粮食烘干储藏一体化技术探索与实践

周敦国，孔爱民，钱生越，唐啸风

（1.南京市溧水区白马镇水务站，江苏南京 211200；2.南京市高淳区农业农村局，江苏高淳 211300；3.南京市农业装备推广中心，江苏南京 210029）

0 引言

民为国基，谷为民命。粮食事关国运民生，粮食安全是国家安全的重要基础，粮食干燥、贮藏安全作为粮食安全的重要组成部分，受到了党和国家高度重视，其中，粮食机械化烘干、标准化仓储在保障粮食安全方面发挥了重要的作用。但是，随着全球新冠肺炎疫情暴发，粮食安全已经被提到了前所未有的高度，发展更高水平、更低成本的粮食干燥、贮藏新装备、新技术，增强粮食干燥、储藏的科学减损能力已是大势所趋。

1 粮食烘干储藏机械化技术发展现状

截至2021年底，江苏省粮食烘干机保有量超过3万台，产地烘干能力达到60%，处于全国领先水平。粮食烘干机热源也从传统的燃煤（燃油）型热风炉向空气源热泵、生物质热源和天然气热源转型，在降低劳动强度，提高生产效率，保障粮食安全方面发挥了积极作用。但是，我省粮食烘干机械化的发展仍存在偏重装备推广和热源升级，粮食干燥过程智能化控制技术和粮食干燥信息化技术的应用明显不足，依赖人工操作和人工误操作造成设备、粮食损失成为粮食烘干机械化发展的短板。粮食仓储方面，国内针对大仓容、高粮仓的大型粮食仓库存在传统方法和单一技术不能解决温度、水分、微生物和害虫等多因素影响储备粮品质的问题，我国提出了将机械通风技术、环流熏蒸技术、粮情检测技术和谷物冷却技术相结合的“四合一”储粮新技术，破解了高大粮仓的储粮难题，并在全国的大部分中央储备粮库和地方粮库中进行了推广应用，使储备粮宜存率从70%提高到95%以上，全国储粮化学药剂使用量减少了80%，每年节约粮食保管费用和减少陈化损失40亿元。特别是随着全球新一轮科技革命和产业革命兴起，智能型技术替代劳动密集型技术的特征愈发明显，粮食仓储技术也开始往智能、绿色、环保的方向发展，世界主要粮食生产国和贸易国都注重粮库自动化建设，在粮库建设时都配套了高度机械化、自动化的粮食仓储与物流设备。

总体来看，随着粮食干燥和储藏技术的发展和应用，大大提升了我国粮食干燥和储藏的技术水平，同时也为节能减排、环境保护以及粮食安全做出了巨大贡献。但是，随着我国经济社会的发展、农业生产方式的改变以及人民对美好生活的向往，它们对粮食干燥和储藏也提出了新的需求，主要表现在：一是随着劳动力资源紧缺加剧和人民对粮食品质要求的不断提升，粮食干燥和储藏设施自动化、智能化、精细化程度不高的现状亟待改善。二是我国以往在粮食仓储管理方面主要针对大型粮食仓储，与小微粮食加工企业、家庭农场、农业合作组织蓬勃发展的趋势越来越不协调，发展适用于新型农业经营主体的粮食烘干储藏一体化技术势在必行。

综上所述，粮食干燥和储藏正在由机械化烘干、安全化储粮向“绿色、生态、智能、高效”转型发展。一是需要以绿色环保、智能高效为导向，围绕物联网、大数据、信息化监管、智慧化传感等领域，加快信息化数字化技术在粮食干燥和储藏中的应用。二是需要强化粮食仓储与粮食干燥、粮食加工等产业链前后的技术融合及一体化发展，提高设备、能源利用率。三是需要转变发展理念，通过技术和模式创新，满足小型粮食加工企业、家庭农场、农业合作组织等新型服务主体的个性化需求。

2 粮食烘干储藏一体化装置及其工作原理

空气能热泵技术作为一项绿色环保、节能安全、节本高效的技术，在经济性、可靠性、环保性等方面具有明显的优势。在国家对节能减排、环境保护的重视程度和投入力度日益增大的新常态下，大力发展空气能热泵热风农业应用技术，对小型燃煤、燃油锅炉实现清洁能源、可再生能源替代将是大势所趋。

