作之一，其加工过程中的能耗最为显著，同时也是粮食长期储存最为有效的方法。

目前，常用的粮食干燥方法有热风干燥[3]、太阳能干燥[4-5]、红外辐射干燥[6]和就仓干燥[7-8]等，干燥方法的选择一般依据物料的干燥工艺特性。其中，红外辐射技术由于具有均匀性、吸收性、方向性、距离特性和能量特性等优势，已逐渐成为国内外粮食干燥技术的主要研究方向之一[9]。

1 红外辐射及加热原理

红外辐射同时具有光和波的性质，属于不可见光，根据波长可分为近红外线（0.76～1.50 μm）、中红外线 （1.5～6.0 μm）、远红外线 （6～1 000 μm）。红外辐射遵守电磁波的运动规律，既可以被物体反射、吸收，也可以穿透物体。当物体分子的固有振动频率与被吸收的红外辐射频率相同时，就会产生共振并伴随辐射能转化为热能，使得物体内外温度同时上升，有利于物体内水分的外溢，从而达到加热和干燥物体的目的。而水稻、小麦等粮食作物的最佳红外吸收波长为6～12 μm[10]，适合远红外辐射干燥。

2 远红外辐射干燥的特点

目前，我国粮食干燥方式主要为可实现规模化生产的热风干燥，其原料主要为燃煤、燃油、生物质燃料等，但是由于热风干燥的烟尘污染粮食、温度不易控制、干制品品质不高等不利因素，且近年来环保压力加大，因此远红外干燥优势更加凸显。

2.1 生产效率高

远红外辐射干燥的水分迁移机制有利于加速整个干燥过程。远红外辐射可使物料中的温度梯度与湿度梯度方向相同，有利于水分迁移，加速干燥进程，且远红外辐射提供的热流密度远高于传统的热风干燥，物料升温迅速。

2.2 干燥产品品质高

远红外辐射具有穿透性，可使物体内外均匀受热，有效避免了粮食在干燥过程中由于温度不均匀产生的爆腰现象。同时对粉状、块状等大部分物料具有一定的杀菌、灭酶作用。

2.3 节约能源

由远红外辐射原理可知，其传输无需借助中间介质，因此可以减少热量损失、提高热能利用率。

不同干燥方法的单位热耗[11]见表1。

表1 不同干燥方法的单位热耗/[kJ/kg·(H2O)]

3 粮食远红外干燥技术研究进展

刚收割的粮食含水率较高，直接贮藏易发生霉变，农户一般采用道路或稻谷场太阳晾晒，不仅易受天气影响，且处理量有限，降低了粮食干燥品质。为了寻求更佳的干燥方式，自从上世纪五六十年代开始，国内外学者便已在粮食远红外干燥工艺、干燥技术等方面开展了相关研究工作。

3.1 远红外干燥工艺研究

远红外辐射干燥工艺对粮食干燥效果和品质有重要影响，但是不同种类粮食在内部组织和性状上都存在很大差别，导致干燥工艺也相去甚远，并且粮食干燥过程中会挥发出大量水汽，若不及时除去，对粮食的干燥进程和品质都将产生严重影响。相关研究目前主要集中在干燥过程影响因素、干燥理论模型方面。Afzal TM等人[12]试验研究了辐射强度（0.167～0.500 W/cm2）、进气速度（0.3～0.7 m/s）、初始含水率（25%～40%d.b）、空气湿度（36%～60%） 对大麦干燥的影响，发现辐射强度对干燥速率影响最大。罗剑毅[13]对稻谷做了远红外和热风干燥单因素试验，得出干燥特性，并对联合干燥进行多因子正交回归试验，优化后得出最佳工艺组合。Naret M等人[14]建立的稻谷远红外干燥热量和质量传递理论模型，能够合理预测干燥过程中稻谷内部的温度和水分分布。孙永林等人[15]对麦冬进行薄层干燥特性及模型研究发现，干燥速率与麦冬切片和温度呈正相关，且Page模型预测值与实测值比较吻合。

