太陽能牧草干燥成套設備干燥工藝參數優化

錢 旺 楊世昆 劉貴林 賀 剛 王振華 杜建強

(中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院有限公司， 呼和浩特 010010)

0 引言

苜蓿草是高產優質的蛋白質飼料之一，面對國內蛋白質飼料短缺的情況，如何高效獲得優質苜蓿草是行業內亟待解決的重要問題[1-2]。太陽能低溫干燥能夠最大限度地減少苜蓿草營養成分的損失[3]。

利用太陽能干燥牧草最早起源于歐洲，但目前在歐洲仍主要采用燃油高溫快速干燥設備干燥牧草。國內、外學者主要開展高溫快速干燥、強制對流干燥和熱風干燥的研究，在苜蓿草太陽能低溫干燥方面的研究很少。FARHANG等[4]研究了利用微波原理對苜蓿草進行干燥，通過微波爐試驗找到不同功率對干燥速率的影響規律；HRISTOV[5]研究了不同干燥方式對紫花苜蓿青貯料干物質和蛋白質降解性能的影響，發現苜蓿草干燥速度對蛋白質溶解度有影響；SILES等[6]研究了苜蓿草的干燥動力學，并進行了濕度和溫度對干燥速度影響的模擬；車剛等[7]研究了紫花苜蓿熱風干燥特性，發現在熱風溫度為190～200℃時，其干燥速率較高；呂黃珍等[8]以輕柴油為燃料，導熱油為載體，研究了對幾種牧草種子干燥的效果；王全喜等[9]研究了牧草種子熱泵輔助型太陽能儲熱干燥設備設計與試驗，發現4種供熱干燥模式的耗電量之比為0.9∶1.0∶1.2∶1.5；杜建強等[10]利用太陽能低溫干燥試驗臺進行了苜蓿草含水率和表面溫度對干燥時間影響的研究；而太陽能低溫干燥參數(進口溫度、風速)對干燥工藝和干燥后苜蓿草營養品質的影響因素方面的研究很少。

本文根據自行設計的9TGK-1.5型太陽能牧草干燥成套設備的運行情況及生產能力，提出影響牧草干燥的基本因素，利用干燥試驗臺對苜蓿草干燥特性進行理論研究和分析，找出苜蓿草干燥過程中不同進口溫度、進口風速組合下，干燥速率和干基含水率隨干燥時間的變化規律，并對苜蓿草干燥模型進行擬合回歸，對干燥后的苜蓿草營養成分變化情況進行初步研究，最終提出太陽能干燥成套設備的最優干燥工藝及參數方案，以期為太陽能干燥設備相關工藝參數的設計和編制提供優化的依據。

1 材料與方法

1.1 設備總體結構

9TGK-1.5型太陽能牧草干燥成套設備總體結構包括太陽能空氣集熱器、調頻風機、風送系統、牧草干燥倉、計算機自動控制柜和自動抓草斗具等[11]，如圖1、2所示。

圖1 太陽能干燥設備圖 Fig.1 Drawing of solar drying equipment

圖2 太陽能干燥設備原理圖 Fig.2 Diagram of solar drying equipment 1.太陽能集熱系統 2.風送系統 3.自動抓草斗具 4.牧草干燥倉

該設備的工作原理：抓草斗具實現苜蓿草的自動進料和出料，廠房頂部太陽能空氣集熱器對熱空氣進行收集，調頻電動機將熱空氣通過風送系統送入干燥倉，調頻電動機和溫控系統通過計算機對進口風速、進口溫度進行控制。

