粮食干燥机的技术现状与发展趋势

李嫡 高明宇

(广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630)

引言

中国是世界人口大国，也是著名的产粮大国，粮食的生产、运输和储存关系到每个人的日常生活需求及国家的稳定。由于粮食在收获后含有大量水分，如果不烘干而直接运输和储存，会导致粮食发霉，造成食品安全事故和经济损失。因此，现代化农业要求我国在提高粮食产量的同时，配合使用合适的粮食干燥机，得到可以安全储运的粮食，才能保证粮食的安全。

粮食干燥技术经过了千百年的发展历程，大多数农户通过人工晾晒的方法解决了小部分湿粮的干燥问题，这种方法存在缺陷，如费时、费工、费力，同时还受气候、晾晒场地等条件的制约，多数只能靠人工判断粮食干燥程度，很可能导致粮食干燥不彻底而出现发霉，亦或是粮食过度干燥导致的经济损失。随着农业机械化和农业现代化技术的不断发展，粮食干燥机取代了人工晾晒的方法，在粮食生产和储运过程中有着重要的应用[1]。

与传统的人工作业的干燥方法相比，粮食干燥机可以明显改善粮食的质量，提高粮食烘干效率、降低烘干成本和粮食的经济价值。粮食干燥机可以快速地对高含水率的粮食进行烘干，通过先进的测量水分装置可以获得特定含水率的粮食，干燥完成的粮食含水率较均匀，避免了粮食的发霉变质，同时提升了粮食干燥的效率、减少了人工和时间。通过多年的技术发展，粮食干燥机除了具有基本的烘干功能外，还可以通过控制粮食内部结晶水的水分流失速率、温度、风速的最佳匹配等手段，使粮食在烘干的同时，保证含水率的精准控制，口感、成色、营养的多方面的最佳状态[2]。

1 粮食干燥机的工作原理

粮食干燥最基本的原理是通过煤炉或燃油炉加热，结合风机形成热风，通过热传导或热辐射等方式，使粮食升温并产生温度差，粮食内部的水分在热风的作用下，会从粮食内部传递到粮食的外部，再由热风将水蒸气带出干燥室，排出粮食干燥机。

粮食干燥机经过多年的技术发展，市场占有率最高、应用最为广泛的为连续式粮食干燥机和循环式粮食干燥机2种。其中，连续式粮食干燥机主要使用温度较高的热风烘干粮食，可以一次性烘干干燥机内的大批量粮食。主要原理：在粮食干燥的过程中，粮食从烘干塔的顶部圆盘加料器连续地进入到烘干机，依靠粮食自身的重力作用，按照顺序依次一层一层地从上至下地通过干燥机内部的每个干燥段和缓苏段，通过调节热风温度，使粮食在达到安全的含水率后，利用耙叶刮到底部卸料口，将同时刻进入干燥机内的粮食连续排出干燥机，获得合格的干燥成品粮食[3]。连续式粮食干燥机每天最多可烘干数百吨的粮食，所以被广泛应用于东北等产粮大省的粮库。然而针对产量不集中、散户多的产量区域很少采用连续式干燥机，在这样的区域就适合用循环式干燥机。循环式干燥机使用温度相对较低的热风对干燥机内的粮食进行烘干，粮食在干燥机内不断的循环干燥，一直到粮食达到安全的含水率。循环式干燥机主要由热风炉、换热器、引风机、皮带机、提升机、除尘器、混流干燥段、缓苏段、排粮段等部分组成，将粮食通过提升机源源不断地送入干燥机的内部，通过顺流、逆流、混流的循环方式在粮食干燥机的内部不断循环干燥，干燥机的提升机会源源不断地向干燥机内输送粮食，干燥机内部的热风与进粮方向相反而形成错流，到达粮食安全含水率之后，通过排量机构排出干燥机的机体[4]。

连续式粮食干燥机通常机型较大、单次烘干能力强、控制相对简单、市场占有率高，被广泛应用于高产粮区域或大型粮食生产厂家，但是因其设备相对复杂、维护难度大、不方便移动和运输、灵活性较差。循环式粮食干燥机相比于连续式粮食干燥机，设备结构简单、机型较小、便于维护、灵活性更高，因此，除了被广泛应用在中小批量的粮食干燥过程中，还可以应用于蔬菜、水果、种子等其他农副产品的烘干。

