糧食干燥技術的應用及發展趨勢

任廣躍 張忠杰 朱文學 段 續

(河南科技大學食品與生物工程學院1,洛陽 471003)

(國家糧食局科學研究院2,北京 100037)

糧食干燥技術的應用及發展趨勢

任廣躍1張忠杰2朱文學1段 續1

(河南科技大學食品與生物工程學院1,洛陽 471003)

(國家糧食局科學研究院2,北京 100037)

介紹了目前應用于糧食干燥的處理技術和工藝方法,全面分析了常壓熱風干燥、低溫真空干燥、就倉干燥、熱泵干燥、太陽能干燥、微波干燥、紅外輻射干燥以及聯合干燥在實際生產應用中的優勢及不足,并對其發展趨勢進行評價。在分析新能源利用技術、聯合干燥技術及傳統干燥節能減排等技術的基礎之上,綜合考慮干燥成本 (能耗)、干燥效率、干燥品質及干燥設備等各方面因素,指出今后糧食干燥技術的發展應著力于開發天然綠色能源及低能耗、低成本的新型節能減排聯合干燥技術。

糧食 干燥技術 聯合干燥 發展趨勢

我國是世界上人口最多的國家,糧食數量安全和質量安全是關系國計民生的重大戰略問題。確保我國糧食安全,不僅是實現國民經濟又好又快發展的基礎,而且是促進社會穩定和諧的重要保障。國家統計局在“關于 2009年全國糧食總產量的公告”中指出 2009年我國糧食產量達到 5 308億公斤,實現連續 6年增產。依據《國家糧食安全中長期規劃綱要 (2008-2020年)》,到 2020年全國糧食產量還需新增 500億公斤,以確保國家糧食安全[1]。然而,我國糧食產后機械化干燥程度較低,糧食干燥機械化水平一直處于 1%左右[2],每年全國采用機械化烘干糧食不足 4 000萬噸,糧食自然晾曬依然占據主流,受氣候等因素影響導致收獲后的大量糧食品質得不到保障,損害了廣大農戶和糧食企業的利益。近年來隨著聯合收割機跨區作業的普及和玉米等大宗糧食作物機械化收獲技術的快速發展,短時間內收獲的大量水分含量高的糧食因得不到及時干燥而易發熱霉變,不易長期儲藏和加工,在公路上攤曬又容易引發交通事故且造成糧食的二次污染。糧食機械化、規模化干燥消耗大量的能源,節能減排任重道遠。因此,研發適合我國國情的糧食保質快速干燥技術裝備,具有重要的現實意義和廣闊的市場前景。

對糧食干燥處理技術和工藝方法進行綜合分析,并對其在實際應用中的優勢、不足及發展趨勢進行評價,以期加強糧食干燥技術的研究和推廣應用,對糧食干燥理論的發展和推廣應用提供借鑒。

1 糧食干燥技術分析

目前糧食產后的機械干燥方法主要有常壓熱風干燥、低溫真空干燥、就倉干燥、熱泵干燥、太陽能干燥、微波干燥、紅外輻射干燥以及聯合干燥等。熱風對流干燥依然是大宗糧食常用的干燥方法,經過幾十年的發展應用,其干燥產品質量有了進一步提高;先進的真空干燥、低溫干燥等技術雖然能顯著提高糧食產品的品質,但存在著設備和運行成本偏高的問題,極大地制約了先進技術裝備的推廣應用。從國內外干燥技術的發展情況來看,常規的單一模式干燥技術裝備在應用過程中存在著瓶頸問題,糧食干燥領域發展的趨勢是研究節能減排技術和優化組合干燥技術及其裝備,以降低能耗、提高干燥效率和糧食品質。

1.1 熱風干燥

熱風干燥是傳統的干燥技術,也是目前應用最為廣泛的糧食干燥方法。熱風干燥采用具有一定溫度的熱空氣,經過所要干燥的糧粒表面以除去糧食中的水分。目前,我國蔬菜脫水工業 90%采用的是常壓熱風干燥[3],生產實踐中常用的糧食機械干燥設備,仍以對流傳熱干燥方式為主[4]。熱風干燥可分為連續式和批式干燥兩大類,其熱源燃料大部分采用煤炭,也有少部分利用生物質秸稈、稻殼及燃油等。在糧食熱風干燥中,應用較多的是順流干燥、順混流干燥和流化床干燥等干燥方式。

