粮食就仓干燥技术研究与应用

顾广东，曹 磊，刘 超，周 健，朱昌保，潘跃东，王 懿，吴先山

(1.安徽省粮油科学研究所，安徽 合肥 230001； 2.安徽省农业科学院农产品加工研究所，安徽 合肥 230031； 3.合肥弘恩机电科技有限公司，安徽 合肥 230025)

近年来，由于国家惠农政策的实施，促使粮食规模化种植逐渐普及，种粮大户不断涌现，粮食收获呈现集约化、规模化态势。由于种粮大户没有成熟的烘干储藏技术，对于收获的高水分粮食无法有效处理，只能在短时间内将粮食销售给粮库、粮食经纪人等粮食收储、加工单位，导致高水分粮食收储量不断增加。高水分粮食在倒运、储藏过程中易出现粮堆高温、高湿等现象，且对粮食品质及安全产生巨大威胁。这样不但会给有关部门在人力、财力上造成很大的压力，也迫使农户将刚收获的粮食以较低的价格进行销售，影响了农民的种植收益。据农业部门统计，我国粮食在收储环节的损失率高达5%左右，每年损失接近155亿kg，相当于200万hm2耕地的年产量。

目前粮食干燥领域普遍采用烘干机、烘干塔进行大规模粮食干燥，对解决我国粮食收储运过程中的损耗问题有着重要意义。但也存在着粮食干燥均匀性差，单位干燥能耗偏高，设备投资大、对粮食品质有一定影响等缺点。此外，若烘干参数与工艺选取不当，会导致粮食干燥不均匀和品质下降，如蛋白质变性、种子发芽率降低、食用品质降低等。鉴于烘干机和烘干塔的一系列劣势，粮食节能、保质、均匀干燥，粮情监控、智能控制及相关装备的开发和应用是目前亟待研究的内容。

1 粮食就仓干燥技术概述

粮食就仓干燥是一种集干燥、仓储为一体的技术形式，是将新收获的粮食直接装入配有机械通风系统的储粮仓内，通常使用常温空气进行干燥；在环境湿度较高的情况下，通过加热降低空气湿度，用热空气作为干燥介质，模拟粮食自然晾晒环境风温条件，对仓内粮食进行低温通风干燥，保证粮食安全和品质的一种干燥储藏技术。

利用就仓干燥通风系统，可对储粮进行降水、降温处理，有效减缓粮食自身的呼吸作用，促使后熟的完成，有效抑制储粮微生物的生长与繁殖，提高粮食的储藏稳定性，防止粮食在储藏过程中出现品质劣变等。就仓干燥技术主要是采用组合式立体通风系统对粮食进行通风干燥，主风道放置在粮面或粮仓底部，通过软管将主风道与支风道、立于粮堆中的通风管组合连接起来，支风道与支风道之间的间距、通风管在粮堆内的深浅可根据通风需要进行调节。使用此类通风系统可解决粮堆通风干燥不均匀及通风死角等问题。粮食就仓通风干燥的质热交换过程和机理比较复杂，粮食品质状况、水分含量、粮堆高度，环境温湿度参数、通风系统类型、气流速率以及操作、管理方法等都会影响到干燥效果[1]。同时，就仓通风干燥也是一种缓速、慢效的干燥过程，干燥周期一般较长，需要几天甚至几周时间，故在对高水分粮食进行干燥时需要实时监控粮情及时通风处理。

就仓干燥技术因其不受场地限制，具有投资少、劳动强度小、运行费用低等优点，该技术的研究与推广对保障国家粮食储备，提高粮食品质，提升粮食购销企业的市场竞争力，具有重要意义[1]。目前国内外不少研究机构在粮食就仓干燥领域已取得一定的研究成果，如四川省粮食局采用新型移动式就仓干燥设备对800多t平均水分为16.5%的小麦进行就仓通风干燥处理，将小麦水分降至安全水分，且通风干燥后的小麦与同品种进行晾晒处理的小麦在品质上没有明显差异[2]。中央储备粮商洛直属库与中储粮成都粮食储藏科学研究所合作开展了高水分玉米的就仓干燥试验[3-4]，将玉米水分从15.3%降至14.2%，单位能耗2.66 kW·h/(1%·t)，干燥后全仓玉米的水分分布相对均匀，且运行成本低，综合效益明显。中央储备粮大理直属库王鑫等人利用离心风机与单管风机组合的方式对平均水分为16.3%的玉米进行就仓干燥降水试验，成功将玉米水分降至13.8%[5]。河南工业大学的专家在秋冬季节利用低温、低湿的自然空气条件，对高水分的稻谷进行就仓机械通风降水，利用近4个月的时间，将稻谷水分从原先的16.6%降至14.4%，同时使粮温下降并始终处于一种低温状态，且粮情稳定，粮食品质指标基本保持不变[6]。