2 粮食干燥机的关键技术

粮食干燥机经过多年的技术发展，其稳定性、控制精度、自动化程度、烘干质量都已经得到大幅度提升，并且烘干成本越来越低。粮食干燥的目的是通过烘干控制系统得到安全含水率的粮食，因此，粮食干燥机自动控制系统和如何准确、快速、在线地测量出粮食的含水率是目前粮食干燥机的关键技术。

早期的粮食干燥机多数采用手动控制电机、风机等执行器的启停，采用人工上粮、人工烧煤等产生热量，通过人工取出粮食样品进行水分检测来判断粮食是否干燥完成，这种方式自动化程度低，控制精度不高，对操作人员的依赖程度较高，费时费力，生产成本较高。

经过多年来农业机械化和农业信息化技术发展，目前粮食干燥机控制系统主要包含控制器单元、粮食水分检测单元、温湿度检测单元、模拟量采集单元、模拟量输出控制单元、执行机构和人机操作界面等。

控制器单元选择性有很多，如单片机、PLC、工控机等均可以实现粮食干燥机的自动控制，但目前多数的粮食干燥机选择PLC为整个干燥控制系统的核心部分，是因为PLC经过多年的发展，具有集成度高、编程环境简单、价格低廉、稳定性高、研发成本低廉、维护难度低等多方面的优点。还可以自由选择数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块、通信模块等实现多种扩展功能[5]。

粮食干燥过程中的水分和温湿度的检测也是关键技术点，只有准确地检测粮食的水分、干燥机的热风温度、干燥机空间湿度等参数，通过模拟量采集单元传送给控制器，才能准确制动控制参数，得到合格的粮食。经历的几十年的技术发展，干燥过程中粮食水分的检测已经由机外检测发展到在线实时检测。常用的粮食在线水分检测装置主要有电容式粮食水分检测仪、电阻式粮食水分检测仪、高频阻抗式粮食水分检测仪、射频式粮食水分检测仪等[6]。可以在粮食干燥的过程中，实时对干燥机内部粮食的水分进行采集，不需要人工取粮等操作，节省了人力物力，还能保证测量准确性。同理，温湿度采集单元和水分检测单元检测的信号通过信号处理和运算单元，转换成频率、电流或者电压信号输入到PLC信号采集模块中，PLC可以通过DA模拟量输出控制风机、排粮电机等执行机构的转速。干燥的过程中，结合粮食干燥的失水特性、热量传递特性、粮食水分和物料结合特性，制定出适合干燥机性能的控制参数。

执行元件的手动操作与数据、曲线的显示和存储通常采用触摸屏实现，与传统的按钮方式比较，触摸屏具有可以根据需要任意扩展操作与显示界面，不需要大量接线、成本低、美观、性能稳定等优点被广泛使用。

除了上述粮食干燥系统必须的控制单元外，还可以根据实际情况和需要，结合通讯模块、远程控制模块、上位机软件等组成功能更多的控制系统。

3 国外发展现状

国外一些发达国家(如美国、英国、日本等)由于机械化、自动化技术起步比较早，粮食干燥机的开发和推广也比国内早很多。国外的粮食干燥机发展已经有近70a的历史，技术比较成熟[7]。根据机械化、自动化的发展程度，大致可分为3个阶段。

20世纪50年代开始，一些发达国家随着机械技术的发展，研究者开始将机械制造技术应用在粮食干燥领域，研制出可以替代人工操作的粮食干燥机，实现粮食干燥机的机械化。

20世纪60—70年代，粮食干燥机在国外得到推广，并且研究者还将电子技术、自动控制技术运用到粮食干燥机领域中，粮食干燥机的自动化程度越来越高，很大程度地节省了人工，提升了生产效率。

20世纪80年代开始，在自动化程度已经很高的情况下，人们开始投身于研究粮食干燥以后的品质和降低干燥机运行成本，优化自动控制过程中的PID参数，采用模糊控制等先进控制理论应用于粮食干燥机的控制系统中，远程控制、互联网等技术也在粮食干燥领域中得到了较高水平的应用[8]。