1.2 苜蓿草的干燥工藝流程及工藝參數

9TGK-1.5型太陽能牧草干燥成套設備可對苜蓿草、黑麥草、蘇丹草、披堿草、羊草等牧草進行干燥生產。由于早期太陽能集熱器集熱效率所限，9TGK-1.5型太陽能牧草干燥成套設備設定了統一的干燥工藝流程和參數，干燥工藝參數設定為進口風速1.5 m/s、進口溫度45℃(圖3)。課題組發現在苜蓿草干燥生產中干燥工藝不合理，參數不理想。設定不同的進口溫度和進口風速，最終干燥苜蓿草的用時不同，營養品質也不同。為了細化9TGK-1.5型太陽能牧草干燥成套設備的干燥工藝，優化干燥工藝參數，通過試驗臺進行干燥機理研究，對苜蓿草干燥模型進行擬合回歸，優化苜蓿草的干燥工藝。

圖3 太陽能干燥設備工藝流程圖 Fig.3 Process flow chart of solar drying equipment

1.3 試驗裝置

如圖4、5所示，由中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院自行設計的太陽能牧草干燥試驗臺，主要由透射聚光型太陽能空氣集熱器和牧草干燥試驗臺兩部分組成，透射聚光型太陽能空氣集熱器安裝于實驗室屋頂之上，收集的太陽能是熱風的主要能源。牧草干燥試驗臺放置于實驗室屋內地面上，兩者之間通過風管連接。干燥試驗臺具體包括電子稱量儀、入風室、溫度探頭、濕度探頭、干燥箱、溫控柜、數據記錄儀、計算機等部分。

圖4 干燥試驗臺結構示意圖 Fig.4 Schematic drawing of solar drying test-bed 1.電子稱量儀 2.入風室 3.溫度探頭 4.濕度探頭 5.干燥箱 6.溫控柜 7.數據記錄儀 8.計算機

圖5 干燥試驗臺實物圖 Fig.5 Drawing of solar drying test-bed

1.3.1參數的測量方案

試驗儀器如圖6所示，干燥箱下端均勻布置3個0.05級精度的BK-5型電子稱量傳感器，量程為300 kg，可測量試驗臺上苜蓿草質量。進風口布置有精度為0.2 m/s的FTS64-2011-10M型風速傳感器和準確度±0.5℃、±2%的JWSK-6W1WDB型溫、濕度傳感器，量程分別為0～30 m/s和-40～120℃、0～100%，控制單元通過傳感器精準控制進口溫度和進口風速。溫、濕度傳感器可對干燥箱內不同高度的溫、濕度進行實時監測。計算機控制系統可以在線顯示時間、溫度、風速、苜蓿草質量等參數并進行存儲。另外，本試驗還用到DGQ型電熱干燥箱、N962E型風速儀、電子天平、DH516-A型紅外在線水分測定儀等儀器。

圖6 干燥試驗儀器 Fig.6 Instruments of drying test

1.3.2測量的控制方案

在測試系統實施中，通過變頻器、可編程控制器PLC和上位計算機對風機轉速進行控制，將透射聚光型太陽能空氣集熱器內產生的熱空氣由風管引入到實驗室內牧草干燥特性試驗臺中。溫度控制器PID可實現計算機對輔助熱源電加熱空氣的控制，進行干燥空氣的溫度調節。風道內和干燥箱入口處布置了勻風裝置，實現了干燥空氣的均勻分布。物料相關的參數測量數據全部由上位計算機進行存儲與分析，見圖7。

圖7 干燥試驗臺測控系統 Fig.7 Measurement and control system of solar drying test-bed

1.4 試驗材料

苜蓿草原料采自內蒙古呼和浩特市托克托縣種植場的金皇后初花期紫花苜蓿。

1.5 試驗方案

根據生產實踐和已有的苜蓿草干燥試驗基礎數據提出了6組參數組合方案，見表 1。經試驗研究得出6組干燥時間和苜蓿草質量的數據。計算得出干基含水率、水分比和干燥速率，繪制干基含水率、干燥速率隨時間變化的曲線，并對其進行定量分析。每次測試的鮮苜蓿草質量均為5 000 g。