2 高水分粮就仓干燥技术的机理与过程

2.1 粮食干燥的基本理论

粮食的干燥方式有很多，如自然晾晒、烘干等，但就其干燥原理来说，大多数干燥方式都是利用干燥空气介质与被干燥粮食之间的水蒸气分压差，使粮食内部的水分蒸发至干燥空气介质中，从而与气流一起移出粮堆。而建立这种水蒸气分压差的方法主要有两种，一是降低干燥空气介质的湿度，使干燥空气介质中水蒸气分压降低；二是加热空气介质的温度，经加热干燥后的空气介质与粮食接触使粮食温度升高，从而使粮食表面的水蒸气分压升高，从而建立空气与粮食之间的水蒸气分压差[7]。

2.2 粮食干燥的过程

粮食的干燥可以概括为两个基本过程，粮食内部的水分先以液态或气态的形式沿着粮粒毛细管扩散到粮粒表面，再由粮粒表面蒸发至干燥介质中[8]。在储粮仓内，粮食的温、湿度分布基本均匀。粮食与外界环境所进行的湿热传递是吸湿或自然蒸发取决于粮食的平衡湿度和环境空气的状态参数。在自然环境条件下，即使粮食中的水分能自然蒸发，其干燥速率也是很慢的，要加快粮食水分的蒸发速率，就必须改变其外部条件，促使其内部水分向外迁移。在加热通风干燥时，经加热后的湿空气介质首先是加热粮食，受热后粮食内外会形成温度梯度，其表面的水分开始向外蒸发，当粮食表面水分逐渐减少后形成湿度梯度时，这种湿度梯度就会促使粮食内部的水分向外迁移[9]。温、湿度梯度共同构成了粮食内部水分向外传递的推动力，促使粮食内的水分从内向外迁移。

粮食干燥是粮食表面水分汽化与内部水分扩散迁移同时进行的结果。两者的影响因素不同，热空气参数影响的是粮食表面水分的汽化，温度和粮食的结构、理化性质等参数则影响其内部水分向外传导的过程。所以干燥时，粮食表面水分的汽化速率与内部水分的扩散速率是有差别的。在粮食干燥速率表现为受表面汽化过程控制时，粮食表面有足够的水分向外蒸发，粮食不断从热空气介质中吸收热量，全部用于其表面水分的汽化，所以粮食不升温。这个过程一般发生在粮食干燥过程的前期，在干燥时，改变空气介质的参数，可影响干燥速率。粮食干燥速率表现为受内部水分扩散控制时，粮食表面已逐渐干燥，此时粮食开始逐渐升温。这时可以通过降低粮层厚度，缩短水分在粮食内部扩散的距离，减少水分在内部扩散阻力等措施来改善粮食内部的水分传导，从而达到强化干燥的效果[9]。

3 粮食就仓干燥技术的研究与应用

3.1 粮食就仓干燥的分类

3.1.1按粮食干燥方式

粮食干燥过程本质上是个复杂的质热交换过程。干燥粮食的方法有很多，按照干燥的操作形式，主要可分为自然晾晒和机械干燥两大类，机械干燥又可分为高温快速干燥和低温缓速干燥。就仓干燥也被称为“整仓干燥”，属于低温缓速干燥的形式，接近自然晾晒，能最大程度保证干燥后的粮食品质[10]。

根据进入粮仓内的空气形式以及粮食在仓中的干燥形式，可把就仓干燥分为以下三种：自然通风干燥、加热通风干燥以及搅拌通风干燥。

3.1.1.1自然通风干燥

自然通风干燥是指不加热空气介质，主要是利用风机将外界自然空气直接送入粮堆进行干燥作业。自然通风干燥是一种简单、实用的干燥方式，在就仓干燥领域应用的比较早。早在20世纪五六十年代，一些国家就开始利用自然机械通风干燥技术对新收获的粮食进行干燥。美国、澳大利亚、加拿大等国的专家先后研究过利用自然通风的方式开展粮食就仓干燥试验，并取得了一定的研究成果。美国俄亥俄州的科学家对初始水分为20%左右的玉米、大豆、小麦等农作物采用自然通风干燥的方式进行就仓干燥试验，可在4～8周的时间内将上述农作物的水分降低到安全水分[11-12]。近些年，我国在就仓干燥领域的研究也有很大进步，我国东北、西北等地区的一些粮食仓储单位在粮食储藏期间或是新粮收获季节，对粮食进行自然机械通风，取得了很好的降水效果。