推进粮食仓储与粮食干燥、粮食加工等产业链前后的技术融合及一体化发展，系统解决小型粮食加工企业、家庭农场、农业合作组织等新型服务主体开展高质量粮食干燥、储藏、高品质大米生产的技术瓶颈，有效满足新型服务主体开展高端、特色大米生产的个性化需求，为我省构建“苏米”品牌建设新格局，提供技术支撑。

2.1 装置简介

在常规空气源热泵机组的基础上，开展新型空气源热泵粮食干燥贮藏保鲜节能技术及装备创新，实现高温尾气和低温冷气高效分离回收再利用，达到增强空气源热泵系统的环境适应能力、提升粮食烘干效果、降低粮食贮藏制冷成本的效果。不仅可实现粮食储藏“三低、三高”（低损耗、低污染、低成本；高质量、高营养、高效益）的目标；而且带动粮食储藏向着“生态”“绿色”方向发展，带动清洁能源在农业生产上的应用，促进农机化工作向着绿色节能减排、提质增效方面的转变。

2.2 装置结构及技术原理

空气能粮食烘干冷藏节能一体装置，主要由远程监控系统、热泵系统、烘干设备、冷库、冷气回收设备等组成。冷气回收设备包括第一风门、第二风门、冷气输出管、冷库送风管、冷库回风管、空气输入管；热泵系统的冷气输出口通过第一风门分别与冷库送风管、冷气输出管连接，冷库送风管连接在第一风门和冷库进风口之间，第一风门具有第一连通状态和第二连通状态；热泵系统的进气口通过第二风门分别与空气输入管、冷库回风管连接，冷库回风管连接在第二风门和冷库回风口之间，第二风门具有第三连通状态和第四连通状态。系统通过增加冷气回收装置以实现冷气回收再利用，实现粮食烘干与冷藏一体化的功能，达到一机多用的效果。

如图1所示，热泵系统通过热交换以提取通过进气口输入的气体的热能，将经热交换后排出的冷风输送至冷气输出口，热风输送至热风输出口，由出风口送入粮食干燥机。本热泵系统具有制热和制冷两种模式：

当热泵系统处于制热模式时，热泵系统通过热交换以提取通过进气口输入的气体的热能，将经热交换后排出的冷风输送至冷气输出口，热风输送至热风输出口。此时，空气能热泵热风机组的基本功能是为粮食的烘干设备提供热源，该热源能够持续24 h不间断自动运行，为烘干设备提供稳定的热风；热泵系统实现了冷热气体分离，经过热交换系统后排出的冷风直接输送到冷库用于粮食冷藏保鲜，实现资源的回收再利用。

图1 空气能粮食烘干冷藏节能一体装置结构示意图

当粮食不需要烘干但还需低温冷藏通风时，切换成“制冷”模式，热泵系统将通过进气口输入的气体制冷后输送至冷气输出口。此时，热泵系统蒸发器端输出低温低湿冷气通过冷气送风管直接送往冷库，冷库回风口再通过冷库回风管输至热泵系统蒸发器的入口端，最终形成一闭环系统。

2.3 装置特点

2.3.1 采用APP智能远程控制系统，实现手机一键远程开关主机、温度调节，实现对无人值守的机组进行节能控制和安全管理，提升机组智能化、无人化水平。

2.3.2 采用数码涡旋（类似变频技术）压缩机，通过数码变频—容量可调压缩机技术，使送风温度偏差达到±1℃，实现精准控温。

2.3.3 本热泵系统具有制热和制冷两种模式，当粮食烘干作业时热泵系统采用制热模式给烘干机提供热风，同时，收集余冷，用于粮食冷藏；在非烘干季节，需要冷气用于粮食冷藏时，开启制冷模式。

2.3.4 采用沙克龙+脉冲除尘组合技术，机组受灰尘影响较小、清洗频次较低，实现机组长时间、高效率运行，提高粮食烘干效率、降低烘干作业成本。

2.3.5 创新开发高温废热、低温冷气回收利用功能，实现粮食烘干与冷藏一体化，提高机组利用率、减少能源消耗、节省粮食贮藏制冷成本，促进节能低碳环保，提升农业生产效益。