表1 不同風速、溫度試驗 Tab.1 Different wind speeds and temperatures test

苜蓿草干燥試驗在溫度為(27±2)℃、相對濕度為(30±5)%、風速為0 m/s的實驗室環境中進行。

試驗干燥流程：鮮苜蓿草→自然堆放→熱風干燥→冷卻→品質指標測定。干燥后的苜蓿草濕基含水率控制在 15%～17%(安全含水率)。

1.6 測量指標

1.6.1苜蓿草原始濕基含水率

苜蓿草刈割后，隨機取5個樣本，做切碎處理，使其長度為15 mm。每個樣品質量為50 g，裝入鋁盒內，立即稱量。按照草樣制作要求迅速進行干燥處理。該試驗采集草樣的含水率采用DGQ型電熱干燥箱進行干燥。在105℃下恒溫干燥24 h，然后取出干燥后的苜蓿草放入干燥皿中冷卻至常溫(23℃左右)，再稱其質量[12]。苜蓿草的原始濕基含水率計算公式為

(1)

式中m0——樣品干燥前質量，g

me——樣品干燥后質量，g

測定數據如表2所示。經計算，物料原始濕基含水率為77.4%。

表2 苜蓿草原始濕基含水率測定結果 Tab.2 Measurement of raw materials moisture content

1.6.2干基含水率

試驗過程中苜蓿草質量的測定由試驗臺架上的電子稱量傳感器完成。干基含水率Mt、水分比MR[13]計算公式為

(2)

(3)

式中Mt——t時刻物料干基含水率，g/g

MR——水分比

mt——t時刻物料質量，g

md——物料中干物質質量，g

M0——物料初始干基含水率，g/g

1.6.3干燥速率

干燥速率定義為濕物料在單位時間內單位面積(物料和干燥介質的接觸面積)汽化的水分質量[14]。若物料與干燥介質的接觸面積不易確定，可用干燥強度來表示干燥速率。干燥強度定義為物料干基含水率隨時間的變化率，通常用Vd表示[15]。計算公式為

(4)

式中Vd——干燥速率，g/(g·min)

Md，j+1、Md，j——tj+1、tj時刻干基含水率，g/g

t——干燥時間，min

在試驗過程中濕物料的質量因失去水分而逐漸減少，用牧草濕基含水率不能直接描述干燥所除去的水分。而絕對干料的質量在干燥過程中是不變的，故用干基含水率來衡量干燥速度更合理，試驗操作起來更方便[16-17]。

1.7 數據的采集

試驗開始前先稱取準備好的鮮苜蓿草，試驗中每隔20 min讀取干燥試驗臺電子稱量傳感器讀數，將每一次測量數據填入記錄表內，如表3所示。由式(2)～(4)分別計算可得干基含水率、水分比和干燥速率。

表3 物料質量mt試驗數據 Tab.3 Material quality mt of test data g

1.8 數學模型和計算

為了尋找合適的苜蓿草干燥模型，根據國內、外學者在干燥模型方面的研究成果，結合課題研究的物料物理特性，選擇了目前干燥研究領域比較常見的3種物料干燥動力學的半經驗和經驗模型，如表4所示。3種模型中，Newton方程就是Page方程中n=1的修正方程[18]，因此，只要研究Page方程和Logarithmic方程是否與苜蓿草干燥特性試驗曲線吻合即可。

表4 物料干燥模型 Tab.4 Drying model of alfalfa

注：a、b為干燥模型中的經驗系數；k為干燥常數；n為待定系數[22-23]。

對兩種物料干燥模型進行非線性擬合處理，并對其進行線性回歸分析。

Logarithmic方程線性化后表示為

-lnMR=kt-lna

(5)

Page方程線性化后表示為

ln(-lnMR)=lnk+nlnt

(6)