虽然自然机械通风干燥投资少，所使用的设备简易、操作方便，干燥后的粮食品质较好。但干燥周期一般较长，要想达到理想的干燥效果，需要几天甚至几个月的时间对粮食进行通风干燥，同时在干燥过程中劳动强度大，受天气影响较大，严重限制了其应用与推广。

3.1.1.2加热通风干燥

为克服自然机械通风干燥周期长，受天气因素影响较大的缺点，通常利用加热空气介质的方法来提高干燥效率，一般将干燥空气介质的温度控制在30℃左右，热量来源既有传统的化石燃料，也有利用电能的空气能热泵等。

在应用方面，美国的一些农场主要推广使用低温加热干燥。所谓的低温加热干燥是指将空气介质加热至不超过原温度11℃的温度范围内进行通风干燥的方法，热源主要采用化石燃料热机或电加热装置[13]。近些年，我国在粮食干燥技术方面取得了很大进步，但也存在着能源利用率不高，干燥不均匀，干燥后的粮食品质不佳等问题。

3.1.1.3搅拌通风干燥

为了应对在就仓干燥过程中出现的粮食干燥不均、通风死角及通风阻力大等问题，近年来，开始发展、应用搅拌通风干燥技术，其工作原理是在粮仓内安装搅拌器，搅拌器上有一个水平轨道，联动着三、四个立式螺旋绞龙，整个搅拌装置在工作时绕粮仓中心不停地公转，立式绞龙一面沿水平轨道移动，一面自转，从而完成对整仓粮食的翻动通风干燥过程。

粮仓内安装搅拌器后，在对粮食进行通风干燥时要兼顾加热通风情况与搅拌频率的关系，实现搅拌时长与加热通风量的相适应。在加热通风干燥过程中，若整仓粮温升高大于2℃，就需要不断地进行搅拌。但在连续搅拌过程中，需防止细碎物质沉积到仓底，造成通风气流量减少，影响干燥效果。在对高水分或深层粮食进行干燥时，需要注意启动搅拌器时螺旋绞龙所受阻力的大小，阻力太大会对搅拌机械系统造成损坏。目前，德国在对粮食进行搅拌通风降水方面的技术已经较为成熟了[14]，在我国，中国农业大学曹崇文等也对搅拌通风就仓干燥技术进行了深入研究。

搅拌通风干燥技术具有在自然通风或加热通风干燥过程中混合上下层粮食，减小各层粮食的水分梯度，实现均匀干燥的优点。且在搅拌过程中，可以使粮堆疏松，减小对气流的阻力，增加有效通风量，使粮温升高1～2℃，实现加快降水速率的效果。中国农业大学曹崇文等研究了玉米搅拌就仓干燥降水试验[15]，研究结果显示，在通风过程中若每天对粮堆搅拌4 h，粮食上下层水分梯度差会小于1%。美国专家博恩通过试验发现，对粮堆进行搅拌会使粮食的体积密度下降8%左右，有效通风量增加约33%。在其他条件不变时，风量增加就可提高通风干燥的效率，与相同条件下未进行搅拌的粮仓相比，干燥时间缩短约一半，干燥成本也会有所降低[12]。

3.1.2按仓型和通风方式

按照仓型可将就仓干燥仓分为房式仓、圆筒仓；按照通风系统形式分，又可分为通风板式干燥仓、通风槽式干燥仓、径向通风干燥仓和组合式立体通风干燥仓。

3.1.2.1通风板式干燥仓

通风板式干燥仓大多数是采用波纹镀锌钢板制成的圆筒仓，仓底设计有带通风网板的空气分配室，粮食堆放在通风网板上，风机将空气介质送入空气分配室后经过网板进入粮层，开始对粮食进行干燥，如图1所示。因为空气是垂直通过粮层的，所以又称垂直通风干燥仓。这种仓型既可开展自然机械通风干燥，也可采用辅助加热装置进行加热通风干燥，应注意热风温度不能大于粮食允许承受的最大温度。整个干燥过程是干燥介质先将底层的粮食进行干燥，形成一个干燥区。随着干燥的进行，干燥区逐渐上移，最后完成整仓粮食的干燥[16]。

1.湿粮；2.干燥区；3.干燥粮；4.风管；5.热源；6.风机；7.进人孔；8.进粮口；9.粮层高度

3.1.2.2通风槽式干燥仓

通风槽式干燥仓与通风板式干燥仓的通风原理和结构基本相似，主要是将主风道安装在粮仓底部，通过主风道将各支风道进行连接，形成网状通风结构，通过风机将空气介质送入通风管道内对粮食进行通风降水。这种干燥仓一般是平房仓等大型仓库，可以对储量大、水分低的粮食进行就仓干燥降水。

