粮食干燥设备发展趋势——从热风干燥到石墨烯远红外辐射

黄盛杰 吴煜 沈健民

0 引言

我国是世界上最大的粮食生产国，粮食产量已连续5 年稳定在6.5 亿t 以上。由于粮食收获期比较集中，收获后的粮食大都水分较高，如果存储不当，堆积的湿谷物会滋生对人体有害的黄曲霉，造成粮食的大量损失和浪费[1]。为了避免捂粮损失，谷物收获后，必须经过干燥处理，这是谷物能够长期安全储存的一个极其重要的条件[2]。

谷物干燥一般采用人工晾晒或机械干燥方式[3]。人工晾晒受天气影响大，晾晒过程中谷物也容易被污染，而且费时费力，晾晒效率低。机械干燥不占场地，不受天气影响，整个干燥过程都是在程序控制下自动化完成，作业效率高、损失率低，干燥均匀且可确保原粮品质[4]。发展粮食烘干产业、推进谷物干燥机械化，对促进农业增效、农民增收，确保国家粮食安全具有重要的现实意义。

1 传统干燥技术

欧美发达国家对谷物烘干机的研究起步较早，20 世纪70 年代已经实现了谷物干燥自动化，80 年代以后干燥设备转向高效、环保、高质量、全自动化的方向发展[5-8]。我国在谷物机械烘干技术研发方面，起步较晚、基础薄弱。现有的谷物烘干机多数为竖箱式烘干机[9]，热源采用热风炉或燃烧器，燃料为煤炭、生物质颗粒、柴油、煤油，干燥介质为热气流。无论是热风炉还是燃烧器都存在使用寿命短、能耗高、效率低、污染环境等问题。图1 为传统谷物烘干机剖面示意图，图2为传统谷物烘干机工作原理图。

图1 传统谷物烘干机剖面示意图

2 远红外干燥技术

近些年，国家在节能环保方面的要求越来越高，高效率、低能耗的远红外烘干机应运而生[10]。与利用燃煤和燃油的烘干机相比，远红外谷物烘干机不但卫生清洁、除湿效率更高，而且可以杀死谷物中的虫卵和湿谷物产生的黄曲霉。

2.1 远红外干燥技术原理

远红外谷物烘干机利用石墨烯等辐射元件发射出的远红外线干燥谷物。由于红外线有一定的穿透性，谷物吸收红外辐射后，热量会集聚在内部。在干燥过程中，谷物表层水分不断蒸发，使谷物表面温度低于内部温度，因而，谷物的热扩散过程是由内部向外部进行的；同时，谷物内部的水分也高于外部，水分会由内部向外部转移。整个烘干过程中热扩散和水分扩散的方向一致，可加速谷物干燥的完成。

图2 传统谷物烘干机工作原理图

2.2 远红外干燥技术特点

2.2.1 节约能源，干燥速率高

传统的热风烘干以热气流为干燥介质，烘干时，热风吹过谷物表面，热能慢慢传导到内部，整个烘干过程耗时较长；而远红外烘干不需要利用任何介质，可以直接加热干燥谷物。由于远红外线能量密度大，且具有穿透性，烘干时，谷物表面和内部同时受热，热量损失少，可以节约大量的能源，提高干燥速率[11]。不同干燥方式的单位热能耗见表1。

表1 不同干燥方式的单位热能耗 单位：kJ/kg

2.2.2 设备结构简单，投资费用低

远红外烘干机中的红外辐射装置结构简单，且使用寿命长[12]。相较于现有的热风烘干机，远红外烘干机外型尺寸小，安装简便，维护费用低。

2.2.3 干燥效果好

使用远红外烘干机烘干，谷物内外同时受热，可避免因内外受热不均而导致谷物爆裂，能减少干燥过程中的营养成分的损失。利用远红外烘干机干燥后的谷物的含水量、细菌含量、霉菌含量较热风干燥的谷物都有大幅度下降，能避免谷物在储存过程中变质。将远红外干燥后的谷物再回火或者缓苏处理，可以提升谷物品质，降低爆腰率[13]。

2.2.4 安全可靠，易于推广

远红外干燥设备对人体伤害比较小，无污染。

3 远红外干燥技术与装备研发现状

3.1 循环型远红外谷物干燥技术

远红外干燥往往使用的是联合干燥技术，即根据物料特性，将2 种或2 种以上干燥方式优势互补形成的一种复合干燥技术。利用远红外联合干燥技术对玉米、小麦、稻米等谷物进行烘干，干燥能效更高，烘干所需的时间更短，干燥后的谷物品质更高，谷物脱水率大且爆腰率低[14-16]。

与传统循环式干燥机相比，循环型远红外谷物干燥机在干燥大豆、稻米、小麦时，能耗更低，且干燥后的谷物外观更好，保持了原有的色泽，爆腰率下降了2%以上，干燥后的谷物依然可以作为下一年的种子使用。将远红外辐射设备安置于竖箱式谷物烘干机的中心部位，让谷物流经远红外辐射装置两侧，配以气流辅助，可以进一步提升干燥效率。该种设备不仅可以用于干燥谷物，还可以干燥果蔬，减少干燥过程中维生素的破坏以及营养成分的流失。相比于热风烘干机，远红外联合烘干机能耗和爆腰率都更低，而且干燥效率更高，干燥后的谷物口感更好[17-26]。

3.2 石墨烯远红外辐射技术

近几年，人们发现石墨化的碳材料能在低功率密度的电能驱动下高效发射远红外线，因此被广泛地应用于物料干燥领域。市面上已出现使用碳材料作为远红外发射元件的谷物烘干机，其工作原理是使谷物沿着烘干机内部的远红外辐射板的导流槽自然下滑，在谷物下滑的同时，用远红外辐射板发出的远红外线对谷物进行加热干燥。图3 为石墨烯远红外谷物烘干机干燥单元剖面图。

图3 石墨烯远红外谷物烘干机干燥单元剖面示意图

得益于石墨烯在低温下即可发射远红外线的特性，该新型栅板式远红外烘干机具有烘干体量大、烘干质量好和烘干效率高等优点。技术优势如下：

1）石墨烯远红外干燥机比传统热风干燥机节能30%；

2）栅板间可以存留大量的物料，增加了设备的干燥体量；

3）远红外线能从谷物内部和表面同时开始加热，加速谷物内部水分蒸发，提高脱水速率一倍以上，还能减少谷物因外层失水过快而造成的“爆腰”和龟裂等缺陷，保持物料的完整性，同时缩短了谷物缓苏段的时间，提高干燥效率50%～70%；

4）输粮轮可以精准控制谷物的流量，既可以防止谷物在干燥室的停留时间过短、干燥效率低的情况发生，也可以防止谷物在干燥室的停留时间过长而受损。

4 结语

我国粮食烘干技术和设备在过去的40 年中取得了长足的发展，但是仍然存在发展不平衡、使用成本高、自动化水平低等问题，需要政府相关部门出台扶持政策，完善研发、投入和创新机制，加强人才队伍建设，推动农机化全面、全程、高质量发展。