由線性化后的函數可得-lnMR-t和ln(-lnMR)-lnt的關系圖。

1.9 苜蓿草品質檢驗

對各組干燥后的苜蓿草草樣進行營養成分品質化驗[24]。課題組委托相關實驗室對苜蓿干草重要指標進行了營養成分品質化驗，品質化驗參考方法如下：按GB/T 6432—1994測定粗蛋白含量；按GB/T 6433—2006測定粗脂肪含量；按GB/T 6434—2006測定粗纖維含量；胡蘿卜素的測定參照《糧油籽粒品質及其分析技術》[3-4]。通過化驗結果對比苜蓿草干燥后營養成分的保有量情況。

2 試驗結果與討論

2.1 不同試驗參數下苜蓿草干基含水率

圖8為干基含水率隨干燥時間變化曲線，圖9為水分比MR隨干燥時間變化曲線。水分比MR的變化趨勢與干基含水率變化趨勢一致。由圖8、9分析可知，有4組試驗達到苜蓿草的安全含水率所用的時間較少，即 第2、3、5、6 組；第1組所需干燥時間較長；從試驗條件可以看出第2組與第5組進口溫度相同，進口風速不同，在干燥第1階段(65 min內)2條曲線干基含水率基本接近，在第2、3階段(65 min后)第5組干基含水率明顯低于第2組，因此，在干燥第2、3階段進口風速對干燥特性影響大于進口溫度對其的影響；由第4組試驗數據分析可得，進口風速過低將會使濕空氣無法完全散出，不能達到預期干燥的效果。比較第2組、第4組和第5組干燥速率曲線，在第2、3階段表現為進口溫度相同時，進口風速越大干燥速率越快。由此可知在干燥過程的3個階段合理選擇進口溫度和進口風速很重要。

由苜蓿草干燥特性曲線及數據分析可知，苜蓿草干燥工藝應采用多參數分段式干燥。苜蓿草干燥處于第1階段時，結合節能角度考慮選擇進口溫度為50℃，進口風速為1.5 m/s 。苜蓿草干燥處于第2、3階段時，為了達到快速干燥的效果，選擇進口溫度為50℃，進口風速為2.5 m/s 。通過試驗數據分析，采用分段式干燥工藝及干燥參數，3個階段干燥速率會明顯增大。

圖8 干基含水率曲線 Fig.8 Curves of moisture content of drying base

圖9 水分比曲線 Fig.9 Curves of moisture ratio

2.2 不同試驗參數下苜蓿草干燥速率

由試驗數據繪制苜蓿草干燥速率曲線如圖10所示，不同進口溫度和進口風速條件下的干燥速率變化曲線的總體趨勢相同。通過苜蓿草干燥試驗，發現干燥特性曲線的干燥速率分為3個階段。第1階段干燥速率快，苜蓿草的水分散失主要以游離水分蒸發為主，此類水分與物料的結合力較弱，在干燥過程中易于除去。第2階段干燥速率由最大值開始降低，此時苜蓿草的水分散失主要以物化結合水分為主，此類水分與物料的結合比較穩定，在干燥過程中較難除去。第3階段干燥速率趨于一個恒定值，主要是苜蓿草化學結合水分的蒸發，此類水分是按照一定的數量和比例與化合物結合而生成帶結晶水的化合物中的水分，不易干燥。第1階段與第2、3階段干燥速率由快轉慢存在一個轉折點，由圖10可得干燥速率最大值點，根據試驗數據計算該點苜蓿草濕基含水率為48%。為了實際生產中便于操作，確定濕基含水率(48±2)%為苜蓿草干燥特性3階段的分段點。從圖10可知，最先達到干燥分段點的是第6組，干燥速率達到峰值所用的時間是52 min。苜蓿草干燥速率由進口溫度、進口風速決定，進口溫度越高，進口風速越大，苜蓿草干燥速度越快；之后達到干燥分段點的是第2、3、5組，分別用時 66、63、65 min，比較第6組和第5組試驗數據可知第1階段進口溫度對干燥速率有很大影響。第2組和第5組的干燥速率幾乎在相同時間達到峰值，干燥第1階段進口溫度對干燥特性影響大于進口風速的影響。