3.2 催化式远红外干燥技术

红外辐射器常以电作为能源，而催化式红外技术作为一种新型的节能技术，利用天然气与氧气在催化剂作用下发生氧化反应，为辐射层提供能量。电红外辐射、天然气红外辐射和热风对流3种干燥方式的热效率和成本（见图1），其中天然气红外辐射热效率最高、成本最低。

不同干燥方法的热效率及成本见图1。

图1 不同干燥方法的热效率及成本

潘忠礼等人[16]使用催化式远红外技术对稻谷进行干燥试验，研究表明无论大米的含水率高或低，采用红外加热只需60 s就可升温至60℃，且稻谷品质明显提高。Ragab Khir等人[17-18]使用催化式远红外加热技术，对含水率20.6%～25.0%的稻谷的干燥品质、碾米品质等进行了试验研究，结果表明使用催化红外发射器可以提高升温速率和水分去除率，且加热稻谷至60℃后再回火的方法可以明显改善稻米的干燥品质和碾米品质。Deliephan A[19]使用台式无焰催化红外发射器对硬质冬小麦进行干燥，发现红外照射的小麦含水率、细菌量、霉菌量较未经红外照射的小麦分别下降1.5%～2.0%，98.7%，97.8%。姚豪杰[20]研究了催化式远红外技术对糙米品质的影响，发现红外加工后的糙米可采用缓苏处理提高整米率，且远红外技术可有效抑制霉菌生成。因此，催化式红外技术在粮食干燥方面有广阔的应用前景。

3.3 远红外联合干燥技术

联合干燥是根据物料的干燥特性，结合2种或2种以上干燥技术的优势，达到低能耗、高品质和高效的干燥效果。

在国外，Tuncel N B等人[21]试验研究了玉米单独红外、热风干燥及远红外热风联合干燥，结果表明远红外干燥和远红外热风联合干燥方法可大大缩短干燥时间，且当玉米初始含水率在16%以上时，远红外热风联合干燥更有效、更经济。Nachaisin M等人[22]研究了远红外热风联合干燥糙米，发现提高远红外强度，可以降低糙米的硬度、咀嚼度和胶质含量，但增强了糙米的复水性。

在国内，汪喜波等人[23]通过数值模拟和试验研究了不同操作条件对远红外辐射与对流联合干燥稻谷过程的影响，结果显示数值模拟结果与试验数据吻合良好。董鹏飞，张静等人[24-25]研究了远红外加热温度、真空度和干燥时间对玉米水分变化规律、干燥速率和干燥后玉米品质的影响，及干燥过程中的高耗能问题，结果表明远红外低温真空干燥可以大大改善干燥产品的品质且节能优势突出。焦士龙等人[26]试验研究了稻谷远红外辐射联合热风振动流化床干燥，结果表明此方法稻谷脱水率大、爆腰率低。

单一远红外干燥有时无法达到所要的干燥效果，且为了响应国家节能环保的要求，在远红外干燥工艺的研究中，若能够将冲击干燥、脉动真空干燥、热泵干燥等新型干燥技术与远红外加热技术有机结合，开发新型联合干燥工艺，将可以减少单一干燥方式在粮食干燥过程中的问题，提高粮食干燥品质。同时，研发高效率红外辐射材料及涂层材料、建立粮食远红外干燥质热传递动力学模型、降低干燥过程能耗等，将是未来的主要发展趋势。

4 粮食远红外干燥设备研究进展

粮食远红外干燥设备是远红外干燥工艺的具体实现，国外在粮食远红外干燥设备方面开展的研究较早，设计开发出一系列远红外干燥设备，并得到广泛应用，且占据了大部分粮食干燥设备市场。国内则起步较晚，尚处于研发阶段。