熱風干燥操作簡單,成本低廉,干燥速度較快,在較高工作溫度環境下其效能較高,但因干燥處理溫度高,造成部分糧粒熱損傷,其色香味和營養成分遭到破壞,產品檔次降低,不適宜高品質糧種或類型的干燥;而在較低工作溫度環境下熱風干燥熱效率大受影響,能源利用率較低,經濟效益指標下降。

1.2 低溫真空干燥

低溫真空干燥處理是根據糧食水分沸騰蒸發溫度的高低隨環境壓力大小而變化的原理,利用蒸汽射流真空技術形成具有一定真空度的空間,在真空低溫狀態下連續對含水率高的糧食進行脫水干燥。作業時糧食內外溫度梯度小,由逆滲透作用使得糧食中的水分獨自移動,克服了溶質散失現象。保證糧食烘后原有的色、香、味,營養成分、品質基本不變,便于儲藏、運輸和銷售。該方法具有處理量大、降水幅度高、操作靈活、使用方便等優點。其不足之處是設備一次性投資大,當前的塔形連續式真空干燥設備在干燥倉內無導向裝置,被干燥物料在倉內無法橫向交叉流動,倉體結構保溫性、密封性要求高,干燥后的糧食品質穩定性難以確保。此外,由于真空干燥的汽化沸點低、干燥溫度低,氧氣含量只有常壓干燥的 1/20,可用于糧食種子的干燥[5]。

1.3 就倉干燥

就倉干燥是將自然空氣或加熱空氣作為干燥介質,對倉內高水分糧食進行強制機械通風處理。其優點是糧食收獲后即可入倉,減少倉外晾曬、烘干等環節,可最大限度地保持糧食品質,一次性處理數量大,適合大批量、規模化干燥處理。

就倉干燥技術在國外發展較快,我國雖然也早有探索,但國內約 80%的儲糧倉型為房式倉,因其占地面積、體積較大,致使輸送機械設備配套困難且嚴重不足,加之受通風、數控等相關技術發展水平的制約,使之難以達到規模應用[6]。目前,適合我國房式倉儲糧形式的移動式立體就倉通風干燥技術已經在部分地區投入實際應用,該成套設備采用組合方式,移動安裝方便,可以設備移動代替糧堆移動,設備一次投資,可多次多倉使用。

1.4 熱泵干燥

熱泵技術是從低溫熱源吸收熱量,使其在較高溫度下放出可利用熱量的技術,是一種節能效果明顯而又切實可行的新型干燥技術。利用制熱工質在蒸發器中減壓蒸發,從干燥尾氣中回收利用余熱,而氣態工質再經壓縮機壓縮后進入冷凝器,在較高溫度下冷凝釋放出潛熱預熱新鮮空氣,使干燥介質得到比廢氣溫度還高的溫度,達到干燥物料的目的[3]。在國外,熱泵干燥技術已廣泛應用于谷物、果蔬、水產品等物料的加工過程。我國熱泵干燥技術的研究起步于 20世紀 80年代,近年來,雖然熱泵干燥技術的研究也有一定的進展,但在糧食規模化應用方面還沒有取得實際性突破。熱泵干燥技術的最大特點在于低水分干燥階段發揮最大效能,節能效果好,但物料干燥時間較長 (12～16 h/批)[7]。

1.5 太陽能干燥

太陽能干燥是利用太陽輻射的熱能,將濕物料中的水分蒸發除去的干燥技術,屬于可持續發展的“綠色”干燥技術。太陽能儲量相當豐富,到達地球表面的太陽輻射能量約為 8.5×1016W,這個數量相當于目前全世界總發電量的幾十萬倍。我國大部分地區太陽能輻射量較大,2/3的國土年輻射時間超過2 200 h,年輻射總量超過 5 GJ/m2[8-9]。利用太陽能進行糧食干燥一般有兩種方式,一是以空氣或水為介質,在有陽光照射的情況下利用太陽能熱水器可以將水溫加熱到 98℃,再利用熱水介質來干燥物料;二是建立暖房,將被干燥物料置于暖房內干燥。太陽能干燥最大的不足是受天氣狀況的影響大,且一次性投資較大。