圖10 苜蓿草干燥速率曲線 Fig.10 Drying rate curves of alfalfa

2.3 數學模型分析

2種模型效果可由-lnMR-t和ln(-lnMR)-lnt關系得出。擬合曲線如圖11、12所示。

圖11 Logarithmic方程擬合曲線 Fig.11 Fitting curves of Logarithmic equation

圖12 Page方程擬合曲線 Fig.12 Fitting curves of Page equation

根據圖11、12，比較2組線性回歸曲線可以看出兩種模型擬合效果各不相同，干燥溫度不同，適合的干燥模型也不同。

為證明Logarithmic方程和Page方程在苜蓿草干燥方面的適用性，對試驗數據進行回歸分析，得到干燥模型的各決定系數R2。擬合結果如表5、 6所示。

表5 Logarithmic 方程擬合結果 Tab.5 Fitting results of Logarithmic equation

表6 Page方程擬合結果 Tab.6 Fitting results of Page equation

干燥模型擬合程度由R2決定，一般情況下R2在 0.9～1 之間，模型擬合效果比較理想， Page方程擬合的R2均大于 0.9，故可以認為其可靠性較好，Logarithmic方程擬合效果R2不理想。所以認為Page方程作為苜蓿草干燥模型比較理想，利用該模型能夠準確預測苜蓿草干燥特性。

由Page模型可確定水分比MR和時間t的關系，分段點MR值由式(2)、(3)計算可得。分段干燥時間由第2組的Page方程(6)確定，即進口溫度50℃、進口風速1.5 m/s時，將分段點MR值、k=0.003 9、n=1.232 3代入Page方程可得分段干燥工藝的第1階段干燥時間T1。T1作為分段式干燥工藝流程理論分界點，可編入程序由計算機控制。

3 干燥工藝參數優化與干燥生產驗證

3.1 試驗方案

通過6組試驗數據的對比分析，給出最優參數方案：干燥第1階段，出于節能考慮選擇進口溫度為50℃，進口風速為1.5 m/s 。干燥第2、3階段，為了達到快速干燥的效果，選擇進口溫度為50℃，進口風速為2.5 m/s。為了驗證參數優化方案的效果，將參數優化方案和上文的6組參數方案，共計7組參數方案分別在9TGK-1.5型太陽能牧草干燥成套設備上進行試驗驗證。

3.2 試驗條件

苜蓿草原料為內蒙古呼和浩特市托克托縣種植場的金皇后紫花苜蓿，原始濕基含水率為76.2%。試驗環境為空氣溫度26℃，空氣濕度18%，風速2 m/s。試驗時間為2017年8月28日11：00。試驗地點為內蒙古呼和浩特市托克托縣種植場。

3.3 試驗設備

9TGK-1.5型太陽能牧草干燥成套設備，中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院有限公司研制。

對9TGK-1.5型太陽能牧草干燥成套設備進行了干燥生產驗證。生產驗證使用的儀器設備有DH516-A型紅外在線水分測定儀、DGQ型電熱干燥箱、N962E型風速儀、電子天平等。

3.4 驗證方案

3.4.1干燥模型驗證

通過在線水分測定儀對苜蓿草試驗生產過程的監測記錄，驗證Page干燥模型的合理性，為不同含水率苜蓿草干燥工藝流程提供依據(Page方程代入表6的參數和最終水分比，可得干燥時間)。

3.4.2干草營養品質化驗

對7組參數方案干燥后的苜蓿草進行營養成分品質化驗[25]。化驗結果見表7。

3.5 驗證結果

(1)根據表7可以看出，苜蓿草實際干燥時間與Page方程理論推導苜蓿草干燥時間相對誤差在5%以內，吻合程度很高，說明Page方程可以作為該設備干燥不同含水率苜蓿草干燥工藝流程的模型。從7組數據可以看出優化后的參數(第7組)相比設備原參數(第1組)在干燥苜蓿草效率上提高了34.4%。

