南方稻谷干燥特性及热泵技术应用优势分析

陈煜龙，龚 丽，龙成树，陈 明，刘 军

（1.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630；2.农业农村部华南现代农业智能装备重点实验室，广东 广州 510630）

0 引言

水稻是广东省的重要粮食作物之一，2022 年全省稻谷总产量1 108.63 万t，占省粮食总产量的85.84%[1]。南方稻谷夏收季节高温高湿多雨，原始水分超过28%，雨后抢收的稻谷水分甚至高达34%，如不及时干燥就会霉变、发芽从而造成损失，据不完全统计，广东省每年因不能及时干燥造成的谷物损失超过20 万t。谷物机械化烘干是减少损失的重要环节[2]，日本、韩国和中国台湾省的稻谷机械化干燥率分别为91.8%、39%和75%[3]。近年来，我国稻谷机械化干燥率明显提高，但各省份发展不均衡，且与发达国家相比差距仍较大[4]，如江苏、安徽、湖南等省的稻谷机械化干燥率已达50%，而广东省仅有20.07%[5]，机械化干燥率低是广东省稻谷损失大的重要原因之一。

国内稻谷干燥机主要采用生物质、油、天然气或煤等燃烧加热，存在能耗高、直接碳排放和污染物排放大、干燥耗时长等共性问题，较难适应南方高温高湿多雨的气候，制约了广东省稻谷烘干机械化的发展。热泵干燥技术以少量高品位电能驱动，从高温高湿环境中吸收2～3 倍消耗电能的热能用于烘干[6]，具有节能减排和高品质高效干燥物料的作用[7]。随着热泵干燥技术在农产品干燥中的广泛应用和国家“双碳”目标的提出对碳排放有了更高要求[8]，国内一些空气能热泵生产厂家与传统热源稻谷干燥机制造企业合作，生产出了简易组合空气能热泵稻谷干燥机，但该机应用时仍存在干燥耗时长、操作不便和稻谷破碎率高等问题。

鉴于上述原因，通过研究南方高湿稻谷干燥特性，采用热泵替代传统热源，研制出适用于南方高温高湿气候的热泵干燥技术装备并进行产业化应用，旨在实现南方稻谷节能环保、高效高品质和全天候稳定干燥作业。

1 稻谷干燥要求及设备发展现状分析

爆腰率增值是衡量稻谷干燥品质的重要指标之一，稻谷原始水分含量、干燥过程的空气温度和相对湿度、干燥速率、干燥时间、循环次数、干燥缓苏比等均会影响稻谷的爆腰率。爆腰率高的稻谷在碾米加工时容易破碎形成断粒，影响整精米率从而造成稻米食用品质降低。目前，常用降低热风温度减少稻谷爆腰率，而低温干燥势必导致生产率的下降[9]。此外，相关学者研究爆腰率与干燥条件的影响规律时发现干燥介质相对湿度高有益于减少稻谷的爆腰[10-12]。因此，为保证稻谷品质，稻谷干燥机械需要具备控制干燥温度、相对湿度、去水速率的功能并配置可提供适宜干燥缓苏比的干燥箱体结构，还需综合考虑安全预警、谷物温度、操作和售后保养的便捷性。

实际上，国内市场占主导地位的是以燃料为热源的循环式谷物干燥机，该类机型普遍存在能耗大、干燥温度高、干燥段短和循环次数多的特点。以燃生物质颗粒谷物干燥机为例，据统计每吨湿稻谷干燥成本已达95 元[5]，且应用该设备干燥南方高湿稻谷时批次干燥耗时超过24 h。燃油、燃煤谷物干燥机同样存在干燥成本高、干燥品质保证难和污染气体排放大等共性问题。综上所述，目前的主流谷物干燥机不能完全满足南方气候条件下高湿稻谷的干燥，急需新型设备替代，因此，广东、江苏等地陆续出台了优先支持“热泵技术”应用于稻谷干燥的补贴政策[13]，助推了稻谷热泵干燥机逐步进入广阔的应用平台。

2 稻谷热泵干燥机工作原理

图1 所示为广东省现代农业装备研究所利用自有专利技术集成研制的5HRD 型批式循环稻谷热泵干燥机，其结构主要由热泵机组、进风管、干燥段、缓苏段等18 个零部件和电气控制系统组成。热泵机组是烘干稻谷主要热能来源，环境空气介质被尾端风机负压牵引穿过热泵机组加热，经过进风管入进风包，由正中间分别向左右两端角状盒结构的干燥段混流穿出稻谷层，与湿稻谷进行热湿交换后，进入出风包，高湿尾气将被排入除尘间，此过程为水平方向高温低湿空气介质经过多次与湿稻谷进行热湿交换，而后带走稻谷中水分，最终达到干燥稻谷的目的。