1.6 微波干燥

無論是日光、熱風等傳統干燥方法還是比較先進的真空冷凍及熱泵干燥方法,它們的傳熱機理均是基于對流或傳導加熱,熱量是從外部向內部逐漸傳遞,因此干燥時間普遍較長。微波是指頻率為 300 MHz～300 GHz、波長為 1 mm～1 m的電磁波。其干燥原理是依靠高頻電磁波引發干燥物料內水等極性分子的運動,使物料內的水等極性分子按微波頻率作同步旋轉和擺動。水等極性分子高速旋轉的結果,使物料內部瞬時產生摩擦熱,導致物料內部和表面同時升溫,使大量的水分子從物料中蒸發逸出,從而達到干燥的目的[10]。微波具有加熱速度快、干燥時間短、選擇性好、能源利用率高和便于控制等優點,但單純使用微波進行糧食干燥時,因其穿透糧層厚度較薄,為防止能量的泄漏,其連續化、規模化糧食干燥應用受到一定限制。

1.7 紅外輻射干燥

紅外光是介于可見光與微波之間的電磁波,波長在 0.75～1 000μm之間。紅外輻射具有傳遞熱效率高、加熱時間短、工作環境潔凈、設備噪音低、節約能源、裝置緊湊、便于自動化,無污染、易吸收等優點,而且能夠較有效地避免或減少“爆腰”現象[11-13]。紅外干燥與熱風干燥相比,其干燥時間可縮短 1/30～1/10,能耗可降低 1/3～1/2,干燥設備長度可縮短到原來的 1/10,溫度可精確控制在 ±0.01～±0.001之間[3]。但實際應用中紅外輻射處理量較少,特別是大型紅外糧食干燥機比較少見。

1.8 聯合干燥

聯合干燥的研究是近幾年發展起來的,研究人員進行了多種聯合干燥技術的探索和研究,如微波-熱風干燥聯合[14-15]、射頻 -流化床干燥聯合[16]、太陽能 -熱泵干燥聯合[17]、塔式 -就倉干燥聯合等。聯合干燥就是根據物料的干燥特點,集成兩種或兩種以上的干燥技術裝備,實現節能、保質和高效干燥效果。例如微波真空聯合干燥,采用真空可以降低水的蒸發溫度,使物料在較低的溫度下快速蒸發,同時還可避免氧化,改善了干燥品質。因此,將微波技術與真空技術相結合就成為一項極具發展前景和實用價值的新技術。它不僅具有干燥速度快、時間短、物料溫度低、色、味及有效成分保留好等優點,而且參數容易控制,能干燥多種不同類型的物料。

2 糧食干燥技術展望

綜合糧食干燥技術而論,在考慮干燥成本 (能耗)、干燥效率、干燥品質及干燥設備等各方面因素,可以確定聯合干燥技術,特別是基于微波處理的各種聯合干燥技術以及具有明顯節能效果的基于天然能源及熱泵的聯合干燥技術是最適合、最具有發展潛力的有效干燥方法,也最具有工業化應用前景。

2.1 基于太陽能 -秸稈生物質能聯合干燥技術

在石化能源日趨枯竭的情況下,尋求可再生能源和能源的多元化已成為世界發展大勢。生物質能源是人類能夠長久依賴的未來能源,其儲量豐富、且可再生利用。生物質能源的大力開發,對改善我國的能源結構,改變能源的生產方式和消費方式有重要意義。同時,生物質作為能源資源比石油、煤炭、天然氣等燃料,在減少有害氣體排放方面具有更大的優越性,因生物質中的含硫量為 0.01%～0.1%,遠低于煤中含硫量 (0.5%～1.5%)[18]。

我國生物質秸稈資源總量約 7.2億噸,其中麥秸、稻草、秸稈約 5億噸。近幾年秸稈資源以年均1.4%的速度增長。在總農作物秸稈中,還田和收集損失約占 16.2%,飼用占 28.1%,造紙原料占2.1%,可用作能源的為 53.6%[19]。太陽能和秸稈生物質能聯合方式干燥糧食,將天然太陽能和生物質秸稈資源有效利用結合起來,可使太陽能利用不再受限于天氣狀況。

2.2 基于微波處理 -熱風聯合干燥技術

微波處理 -熱風聯合干燥技術在未來幾年的研究將側重于微波場均勻性、微波系統性能整體優化及熱風干燥節能工藝的研究。具體的研究方向可能分布于微波功率源的優化組合及微波能傳輸系統、微波功率的連續穩定輸出、微波能傳輸損耗、干燥參數 (輸送速度、溫度、時間、微波場強等)組合工藝以及干燥過程對產品質量的影響規律等方面。如優化微波源饋能裝置、微波干燥室結構、耦合口及其排列方式、配合模式互補饋能、定向耦合及可變衰減技術、微波泄漏安全等。