3 示范应用情况

依据项目课题组相关专利及技术研究成果，在南京市太和水稻种植专业合作社，开展了粮食烘干储藏一体化技术试验示范，示范点共配置3台12T烘干机，相应配套3台空气源热泵热风机组，其中2台热泵采用余热回收方式（分别配置了沙克龙和脉冲除尘器，用于尾气除尘）、制冷制热双模式控制结构，1台热泵采用全热回收闭式循环方式。由于分别采用半开式和全封闭循环方式，实现部分或全部废热回收，显著提高空气源热泵能效比；同时集成创新了冷气回收装置，实现冷气回收用于粮食冷藏。

采用砖混结构建设了12个相邻但独立的储粮仓，粮仓采用保温结构，有效降低粮仓与外部环境的热量传递；冷气管网分别通达粮仓底部，粮仓底部采用锥形结构、双层钢板，内层钢板采用网孔形式，便于冷气从粮仓底部进入穿透粮层；粮仓顶部建有冷气回收管网，用于收集冷气进行循环利用。粮仓内布置有温湿度传感器和仓位报警器，用于探测粮仓内温湿度和粮仓储量。

图2 冷气回收系统控制原理图

如图2所示，冷气回收系统还包括智能调节控制器，主要由温湿度自动调节模块、风门控制输出通道、通信电路，以及分别与温湿度自动调节模块、风门控制输出通道、通信电路电连接的MCU控制电路组成。当不需要启动烘干设备时，通过远程监控中心选择热泵系统工作于“制冷”模式，热泵系统控制器通过通信电路接收到工作于“制冷”模式的命令，向冷库输送冷气，第一风门切换至第一连通状态，第二风门切换至第三连通状态，冷库处于循环制冷状态，智能调节控制器不工作。当需要启动烘干设备时，通过远程监控中心选择热泵系统工作于“制热”模式，热泵系统控制器通过通信电路接收到工作于“制热”模式的命令后，智能调节控制器开始工作。

图3 空气能粮食烘干冷藏节能一体装置的智能操控方法流程图

如图3所示，当智能调节控制器接收到工作命令后，进风口温湿度传感器组实时监测热泵系统蒸发器端排出口的冷气温湿度，除湿器开始工作；同时，冷库回风口温湿度传感器组实时监测冷库，并根据回风口温度值控制第一风门和第二风门的工作状态。

1）当冷库实时温度未达到设定要求时：第一风门和第二风门分别处于AC、A1C1状态，冷库内部进行循环制冷，此时，热泵系统为烘干设备提供的热量来自冷库；

2）当冷库的温度达到设定要求时：此时不需要冷气，并停止向冷库输送冷气，此时，第一风门和第二风门处于AB、A1B1状态；同时，烘干设备仍然需要热量，这时热泵系统的蒸发器处于烘干外循环，提取大气环境中的空气能为烘干设备提供热量补充。

3）当冷库的温度低于预警温度，例如，-3℃时，热泵系统工作效率下降，停止向冷库输送冷气，此时，第一风门和第二风门处于AB、A1B1状态；智能调节控制器通过通信电路向远程监控中心进行预警。

试验结果（见表1）表明，采用以上粮食烘干储藏一体化技术建设方案，粮食干燥贮藏能耗及成本显著降低。

表1 实验结果

4 结语

在国家对节能减排、环境保护的重视程度和投入力度日益加大的新常态下，对小型燃煤、燃油热源实现清洁能源、可再生能源替代将是大势所趋。空气源热泵热风干燥技术作为一种绿色环保的先进技术，是实现农业生产节能环保、节本增效的有效途径，是实现农机化提质增效的切实行动，在我国推进节能减排、促进生态环境可持续发展的大背景下，以及随着《省政府关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的实施意见》（苏政发〔2019〕46号）和《江苏省农机装备智能化绿色化提升行动实施方案》的出台，为空气源热泵机组提供了巨大的市场空间。特别是具备余热、余冷回收功能的空气源热泵机组，有效解决了当环境温度低于10℃时造成热泵能效比明显下降、升温速度慢的问题，以及粮食储藏保鲜制冷成本高昂的问题，具备广阔市场前景，必将成为农机化发展的新亮点。