图1 5HRD 型批式循环稻谷热泵干燥机结构

混流式批式循环干燥过程中，稻谷在干燥段中加热蒸发水分，经过排粮轮组均匀落入底座中，底座斜坡将稻谷导入下搅龙中，下搅龙螺旋传输至提升机下端，提升机电机作用装有畚斗的提升皮带，将稻谷转移至上搅龙，上搅龙螺旋传输至顶仓，在重力作用下进入缓苏段中，通过缓苏段后回到干燥段。整个过程稻谷只在干燥段被加热升温，经过其它装置温度逐渐降低，直至再次进入干燥段。由此可知，批式循环稻谷热泵干燥是“干燥—缓苏—干燥”的间歇干燥过程。

此外，梯子、维修座主要用于安装设备和售后维护。电气控制系统则主要通过PLC 主机接收、处理信号，反馈调节干燥机中电机的启停，实现按设定干燥工艺逐步运行。

3 稻谷烘干试验研究

3.1 烘干试验

3.1.1 试验准备

试验地点：广东省汕头市潮阳区某合作社。

试验物料：香雪丝苗，初始水分含量28%～32%；竹稻，初始水分含量约28%；钱优911，初始水分含量约28%。

设备及仪器：稻谷热泵干燥机，广东省现代农业装备研究所，5HRD-30 型；在线水分测定仪，大连静冈机械有限公司，型号CS-T ⅡC5；电脑粮食水分测试仪，武汉市电子仪器二厂，LSKC-8；电脑谷物水分计，日本三久，TD-6。

3.1.2 试验设计

烘干工艺：稻谷干燥为减速干燥，干燥过程主要去除结合水[9,12]，故宜采用降温干燥方式。采用60～55 ℃降温干燥方式，2 h 降低1 ℃，直至降至55 ℃，最后一段干燥时间设定为15 h。

数据取样：试验地点烘干设备为批式循环干燥设备，物料取样按照DG/T 017—2021 谷物干燥机大纲实施；待取出稻谷样品冷却至常温，应用水分测试仪检测各时间段稻谷样品的水分。

烘干中心流程：预约采收 → 收割机采收 →车运至烘干中心 → 称重 → 卸粮 → 前处理除杂 → 顶部入粮至烘干机 → 烘干机循环干燥 → 干燥完成卸粮至干谷仓（或者直接售卖）→ 入储备库 → 碾米。

3.2 试验结果与分析

3.2.1 稻谷干燥试验数据曲线

由图2 可知，3 个批次稻谷干燥前期降水曲线曲率绝对值稍大，随着干燥时间延长曲率绝对值略有减小，由此可见稻谷干燥是减速干燥过程[12]。对3 个批次烘干过程的降水数据添加线性拟合趋势线，得到3 个降水曲线线性拟合的R2均大于0.93，由此可知香雪丝苗稻谷热泵干燥降水曲线整体呈现近似线性状态，即减少干燥过程的干燥速率变化不大。降水曲线中出现了短时台阶拐点，主要因为后期干燥水分减少，且干燥工艺采用逐步降温的干燥方式。综上所述，应用稻谷热泵干燥机，设定温度55～60 ℃，将初始水分30%左右稻谷烘干至安全水分（＜14%），耗时15～21 h，且此过程为减速干燥、但干燥速率变化不大。

图2 相同品种稻谷批次烘干试验降水曲线

由图3 和表1 可知，3 个品种稻谷初始水分含量为27%～28.5%，其中香雪和竹稻为丝苗米品种，为细长型颗粒，而杂优911 为圆胖型颗粒，由降水曲线可知圆胖型颗粒干燥曲线始终处于上述丝苗米品种下方，其初始水分含量最高（检测值为28.18%），且干燥16 h 后达到安全水分，由此可知稻谷干燥速率受稻谷品种的影响。取样测量得到3 个品种物理参数，计算得到杂优911 的比表面积最大，比表面积越大的物料与热风接触换热蒸发越快，则干燥效率越高。

表1 不同品种稻谷物理参数表

图3 不同品种稻谷批次干燥试验降水曲线

3.2.2 批式循环干燥能耗数据

稻谷热泵干燥机的主要耗能零部件为风机、压缩机、提升机、上下搅龙电机、排粮电机、水泵及冷却塔电机等。通过对2023 年7 月至8 月试验点的多台5HRD-30 型稻谷热泵干燥机完整批次入粮水分、出粮水分、入粮情况和批次耗电情况等数据进行统计，得到表2。