2.3 基于熱泵低溫除濕 -熱風聯合干燥技術

熱泵低溫除濕 -熱風聯合干燥技術,一般在干燥前期采用熱泵低溫 (30～45℃)脫水,后期采用熱風 (50～60℃)對流干燥,將熱泵低溫干燥技術節能環保、干燥品質高的優勢與熱風對流的低成本、高效率的長處結合起來。其研究將側重于回熱型多級除濕熱泵干燥技術及其配套裝備,利用運行工況不同的兩組 (或以上)熱泵系統串聯除濕,干燥介質依次流經高溫和低溫蒸發器、低溫和高溫冷凝器,經過蒸發器時空氣溫度逐級遞減,經過冷凝器時空氣溫度則逐級遞增。通過多級熱泵配置,降低系統換熱的能量損失,從而提高熱泵壓縮機的制冷效率。研究內容主要有優化熱泵干燥工藝參數 (干燥介質流速、溫度、濕度)與干燥特性的關系、建立回熱器換熱面積、多級蒸發器 (冷凝器)面積與熱泵制冷效率及運行參數間的關系、實現余熱回收及節能干燥等。

2.4 傳統干燥節能減排技術

目前,傳統干燥節能減排技術主要有改進燃燒爐的結構、提高燃煤燃燒效率、強化換熱器換熱效率、減少散熱損失、回收余熱廢氣、避免糧食的過分干燥、采用優化的干燥工藝 (如組合工藝、多級干燥工藝及干濕糧混合工藝)等。

“順流 -逆流 +緩蘇”的組合干燥工藝法,就是將干燥工藝進行了有效地優化。該工藝中可根據糧食受熱溫度實行“分段變溫干燥”,各干燥段之間設有緩蘇段,“干燥 -緩蘇”交替進行。干燥初始,糧食水分較高,利用順流干燥風溫高的特點,糧食流向與熱水流一致,溫度最高的熱水管道首先和水分最高、溫度最低的糧食接觸,熱效率高,降水效果好;干燥后期,由于糧食水分較低,糧食溫度已有一定程度的升高,若繼續采用順流高溫干燥,則熱效率低、降水效果差且對產品品質不利;此時改用逆流干燥,糧食流向與熱風方向相反,溫度最高的空氣首先和水分最低、溫度最高的糧食接觸,熱效率高,起到了節能作用并且降水效果好[18,20]。

此外,各類糧食聯合干燥中傳質傳熱的理論研究(例如如何引導和利用糧食中客觀存在的熱勢、濕勢和生化勢,使之成為傳質傳熱的有效動力)、聯合干燥模型模擬以及干燥過程可控技術的研究的也是未來研究的方向。

3 結束語

目前,國內對糧食干燥技術和設備的研究非常分散,沒有形成一個立體化的系統,各科研院所、高等院校以及企業大多是只針對某一特定的糧食產品或者技術進行實驗室規模的研究。當前急需解決的問題是如何能迅速降低糧食干燥操作成本、在節能減排的同時,又能提高干燥產品的品質。因此,天然綠色能源及低能耗、低成本的新型聯合干燥關鍵技術的研究與示范,將引領糧食干燥的時尚潮流,對促進我國糧食豐產豐收及農產品加工增值等均具有重要的意義。

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Application and Development Trend of Grain Drying Technique

Ren Guangyue1Zhang Zhongjie2ZhuWenxue1Duan Xu1
(College of Food and Bioengineering,Henan University of Science and Technology1,Luoyang 471003)
(Academy of State Administration of Grain2,Beijing 100037)

Grain drying techniques and methods are introduced.The advantage and disadvantage in the practical application for hot-air drying,low-temperature vacuum drying,in-store drying,heat pump drying,solar-drying,microwave drying,far-infrared radiation drying and combined-drying are analyzed comprehensively,and the devel2 opment trend of these drying techniques and methods are reviewed.New energy utilization,combined-drying and the techniques of energy-saving and pollutant-reducing of traditional drying are analyzed,at the same time,drying cost(power consumption),drying efficiency,drying quality and drying equipment are considered comprehensively.It is re2 vealed that new natural green energy,low power consumption,low cost and combined-drying techniques are the de2 velopment direction of grain drying.Energy-saving and pollutant-reducing drying technologies will be popular in the future.

grain,drying technique,combined-drying,development trend

S226.6

A

1003-0174(2011)02-0124-05

國家科技支撐計劃 (2009BADA0B03),河南省重點科技攻關計劃(092102110023),河南科技大學科學研究基金(2008ZY040)

2010-03-02

任廣躍,男,1971年出生,博士,副教授,農產品干燥技術