在国外，Soojin J等人[27]设计了一种用于大豆蛋白和葡萄糖2种组分选择性加热的远红外加热系统，当滤波器在5 min内升温超过6℃时，蛋白质的最佳吸收光谱在6～11 μm，且组分的不同光谱吸收率数值分析结果与试验结果误差在8.3%以内，证明了该加热系统的可行性。2001年，美国CDT公司使用研制的触媒远红外中试设备对水稻进行分组干燥对比试验。结果表明，水稻籽粒爆腰率低、品质好，能耗仅为热风干燥的30%左右。Hidenaga S[28]设计开发了新型循环型远红外谷物干燥机（PCE-43，53，63型），并应用于大豆干燥。Hidaka Y等人[29-31]在循环批式干燥机基础上开发出一种商用远红外干燥机，并使用稻谷和小麦进行试验。结果表明，与相同干燥能力的循环批式干燥机相比，耗油量和耗电量大幅下降，稻谷爆腰率下降2%，且不会影响稻谷的发芽率。无锡金子农机有限公司（日资）开发的RVF系列远红外干燥机，该设备可以使远红外线照射到每粒谷物，保证干燥品质的同时，与热风干燥相比省油15%，省电40%。

在国内，20世纪70年代中期，中国科学院上海技术物理研究所[32]研发了一台FIR-D型远红外谷物干燥机，但是其生产能力偏低且成本高。同年，江西国营云山综合垦殖场[33]研发出一台5H-12型立轴叠盘离心式远红外谷物干燥机，相比其他机型，该机体积小、能耗小，且被干燥谷物爆腰率大幅减小，仅为0.2%～0.6%。魏忠彩，孙传祝等人[34-36]研制了一种红外玉米穗干燥机，并利用其对玉米进行等温干燥和变温干燥试验，研究了不同参数下玉米穗的干燥特性，并优化了玉米穗红外干燥工艺参数。张仲欣等人[37]设计了一种竖箱式远红外谷物烘干机，该烘干机内谷物在红外加热管两侧，并配以气流，简化了烘干机的结构。张秦权等人[38]综合低温真空干燥和远红外干燥2种技术的优势，设计出一套真空低温（蒸汽加热）与远红外联合干燥设备，该设备目前只能对果蔬进行干燥，其他物料的干燥还有待于进一步研究和设计。刘春山[39]设计建造了一套远红外对流组合干燥机，稻谷干燥试验表明，干燥能耗和爆腰率较单独热风干燥分别降低28.9%和2.5%。匡鹏[40]对内燃机废气利用和快速干燥技术进行了研究，开发出一种利用联合收割机排气余热辅助远红外辐射的多级干燥系统，并试制了部分样机，数值模拟结果表明方案的可行性。王润发[41]设计了一种远红外与逆混流引风组合的干燥工艺系统，样机试验验证表明，样机总体运行可靠性高，稻谷自身温度较传统的横流干燥方法降低11℃，平均去水速率提高2倍，提高了稻谷的干燥品质，降低了干燥能耗。

远红外干燥设备的开发基于干燥工艺的研究，且单一干燥方式有明显劣势，目前干燥设备的开发多为组合型，但是依然存在一些不足，如干燥过程的全自动控制、粮食含水率在线监测、热能的回收利用等，且大型设备相对较少，难以满足工业化大生产的要求。同时，设备从开发到定型过程中缺乏理论依据指导，若能够在设备的研发过程中引入有限元分析（FEA）设计和计算流体动力学（CFD） 的方法，不仅可以降低研发的成本、减少原料的浪费，还能够缩减研发周期，提高生产效率。

5 结语

在能源日益紧缺和环境污染日益严峻的情况下，大力发展高效节能的远红外辐射干燥技术具有重要意义。但是由于我国远红外辐射干燥技术研究起步晚，技术尚不成熟，因此还未大面积推广。近年来，我国出台一系列政策，鼓励企业发展智能化高效农机设备，并给予设备购置补贴，目前已有上海三久（台资）、上海艾迪迦等企业在粮食远红外干燥技术和设备上攻关克难，开发出系列烘干设备，正改变着粮食烘干行业的产业结构，对我国粮食机械化烘干的实现有着积极的促进作用。