表2 稻谷热泵干燥机批次干燥能耗表

稻谷热泵干燥机标称有效容积为56.6 m³，现场测试除杂后的丝苗湿稻谷容重为577.2 kg/m³，杂优911 湿稻谷容重为562.5 kg/m³，与DG/T 017—2021农机推广鉴定大纲推荐稻谷国标容重（0.56 t/m³）相当。由表2 可知，烘干时间超过20 h，稻谷初始水分含量为28.9%～32.4%。按照农机推广鉴定大纲容重核算，中部满粮不少于43.5 m³，此时湿稻谷最小容量为24.37 t；上部满粮不小于52.28 m³，此时湿稻谷最小容量为29.28 t。若18 批次稻谷装料量均按最小容量计算，得到平均装料量为28.46 t，结合表2 知，降水幅度为15.17%，平均干燥速率为0.835 %/h，每吨湿谷耗电量为59.87 kW·h。

3.3 不同类型干燥机烘干效果比较

试验地点安装有1 套燃生物质颗粒干燥机和7套稻谷热泵干燥机（热泵+少量电热），采用2 种干燥机完成了同品种稻谷（即香雪丝苗）干燥试验，烘干前、后取样，于冷藏库封存24 h 后将样品均分成3 份，从每1 份中取100 颗完整籽粒，手工剥壳，依照GB/T 5496—1985 采用人工目测的方法检测爆腰率，得到烘干稻谷爆腰率增值，详见表3。

表3 不同类型干燥机稻谷烘干效果比较表

表3 数据可知，采用稻谷热泵干燥机虽干燥温度较燃生物质颗粒干燥机低，但烘干时间却缩短了24.2%，主要原因在于前者的干燥仓结构采用了混流通风角状盒式，稻谷经干燥仓在重力作用下翻滚流动，路径为交错曲线，干燥段采用多层角状盒结构，通风面积大。前者的爆腰率增值明显低于后者，因为后者干燥温度较高，且其采用横流干燥仓结构，稻谷进入干燥仓为近似直线流动，贴近通风网层稻谷受热较多，干燥不均匀而造成爆腰率增大。由此可见，稻谷热泵干燥机采用低温、混流、大通风能实现稻谷物料均匀受热，有效降低干燥后的爆腰率，试验结果与奚河滨等[12]提出的低温大风量比高温小风量爆腰率增值低是一致的。

4 稻谷干燥设备选型分析

通过稻谷干燥试验，结合汕头市朝阳区某合作社稻谷烘干中心干燥设备应用情况可知，选择稻谷干燥机主要需考虑干燥品质、作业效率、能耗、使用便捷性、投资成本和环保要求6 个方面。通过调研市面常见的燃生物质颗粒、简易组合空气源（热泵+大量电热）和稻谷热泵干燥机（即热泵+少量电热）机使用情况，分析得出结论见表4。

表4 不同类型稻谷干燥机使用性能比较表

表4 从6 个方面综合比较了市面常用的3 种批式循环稻谷干燥机，其中简易组合空气源干燥机和稻谷热泵干燥机在能耗情况、干燥品质和环保要求方面有较大优势，而在作业效率、实用便捷性、能耗情况和投资回收期方面稻谷热泵干燥机的优势较为明显。由此可见，稻谷热泵干燥机比市面其它2种干燥机更适用于南方稻谷的干燥。

5 结语

在南方稻谷干燥特性分析的基础上，阐述了稻谷机械化烘干存在的共性问题，分析了稻谷干燥要求及南方稻谷热泵干燥的优势，开展了多批次稻谷干燥应用试验，分析了试验数据，并调研了干燥机应用情况，结论如下。

1）南方夏收稻谷初始水分为26%～33%，为保证稻谷干燥品质干燥温度不宜长时间超过60 ℃，采用稻谷热泵干燥机烘干夏收稻谷，降水幅度不小于15%，批次烘干时间约为18.5 h。

2）稻谷干燥速率与稻谷品种相关，其中稻谷颗粒规格尺寸是影响稻谷干燥速率的重要因素之一。

3）烘干南方高湿稻谷宜选择热泵为热源的干燥机，尤其以水冷型稻谷热泵干燥机最优，该类型热泵机组受气候影响较小、且热效率较高，能确保干燥机夏、秋收高效运行。

南方稻谷采用热泵干燥虽拥有其特有的优势，但夏、秋收稻谷干燥效率受环境温度变化影响，故优化水冷机组在低温环境的运行效率，将进一步拓宽稻谷热泵干燥机应用市场。