(2)通過7組數據的營養成分化驗結果可以看出，第5組和第7組的苜蓿草各項營養成分保有量最高，尤其是粗蛋白和胡蘿卜素，而粗蛋白和粗纖維指標決定苜蓿干草的品質分級。通過品質檢測結果分析和相關研究成果總結，發現牧草在干燥溫度升高時會伴隨著芳香性氨基酸揮發和蛋白質變性[24]。故選擇溫度參數為50℃作為干燥苜蓿草的溫度是合理的(第3、6組不適合低溫干燥)。苜蓿市場普遍采用干草檢測報告和干草外觀物理描述兩種方法對干草進行分級標識。根據美國農業部對進口苜蓿草等級劃分依據，粗蛋白質量分數為18%～20%和20%～22%的苜蓿草分別為三級和二級苜蓿草，而第5組和第7組相比第1組蛋白質質量分數高出近2個百分點。因此，采用優化后的工藝參數(第7組)相比設備原參數(第1組)，粗蛋白和胡蘿卜素等營養成分保有量提高，苜蓿草銷售價格也會提高。

表7 苜蓿草干燥時間與營養成分 Tab.7 Dry time and nutrient compositions of drying alfalfa

(3)考慮到第5組和第7組都是比較理想的參數方案，第7組在干燥第1階段進口風速為1.5 m/s，干燥第2、3階段為2.5 m/s ，第5組進口風速為2.5 m/s，從能耗方面考慮，通過理論計算干燥第1階段(67 min內)第7組和第5組的能耗差異，節省能耗約為15%。因此，在干燥效果相近的情況下，選擇第7組的參數方案為最優工藝參數方案。新工藝流程圖相比設備原工藝圖，將干燥過程劃分為2個階段分別進行干燥，由計算機控制工藝流程程序、傳感器監測干燥生產過程，可實現自動干燥生產。圖13是設備干燥苜蓿草的工藝流程圖和工藝參數，圖14是第7組試驗后苜蓿干燥的外觀質量。

圖13 太陽能干燥設備新工藝流程圖 Fig.13 New process flow chart of solar drying equipment

圖14 苜蓿草干燥效果 Fig.14 Drying effect of alfalfa

4 結論

(1)通過試驗數據分析可得苜蓿草干燥特性分為3個階段。第1階段干燥速率快，苜蓿草的水分散失主要以游離水分蒸發為主。第2階段干燥速率由最大值開始降低，此時苜蓿草的水分散失主要以物化結合水分為主。第3階段干燥速率趨于一個恒定值，主要是苜蓿草化學結合水分的蒸發。

(2)針對苜蓿草干燥特性，制定分段式干燥工藝及工藝參數。干燥第1階段，進口溫度對干燥特性影響大于進口風速的影響，同時考慮節能，選擇進口溫度為50℃，進口風速為1.5 m/s 。干燥第2、3階段，進口風速對干燥特性影響大于進口溫度的影響，為了提高干燥速率，選擇進口溫度為50℃，進口風速為2.5 m/s。分段式干燥工藝分界點的濕基含水率為48%，為了實際生產中便于操作，確定濕基含水率范圍為(48±2)%，作為干燥工藝分段點參考范圍。

(3)通過干燥模型線性回歸分析得出， Page模型最適合描述苜蓿草太陽能干燥曲線的變化規律。Page模型為苜蓿草太陽能干燥工藝的制定和干燥設備生產實踐提供優化依據。

(4)通過9TGK-1.5型太陽能牧草干燥成套設備對分段式干燥工藝及工藝參數的試驗驗證，結合干草品質化驗結果，采用優化后的工藝參數方案，干燥苜蓿草效率提高了34.4%，進口溫度為50℃時有效控制了芳香性氨基酸揮發和蛋白質變性，苜蓿干草的粗蛋白和胡蘿卜素等營養成分保有量高。