3.1.2.3径向通风干燥仓

径向通风干燥仓的仓体结构和原理如图2所示。通风干燥仓一般为圆筒仓，在仓中心处有柱状通风网管，仓壁分为内外两层，内层为孔状通风网板，外层为波纹镀锌钢板，内外层之间有间隙，可以使空气介质从中心柱状通风网管经粮层进入仓壁后移出粮仓，从而对粮食进行通风降水，并可通过调节柱状通风网管内活塞高度达到对粮堆进行分层干燥的效果。这种通风干燥仓可实现装粮和卸粮的机械化操作，在实践中的通风效果好于垂直通风干燥仓。

1.出粮口；2.手摇柄；3.绳索；4.活塞；5.通风圆筒；6.外壁；7.流化板；8.风机；9.加热器

3.1.2.4组合式立体通风干燥仓

组合式立体通风干燥仓主要是将主风道安装在粮面，利用软管将主风道与支风道、立于粮堆中的通风管连接起来，支风道与支风道之间的间距、通风管在粮堆内的深浅可根据通风需要进行调节，通过主风道将各支风道和立于粮堆内的风管进行连接，形成立体通风系统，从而对粮食进行通风干燥。使用此类通风系统可解决粮堆通风干燥不均匀及通风死角等问题。

3.1.33种就仓干燥方式的优、缺点对比

常见的3种干燥方式的优缺点对比见表1。从表中可以看出3种干燥方法在实际使用中各有优劣，从干燥效果上来看，利用搅拌装置进行通风干燥，粮食的均匀干燥效果最好，但使用成本和维护要求较高。自然通风干燥成本最低，但受环境气候影响较大，干燥周期较长，粮食降水安全性不高。在利用加热通风干燥时，会消耗大量的能源，可能会对环境造成污染，同时干燥后的粮食品质会有所下降，整仓粮食水分不均匀，水分分层严重。

表1 常见的3种就仓干燥方式的优缺点对比

3.2 就仓干燥与其他干燥方式的对比

干燥粮食的方法有多种，每种干燥方法都有其自身的特点，在实际应用中，应结合粮食情况、干燥效果与经济性综合分析，合理选择干燥方式。下面将自然晾晒、机械烘干、就仓干燥这3种较常见的干燥方式进行对比，见表2。

表2 3种较常见的粮食干燥方式对比

3.3 经济效益和社会效益对比分析

3.3.1经济效益

根据目前市场原料、人工费用等，预计仓体容量50～200 t的就仓干燥整套设备制造安装费用约15～35万元，远低于现有的成套烘干装置40～100万元的价格。按每吨粮食降低1%水分所需的运行成本计算得出，晾晒3～6元、就仓干燥5～7元、机械烘干8～10元。目前来说，就仓干燥粮食的综合成本最低，晾晒次之，机械烘干最贵；但就仓干燥处理的粮食水分不能太高且降水周期长、处理量小，还受气候条件影响，在使用上有局限性。

3.3.2社会效益

利用就仓干燥技术可减少粮食收储环节的发芽、霉变、撒漏、污染等损失，提高粮食品质，保证粮食安全；种粮大户可以根据实际需求，在使用机械干燥设备的同时合理搭配使用就仓干燥设备，利用就仓干燥技术就地缓速干燥储粮，不必集中时间出售，从而减少国家在粮食收储过程的人力、物力、财力负担和压力，实现藏粮于民；由于就仓干燥具有保质储藏功能，能够使种粮大户在销售粮食时有较多的时间选择，错开粮食售价低谷，提高农户收入，保证既丰产又丰收。同时，还可减少化石能源的消耗，从而降低由此产生的CO2、SO2、NOx及颗粒物等污染物的排放，减轻对大气的污染，保护环境。

4 小结与展望

由于我国种粮大户和粮食加工企业储粮规模较大，但干燥储粮的技术落后、设备简陋，加之管理不善等原因，造成粮食损失巨大。就仓干燥技术具有不受场地限制，投资少、劳动强度低、经济实用等优点，该技术的研究与推广对保障国家粮食储备，提高粮食品质，具有重要意义。目前，国内外对粮食就仓干燥技术的研究已经取得了一定进展，相关的技术已应用到生产实践中，但也存在诸如干燥效率低、干燥过程中粮食水分分布不均匀、干燥后的粮食品质不佳等问题。在就仓干燥技术的推广与应用方面还需要相关专家和学者继续去研究，攻坚克难，为就仓干燥技术的发展做出贡献。