谷物机械化干燥控制技术及辅助系统探究

张佳丽

(黑龙江省农业机械工程科学研究院 佳木斯分院，黑龙江 佳木斯 154004)

0 引言

农业生产直接关系着国家粮食安全与民生发展，随着我国农业供给侧结构性改革政策的深入发展，极大地提高了我国农业生产规模与粮食产量[1]，因此也带来了一系列粮食收储问题，尤其是高水分粮食作物，如玉米、水稻等烘干储存。谷物干燥技术是保证粮食储存、运输、改善谷物形状，提高作物品质及加工性能的重要技术之一[2]。据统计，我国每年粮食平均产量5亿t左右，常年粮食储存数量约为粮食产量的二分之一左右，给我国粮食烘干带来了巨大压力。另一方面，由于我国粮食干燥水平较低，粮食烘干机械水平良莠不齐，因此如何提高谷物烘干水平是保证我国农业可持续发展的主要问题[3]。

谷物机械化干燥技术集工程热物理学、植物生理特性、机械设计及制造技术、传质传热学及自动控制技术等多个领域的技术融合，是一项十分复杂的农业生产技术之一。我国农业部提出的农业“十三五”农机装备发展方案中指出，重点研发粮食智能烘干机械，突破谷物干燥过程中水分在线监测、真空低温干燥、红外真空干燥技术等，逐步优化谷物干燥过程模型，是保证我国粮食安全的基础条件与保障[4]。

1 谷物机械化干燥条件

谷物机械化干燥条件主要依据不同粮食干燥原始含水率、收获方式、成熟程度及后续用途进行选择。谷物原始含水率越高、成熟度越低，其干燥过程中的热稳定性较差；刚收获的谷物，由于谷物表层未完全硬化，谷物含水率较高，一般采用低温干燥方式进行谷物干燥，避免高温造成谷物损伤及谷物表层硬化。因此，针对不同的谷物类型进行机械化干燥时，应充分考虑谷物特性，选择适当的机械化干燥条件及方式。本研究针对黑龙江省重点粮食作物进行谷物机械化干燥条件分析与研究[5]。

1.1 玉米干燥条件

玉米机械化干燥技术较为困难，主要是由于玉米籽粒较大，单位比表面积较小，玉米表皮结构较为紧凑，不利于内部水分向外转移，尤其是在高温干燥环境中，会造成玉米表面水分迅速汽化，内部水分无法及时向外部转移，会造成玉米内部压力变大，使玉米籽粒表皮涨裂。玉米籽粒不均匀、大小不一也造成了玉米机械化烘干困难，因此，目前主要采用塔式烘干机械进行玉米机械化烘干。

玉米机械化干燥是黑龙江省乃至全国主要粮食干燥内容之一。玉米作为晚秋收获作物，收获时期谷物含水率偏高，一般在25%～30%左右，个别含水率高于35%以上。当玉米收获原始含水率高于30%时，主要采用机械通风或者使用室内烘干机降低谷物含水率，为后续玉米脱粒提供良好条件。当玉米收获原始含水率小于30%时，需要先进行玉米脱粒后在进行干燥，但对于种用玉米，应进行带穗干燥，以保障玉米种子的活力。在玉米机械化干燥过程中，相关试验表明，当介质温度高于150 ℃时或玉米受热温度高于62 ℃时，会造成玉米大量裂纹，使玉米品质降低。

1.2 稻谷干燥条件

稻谷属于一种热敏性较高的粮食，干燥速率变化过快或者参数选择错误容易造成稻谷爆腰，直接影响稻谷的品质与经济生产价值。另一方面，稻谷结构主要是由坚硬的外壳和米粒组成，外壳对内部的米粒可以起到一定的保护作用。因此，采用稻谷干燥更容易进行粮食储存与运输。由于稻谷外壳在谷物干燥过程中会影响内部水分向外部转移与散失，因此在进行稻谷干燥时，应将稻谷视为一个复合体进行干燥控制。相关研究表明，稻谷机械化干燥时，其干燥品质不仅与干燥介质温度有关，而且与空气相对湿度也有一定关系。热风温度较高时，稻谷整体干燥率会随之下降；空气相对湿度增加，会提高稻谷干燥率。在进行稻谷干燥时，一般采用以下方法提高干燥效率。

1.2.1 烘干—缓苏工艺

烘干—缓苏工艺是指将烘干结束的稻谷放入缓苏仓中进行保温，更好地促进稻谷内部水分向表层进行扩散，被称为“二次干燥”，此方式可有效降低稻谷的爆腰率。缓苏时间也会根据不同前期试验进行合理选择与控制，如美国Wasserman相关研究表明，稻谷在干燥后采用23 ℃空气进行干燥后缓苏，一般需要6 h左右，但是谷物干燥在45 ℃左右后进行缓苏，一般只需要4 h左右；但是Thompson相关研究表明，稻谷采用55 ℃进行干燥后，稻谷含水率降低至11.5%左右，随后在32 ℃的环境中进行缓苏，全程需要12 h左右，由此可见应根据实际生产情况进行缓苏温度及缓苏时间的选择。

1.2.2 采用较低的热风温度

为了提高稻谷干燥后的品质及经济效益，一般采用较低温度的介质进行干燥。根据黑龙江省农业机械工程科学研究院佳木斯分院建立的日处理稻谷200 t稻谷干燥机械，一般采用44 ℃左右的热风温度进行稻谷干燥，爆腰率≤2%。