根据国外粮食干燥机的发展历程可以看出，国外的粮食干燥机主要特点：理论与实践相结合，国外的研究者会将最先进的技术运用在粮食干燥机的控制系统中，同时为了提高烘干后的粮食品质、增加烘干效率、降低烘干成本，在多年的粮食干燥的生产和试验中总结不断优化控制参数；机械化、自动化、智能化、信息化水平较高，由于发达国家的机械化、自动化、智能化和信息化等制造技术起步较早，发展较快，理论研究较先进，同时，经过多年来的试验研究，不断优化控制参数，使粮食干燥效率和产能都得到大幅度提升，因此国外的粮食干燥机比同时期国内的整体技术水平高；干燥机的行业标准比较完善，国外的粮食干燥机由于发展时间较长，理论和实际的研究比较充分，因此在20世纪90年代开始，研究者在不断提高粮食干燥机的技术水平的同时，还制定相关行业的标准，使粮食干燥机行业标准统一、规范，保证经过烘干的粮食的品质高、稳定。

4 国内发展现状

国内的粮食产量远高于国外，粮食干燥机的需求量也大于国外，但是国内干燥机制造技术起步相对国外较晚，最初的粮食干燥机基本需要靠苏联等国家进口引进。20世纪70年代以后，才开始参考国外的粮食干燥机和控制系统，开始研制中小型的粮食干燥机。一直到20世纪80年代，虽然粮食干燥多数都采用机械化操作，但是粮食干燥机的自动化程度相对较低，多数需要靠手动操作和人工判断粮食水分来进行粮食的烘干。20世纪90年代后，粮食干燥机的自动化程度得到提升，由东北农业大学、吉林工业大学、黑龙江农业机械工程科学研究院等科研单位开始将粮食干燥机的自动化程度提高的同时，还注重提高粮食干燥的效率和品质[9,10]。

近年来，国内粮食干燥机与国外相比，技术水平在不断拉近，但是相比较于国外，国内粮食干燥机的发展有以下特点。

4.1 制造工艺相对落后

由于我国早期参与粮食生产作业的人员大多数为农民，基本靠人工晾晒实现粮食干燥，再加上我国在机械化方面的研究比国外晚，导致粮食干燥机相比较国外机械化程度低、设备的稳定性差、烘干工艺合理性较低、粮食烘干效率低、烘干成本高。

4.2 自动化水平相对较低

我国不仅机械化水平落后，同时由于电子技术、自动控制理论、信息化和智能化的研究起步均晚于国外，国内粮食干燥机与同时期国外相比，控制精度低、稳定性差、检测技术落后、控制参数优化空间大。

4.3 相关行业标准不完善

由于我国粮食产地分布较广，每个产粮地的粮食质量不同、环境差异较大，因此目前的粮食干燥机在不同地区的控制参数差别较大、操作人员水平参差不齐、统一性差。

5 国内粮食干燥机的发展趋势

根据粮食干燥机国内外技术的发展可以看出国内外粮食干燥机的明显差距，因此，国内的粮食干燥机还存在很大的优化和改进空间。近年来，随着粮食产量的增多、农业机械化水平的提高和农村生产习惯的改变，粮食干燥机的需求量日益增多，因此要求粮食干燥机除了具备基本的烘干功能以外，还应该向以下的方向发展：进一步提高粮食干燥机的自动化程度和智能化；探索新型价格低廉、热效率高、对环境污染较小的新型燃料代替传统的生物质能的燃料；进一步提高粮食干燥机的干燥质量、效率、降低尾气污染；进一步提高粮食干燥机在其他农副产品生产中的应用；开发更精确、价格低廉的粮食水分在线检测仪器；制定完善的干燥机行业规范，使粮食干燥工艺趋向标准化。

6 结论

伴随着农业现代化水平的不断提高、粮食需求量的增大和农村生产人员的减少，粮食干燥机在未来必将得到大范围的推广和使用，目前看来，粮食干燥机市场前景广阔、发展潜力巨大。尽管我国在粮食干燥机行业与国外存在一定的差距，但是经过多年来技术的发展和研究者的努力，差距正在逐渐缩小，未来还是要进一步分析当前技术存在的问题和差距，研发出标准、水平高、智能化程度高、多样性、适用性强的粮食干燥机。