1.2.3 限制稻谷的干燥速率

稻谷干燥过程中干燥速度过快会提高稻谷的爆腰率。相关研究学者对稻谷干燥品质进行研究，结果表明采用低温大风量可有效降低稻谷的爆腰率，低温大风量使干燥速率从1%提升到1.8%左右，适用于稻谷初期含水率较高的干燥条件。

2 谷物机械化干燥设备

2.1 仓式干燥设备

仓式干燥设备主要由金属仓、通风板、抛撒装置、加热装置及卸粮装置组成。谷物进入干储仓后，启动风机与加热器进行谷物干燥，一直到谷物含水率达到相关要求为止。每批谷物干燥时间一般在12～24 h。在加拿大等国家也会采用常温通风的干燥方法，谷层厚度一般在4 m～5 m，干燥时间在2～5周。

2.2 横流式干燥设备

横流式干燥设备主要是指谷物在自储粮段依靠重力向下流到干燥段，一般有两个风机，热风机与冷风机，热风量为15～30 m3·(min·m2)-1，加热气流横向穿过粮食柱，冷却阶段由冷却风横向穿过粮食层，干燥段粮柱高度一般为3～30 m，冷却段高度一般为1～10 m。横流式干燥设备结构较为简单，制造方便，投入成本较低，是目前应用较为广泛的一种干燥机型，但在干燥过程中，存在干燥不均匀、进风侧谷物过干、排气侧谷物干燥不足的问题。

2.3 顺流式干燥设备

顺流式干燥设备主要是指热风和谷物同向运动，在干燥过程中可使用较高的热风干燥温度，与横流式干燥设备相比，可节能30%左右，干燥较为均匀，不存在较为明显的水分梯度，适用于干燥含水率较高的谷物。

2.4 逆流式干燥设备

逆流式干燥设备中，干燥热风方向与谷物流动方向相反，由于最热的热空气首先与较为干燥的粮食接触，因此不宜使用较高的热风温度。含水率较高的谷物与湿空气接触，容易产生饱和现象。逆流式干燥设备热效率较高，粮食和温度分布较为均匀。

3 谷物机械化干燥控制技术

3.1 谷物干燥机自动控制系统基本要求

谷物干燥机控制精度应在自动控制系统的设计及应用中满足以下要求。1)控制精度应在0.5%～0.7%；2)控制响应速度较快，当谷物水分发生变化时，可马上做出响应；3)控制稳定性较好，不受外界干扰，系统波动较小；4)可靠性较高，通用性较强，可试用任何环境进行工作。

3.2 谷物干燥机自动控制方法

3.2.1 反馈控制

反馈控制可根据干燥机出口参数直接进行测量，不需要进行数据分析与预测，不能提前感知参数变化，只能通过传感器进行信息监测。主要包括以下几种方式。

1)开关控制。开关控制属于一种最为简单的反馈控制方法之一，主要是对一个输出参数进行控制，如测量干燥机中的排气温度作为最终含水率的指示值，当含水率高于预定值时，排量机停止工作。

2)比例控制。主要是通过将干燥机的排料含水率与最终要求含水率进行对比，形成一个差值e，然后根据差值进行谷物流量Ke等参数的调节，根据实际生产情况进行K值的选择，最终保证谷物干燥含水率达到要求，工作原理如图1所示。

图1 比例控制方法原理图

3.2.2 前馈控制

前馈控制主要是按照谷物的入口参数调节谷物干燥结果。如根据入料谷物含水率较高时，前馈控制应使流量降低到某一个数值，保证干燥后达到要求的谷物含水率，适用于含水率变化较为复杂的谷物干燥。

3.2.3 反馈+前馈控制

反馈+前馈控制优于单一的控制方法，可提高谷物干燥效率，但是会增加生产成本，工作原理如图2所示。

图2 反馈+前馈控制方法原理图

4 谷物机械化干燥辅助系统

4.1 干燥机加料及排料输送系统

谷物干燥过程中，加入的谷物均为湿料谷物，排出物料均为干物料，输送系统主要包括斗式提升机、自溜管和带式输送机或振动输送机等设备。

4.2 热风炉传热系统

热风炉传热系统工作原理如图3所示，主要包括两个工作过程，燃料的燃烧过程及燃料的化学能向热能的转化过程。在进行干燥机热风炉供热系统的设计时，应充分考虑到烟气与空气之间的传热系数，另一方面是热风炉中的积灰问题。

图3 热风炉传热系统工作原理图

4.3 通风除尘系统

在干燥机中，风机是通风系统重要组成部分之一，可将热风送入，最终又将湿空气排出，保证热风干燥过程的顺利进行，风机参数的选择对于保证干燥质量具有重要意义。除尘系统由吸风罩(口)、风管、除尘器等设备组成，用于对局部区域发生的粉尘进行控制、输送和收集。

5 结论

农业生产直接关系着国家粮食安全与民生发展，随着我国农业生产规模与粮食产量的不断提高，带来了一系列粮食收储问题，尤其是高水分粮食作物，如玉米、水稻等烘干储存。本研究基于国内外谷物机械化干燥技术的种类及发展特点，系统阐述了谷物干燥条件、干燥设备、设计依据及影响因素，着重介绍了谷物机械化干燥技术自动控制部分及辅助系统，研究结果为谷物干燥技术发展提供理论参考与技术支撑，对于保证我国农业可持续发展及国家粮食安全具有重要意义。